EXO1蛋白在DNA損傷中研究進(jìn)展

吳珊 邱俊 陳俊宇 陳瑩瑩 王月婷 王楠 劉淑香 趙淑華

(1吉林大學(xué)第二醫(yī)院，吉林 長(zhǎng)春 130041；2空軍航空大學(xué)門診部；3吉林大學(xué)護(hù)理學(xué)院；4浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬婦產(chǎn)科醫(yī)院)

核酸外切酶(EXO)1兼有5'端-3'端外切酶及5'端結(jié)構(gòu)特異性內(nèi)切酶活性〔1〕，屬于皮瓣結(jié)構(gòu)特異性內(nèi)切酶(Rad)2/著色性干皮病(XP)G組蛋白家族的成員。EXO1蛋白具有EXO1a及EXO1b兩種異構(gòu)體，其中EXO1b的C端額外具有48個(gè)氨基酸，因而活性明顯優(yōu)于EXO1a〔1〕，但兩者的功能并無(wú)區(qū)別。

EXO1不僅參與DNA損傷細(xì)胞的周期調(diào)控和細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)，還在DNA錯(cuò)配修復(fù)(MMR)、DNA雙鏈斷裂修復(fù)(DSBR)、DNA損傷應(yīng)答(DDR)、DNA末端剪切及細(xì)胞分裂的重組修復(fù)中發(fā)揮重要作用。研究表明，EXO1基因缺陷可能增加乳腺癌、卵巢癌及肺癌等多種惡性腫瘤的易感性及化療耐藥性。此外，EXO1的多態(tài)性可預(yù)測(cè)胰腺癌、頭頸部鱗狀細(xì)胞癌、上皮性卵巢癌及非小細(xì)胞肺癌的預(yù)后〔2〕。本文就EXO1蛋白在DNA損傷中研究進(jìn)展予以綜述。

1 EXO1參與細(xì)胞周期調(diào)控

真核細(xì)胞發(fā)生DNA損傷時(shí)，調(diào)控DNA修復(fù)及細(xì)胞周期進(jìn)程的信號(hào)通路激活，從而保持基因組的完整性〔3〕，EXO1可與多種細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白相互作用。在細(xì)胞增殖的S期，增殖細(xì)胞核抗原(PCNA)與EXO1表達(dá)共定位，通過(guò)與EXO1中的PCNA相互作用蛋白盒(PIP-box)結(jié)合，激活EXO1對(duì)雙鏈DNA(dsDNA)的外切酶活性〔4〕。DNA損傷檢測(cè)點(diǎn)Cdc25磷酸化可介導(dǎo)細(xì)胞G1/S期轉(zhuǎn)化，并為14-3-3蛋白提供結(jié)合位點(diǎn)〔5〕。14-3-3蛋白具有多種異構(gòu)體，在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞凋亡及細(xì)胞分裂中發(fā)揮重要作用，其中，14-3-3η及σ可激活人EXO1蛋白。研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)直腸癌細(xì)胞中14-3-3σ過(guò)表達(dá)可誘導(dǎo)G2期阻滯，在dsDNA末端剪切過(guò)程中14-3-3σ可抑制PCNA依賴的EXO1蛋白激活途徑，DNA損傷時(shí)EXO1蛋白還可作為半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(caspase)-3的上游分子，參與細(xì)胞凋亡〔6〕。

2 EXO1參與DNA MMR

MMR是一種高度保守的DNA修復(fù)途徑，通過(guò)更正DNA復(fù)制、修復(fù)及重組過(guò)程中出現(xiàn)的DNA堿基錯(cuò)配、插入和缺失環(huán)(IDLs)，維持基因組穩(wěn)定性〔7〕。MMR分為兩種途徑，一方面，減數(shù)分裂重組蛋白(MRE)11、DNA交聯(lián)修復(fù)蛋白(DCLRE)1C及FAN1 (FANCD2/FANCI-Associated Nuclease 1)不依賴EXO1直接參與MMR〔8〕。另一方面，EXO1蛋白的N端和C端分別與錯(cuò)配修復(fù)蛋白Muts同源體(MSH)3、MLH1 和MSH2相互作用，從而完成MMR〔9〕。MSH2和MSH6形成異二聚體MutSα，識(shí)別堿基錯(cuò)配和最多3 nt的IDL；MSH2和MSH3形成異二聚體MutSβ，識(shí)別13 nt大小的IDL，從而啟動(dòng)MMR〔10〕。之后，MutL同源體(MLH)1和MLH4形成具有內(nèi)切酶活性的異二聚體MutLα，后者與PCNA及復(fù)制因子(RF)C一同聚集至錯(cuò)配位點(diǎn)，繼而招募EXO1與MutSα(或β)及MutLα相互作用，對(duì)含有錯(cuò)配堿基的DNA鏈進(jìn)行剪切。在此過(guò)程中，復(fù)制蛋白(RP)A通過(guò)調(diào)節(jié)EXO1蛋白對(duì)DNA的親和力，確保剪切的安全性〔11〕。研究發(fā)現(xiàn)，EXO1敲除的細(xì)胞微衛(wèi)星不穩(wěn)定性(MSI)增加，EXO1基因缺陷小鼠的腫瘤易感性增加〔12〕。

