真核细胞对dna损伤的最重要的反应是sos反应吗

第二十一章 基因突变第四节dna的修复机制原核和真核生物对于dna的损伤都有很多的修复系统，如sos系统。所有这些系统都是用酶来进行修复。其中有的系统是直接改变突变损伤，而另一些则是先切除损伤，产生单链的裂缺，然后再合成新的dna，将裂缺修补好。我们可以将不同修复途经分为以下几类。一． 直接修复（direct repair）(一) 通过dna聚合酶校正修复前面在有关原核dna中已阐明dna聚合酶都具有3'→ 5'的外切酶活性（见第12章），可对复制中错误掺入的碱基进行较正，使得dna复制中实际的差错率大大减少。这种3'→ 5'外切酶活性是原核生物dna聚合酶的特点，在真核生物中dna聚合酶δ和α不同，具有3'→ 5'对切酶活性。在介绍原核dna聚合酶结构已说明dna聚合酶3'→ 5'外切酶功能是ε亚基承担的，若编码这个亚基的基因发生突变，那么就失去校正的功能。（二）光复活反应直接修复损伤的另一个例子是对由uv诱发的胸苷二聚体的修复，这个系统叫做光复活（photoreactivation）或光修复（light repair）。修复的过程是通过 在波长范围为320～370mm（兰光）的可见光中，二聚体可直接恢复成原来的样子。催化光复活反应的酶叫做光裂合酶（photolyase），它是由phr基因编码的。此酶可被光的光子所激活，结合在二聚体上，剪切二聚体的部分。由于在所有被研究过的生物中都发现了这种酶，因此它可能是一种普遍性的酶，它的功能是沿着双螺旋“清扫道路”，寻找由胸苷二聚体产生的凸出部分。由于tt很少，所以光裂合酶显的非常有效。若有6～4个二聚体就难以奏效。烷基转移酶（alkyltransferases）也是一种和直接修复损伤有关的酶，它们可以切除掉ng和ems加在g的o-6位上的烷基。这种酶还可以将0-6甲基上的甲基转移到蛋白质的c上。当转移后，酶就失去了活性，因此这种修复系统在烷基水平足够高时是能达到饱和的。二． 切除修复（excixion-repair）(一) 一般切除修复uv光诱发tt的第二种修复过程叫切除修复(excixion-repair)，由于这过程并不依赖于光的存在故又称为暗修复（dark repair）。此修复机制是1964年由r.r.boyce和p.howard-flander及r.setlow ,w.carrier两个组同时发现的。他们分离到某些对uv-敏感的e.coli突变株，经uv照射后，它们在暗处具有比正常情况高的多的诱发突变率。这些突变体是uvra(uv/repair)突变体。uvra突变体只有在照完时才能修复二聚体，表明它们缺乏暗修复系统。因此野生型的生物在暗处能修复二聚体，野生型的结构以uvra+来表示。 e.coli中的切除修复系统并不仅修复嘧啶二聚体，也能修复dna双螺旋的其它损伤。图21-20表示这个系统的修复机制为先切后补。这个双螺旋的结构变形可被uveabc内切酶识别，这种多亚基的酶由3个基因（uva 、uvb和uvc）编码。其功能如图21-21所示。首先是uvrab组合在一起识别嘧啶二聚体和其它大的损伤。然后uvra解离（此需atp）而uvrc和uvrb结合，uvrbc复合体在损伤位点的两侧面剪切，在损伤位点5'端相让7个nt处，3'端相让3～4nt处剪切，此过程也需atp，uvrd是一种解旋酶（表21-5），它可以帮助dna解旋，让两个缺口间的单链片段（包含损伤位点）释放出来。大肠杆菌的一些酶也能在体外切除嘧啶二聚体。这种酶包括具存5'-3'外切酶活性的dna po1i和单链特异的外切酶ⅶ。在这些假设的切除中，任何一个发生突变e.coli都会失去切除嘧啶二聚体的能力。dna poli好像是在体内担任最主要的切除任务。