XRCC1在氧化应激诱导的DNA损伤及其修复过程中的作用及机制



XRCC1在氧化应激诱导的DNA损伤及其修复过程中的作用及机制

李炜娟肖元梅

(南昌大学医学院公共卫生学院，江西南昌330006)

〔关键词〕XRCC1;氧化应激;活性氧自由基;信号通路;DNA损伤

第一作者：李炜娟(1988-)，女，硕士，主要从事氧化应激损伤方面的研究。

氧化应激诱导的DNA损伤可引起神经退行变、癌症和阿尔茨海默等疾病〔1〕。碱基切除修复(BER)是氧化应激引起的DNA损伤修复的主要形式，在BER和单链断裂修复通路中，X线修复交叉互补基因1(XRCC1)充当脚手架蛋白招募DNA修复蛋白参与DNA损伤位点的修复〔2〕。

1XRCC1的结构及其生物学特点

XRCC1蛋白质分为三个功能域：(1)N末端功能域位于第1～183氨基酸残基之间，与DNA多聚酶β的C端区结合，通过改变其活性来完成DNA碱基切除修复；(2)中心功能域BRCT-Ⅰ区位于第315～403氨基酸残基之间，与PARP1 N端的锌指DNA结合区及BRCT区相互作用；(3)C端BRCT-Ⅱ区位于第538～633氨基酸残基之间，与DNA ligⅢ相互作用，通过改变其连接活性来完成DNA碱基切除修复。

2XRCC1在DNA断裂损伤中的作用

XRCC1是DNA单链断裂修复的重要因子。将人XRCC1基因的cDNA作为探针导入仓鼠体内，可使仓鼠XRCC1基因转染过程发生改变，使其获得修复DNA单链断裂的能力，最终获得抵抗氧化应激损伤的能力〔3〕。Xrcc1Nes-cre小鼠神经细胞(在小鼠神经干细胞导入Cre，通过中枢神经系统对Cre重组酶的特异表达诱导Xrcc1基因缺失)与缺乏XRCC1的CHO细胞(中国仓鼠卵巢细胞)类似，对突变剂异常敏感〔4，5〕。XRCC1除了参与DNA单链断裂修复外，还与非同源末端连接(NHEJ，双链断裂修复方式，修复时将断头直接连接起来，不需要进行同源重组)和核苷酸切除修复(NER，通常用来修复经受了大面积或不同寻常修饰的核苷酸)有关〔6，7〕。

3XRCC1在碱基切除修复过程中的可能机制

XRCC1与DNA多聚酶β的相互作用可能影响碱基切除修复过程中的DNA多聚酶β依赖性单核苷酸插入途径。核磁共振晶体分析显示XRCC1的N末端结构域(NTD)和DNA多聚酶β的C端区域具有较强的亲和力〔8〕。化学位移映像研究显示XRCC1和DNA多聚酶β在拇指和棕榈子域接口处结合，它们像三明治结构一样环绕在有缺口的DNA处〔9,10〕。与之前研究不同，XRCC1只与聚合酶β的拇指区域结合形成XRCC1-NTD/Polβ复合物，此复合物使XRCC1的拓扑结构、二硫键等结构发生了改变〔11〕。DNA多聚酶β以某种方式与氧化状态下的NTD(氧化形式的XRCC1-NTD与DNA Polβ的亲和力更强)结合，避免XRCC1与有缺口的DNA结合。

BER过程中，脚手架蛋白XRCC1 BRCT1中心区域与激活的PARP1 N端区域与BRCT区域结合完成损伤位点的修复。普遍认为，XRCC1参与BER过程中需要PARP1将其招募至DNA单链断裂缺口处〔12〕。Caldecott〔13〕发现PARP1通过直接与糖基化酶相互作用后才招募XRCC1至DNA损伤处。Campalans等〔14〕研究发现PARP1参与碱基切除修复过程中，启动DNA的糖基化酶和XRCC1缺一不可，XRCC1的作用更为重要。在Cos-7和Hela细胞中，XRCC1的过度表达对PARP的活性具有负调控作用。

DNA连接酶最初在大肠杆菌细胞中发现的，它的一个重要特点是DNA ligⅢ基因末端的锌指结构(与PARP1 N末端DNA结合区的锌指结构类似)能够与裂缝和缺口处的DNA结合〔15，16〕。碱基切除修复过程中，XRCC1与分子量96Ku 的DNA ligⅢ作用，形成具有生物学和动力学特性的DNAligⅢ/XRCC1复合物，此复合物以非常活跃的方式参与DNA裂隙处的缝合。Sallmyr等〔17〕研究发现DNAligⅢ/XRCC1复合物可能参与NHEJ(非同源性末端缝合)通路的修复。

总之，XRCC1可能与DNAPolβ、DNAligⅢ和PARP1一起形成复合物对断裂DNA单链进行修复。随着对碱基切除修复因子XRCC1作用机制研究的不断深入，将为氧化应激引起的DNA损伤修复研究提供新的线索，同时为临床基因治疗疾病开拓新的前景。

4参考文献

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.

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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.

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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〕

(编辑李相军)

通讯作者：肖元梅(1972-)，女，副教授，硕士生导师，主要从事重金属中毒机制与防治研究。

基金项目：国家自然科学基金项目(No.81160342)；江西省自然科学基金项目(20122BAB205047)；江西省教育厅科技项目(GJJ11312)

〔中图分类号〕R114；R363.1

〔文献标识码〕A

〔文章编号〕1005-9202(2015)22-6618-02；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2015.22.146