3 EXO1參與DDR

DDR是一種復(fù)雜的DNA損傷修復(fù)機(jī)制，通過(guò)多種蛋白的參與，恢復(fù)DNA的完整性及保真性，維持其遺傳穩(wěn)定性。其中，F(xiàn)ANA、B、C、E、F、G、L和M可啟動(dòng)DNA鏈間交聯(lián)(ICL)修復(fù)，MSH2、MSH3、MSH6、MLH1和MLH4可啟動(dòng)MMR修復(fù)，XPC組、損傷特異性DNA結(jié)合蛋白(DDB)2和可卡因綜合征蛋白(CS)A可啟動(dòng)核苷酸切除(NER)修復(fù)，Ku蛋白及MRE11-RAD50-NBS1(MRN)復(fù)合物可分別啟動(dòng)非同源末端連接(NHEJ)修復(fù)及同源重組(HR)修復(fù)，多腺苷二磷酸核糖聚合酶(PARP)可啟動(dòng)DNA單鏈斷裂(SSB)修復(fù)。研究發(fā)現(xiàn)，EXO1敲除小鼠發(fā)生染色體斷裂及堿基錯(cuò)配的概率升高，淋巴瘤易感性增加；EXO1null/null細(xì)胞的染色體不穩(wěn)定，對(duì)電離輻射的敏感性高〔13〕。在DNA損傷修復(fù)的過(guò)程中，RPA與DNA損傷反應(yīng)蛋白激酶ATM及ATR結(jié)合并發(fā)生磷酸化，從而參與DNA修復(fù)過(guò)程。有證據(jù)表明EXO1參與RPA的招募，通過(guò)HR修復(fù)維持基因組穩(wěn)定性〔14〕。此外，PARP1合成的PAR不僅參與EXO1向DNA損傷位點(diǎn)的快速募集，也參與調(diào)節(jié)EXO1的外切酶活性〔15〕。同時(shí)，PARP1可與EXO1相互作用并激活EXO1的5'端剪切活性〔16〕。

4 EXO1與DNA末端剪切

在所有DNA損傷中，DNA雙鏈斷裂(DSB)對(duì)細(xì)胞的危害作用最強(qiáng)，如不及時(shí)修復(fù)，可阻斷DNA復(fù)制、引起染色體缺失，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡或腫瘤轉(zhuǎn)化。DSBR過(guò)程包括相互競(jìng)爭(zhēng)的兩種作用，一是Ku蛋白依賴的NHEJ途徑，另一種是MRN復(fù)合物依賴的HR途徑〔17〕。Ku70和Ku80異構(gòu)體是構(gòu)成NHEJ的重要成分，與雙鏈DNA末端緊密結(jié)合，從而阻礙EXO1介導(dǎo)的DNA末端剪切，并防止核酸酶發(fā)生過(guò)度酶切〔17〕。而MRE11和SAE2〔人羧基末端結(jié)合蛋白反應(yīng)蛋白(CtIP)的同源基因〕可阻止Ku70/80參與DSBR，從而促進(jìn)EXO1的剪切〔18〕。此外，CtIP可直接與EXO1相互作用從而抑制后者的外切酶活性〔19〕。

DNA末端剪切是HR途徑的重要步驟，主要通過(guò)兩種途徑進(jìn)行，一種是RPA介導(dǎo)的DNA末端剪切途徑，另一種是由EXO1介導(dǎo)，通過(guò)激活BLM、MRN及RPA而發(fā)揮作用。Bloom綜合征解旋酶(BLM)可增加EXO1對(duì)DNA末端的親和力，MRN則負(fù)責(zé)招募EXO1并增強(qiáng)其作用〔20〕。研究發(fā)現(xiàn)，MRE11、RAD50或奈梅亨斷裂綜合征蛋白(NBS)1基因缺陷具有致死性，而EXO1基因缺陷雖然對(duì)小鼠的存活幾乎無(wú)影響〔13〕，但小鼠表現(xiàn)為嚴(yán)重的發(fā)育障礙、胚胎死亡及染色體不穩(wěn)定，在細(xì)胞表型上表現(xiàn)為DNA復(fù)制、DNA修復(fù)、檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)及DDR方面的功能缺陷〔21〕。EXO1外切酶活性可被人RecQ解旋酶RECQL1、BLM及Werner綜合征解旋酶(WRN)所激活〔22,23〕。然而，DNA末端被EXO1剪切的程度可能受到WRN、RPA、Ku70/80和(或)CtIP的限制〔24,25〕。此外，EXO1還通過(guò)微同源序列介導(dǎo)的末端連接，參與DNA剪切〔26〕。

