XPA的生物效應

文 武

[摘要] XPA是NER過程中不可缺少的蛋白。NER在維持細胞以及組織基因組穩定性方面發揮著重要的作用,缺乏XPA,生物體內的NER機制將不能正常進行,突變積累,基因組穩定性下降,最終導致癌癥的發病率升高。本文主要闡述XPA的生物性狀以及XPA在DNA修復以及中的作用,為進一步了解腫瘤的發生以及腫瘤的耐藥性,提供一定的線索。

[關鍵詞] XPA;DNA修復;腫瘤

人類基因組在不斷的編碼各種信息以保護自身的穩定性的同時,DNA修復酶還不停的修復著致癌性或者細胞毒性物質造成的DNA損傷。這些損傷可分為內源性損傷和外源性損傷兩大類。內源性的DNA損傷包括:水解、氧化、烷化、錯配等,外源性的損傷有IR、紫外線 UV、各種化學藥物以及一些目前尚不能完確定的飲食因素。然而,更多的DNA輕微變異是由一些不可避免的因素造成的,比如水、活性氧化劑,一些代謝產物比如烷化劑等,這些都可以導致細胞增生停止,細胞凋亡等。DNA修復途徑主要有[1]:①堿基切除修復(Base Excision Repair);②核苷酸切除修復(Nucleotide Excision Repair NER);③錯配切除修復(Mismarch Repair MMR);④重組修復(Recombinational Repair)。由于NER機制能夠修復大量的DNA損傷,且是細胞中唯一能夠修復雙鏈DNA損傷的途徑,因此在維持細胞基因組穩定性方面發揮著重要作用。由于XPA在NER過程中發揮著重要作用,下面就XPA的生物性狀、功能等做一簡單介紹。

1 XPA基因的生物學特性

1.1 XPA的發現

XPA最初從著色性干皮病(xeroderma pigmentosum,XP)發現的,XP[2]最先是由匈牙利裔的皮膚病教授Kaposi等描述的。作為一種常染色體隱性遺傳病,著色性干皮病的最主要特征是患者皮膚對陽光敏感并可在幼年發展為瘍。隨后幾乎90%的患者會在十多歲發生基底細胞癌、鱗狀細胞癌、黑色素瘤等皮膚癌。在紫外線作用下,XP患者罹患皮膚癌的機率顯著高于正常,約為正常人的1000倍。C1eaver等首先發現該病是由于患者對紫外線照射造成的核苷酸損傷切除修復缺陷所致。到目前已有7組互補型及一種XP變異型被發現,與之相對應的基因分別被命名為XPA、XPB、XPC、XPD、XPE、XPF、XPG和XPV。

1.2 XPA的分子生物學特性

XPA基因含有六個外顯子,其中E1編碼與RPA34結合部分,E2編碼與ERCC1結合結構,E3編碼鋅指結構,E4和E5編碼looprich subdomain,與DNA結合結構,E6編碼TFIIH結構[3]。XPA與其他NER蛋白結合,在NER過程中發揮著復雜的作用,其中任何一個外顯子發生變異,都將導致其功能喪失,進而導致NER效率降低。在XPA基因的六個外顯子中,E3、E4/E5具有重要作用,XPA生物效應的發揮,依賴于其與DNA的結合能力以及結合方式,E3突變,導致其不能與DNA結合,則NER的后續反應不能繼續發生。

2 XPA與NER

NER機制能夠修復大量的DNA損傷,NER過程可分為4個步驟:①XPC/hHR23B結合到損傷的DNA上,啟動NER過程;②XPA、RPA、TFIIH聚集到損傷部位,打開DNA螺旋結構、穩定單鏈DNA并為NER機制定向;③單鏈結合蛋白RPA結合到未損傷鏈上,為XPG(3內切酶)和ERCC1與XPF復合體(5′內切酶)定位。④損傷剪切后,在DNA多聚酶以及其他因子作用下修復切除的DNA片段。在NER過程中,DNA損傷被識別之后,XPA聚集到損傷部位,之后其他各種NER因子通過XPA蛋白的協調,在NER機制中發揮作用[5]。NER[6]又可分為兩個亞途徑:即泛基因組修復(Global Genome Repair GGR)和轉錄偶聯修復(TranscriptionCoupled Repair,TCR)。GGR[7]參與基因組任何序列損傷的修復,對于阻止癌癥的發生具有重要作用。TCR修復具有轉錄活性基因轉錄鏈上的DNA損傷,其主要作用是延緩衰老過程。XPA參與了NER的兩個途徑,并且,在缺乏XPA的細胞或動物中,NER機制不能夠進行,可見,XPA是NER過程中的必須蛋白。