表21-5 与dna复制或修复有关的基因基因酶的活性mutd=dnaqdna polⅲmutu=uvrduvr 系统的dna解旋酶muth,u损伤修复系统的成分mutl,s同上，也切除c-t错配中的tmuty切除a-g和a-c错配中的a摘自《genes》v,1994.b.lewin table 20.3被切除的dn**段平均为12nt，这种模型称为短-补丁修复（short-patch repair），在这个修复合成中涉及的酶可能也是dna pol ⅰ。对于一个巨大的损伤，短补修复可解释99%的切除修复。余下的1%和dna延伸取代有关，长度可达~1500nt，甚至可延伸到9kb以上，这就是长-补丁修复（long-patch repair）。这个模型也需要uur基因和dna po1ⅰ。这两种模型的不同之处在于短补丁修复是由细菌细胞中持有的功能，而长-补丁修复必须要通过损伤来诱导。长补丁修复可能作用于复制叉附近区域的损伤修复。对二者的一些基因产物尚不清楚。此修复系统可切除很多类型的损伤，包光括uv光产生产物以及**（afb1）结合产生的化学附加物以及苯并嘧啶的环氢化物等引起的损伤。其它生物中也具有此修复系统。此在人类中也是一个极其重要的修复途径。有一种罕见的遗传病叫着色性干皮病（xeroderma pigmentosum）就是一种切除修复酶的缺陷，本病患者的暴露部位易发生色素沉着，皮肤萎缩，角化过度和癌变，大部分患者在30岁前可能死于皮肤癌。由此可见切除修复系统途径的作用是如何重要。(二) 特殊切除修复途径有些损伤太细微的以致产生的变形小到不能被uvrabc系统所识别，因此还需要其它的切除修复途径。(1) ap核酸内切酶修复途径各种细胞中都有一种核酶内切酶，它附着在自发丢失了单个嘌呤或嘧啶的位点上，这个无嘌呤（apurinic）和无嘧啶（apyrimidinic）位点就叫做ap位点。ap内切酶是细胞所必需的，因为自发地脱嘌呤作用经常发生，这种酶可以通过剪切ap位点的上的磷酸二酯键使链断裂。这是起始切除-修复；进一步由3种酶：外切酶，dna po1i和连接酶进一步地进行修复（图21-22）。由于ap内切酶修复途经的功效，它可能是其它修复途经最后的一步。这样如果损伤的碱基对能被切除的话，那么就留下一个ap位点，ap内切酶就能使野生型完全得到恢复。这就是糖基酶修复途径。(2) 糖基酶修复途径dna糖基酶（glycosylases）并不能剪切磷酸二酯键，但可以剪切n-糖苷键。释放出改变了的碱基，产生一个ap位点（图21-22）。这样再经过ap内切酶切割磷酸二酯键，再由dna po1ⅰ的外切酶活性5'-3'的合成活性进行修复，最后由连接酶连接。dna糖基酶有很多种，其中之一是尿苷-dna糖基酶，它可从dna上切除尿苷，c因自发脱氨基而产生u，若不修复此可能导致c→t的转换。实际上在dna中只有a∶t配对而没有a∶u配对，这是由于偶尔掺入的u可被识别和切除之故。若u是dna中的正常成份，那么这种修复就无需要了。还有一种糖基酶，它可识别和切除由a脱氨而产生的次黄嘌呤（h）。另一些糖基酶可切除被烷化的碱基（例如3-m-a, 3-m-g和7-m-g），开环嘌呤，氧化损伤的碱基以及在某些生物中的uv光化二聚体。一些新的糖基酶仍不断被发现。(3) go系统mutm和muty基因产生的两中糖基酶一道作用，阻止突变产生的8-o-g或“go”（图21-23）。这些糖基酶形成了go系统。当go丢失时dna中会因自发氧化作用造成损伤，切除go损伤的是由mutm基因编码的一种糖基酶。如果在复制时产生了氧化损伤形成go（8-o-g），经复制c仍和go配对，而go和a配对，若得不到修复就导致了c∶g→a∶t，但muty编码的糖基本酶muty可切除错配的a（表21-5），经复制恢复为go∶c（图21-24-a）。如果在复制的底物中掺入了8-0-g,一种情况是它就可能和模链上的a配对，但细胞中有一种糖基酶mutt，它起到dutpase酶的作用，使s-o-gtp→8-o-gmp；这样它就不能作为dna合成的底物了。即使如此还是有部分go逃过了mutt酶的“监视”，仍然掺入到dna中和a结合，糖基酶muty可以将错配的a切除，通过复制反而产生了c∶g。