DNA聚合酶ε的生物学功能研究进展

张 驰,高世超 综述,王培昌 审校

(首都医科大学宣武医院检验科,北京 100053)

真核细胞DNA聚合酶包括DNA聚合酶α、β、γ、δ、ε 5种，其在DNA复制及DNA损伤修复中发挥关键作用[1]。DNA半保留复制是细胞有丝分裂的重要基础，DNA合成率下降是细胞衰老的主要生理机制。基于氧化损伤等导致的DNA损伤可引起DNA复制、转录及翻译异常，不仅与细胞凋亡、细胞转化密切相关，也与多种疾病的发生紧密关联。DNA聚合酶ε不仅参与DNA合成复制，还在DNA损伤修复过程中发挥重要作用，对于维持基因组完整性和遗传稳定性有重要意义。自DNA聚合酶ε在1970年首次发现后，有很多研究者对其功能进行了较为深入的研究，本文就DNA聚合酶ε的生物学功能最新研究进展进行综述。

1 DNA聚合酶ε的早期研究

真核DNA聚合酶ε于1970年首次从酵母中分离获得，其后许多研究者对其结构、功能和机制进行了研究。1995年NAVAS等[2]发现DNA聚合酶ε与DNA复制中的S相位点有相关性。1996年SHCHERBAKOVA等[3]以酵母菌为模型证明DNA聚合酶ε和DNA聚合酶δ可以对DNA合成的错误进行修复。2006年RYTKÖNEN等[4]对人类的DNA聚合酶α、DNA聚合酶δ和DNA聚合酶ε在S期过程中的作用进行研究，发现在DNA复制早期，DNA聚合酶ε是最活跃的。2010年OGI等[5]研究发现约50%的DNA修复合成是由CTF18-RFC和DNA聚合酶ε作用的。

2 DNA聚合酶ε的组成及结构

DNA聚合酶ε是DNA聚合酶B家族的成员之一，相对分子质量约为371×103，含有Pol2、Dpb2、Dpb3和Dpb4共4个亚基[6]，分别由 POLE1、POLE2和POLE3基因编码而成[7]。

Pol2是DNA聚合酶ε的催化亚基，相对分子质量为(147～156)×103，编码基因位于14号染色体，编码序列为NC_000014.9，长度为58 kbp。Pol2与其他B家族成员的催化亚基在结构上有同源性，其N端结构域与DNA聚合酶ε催化活性和外切酶活性密切相关，C端结构域的功能尚不清楚，但C端结构域中的锌指结构(CX2CX18CX2CX30CX2CX11CXC)与Dpb2的相互作用却是细胞存活所必须的[7]。

Dpb2是聚合酶ε的第2大亚基，相对分子质量为(59～86)×103，由3个部分组成，编码基因位于14号染色体，编码序列为NC_001148.4，长度为2.7 kbp。虽然Dpb2是非催化亚基，但其对细胞的存活至关重要[8]。所有包含保守性Dpb2结构的DNA聚合酶都与DNA复制有关，Dpb2的缺失虽然不会降低DNA聚合酶ε的催化活性，但如果Dpb2功能障碍，将导致DNA复制延长，延长S期，增加自发突变的发生[9]。最新的研究发现，Dpb2如发生突变，则不能激活nrm1调控的复制检查点，造成细胞死亡[10-12]。

Dpb3和Dpb4是2个最小的亚基，Dpb3的编码基因位于2号染色体，编码序列为NC_001134.8，长度为788 bp。Dpb4编码基因位于4号染色体，编码序列为NC_001136.10，长度为769 bp。Dpb3 和Dpb4是非必需亚基，与CCA AT结合因子密切相关，其并没有加强DNA聚合酶ε的催化活性，但是在正常的复制叉进程中，与Dpb11和Rad53的基因作用时，因其可保证反应的稳定性，所以又是必不可少的。并且它们在DNA复制过程中起到调节异染色质重组，确保染色质中表观遗传标记遗传的作用。

3 DNA聚合酶ε的相关蛋白

Dpb11是DNA复制和S期检查点所必须的[13]。在DNA复制起始时，Dpb11与DNA聚合酶ε结合形成CMG复合物，对复制叉的形成起重要作用[14]。TopBP1是Dpb11的人类同源体，Topbp1在人类细胞中缺乏并不会使细胞死亡，但是会使细胞由于S期中DNA链断裂而导致基因复制不稳定。

Mdm2是一种肿瘤相关蛋白，在许多人类肿瘤中水平升高，是p53的一个主要负调节因子，作为E3泛素连接酶，以p53为降解靶点。Mdm2的N-端166氨基酸区域与DNA聚合酶ε的C端结构域相互作用以刺激DNA聚合酶ε的活性，以此调节DNA聚合酶ε对DNA的校对及修复[6]。

Tim-tipin 复合体在S期检查点和复制叉稳定性中发挥了重要作用，但其生物功能的分子机制尚不完全清楚。最新的研究发现重组人Tim-Tipin复合物能够显著增强DNA聚合酶ε的合成活性[15]。

