碱基切除修复因子SmuG1与肿瘤的研究进展

郑丽娇，彭冬先，王观凤，黄洁

0 引言

机体细胞中的DNA会不断受到体内外多种因素的影响，有害化学物品、紫外线、放射线、有害的细胞代谢产物、机体的自发突变等均能导致DNA的损伤[1]。而人体在受到各种内外因素的影响下仍能保持遗传信息的稳定性，与机体的DNA损伤修复功能密切相关[1-2]。DNA修复效率存在个体差异，不同个体或细胞具有不同DNA修复效率，与恶性肿瘤发生发展、预后、治疗效果密切相关。在过去几年中，研究表明通过调控肿瘤中DNA修复基因是改善或预测癌症疗法功效的有效策略[3]。DNA损伤修复通路包括直接修复、碱基切除修复（base excision repair, BER）、错配修复、核苷酸切除修复和双链断裂修复等基本形式。碱基切除修复是解决自发性、烷化和氧化性DNA损伤的主要途径，至少20个蛋白质参与NER修复过程, 包括ERCC1、XRCC1、XRCC3等。BER途径基因的表达异常或缺陷与多种实体肿瘤有关[4]。单链选择性单功能尿嘧啶DNA糖基化酶（singlestrand selective monofunctional uracil DNA glycosylase, SmuG1）是人类中由SmuG1基因编码的酶。SmuG1是BER途径重要的一种糖基化酶，可从核染色质中的单链和双链DNA中去除尿嘧啶（Uracil,U），从而有助于BER。SmuG1被证实与结直肠癌、乳腺癌、宫颈癌、胃食管癌等多种肿瘤的遗传易感性、化疗敏感度、生存率以及侵袭转移等相关[5-8]。本文主要对SmuG1的结构表达、生物学特性、参与的信号通路、与肿瘤发生发展及耐药的关系等作以下综述。

1 SmuG1的基本结构和表达方式

人类总共有四种糖基化酶负责去除U病变：尿嘧啶DNA糖基化酶（UNG/UDG），单链选择性单功能尿嘧啶DNA糖基化酶（SmuG1），胸腺嘧啶DNA糖基化酶（TDG）和甲基结合域4（MBD4）[9]。除MBD4外，其他三种糖基化酶都属于UDG超家族。虽然UDG超家族的三个成员都删除了U，但它们扮演的角色却显著不同[10]。BER识别并切割尿嘧啶的糖苷键，产生脱碱基位点，随后由脱嘌呤/脱嘧啶核酸内切酶1（APE1）切割，然后由聚合酶β（polβ）去除脱氧核糖磷酸（dRP）并插入与未配对的鸟嘌呤（G）相对的胞嘧啶（C），最后由连接酶连接切口[11-12]。SmuG1是蛋白质编码基因，参与BER的相关途径包括端粒C-链合成和脱嘧啶化。SmuG1具有增加的底物耐受性，能够从ssDNA、U相对的A或G以及卤化和氧化的尿嘧啶衍生物中切除U。与超家族的其他两个成员不同，SmuG1不经历细胞周期调节，而是以恒定的低水平表达。有趣的是，SmuG1倾向于在核仁中积累，其中包含活性转录和浓缩染色质的区域[13]，即使在UNG存在的情况下，SmuG1也能有效地防止基因组尿嘧啶积累。因此，SmuG1在非复制染色质中修复脱氨基胞嘧啶（U:G）可能更为重要。

2 SmuG1的生物学特性及相关信号通路

细胞DNA暴露于多种外源性和内源性损伤剂，损伤可使细胞发生诱变、凋亡，甚至获得转化的潜力。核碱基损伤，例如C至U的脱氨基，通过BER途径修复。BER可以在体外核小体核心颗粒中进行，但修复效率受到尿嘧啶-DNA糖基化酶和DNA聚合酶b在核小体核心上的活性降低的限制。UNG2和SmuG1都能够从U:A以及U:G碱基对中去除尿嘧啶，最后由AP位点通过短补丁BER途径修复。SmuG1和UNG2通过不同的机制协调BER的初始步骤[6]。SmuG1以前被认为是尿嘧啶-DNA糖基化酶的备用酶，最近已被证明可以切除5-羟基尿嘧啶、5-羟甲基尿嘧啶、5-甲酰尿嘧啶、带有氧化的基团环C5以及尿嘧啶[14]。同时，SmuG1被证实不受细胞周期调节并且均匀分布在核质中，具有更广泛的底物特异性[15]。SmuG1识别基因组中的基础病变并通过从单链和双链DNA中去除尿嘧啶来启动碱基切除修复系统，但作为尿嘧啶残基特异性的单功能DNA糖基化酶，SmuG1首选单链DNA作为底物。该基因存在许多可变剪接的转录物变体，仍有不少变体的全长性质尚不清楚[16-17]。

尿嘧啶-DNA修复对于防止突变至关重要[18]，目前有证据表明SmuG1从U:A以及U:G碱基对中去除尿嘧啶，得到的AP位点通过BER途径修复。尿嘧啶也被引入DNA作为抗体基因多样化的一部分，其去除对抗体多样化同样至关重要[6]。 已知UNG是尿嘧啶去除的主要参与者，但当耗尽时，SmuG1可以为抗体多样化过程中的UNG提供支持。除尿嘧啶外，SmuG1还除去了几种嘧啶氧化产物[19]。 并具有从DNA中去除胸腺嘧啶氧化产物5-羟甲基尿嘧啶的特定功能。