有研究發現XPA是NER過程的限速蛋白。如果細胞中缺乏XPA蛋白,NER過程不可能發生。Beate K oberle et al[8]等研究發現:XPA/小鼠對UV以及順鉑的敏感性明顯增高,而且由于不具備NER功能,不能夠清除UV照射產生光產物,也不能夠修復順鉑造成的DNA損傷,導致小鼠各種腫瘤的發生率明顯上升。Gerdine J[8]等研究發現XPA蛋白在成纖維細胞中的量與NER效率明顯相關,即XPA可能為NER機制的限速蛋白之一。此外,XPA基因含六個外顯子,不同的外顯子編碼不同的氨基酸結構。其中E1編碼與RPA34結合結構,E2編碼與ERCC1結合結構,E3編碼鋅指結構,E4和E5編碼looprich subdomain,與DNA結合結構,E6編碼TFIIH結構。其中任何一個外顯子發生變異,都將導致其相應的功能喪失,進而導致NER效率降低甚至NER不能發生。其中E3/E4 E5/E6變異還將導致XPF和XPG在DNA上的結合方式改變,即由持續機制(processisive mechanism) 變為間斷機制(distributive mechanism),導致XPF和XPG在NER中內切酶作用大幅度降低,從而大大降低了NER效率。由此可見,XPA在一定程度上確實能夠影響NER的速率,是NER的限速蛋白。然而,另外一些研究則發現[9],在人類細胞系中,大約每個正常細胞中約有15~20萬分子XPA,此時細胞對UV造成的損傷作用能夠快速修復;XP12RO是一種XPA缺陷細胞,給這種細胞中注入5萬分子的XPA蛋白時,其對UV造成損傷的修復能力與正常細胞相同;當其中XPA分子減少到15萬時,其對UV造成的損傷后產生的光產物清除半衰期為1 h,只有當XPA分子降低到1萬分子時,其半衰期為3 h,此時細胞對于UV的敏感性降低。它們認為XPA的表達量對于NER效率的影響并不大。

此外,Maria Dusinska[10]等研究發現,XPA不僅參與了NER機制,同時還參與了氧化堿基的修復。

3 XPA與腫瘤發生

動物試驗研究發現,缺乏XPA基因的xpa/小鼠沒有NER功能,對于UV的敏感性明顯升高,而且更容易被誘導出各種腫瘤。同時,XP患者對于UV的敏感性升高1000倍,更容易發生皮膚癌等各種腫瘤。可見,XPA無論在細胞還是組織中都發揮著非常重要的作用。很多研究發現XPA在肺癌細胞中表達低于正常肺組織中的表達,并且認為低表達的XPA與肺癌的發生相關。此外,Ulla Vogel[11]等研究發現,XPA的多態性同樣與肺癌的發生相關。筆者的研究發現,膀胱癌中肺癌的表達明顯低于膀胱組織中,結合XPA在膀胱癌中的作用,我們認為,XPA的低表達,在一定程度上導致了膀胱癌的發生(資料未發表)。目前XPA與腫瘤發生之間的關系尚不明確,然而,鑒于XPA在NER中的重要作用,XPA的變異或異常表達對于腫瘤的發生具有一定的影響。

4 XPA與腫瘤耐藥性

Beate Koberle[12]等研究發現,XPA在睪丸細胞株中表達降低,并且,低表達的XPA直接導致了睪丸細胞對于化療敏感性升高。往睪丸細胞株GCT27注入40ngXPA蛋白后,GCT27細胞NER效率升高,且對順鉑的抵抗性升高。我們的研究發現,非小細胞肺癌以及膀胱移行細胞癌中XPA的表達明顯低于正常肺組織、膀胱組織中XPA的表達(資料未發),然而肺癌、膀胱癌對于化療敏感性并不高,我們推測,在肺癌以及膀胱癌中,P53介導的凋亡機制參與了癌組織的耐藥性。而與肺癌和膀胱癌不同的是,在睪丸細胞株中已經證實,其高表達的非突變P53與其對化療藥物的高敏感性無關。最近研究發現[13,14],在XPA缺陷的人類細胞中,ATR(ataxia telangiectasiamutated and Rad3related)介導的凋亡機制信號轉導缺陷,導致細胞凋亡能力降低,在一定程度降低了化療藥物的敏感性。

5 XPA變異與疾病

展望:綜上所述,我們發現,雖然XPA在NER修復途徑過程中發揮著重要作用,然而,對于其在各種生物效應中的具體作用尚不清楚。①XPA是否為NER的限速蛋白,目前尚不能確定,還需進一步研究;②XPA的多態性是否是腫瘤發生的危險因素之一,以及XPA多態性是如何影響腫瘤發生的;③膀胱癌、肺癌中XPA表達降低,然而導致XPA表達降低的原因尚不明確,以及XPA降低對于膀胱癌肺癌的具體影響等,都還需要進一步研究;④人類細胞中發現,XPA參與了ATR介導的凋亡機制,然而,XPA的這種生物效應是否在人體組織中同樣存在以及其具體意義,目前尚不明確。

鑒于XPA在DNA修復過程中的重要作用,我們推測,其在腫瘤以及其他生物機制(如衰老)中具有重要的生物學價值,進一步研究XPA的功能,對于預防腫瘤的發生以及提高腫瘤的治療,具有重要意義。

參考文獻

[1] Vermeulen W. Action of DNA repair endonuclease ERCC1/XPF in living cells. Science,1999,284(5416):958961.

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[6] Beate K oberle et al. XPA protein as a limiting factor for nucleotide excision repair and UV sensitivity in human cells. DNA repair,2006,5:641648.

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[11] James M. Ford et al.Regulation of DNA damage recognition and nucleotide excision repair: Another role for p53. Mutation Research,2005,577:195202.

[12] Ekaterina A. Maltseva et al.Ekaterina A. MaltsevaCrosslinking of the NER damage recognition proteins XPCHR23B, XPA and RPA to photoreactive probes that mimic DNA damages. Biochimica et Biophysica Acta,2007,1770:781789.