XRCC1在氧化應(yīng)激誘導的DNA損傷及其修復(fù)過程中的作用及機制

?

XRCC1在氧化應(yīng)激誘導的DNA損傷及其修復(fù)過程中的作用及機制

李煒娟肖元梅

(南昌大學醫(yī)學院公共衛(wèi)生學院，江西南昌330006)

〔關(guān)鍵詞〕XRCC1;氧化應(yīng)激;活性氧自由基;信號通路;DNA損傷

第一作者：李煒娟(1988-)，女，碩士，主要從事氧化應(yīng)激損傷方面的研究。

氧化應(yīng)激誘導的DNA損傷可引起神經(jīng)退行變、癌癥和阿爾茨海默等疾病〔1〕。堿基切除修復(fù)(BER)是氧化應(yīng)激引起的DNA損傷修復(fù)的主要形式，在BER和單鏈斷裂修復(fù)通路中，X線修復(fù)交叉互補基因1(XRCC1)充當腳手架蛋白招募DNA修復(fù)蛋白參與DNA損傷位點的修復(fù)〔2〕。

1XRCC1的結(jié)構(gòu)及其生物學特點

XRCC1蛋白質(zhì)分為三個功能域：(1)N末端功能域位于第1～183氨基酸殘基之間，與DNA多聚酶β的C端區(qū)結(jié)合，通過改變其活性來完成DNA堿基切除修復(fù)；(2)中心功能域BRCT-Ⅰ區(qū)位于第315～403氨基酸殘基之間，與PARP1 N端的鋅指DNA結(jié)合區(qū)及BRCT區(qū)相互作用；(3)C端BRCT-Ⅱ區(qū)位于第538～633氨基酸殘基之間，與DNA ligⅢ相互作用，通過改變其連接活性來完成DNA堿基切除修復(fù)。

2XRCC1在DNA斷裂損傷中的作用

XRCC1是DNA單鏈斷裂修復(fù)的重要因子。將人XRCC1基因的cDNA作為探針導入倉鼠體內(nèi)，可使倉鼠XRCC1基因轉(zhuǎn)染過程發(fā)生改變，使其獲得修復(fù)DNA單鏈斷裂的能力，最終獲得抵抗氧化應(yīng)激損傷的能力〔3〕。Xrcc1Nes-cre小鼠神經(jīng)細胞(在小鼠神經(jīng)干細胞導入Cre，通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)對Cre重組酶的特異表達誘導Xrcc1基因缺失)與缺乏XRCC1的CHO細胞(中國倉鼠卵巢細胞)類似，對突變劑異常敏感〔4，5〕。XRCC1除了參與DNA單鏈斷裂修復(fù)外，還與非同源末端連接(NHEJ，雙鏈斷裂修復(fù)方式，修復(fù)時將斷頭直接連接起來，不需要進行同源重組)和核苷酸切除修復(fù)(NER，通常用來修復(fù)經(jīng)受了大面積或不同尋常修飾的核苷酸)有關(guān)〔6，7〕。

3XRCC1在堿基切除修復(fù)過程中的可能機制

XRCC1與DNA多聚酶β的相互作用可能影響堿基切除修復(fù)過程中的DNA多聚酶β依賴性單核苷酸插入途徑。核磁共振晶體分析顯示XRCC1的N末端結(jié)構(gòu)域(NTD)和DNA多聚酶β的C端區(qū)域具有較強的親和力〔8〕。化學位移映像研究顯示XRCC1和DNA多聚酶β在拇指和棕櫚子域接口處結(jié)合，它們像三明治結(jié)構(gòu)一樣環(huán)繞在有缺口的DNA處〔9,10〕。與之前研究不同，XRCC1只與聚合酶β的拇指區(qū)域結(jié)合形成XRCC1-NTD/Polβ復(fù)合物，此復(fù)合物使XRCC1的拓撲結(jié)構(gòu)、二硫鍵等結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變〔11〕。DNA多聚酶β以某種方式與氧化狀態(tài)下的NTD(氧化形式的XRCC1-NTD與DNA Polβ的親和力更強)結(jié)合，避免XRCC1與有缺口的DNA結(jié)合。

BER過程中，腳手架蛋白XRCC1 BRCT1中心區(qū)域與激活的PARP1 N端區(qū)域與BRCT區(qū)域結(jié)合完成損傷位點的修復(fù)。普遍認為，XRCC1參與BER過程中需要PARP1將其招募至DNA單鏈斷裂缺口處〔12〕。Caldecott〔13〕發(fā)現(xiàn)PARP1通過直接與糖基化酶相互作用后才招募XRCC1至DNA損傷處。Campalans等〔14〕研究發(fā)現(xiàn)PARP1參與堿基切除修復(fù)過程中，啟動DNA的糖基化酶和XRCC1缺一不可，XRCC1的作用更為重要。在Cos-7和Hela細胞中，XRCC1的過度表達對PARP的活性具有負調(diào)控作用。