SmuG1具有广泛的核定位，核仁有一定的富集。研究表明SmuG1与交互假尿苷合成酶Dyskerin（DKC1）共定位在核仁和Cajal体内。SmuG1切除了RNA中的修饰碱基，并证明SmuG1含有5-羟甲基脱氧尿苷的单链RNA，但不是假尿苷，核苷由DKC1的尿苷异构化产生。 SmuG1的消耗，特别是SmuG1和DKC1的组合损失，导致成熟的28S和18S rRNA种类中5-hm（Urd）的积累。SmuG1在rRNA质量控制中起作用，部分是通过调节rRNA中的5-hm（Urd）水平。此外，DKC1参与SmuG1与47S rRNA结合。所以，BER酶SmuG1是DKC1互动合作伙伴。该SmuG1/DKC1的互动目标是复杂的核仁，它通过调节5-hm（Urd）的水平有助于它rRNA质量控制[20]。Korourian等研究还发现Wnt信号通路E2F6和RhoA和SmuG1之间存在显著相关性，揭示Wnt信号通路与BER途径之间存在某种联系[6]。

3 SmuG1与肿瘤的关系

对BER基因表达的精细调节，例如微小RNA（miRNA）所施加的转录后调节，可能影响该修复系统的效率。靶基因30个非翻译区（UTR）内单核苷酸多态性（SNP）的存在可以改变与特异性miRNA的结合，调节基因表达，并最终影响癌症易感性、预后和治疗结果[21-22]。

SmuG1是蛋白质编码基因。SmuG1的异常表达与乳腺癌、直肠乙状结肠肿瘤、骨淋巴瘤、宫颈癌等癌症的发生发展密切相关[5]。其相关途径是端粒C链（Lagging Strand）合成和识别以及DNA糖基化酶与含有受影响的嘧啶的位点的关联。 与该基因相关的基因本体论（GO）注释包括DNA N-糖基化酶活性和氧化的嘧啶核碱基损伤DNA N-糖基化酶活性[22]。

低SmuG1转录物可损害DNA修复，从而增加突变率，增强染色体不稳定性并促进更多具有攻击行为的恶性克隆的选择。低SmuG1表达也与BRCA1、ATM和XRCC1相关，暗示低SmuG1肿瘤中的基因组不稳定。在小鼠研究中，SmuG1的丢失被证明可以增加癌症的易感性[23]。此外，低SmuG1转录物可能与较差的存活率相关[7]，并与乳腺癌中的侵袭性表型相关[24]；与正常脑组织相比，星形细胞瘤中SmuG1表达显著下降；SmuG1被确定为预测结肠癌患者存活率低的独立预后因素[17]；宫颈癌患者SmuG1低表达与不良临床病理类型相关[25]。SmuG1单核苷酸多态性（SNPs）与食管癌和胃癌患病风险相关[26]。

然而，胃癌中的低SmuG1显示出相反的结果[27]，SmuG1表达与患者的不良生存率相关。一种可能的解释是，在胃癌中，炎性反应是致癌作用的驱动因素，并且低浓度的SmuG1可有益于修复氧化性碱基损伤（通常见于炎性环境中），在这种情况下，与耗尽相反，SmuG1的表达升高可以作为存活的潜在生物标志物。因此，SmuG1在肿瘤发生发展中具有复杂的作用，可能基于癌症的类型及其性质而扮演不同的角色[8]。

4 SmuG1与化疗耐药的关系

铂是多种肿瘤的一线化疗药物，其细胞毒性作用主要通过进入细胞与DNA结合并激活凋亡途径。SmuG1编码参与BER途径的DNA去甲基化和DNA修复的蛋白。其上调表明对铂类诱导的DNA损伤的反应增强，并在联合治疗中靶向SmuG1可能通过增加细胞对DNA损伤的易感性来增加铂类活性。据报道，SmuG1表达的变化与铂类化学敏感度呈负相关。

5-氟尿嘧啶（Fu）已被广泛用于治疗一系列常见癌症超过四十年[5]。氟取代的尿嘧啶类似物转化为几种活性代谢物，但细胞毒性的机制仍不清楚。在广泛引用但未经证实的模型中，Fu被认为通过抑制胸苷酸合酶来杀死细胞，并且在DNA复制期间增加使用dUTP代替TTP，随后切除高水平的尿嘧啶导致新合成的DNA的片段化[19]。 UNG和SmuG1最有可能在复制过程中解决尿嘧啶和5-Fu的基因组掺入问题。体外研究表明UNG对Fu:A与U:A碱基对的活性大大降低，这可以解释为什么UNG对体内Fu修复没有贡献，因为相比UNG，SmuG1在体内对5-Fu敏感度明显增加[10]。有人提出，SmuG1可作为预测药物反应生物标志物，并可解释某些类型肿瘤的获得性耐药机制[10,28]。

5 小结

综上, SmuG1是UDG超家族三大糖基化酶之一，与UNG、TDG共同参与BER，在DNA损伤修复中发挥着不可替代的作用，对于维持机体基因稳定性至关重要。研究发现SmuG1在多种实体肿瘤细胞中存在异常表达, 且与肿瘤临床病理类型、癌细胞的侵袭转移以及患者生存率均相关，且由于它的DNA损伤修复能力, 促使化疗药物引起的癌细胞凋亡受到抑制, 从而产生化疗耐药。所以，研究SmuG1作为新型抗肿瘤药物的治疗靶点具有重大意义。虽然研究发现SmuG1和Wnt信号通路E2F6和RhoA以及DKC1相关，但目前关于SmuG1与肿瘤关系的具体分子机制尚不清楚，仍需进一步研究。