Mrc1是一种复制叉相关蛋白，在DNA复制和调节S期检查点的过程中都起到重要作用。DNA聚合酶ε通过Pol2的N端具有催化功能的结构域结合Mrc1的N端，并通过Pol2的C端结合Mrc1的C端。Mrc1与 Mcm6和DNA聚合酶ε相互作用，可以稳定解旋酶和DNA聚合酶ε之间的相互作用[16]。

4 DNA聚合酶ε的生物学功能

DNA聚合酶ε在复制DNA前导链和延迟链方面发挥重要作用，并且其在清除引导链中的DNA聚合酶δ产生的错误方面发挥重要作用。此外，DNA聚合酶ε还参与DNA损伤修复、细胞周期进程的控制、染色质重塑和遗传调控，以确保信息稳定地从母细胞转移到子细胞[17-20]。

4.1DNA聚合酶ε在DNA复制中的作用 细胞DNA复制机制是高度保守的，所有的生物体都以类似的方式进行半保留复制。DNA聚合酶ε在稳定的复制叉上进行主链DNA合成[21]。在S期复制开始时，通过包括Cdc45、Sld2、Sld3和Dpb11等多个蛋白的结合和磷酸化，形成CMG(Cdc45-MCM-GINS)复合物[22]，建立复制叉，在激活后，通过与CTF18-RFC结合，将PCNA加载到复制模板的3’端，作为DNA 合成的一个平台，用于DNA聚合酶的加载及冈琦片段的加工、DNA损伤修复、染色质组装和染色单体黏附。但在PCNA缺失的情况下，DNA聚合酶ε仍然能够独立合成DNA[23-24]。

4.2DNA聚合酶ε在DNA损伤修复中的作用 许多形式的内源性DNA损伤是自发产生的，在某些情况下是高频率发生的[25]。DNA聚合酶ε最初被认为能够修复人类细胞修复缺陷的可溶性因子，其与DNA聚合酶δ两者均能够支持核苷酸切除修复重组，因为两者的突变体均显示NER活性降低。直到2010年才发现约50%的修复合成是由DNA聚合酶ε与CTF18-RFC协同完成的，剩下50%是DNA聚合酶δ、κ与CTF18-RFC协同完成的,但具体的过程尚未明确。

4.3DNA聚合酶ε的其他功能 人类的DNA聚合酶ε是 RNA PolⅡ增加转录激活复合体的一部分，它增加了转录激活。这个复合体包含许多修复因素。进一步的研究表明DNA聚合酶ε与RNA polⅡ的过度磷酸化有关，在转录过程中发生，与RNA转录过程中的DNA损伤修复有关[26]。

5 DNA聚合酶ε与疾病的关系

5.1阿尔茨海默病 阿尔茨海默病是一种起病隐匿的进行性发展的神经系统退行性疾病。临床上以记忆障碍、失语、失用、失认、视空间技能损害、执行功能障碍及人格和行为改变等全面性痴呆表现为特征。近期的全基因组关联研究发现，19个基因区域的突变似乎与患病风险有关,其中TREM2发生突变时，罹患阿尔茨海默病的风险高出2～3倍[27]。BUCHOLTZ等[28]的研究表明,包括DNA聚合酶ε在内的多种蛋白，对相关DNA损伤可以进行碱基切除修复，其水平和活性与阿尔茨海默病的多种相关蛋白表达有相关性。

5.2癌症 尽管肿瘤的发生机制十分复杂，但其与相关基因突变存在密切关联， DNA聚合酶ε在DNA合成及损伤修复中扮演关键角色，研究表明，精准的复制能够有效抑制肿瘤的发生[29-31]。当DNA聚合酶ε的核酸外切酶区发生突变时，DNA复制过程中突变率将升高10～100倍，POLE发生种系突变和体细胞突变时，发生子宫内膜癌、结直肠癌、卵巢癌和胶质瘤的概率大大提高[32]。在子宫肿瘤中DNA 聚合酶ε超突变与T淋巴细胞浸润和对铂类化疗药抗药性增加有关[33]。2019年1月，PARKASH等[34]发现，最常见的复发性癌症相关的DNA聚合酶ε突变是在核酸外切酶区域的P286R替换。

6 展 望

DNA聚合酶ε在DNA复制、细胞周期进程的控制、损伤修复、染色质重塑和遗传调控中发挥重要的作用，同时其在肿瘤、衰老及衰老相关疾病的发生发展中同样具有十分重要的意义，然而其具体分子机制尚不十分清楚，尤其是对DNA聚合酶ε增龄过程中的变化机制研究甚少。因此，深入阐明DNA聚合酶ε在衰老过程中的变化及其机制，将为揭示肿瘤、衰老的发生奠定坚实的基础，并为肿瘤预防、衰老及衰老相关疾病的干预提供重要靶点。