尿嘧啶N糖基化酶的功能和表达调控

文章编号:  1000-1336(2010)03-0444-05
尿嘧啶N糖基化酶的功能和表达调控
蒋欣彤  井 然  倪菊华
北京大学医学部生物化学与分子生物学系,北京 100191
塑料角码摘要:尿嘧啶N-糖基化酶(uracil-N-glycosylase, UNG)是存在于多种生物体内的一种重要的DNA修复酶,可以在细胞内识别并切除DNA中错配的尿嘧啶,防止基因突变的出现,对保护基因组的完整性具有重要意义。UNG最主要的功能是参与碱基切除修复。此外,UNG在抗体类别转换重组、HIV-1病毒防御过程中也具有重要作用。UNG在细胞内通过与Ugene、PPM1D和Ndk等分子相互作用发挥其功能。UNG的表达受细胞周期及CpxA/CpxR系统的调控。深入了解UNG发挥功能的分子机制,将为寻肿瘤和艾滋病的新靶点提供线索。本文从UNG的功能、相互作用分子及表达调控等方面进行综述,并讨论进一步研究的意义与方向。关键词:尿嘧啶N-糖基化酶;碱基切除修复中图分类号:Q71
收稿日期:2010-01-26
国家自然科学基金(No. 30770464);国家基础科学人才培养基金(No. J0630853/J0108)资助
作者简介:蒋欣彤(1989-),女,本硕博连读生,E-mail:jxt8524@126.com;倪菊华(1970-),女,博士, 副教授,通讯作者,E-mail: juhuani@bjmu.edu.cn
尿嘧啶N-糖基化酶(uracil-DNA glycosylase, UNG)是存在于多种生物体内的一种重要的DNA修复酶[1],对DNA复制中错配的尿嘧啶以及因胞嘧啶脱氨基造成的尿嘧啶有移除作用,在保持基因组的完整性方面发挥着至关重要的作用[2,3]。此外,UNG在抗体类别转换重组、HIV-1病毒防御过程中也具有重要功能。
人UNG基因位于人类第12号染体12q24.1,全长13.5 kb,含7个外显子和2个转录起始点[4],由两个不同转录起始点启动转录,可产生两个UNG异构体:UNG1和UNG2,分别位于线粒体和细胞核。UNG的C端序列主要参与形成酶的催化中心,N端序列则负责其细胞内定位。UNG1和UNG2的C端的269个氨基酸残基的序列完全相同,决定了它们催化功能的相同或相似性;N端序列则不相同,分别由35和44个氨基酸残基组成,决定了它们在细胞中定位的不同(图1)[4,5]。此外,两者的分布也有组织特异性,UNG2富含于增殖细胞中;而UNG1主要存在于非增
接地线夹
殖细胞,尤其是线粒体丰富的细胞,如骨骼肌、心肌和肝细胞等[6]。
由于UNG最主要的功能是碱基切除修复(baseexcision repair, BER),而人类细胞DNA储存、复制的场所主要在细胞核中,因此目前的研究热点集中于细胞核中的UNG,即UNG2上[6]。1. UNG的功能
1.1 UNG的碱基切除修复作用
UNG是各种哺乳动物发生碱基错配时首要的DNA切除修复酶,负责尿嘧啶的移除。它主要是通过切断DNA中错误插入的尿嘧啶(U)与糖基之间的N糖苷键,移去U,产生无碱基位点(AP site),然后
图1 人类UNG
基因的转录和选择性剪接
由AP内切核酸酶(AP endonucleases1, APE1)切断DNA单链,最后再由DNA聚合酶和DNA连接酶识别并修复该断裂位点[2],从而完成对错配DNA的修复(图2)。
锅炉冷渣机UNG能准确识别DNA链中与胸腺嘧啶只差一个甲基的尿嘧啶,说明在结构上一定有其特异之处。UNG由四周8个α-螺旋和中心4个β-折叠组成特殊的二级结构,其中靠近C端的β-折叠序列高度保守并且具有正电性。4个β-折叠在空间上组成活性位点沟(active-site groove),沟的直径正好可以容纳双链DNA[7]。
在切除修复过程中,UNG首先依靠活性位点沟在平行于DNA长轴的方向上滑动, 之后通过活性中心的3个富含丝氨酸与脯氨酸的茎环结构对DNA磷酸骨架进行挤压而结合到DNA链上。活性中心含有识别尿嘧啶和参与切除的识别口袋(recognitionpocket),若尿嘧啶与UNG的识别口袋完全吻合,则在UNG的第268位组氨酸的催化下被特异性切除[7,8]。
敲除UNG基因的成年小鼠细胞中的DNA尿嘧啶含量比正常细胞高四倍[2];大肠埃希氏菌中的UNG失活,则可造成突变率上升约7倍[9],这些都提示了UNG在BER中的作用不可或缺。另有研究显示,UNG2是惟一在S期中积累的对尿嘧啶有切除修复作用的酶,表明该酶在复制过程中对删除错配的尿苷具有核心作用[10]。
1.2 UNG在抗体类别转换重组中的作用
抗体类别转换重组(class switch recombination,