DNA連接酶最初在大腸桿菌細胞中發(fā)現(xiàn)的，它的一個重要特點是DNA ligⅢ基因末端的鋅指結(jié)構(gòu)(與PARP1 N末端DNA結(jié)合區(qū)的鋅指結(jié)構(gòu)類似)能夠與裂縫和缺口處的DNA結(jié)合〔15，16〕。堿基切除修復(fù)過程中，XRCC1與分子量96Ku 的DNA ligⅢ作用，形成具有生物學和動力學特性的DNAligⅢ/XRCC1復(fù)合物，此復(fù)合物以非常活躍的方式參與DNA裂隙處的縫合。Sallmyr等〔17〕研究發(fā)現(xiàn)DNAligⅢ/XRCC1復(fù)合物可能參與NHEJ(非同源性末端縫合)通路的修復(fù)。

總之，XRCC1可能與DNAPolβ、DNAligⅢ和PARP1一起形成復(fù)合物對斷裂DNA單鏈進行修復(fù)。隨著對堿基切除修復(fù)因子XRCC1作用機制研究的不斷深入，將為氧化應(yīng)激引起的DNA損傷修復(fù)研究提供新的線索，同時為臨床基因治療疾病開拓新的前景。

4參考文獻

1Rowe LA，Degtyareva N，Doetsch PW.DNA damage-induced reactive oxygen species (ROS)stress response in Saccharomyces cerevisiae〔J〕.Free Radic Biol Med，2008;45(8):1167-77.

2Hanssen-Bauer A.X-Ray repair cross complementing protein 1 in base excision repair〔J〕.Int J Mol Sci,2012;13(12):17210-29.

3Barrows LR,Paxton MB,Kennedy KA,etal.Characterization of revetants of the CHO EM9 mutant arising during DNA transfection〔J〕.Carcinogensis,1991;12(5):805-11.

4McNeill DR,Lin PC,Miller MG,etal.XRCC1 haploin sufficiency in mice has little effect on aging,but adversely modifies exposure-dependent susceptibility〔J〕.Nucleic Acids Res,2011;39(18):7992-8004.

5Lee Y,Katyal S,Li Y,etal.The genesis of cerebellar interneurons and the prevention of neural DNA damage require XRCC1〔J〕.Nat Neurosci,2009;12(8):973-80.

6Audebert M,Salles B,Calsou P.Involvement of poly(ADP-ribose) polymerase-1 and XRCC1/DNA ligase Ⅲ in an alternative route for DNA double-strand breaks rejoining〔J〕.J Biol Chem,2004;279(53):55117-26.

7Moser J,Kool H,Giakzidis I,etal.Sealing of chromosomal DNA nicks during nucleotide excision repair requires XRCC1 and DNA ligase Ⅲ alpha in a cell-cycle-specific manner〔J〕.Mol Cell,2007;27(2):311-23.

8Kubota Y,Nosh RA,Klungland A,etal.Reconstitution of DNA base excision-repair with purified human protiens:interaction between DNA polymerase beta and the XRCC1 protein〔J〕.EMBO J,1996;15(23):6662-70.

9Gryk MR,Marintchev A,Maciejewski UW,etal.Mapping of the interaction interface of DNA polymerase beta with XRCC1〔J〕.Structure,2002;10(12):1709-20.

10Marintchev A,Mullen MA,Maciejewski MW,etal.Solution structure of the single-strand break repair protein XRCC1 N-terminal domain〔J〕.Nat Struct Biol,1999;6(9):884-93.

11Cuneo MJ,London RE.Oxidation state of the XRCC1 N-terminal domain regulates DNA polymerase binding affinity〔J〕.Proc Natl Acad Sci USA,2010;107(15):6805-10.

12Hanssen-Bauer A,Solvang-Garten K,Sundheim O,etal.XRCC1 coordinates disparate responses and multiprotein repair complexes depending on the nature and context of the DNA damage〔J〕.Environ Mol Mutagen,2011;52(6):623-35.

13Caldecott KW.Single-strand break repair and genetic disease〔J〕.Nat Rev Genet,2008;9(8):619-31.

14Campalans A.Distinct spatiotemporal patterns and PARP dependence of XRCC1 recruitment to single-strand break and base excision repair〔J〕.Nucleic Acids Res,2013;41(5):3115-29.

15Mackey ZB,Niedergang C,Murcia JM,etal.DNA ligase Ⅲ is recruited to DNA strand breaks by a zinc finger motif homologous to that of poly (ADP-ribose) polymerase.Identification of two functionally distinct DNA binding regions within DNA ligase Ⅲ〔J〕. J Biol Chem,1999;274(31):21679-87.

16Leppard JB,Dong Z,Mackey ZB,etal.Physical and functional interaction between DNA ligase Ⅲ alpha and poly(ADP-Ribose) polymerase 1 in DNA single-strand break repair〔J〕. Mol Cell Biol,2003;23(16):5919-27.

17Sallmyr A,Tomkinson AE,Rassool F.Up-regulation of WRN and DNA ligase Ⅲ a in chromic myeloid leukemia:consequences for the repair of DNA double strand breaks〔J〕.Blood,2008;112(4):1413-23.

〔2014-11-30修回〕

(編輯李相軍)

通訊作者：肖元梅(1972-)，女，副教授，碩士生導師，主要從事重金屬中毒機制與防治研究。

基金項目：國家自然科學基金項目(No.81160342)；江西省自然科學基金項目(20122BAB205047)；江西省教育廳科技項目(GJJ11312)

〔中圖分類號〕R114；R363.1

〔文獻標識碼〕A

〔文章編號〕1005-9202(2015)22-6618-02；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2015.22.146