5 EXO1與減數(shù)分裂重組修復(fù)

研究發(fā)現(xiàn)，小鼠需要 EXO1的酶切活性完成減數(shù)分裂Ⅱ期。EXO1null/null小鼠與野生型小鼠雜交后出現(xiàn)生育障礙〔12〕。相同大小或體重的EXO1null/null雄性小鼠的睪丸小于野生型小鼠。由于減數(shù)分裂Ⅱ期進(jìn)展障礙，EXO1null/null雄性小鼠的精子發(fā)生存在缺陷〔13〕，但EXO1在減數(shù)分裂中維持基因穩(wěn)定性的機(jī)制尚未明確。

6 EXO1與端粒維持

端粒位于染色體末端，通過(guò)端粒結(jié)合蛋白作用，防止DNA末端發(fā)生降解和DNA復(fù)制相關(guān)的損耗。端粒的末端攜帶t-loop結(jié)構(gòu)〔27〕，通過(guò)與端粒特異性結(jié)合蛋白復(fù)合物shelterin如TFR1和TFR2、POT1、RAP1、TIN2、TPP1、MRE11、Ku70/80、BLM、WRN及RECQL4等緊密結(jié)合發(fā)揮作用〔28〕。缺乏功能性shelterin的細(xì)胞表現(xiàn)為染色體不穩(wěn)定、端端染色體融合及端粒縮短。實(shí)驗(yàn)表明，端粒功能障礙是導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯的重要機(jī)制，可干擾細(xì)胞分裂，從而影響腫瘤形成〔29〕。然而研究發(fā)現(xiàn)，端粒功能失調(diào)的小鼠，EXO1缺失有助于維持器官穩(wěn)定性并延長(zhǎng)小鼠壽命，且不增加染色體不穩(wěn)定性及腫瘤形成，表明EXO1缺失可能在端粒功能失調(diào)中具有延長(zhǎng)生存期的作用〔30〕。

7 EXO1與年齡及惡性腫瘤的關(guān)系

EXO1缺失可影響基因組穩(wěn)定性，并降低神經(jīng)干細(xì)胞(NSCs)的增殖能力〔31〕，如EXO1null/nullNSCs表現(xiàn)出分化受損、嗅覺(jué)神經(jīng)減少、微衛(wèi)星和基因不穩(wěn)定性增加等現(xiàn)象〔31〕，但EXO1并不直接與年齡增長(zhǎng)或年齡相關(guān)疾病有關(guān)。

一些研究發(fā)現(xiàn)EXO1基因的單核苷酸多態(tài)性(SNP)與人類細(xì)胞中MSI及癌癥易感性相關(guān)〔32〕。EXO1蛋白在正常組織中多呈低表達(dá)，且不隨細(xì)胞周期及細(xì)胞增殖狀態(tài)的改變而變化〔33〕。但其表達(dá)呈組織特異性，如在小鼠模型中，EXO1蛋白在睪丸及脾臟中高表達(dá)，而在甲狀腺、淋巴結(jié)及骨髓組織中呈適度表達(dá)。在人類組織中，EXO1蛋白在甲狀腺、結(jié)腸及胎盤組織均有表達(dá)，但在睪丸中表達(dá)度最高〔11〕。EXO1蛋白在一些腫瘤細(xì)胞中呈過(guò)表達(dá)〔34〕，是乳腺癌、卵巢癌、肺癌及胃腸道腫瘤的易感基因〔35〕，且可能與腫瘤的化療耐藥有關(guān)〔36〕。

8 總結(jié)與展望

EXO1蛋白同時(shí)具有內(nèi)切酶及外切酶活性，不僅參與DNA損傷細(xì)胞的周期調(diào)控，調(diào)節(jié)細(xì)胞的凋亡，還通過(guò)與多種蛋白相互作用，參與MMR、DSBR、DDR、DNA末端切除與減數(shù)分裂和有絲分裂的重組修復(fù)等多種損傷修復(fù)，從而維持DNA的完整性及基因組的穩(wěn)定性。EXO1基因缺陷與肺癌、乳腺癌及卵巢癌等多種惡性腫瘤的易感性密切相關(guān)，可作為腫瘤標(biāo)志物用于高危人群篩查。此外，EXO1蛋白可能參與惡性腫瘤的化療耐藥，因此有望作為藥物研發(fā)的靶點(diǎn)，提高耐藥患者的化療敏感性。但EXO1蛋白在端粒維持中的作用仍需深入探索，且EXO1蛋白在DNA損傷修復(fù)機(jī)制中的具體信號(hào)通路及在惡性腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用仍需進(jìn)一步研究。