CSR)是浆细胞应对抗原多样性的重要机制。抗体遇到相应抗原后,CSR程序对免疫球蛋白(immunoglo-bulin, Ig)的编码基因进行编辑。有研究显示,UNG在这个机制中扮演关键角[11]。目前普遍接受的CSR机制为:当抗原遇到相应抗体后,在Ig基因的类别转换区(S区)内,首先由活化诱导的胞苷脱氨酶(activation-induced cytidine deaminase, AID)使胞嘧啶脱氨基转换为尿嘧啶,之后在UNG和APE1以及其他酶的作用下使尿嘧啶移除并使DNA断裂。最后,在重组酶的作用下进行类别转换重组[12]。有研究证实,在患有IgM增高症患者的B淋巴细胞中,通常可检测到UNG基因的突变并伴有基因组中尿嘧啶含量的大幅升高[13],充分说明UNG在抗体类别转换以及保持基因组稳定性方面的重要性。如果UNG功能缺陷,患者常因CSR无法正常进行而造成体内IgM增高,IgG、IgA和IgE水平降低,适应性免疫受损从而易发重复性感染。
也有报道,CSR中的DNA断裂主要依赖UNG而与AID关系很小,并建立了新的CSR模型,其研究有待继续深入[14]。
1.3 UNG在HIV-1病毒防御中的作用
有研究显示,UNG在人类免疫缺陷病毒HIV-1中有降低病毒致死性突变率和促进病毒变异等作用,这些作用主要通过与HIV-1的调节基因编码蛋白Vpr相互作用而实现。
HIV-1侵入组织细胞后,可通过逆转录作用合成双链DNA并整合于宿主细胞的基因组中,继而随着宿主细胞的活化进行病毒DNA的转录,产生病毒mRNA和病毒基因组RNA。病毒mRNA翻译产物Vpr可以将宿主细胞中的UNG包装到新合成的子代病毒颗粒中。在子代病毒侵染其他组织细胞或病毒基因组复制过程中,UNG起到降低病毒本身致死性突变率的作用[15,16]。因此,UNG在HIV-1病毒的潜伏及传播过程中似乎起到了正性的作用。另有研究显示,Vpr在一定程度上还会促进UNG的降解[17],可能与促进病毒的变异有关。据此,若能在一定程度上拮抗UNG的作用,则UNG很可能成为日后抗HIV-1病毒药物的新靶点。2. 与UNG相互作用的分子2.1 Ugene
Ugene是通过基因芯片技术发现的一个新基因,
图2 UNG
修复途径
在正常结肠和结肠腺瘤中表达极少,但在恶性结肠癌中则大量表达。此外,Ugene在许多其他常
见癌症类型如乳腺癌、肺癌、子宫和卵巢癌等中也被发现表达增高。Ugene主要定位于细胞核中,免疫共沉淀和Western印迹分析显示Ugene与UNG2存在相互作用。进一步研究显示,Ugene通过绑定到UNG2 N端的25个氨基酸残基上而抑制UNG2的正常功能[18]。
众所周知,肿瘤的发生多与癌基因的激活和抑癌基因的失活有关。因此,肿瘤细胞很有可能通过诱导Ugene的大量表达,继而与UNG2相互作用以干扰BER,从而破坏正常基因组的稳定性。失去精准修复能力的细胞很容易发生原癌基因的激活和抑癌基因的失活,从而造成更加严重的突变进而加快细胞的癌变 [18]。
2.2  PPM1D
PPM1D是一种高表达于多种人类肿瘤细胞的癌基因,编码产物为丝氨酸/苏氨酸磷酸酶。在紫外线和电离辐射照射下,p53可诱导PPM1D转录增加。研究显示,PPM1D可以通过使UNG2去磷酸化来抑制BER。若PPM1D基因发生突变,PPM1D磷酸酶失活,可解除对BER的抑制作用[19]。
UNG2的磷酸化位点在Thr6和Thr126,紫外线照射可使这两个位点的磷酸化增强,从而启动UNG2的BER作用。研究证实,磷酸化的UNG2介导BER的活性明显高于非磷酸化形式
的UNG2[19]。而PPM1D催化UNG2的Thr6去磷酸化,从而使UNG2的BER活性降低。因此,PPM1D可能通过使UNG2去磷酸而使其BER活性及时减弱,有助于DNA修复完成后恢复自身的稳态。
2.3  Ndk
在大肠杆菌中,核苷二磷酸激酶(nucleosidediphosphate kinase, Ndk)催化三磷酸核苷的生成,并保持细胞内三磷酸盐的稳态。Ndk与UNG间存在明显的相互作用,并且Ndk与UNG结合后会明显增强UNG的催化活性,但Ndk与UNG结合的部位并不是它的催化活性部位,而是位于Ndk多聚体南北两极的Kpn环,具体机制尚待研究[20]。
3. UNG的表达调控
3.1 细胞周期对UNG的表达调控
在哺乳动物细胞内,对DNA中错配的尿嘧啶起移除作用的酶至少有4种:UNG、SMUG1、TDG和MBD4。它们在DNA的不同位点以及细胞周期的不同时相发挥各自特异的修复作用[1,6]。比如,TDG可以剪切双链DNA中错配的尿嘧啶、胸腺嘧啶以及与鸟嘌呤错配的一些化学基团[21],而且较UNG有更高的特异性[22]。这些酶的共同进化保留提示它们在功能上不可
相互替代,同时也暗示这些酶的功能必须是相互协调的。随着细胞周期的向前推进,各种酶的数量在整个细胞周期中此消彼长,相互配合,这无疑需要精密的表达调控机制[23]。