使原来的a∶t→c∶g。另一种情况是go掺入到模板中，和c配对，当糖基酶切除go后可排除产生a∶t的危险，仍保持c∶g对（图21-24b）三、复制后修复(一) 错配修复（m**match repair）有些修复途径能够识别dna复制中出现的错配，这种系统叫做错配修复系统，假设要你设计一个可以修复复制错误的酶，那么这个酶应当是什么样的呢？看来至少它要具备以下三个功能：(1) 识别错配的碱基对；(2) 对错配的一对碱基要能准确区别哪一个是错的，哪一个是对的；(3) 切除错误的碱基，并进行修复合成。以上第二点是这个系统最为重要的特点，除非它能区分错误和正确的碱基，否则错配修复系统就无法决定切除哪一个碱基。例如5-m-c脱氨变成t，有一个特殊的系统要将此修复成正常的顺序。脱氨的结果使得c∶g→g∶t错配，这个系统必须将g∶t修复成c∶g，而不是a∶t。vsp(very short patch repair)系统是不能胜任此工作的，损伤修复系统中的mutl和muts也不能解决问题，它们是从错配的g∶t和c∶t中切除t（表21-5）。其它的如muty可以切除错配的c∶a中切除a（图21-22，表21-5）。这些系统的功能都是直接地从错配碱基对中切除其中一个特定的碱基。muty的产物是一种腺嘌呤糖基酶，它可以产生一个ap位点来进行切除修复。同样不能确定哪一个是错误的碱基。在e.coli复制中发生错配时，是可以区分原来的模板链和新合成链，用甲基化的dna刚复制后只有在原来的亲本链上带有甲基，新合成的链尚在等待着甲基化，因此两条链的表21-5 在e.coli中和dna损伤修复有关的基因产物及功能基因体内突变效应基因产物功能uvra 对uv敏感内切酶的atp亚基起始切除t的损伤uvrb对uv敏感内切酶的亚基uvrc对uv敏感内切酶的亚基uvrd对uv敏感dna解旋酶ⅱdna解链reca1． 重组缺陷2． 不能诱导修复损伤40kda reca蛋白1． 重组与修复所需的dna链交换活性2． 起始sos修复途径的蛋白酶活性recb重组缺陷外切酶v（atp酶）重组和重组修复所需recc重组缺陷外切酶v（dna结合）recd重组缺陷外切酶v（58k亚基）**cb抑制recbc突变外切酶ⅰ不知recf重组修复缺陷；在recbc、**cb突变体中重组缺陷不知不知recj单链dna外切酶不知recnor同recf不知recf途径的一部分recq同recfdna解旋酶；atp酶活性recf途径的一部分rece重组缺陷外切酶ⅷ不知damuv敏感，突变率增加对gatc作用的甲基化酶鉴别dna的模板链muthuv敏感，突变率增加外切酶修复的成分mutluv敏感，突变率增加不知作用新链的系统mutsuv敏感，突变率增加识别错配dna链的合成uvrduv敏感，突变率增加dna解旋酶ⅱdna解链muty增加突变频率腺嘌呤糖基酶从错配中切除aada对烷化剂敏感鸟嘌呤甲基转移酶从g中切除ch3alka对烷化剂敏感甲基腺嘌呤糖化酶切除甲基-a/甲基-gumuc减少倾向差错修复的效率不知不知lonuv敏感，膜中隔缺失结合dna的atp依赖性蛋白酶可能是控制夹膜多糖的基因lexa调节sos反应阻遏物(22kda)控制很多基因摘自《genes》v.1994。b.lewin table 20.2甲基化状态是不同的（图21-25），这就给复制差错的校正系统提供了一个基础。dam基因编码了一个甲基化酶，它的靶位点是 上的a（表21-5）使a成为6-m-a，此半甲基化位点是被用来作为复制中母链的标志，同样用于与复制相关的修复系统。图21-25表示两种可能的错配修复模型，muts能识别错配位点，mutl能作用新合成的链，urrd是解旋酶可使错配区双链打开，然后s**结合在单链上防止复性，muth作为外切酶将含有错配碱基的新链片段切除掉，再由dna polⅰ进行修补，最后由连接酶把裂缺封闭好。这样就完成了错配修复。（一） 重组修复（recombination-repain）这个系统是在dna复制时模板链上含有损伤的碱基导致子链产生裂缺，这是在复制时产生的，所此修复系统也属于复制后修复。若dna上的一条链含有结构变形，如嘧啶二聚体，当dna复制时二聚体就使损伤位点失去做模板的作用，复制就跳越过这一位点。dna po1可能继续前进或者在嘧啶二聚体附近再重新开始合成。这样在新合成的链上留下了一个裂缺，使两个子链的性质不同。一条子链的亲代链上含有损伤，新合成的相应位点上有一个裂缺。另一条子链的亲代链是完好的，没有损伤，新合成的互补链也是正常的（图21-26a）。恢复系统就利用了这条正常的子链。损伤子链的缺口由正常子链上的同源片段通过重组来填补，随着单链交换（single-strand exchange）受体的双链有一条是亲代有损伤的链，另一条经重组后变成为野生型的链；而供体双链有一条正常的新链和一条带有裂缺的亲代链，这个裂缺可通过一般的修复系统（dna po1ⅰ）来修复，最终产生一条正常的双链。这样损伤就限制在原来的链上，不至影响到新合成的dna。在一个具有切除修复缺陷的e.coli中，reca基因的突变使其失去所有的修复能力，人们试图在uvr-/reca-的细胞中进行复制产生一段dn**段，预期其长度是在两个tt之间。实验结果表明根本得不到复制的dna，而是细胞由于缺乏了reca的功能，防碍了复制而致死。它解释了为什么 突变体（uvr-/reca-）的基因组中不能容忍超过1～2个二聚体，而野生型细胞允许存在多达50个。reca的突变体在遗传重组和修复中几乎完全得到鉴别。reca蛋白的功能是促使dna链之间的交换。在dna重组和涉及重组修复的单链交换中reca都起着重要的作用。它还涉及差错倾向修复。双突变体(uvr-/reca-)的特点表明reca参与两种rec途径，将单个基因突变体的表型和双突变体的进行比较，来测定二者的相关功能是部分的相同还是不同。如果这些基因是在相同的途径中，那么双突变体的表型将和单个突变体的表型相同。如果这些基因是在不同的途径中，那么双突变体应影响到两种途径而不是一种，因此影响的表型应比单个突变体的要多。通过这种方法发现，一个rec途径和recbc基因有关，另一个途径涉及recf（表21-5）。recbc这两个基因编码外切酶γ的两个亚基，它们的活性受到此途径的其它成份的限制。recf的功能尚不清楚，其它的rec座位也都通过影响到重组和重组修复的突变而被鉴别出来。uvr系统是负责切除大量的tt，而rec系统是负责清除那些未被切除的二聚体。这些遗漏的二聚体虽数量不多，但常常是致命的。(三) sos修复系统sos修复故名思意是一种急救性的修复，忙中就难免有错，故也叫差错倾向修复（error prone repair）这种修复是为了保命也就管不了修补的片段是否正确，，而sos修复正是与“宁可玉碎，不可瓦全”反其道而用之。jeam wwigle 等曾用紫外线照射λ噬菌体然后再去感染细菌，而细菌又分为两组，一组是事先也用uv照射过，另一组是没有照射过，结果前一组中λ噬菌体的存活率反而高于后一组，这是什么缘故呢？以上的现象称为uv-复活（uv-reactivation），也叫做w-复活（weigle的第一个字母），现在称为sos反应（sos response）。原来这是一系列相关蛋白与reca蛋白及lexa阻遏物相互作用的结果。碱基的损伤可能由于uv的照射，或者是由于交叉连结以及烷化作用等。而复制的抑制可能由各种因素而引起，包括t的失去，药物的加入或者一系列dna基因的突变等。sos反应增加了dna损伤的修复能力，这是通过诱导长补丁修复系统和rec重组修复途径这两个系统来完成的。另外细胞**的抑制，溶源化的原噬菌体都可被诱导。sos反应的起始是通过损伤的处理，reca的活化而引起。我们现在尚不知道损伤与reca活性改变之间的关系。