研究表明,UNG2在细胞周期的S期达到峰值并且在整个S期持续高表达,在S期即将结束时则迅速下降到几乎检测不到的水平,直至下一个S期到来之际重新增高。研究显示,泛素-蛋白酶体系统在调节UNG的含量中起重要作用,同时周期蛋白依赖激酶(cyclin-dependent kinase, CDK)在一定程度上可以通过磷酸化UNG2而阻止其降解。具有相似功能的TDG与UNG2的存在时期则完全相反:细胞进入S期后,泛素-蛋白酶体系统对TDG进行降解,并维持这种无TDG的状态直到G2期。对于异常表达的TDG,若降解不够彻底,则会阻碍S期的进程,进而影响细胞分裂。TDG主要作用于非复制阶段的DNA,而UNG2主要作用于复制叉阶段的DNA。由此可见,TDG和UNG2介导的BER功能在细胞周期中交替进行,相互协调[21]。
3.2 CpxA/CpxR系统对UNG的表达调控
CpxA/CpxR系统是大肠杆菌K-12等细菌中存在的一个典型的信号转导通路,在调节细菌生物膜的形成、运动性、趋化性、侵袭性以及毒性方面发挥重要作用。最新的研究显示,CpxR,特别是磷酸化的CpxR对处于静止期细菌的UNG转录起负性调节作用。在无CpxR或者非磷酸
化的CpxR的环境中,UNG的表达将大大提高,提示CpxR对UNG的表达确实起抑制作用,而磷酸化的CpxR可将这种抑制作用大大增强[3]。研究表明,CpxR通过与UNG启动子中的CpxR盒(CpxR box)结合,干扰了RNA聚合酶与启动子的结合,从而起到抑制UNG转录的作用,以达到高效侵染与基因整合的目的[3]。
4. 结语
目前虽然对UNG的功能、相互作用分子及表达调控的研究取得了一些成果,但关于它发挥功能、表达调控的具体机制,与HIV感染、肿瘤发生的关
系等方面还存在很多未解之谜。比如,HIV-1的Vpr是怎样将UNG包裹进入病毒颗粒以降低病毒突变率的?UNG在转录和降解过程中还有哪些调控因子?细胞周期蛋白如何参与调控?与UNG有相似功能的修复酶的功能互补程度和所需条件以及它们在通路之间的串流(cross-talking)机制如何?这些问题的解决,将有助于我们到人类重大疾病棗肿瘤和AIDS的新靶点。
参 考 文 献
卡环弯制
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Function and expression regulation of uracil 
N-glycosylase
Xin-Tong Jiang, Ran Jing, Ju-Hua Ni
Department of Biochemistry and Molecular Biology, Peking University Health Science Center, Beijing 100191, China
Abstract    Uracil N-glycosylase (UNG) is one of the key enzymes in base excision repair (BER) procedure, and it can recognize and remove the uracil from the mispairing DNA, preventing the gene mutation and remaining the integrity of genome. Besides the main function involved in BER procedure, UNG plays an important role in the class switch recombination of immunoglo-bulin and HIV-1 defending. In addition, UNG can interact with Ugene, PPM1D and Ndk and function correspondingly. The expression of UNG is regulated by cell cycle and the CpxA/CpxR system. Understanding the molecular mechanism of how UNG functions will provide us a new clue in tumor and AIDS therapy. This review gave an overview of the function, expression and regulation of UNG, and discussed the importance and possible directions of further research.
Key words    uracil N-glycosylase; base excision repair

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