由于损伤引起的变化诱导sos反应，因此一般都关心reca是怎样被激活的。这也是和其它修复途径的不同之处。其它修复途径的酶是已存在于细胞中的，而sos修复的酶系统是经损伤诱导才产生的。诱导的信号可能由dna释放出的小分子组成的，或者是dna本身某些结构变化。在体外reca的激活需要单链dna和atp的存在。这样激活信号可能存在于损伤位点的单链区。无论信号是怎样产生的，它和reca的相互作用是很快的，sos反应在产生损伤的几分钟内就发生了。rrea的激活导致lexa的基因产物的剪切。lexa是一种小分子蛋白（22kda），在被处理的细胞中是相对稳定的，它的功能是很多操纵子的阻遏物。此剪切反应是很特殊的；lexa有一种潜在的蛋白酶活性，它可被reca激活，当reca被激活后又可导致lexa自我催化它本身的裂解，这样lexa的阻遏功能失去了活性，并且同时诱导了它所结合的操纵子（图21-27）。lexa靶基因很多都有修复功能。通过构建与lacz基因的融合操纵子筛选出一系列基因，当用一种诱导损伤的药剂处理细胞后，β-半乳糖苷酶的产量就会增加，现在至少已鉴别出5个和sos反应有关的基因，它们被称为din(damage inducible)，它们包括reca，lexa,uvra,uvrb,umuc和hima。某些sos基因仅在细胞处理后才有活性，另一些在未处理的细胞中也有活性，但表达的水平随着lexa被剪切而增高。uvrb是切除修复系统的一个成分，这个基因有2个起动子，一个功能依赖于lexa，另一个易受它的控制。这样lexa被剪切后这个基因就用第二个启动子表达，剪切前就用第一个启动子表达。lexa阻遏靶基因时和它的20bp dna结合，此结构区称sos box。其顺序呈两侧对称，每个靶座位上都存在一个拷贝。在不同座位上的sos盒也是不同的，但都有8bp的保守顺序。像其它的操纵位点位点一样，sos box的操纵位点和启动子有重叠。在lexa座位属于自我阻遏物，那儿有两个相邻的sos box。reca和lexa在sos调节循环中互为靶位点和靶蛋白。reca触发lexa的剪切，lexa又是reca的阻遏物。sos反应导致了reca蛋白和lexa阻遏的扩增。结果并不是很快地出现相互抵抗。reca蛋白表达的增加对重组修复途径来说是必要的。据推导，reca的水平从基本水平～1200分子/细胞提高到50倍，在被诱导细胞中这样高水平的reca足以使所有的lexa蛋白被剪切，从而抑lexa对靶基因的阻遏作用。这种调控循环的重要性在于使细胞迅速恢复到正常状态。当诱导信号去除后，reca蛋白失去使lexa去稳定的能力。此时，lexa基因高水平表达；活化的reca消失了，lexa蛋白以非剪切形式迅速积聚并关闭sos基因群。reca也触发细胞中其它靶物质的剪切。reca激活时umud蛋白被剪切；这种剪切激活umud和差错倾向修复系统。reca的激活也导致阻遏蛋白的剪切，包括各种原噬菌体的阻遏蛋白，如λ的阻遏蛋白这就可以解释为什么λ可以通过uv照射而被诱导。溶源化的阻遏物ci蛋白被剪切，释放出的噬菌体进入裂解周期。这些反应不是细胞的sos反应，而是由原噬菌体来识别。对噬菌体而言生存的最好的方法是进入裂解周期，产生后代噬菌体。从这个意义上来说，原噬菌体的诱导是通过对相同的指示器(reca的激活)的反应使噬菌体从载体染色体上解离下来进入细胞系统。所有已知的reca的靶蛋白都是在多肽链的ala-gly二肽顺序上剪切的。二肽两侧的任一侧必须是同源的，此表明蛋白质的二级结构是识别的重要特点。的两种活性是相对独立的。reca 441突变使得在未进行诱导处理的情况下也能发生sos反应，这可能是由于reca保留了自发的激活状态。另一些突变可消除被激活的能力。两种突变都影响到reca和dna的结合能力。回复突变的类型失去了重组功能的活性，而且诱导sos反应的能力整个都失去了。reca是重组中重要的蛋白，后面将进一步加以介绍（见23章）。 20210311