瓣状内切核酸酶1与肿瘤
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CHEMISTRY OF LIFE 2011,31(1)
文章编号: 1000-1336(2011)01-0036-05
瓣状内切核酸酶1与肿瘤
马进举2 陈 彬1 卞士柱2
1
第三军医大学生物化学与分子生物学教研室,重庆 400038;
2
第三军医大学学员旅1队,重庆 400038
摘要:瓣状内切核酸酶1(flap endonuclease 1, FEN1)是一种结构特异性核酸酶,由一个核心结构域和一条尾链组成。
FEN1在DNA修复过程中冈崎片段成熟时RNA引物的切除,长片段碱基切除修复中瓣状结构的切除等过程中发挥着重要作用。
FEN1与不同的蛋白质相互作用,在不同的DNA复制和修复途径中发挥着重要作用。
FEN1在肿瘤中有着异常的表达,这表明它可能是一种潜在的肿瘤标记物。
关键词:瓣状内切核酸酶1;DNA修复;肿瘤中图分类号:Q71
收稿日期:2010-07-06
国家自然科学基金(30972933);重庆市自然科学基金(CSTC.2009AC5173)和第三军医大学归国人员启动基金(2009)资助
作者简介:马进举(1986-),男,本科生,E-mail:JinjuMa@126.com;卞士柱(1987-),男,本科生,E-mail:bianshizhu@163.com;陈彬(1968-),男,博士,教授,硕士生导师,通讯作者,E-mail:binchen@tom.com
基因组稳定性的维持,以及DNA的复制和修复,都需要一系列的核酸内切酶和外切酶的参与,瓣状内切核酸酶1(flap endonuclease 1, FEN1)就是其中之一,最早由Lyamichev等[1] 发现。
FEN1位于E.coli DNA聚合酶I和Taq 酶N端的5’核酸酶,具有外切酶和内切酶活性,能切下单链或双链核酸分叉处的5’单链DNA或RNA。
后来,研究人员分别克隆了鼠和人的5’核酸内切酶,命名为FEN1[2,3]。
本文对FEN1基因结构和功能作综述。
1. FEN1的基因和蛋白质结构1.1 FEN1的基因结构
人FEN1基因被定位在染色体11q12。
人和鼠FEN1基因编码的氨基酸残基有95.3%的同源性,核苷酸有97.6%同源性。
在大肠杆菌中高表达产生的人、鼠FEN1蛋白均为50 kDa,具有相同核酸酶活性。
对鼠的FEN1基因的结构和转录启动子的活性研究发现,FEN1基因由一个内含子和两个外显子组成,
外显子1位于+1 ̄+256,外显子2位于+2847 ̄+4805。
mFEN1(鼠FEN1)基因的转录起始位点上游274 bp区域有一个CpG岛,但缺乏典型的TATA盒,提示CpG岛的甲基化参与了对FEN1基因表达的调节。
在mFEN1转录起始位点上游约594 bp的区域,还包含了Ets结合位点和E盒等多个顺式作用元件,其中E-盒增加了mFEN1的转录活性(图1) [4]。
对人FEN1基因启动子进行的进一步的定位分析结果表明,hFEN1(人FEN1)基因启动子的活性区域主要位于-458/+278片断,该区域是驱动mFEN1表达的最小启动子。
因此,可以推测在人体中这个同源的片段也
图1 mFEN1基因的组织结构[4]
mFEN1基因的示意图(上)和CpG岛的位置(下)。
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是FEN1基因的最小启动子[5]。
Emoto等[4]还对mFEN1的转录产物进行了研究,发现mFEN1基因的两个外显子中,第一个外显子是非编码的,第二个外显子包括了蛋白质的编码序列。
第一个非编码的外显子通过两个不同的剪接供区,和第二个外显子相互连接,从而产生了三种mFEN1的转录产物(图2)[4]。
1.2 FEN1蛋白的蛋白质结构
人体FEN1的蛋白质空间结构是由核心结构域(残基为1 ̄332)和C端尾部(残基为333 ̄380)构成的(图3)。
C端尾部的N端一部分(残基约为333 ̄359)是可见的,而C端一部分(约20个残基)在稠密的图形上是分辨不开的。
在可见的C端尾部区域形成了两个β链和一个螺旋状的构象。
这种βA-αA-βB的模体是与增殖细胞核抗原(proliferating cell nuclear antigen, PCNA)相互作用的主要界面。
事实上,βA链和侧面的αA 螺旋是由保守的短PCNA结合模体QXXLXXFF组成的[6-10]。
人体FEN1蛋白的核心结构域被皱褶成一个α/β结构,并且有一条由7链β片层β1-β7-β6-β5-β2-β3-β4和两条螺旋带组成的深沟。
其中一条螺旋带由α0和α5-α11单环组成,另一条由α1-α4和α12,α13组成。
这两条螺旋带分别在β片层的两边[6-10]。
人体FEN1的活性位点在中心裂缝处,其作用可能是与金属离子相结合。
它是由两簇保守的酸性残基组成的:4个残基(Asp34, Asp86, Glu158 和 Glu160)形成了第一个金属离子结合位点M1;3个残基(Asp179,Asp181 和Asp233)形成了第二个金属离子结合位点M2。
在所有已知的FEN1家族酶中,这些酸性残基都是一样的。
被结合的金属离子是Mg2+,M1已知是在DNA的磷酸二酯键形成的催化作用上起着重要作用,而M2则可能参与和DNA的结合[6]。
2. FEN1与蛋白质的相互作用及其功能
2.1 FEN1的基本功能
FEN1为一种结构特异性的核酸酶,主要参与了DNA复制时冈崎片断成熟过程中RNA引物的切除,长片断碱基切除修复,DNA二级结构的分解,DNA复制叉的维持和促进细胞凋亡诱导的DNA片段生成等过程中。
在以上过程中,会形成许多类似皮瓣的瓣状结构,而FEN1主要识别这种结构,并通过其活性将其切除,以维持DNA的稳定性。
在FEN1发挥功能的过程中,可与不同的蛋白质相结合,从而影响其参与不同的DNA复制和修复途径。
2.2 与蛋白质相互作用
迄今为止,已发现至少有20多种蛋白质与FEN1之间存在着相互作用。
可根据这些蛋白质在协助FEN1发挥作用的功能不同,将这些蛋白质进行分类。
将在DNA复制过程中,帮助FEN1切除RNA引物的蛋白质可分为第一类,例如在冈崎片断成熟过程中瓣状结构的切除时,FEN1就需要与PCNA,复制蛋白A等相互作用;第二大类主要包括与FEN1相互作用并参与DNA修复的蛋白质,例如在长片段碱基切除修复过程中,FEN1就需要与聚合酶猓珹PE-1和PCNA等相互作用,此外,WRN螺旋酶也参与该过程,并能增加FEN1的活性;与FEN1相互作用的
图3 FEN1蛋白的空间结构[6]
图2 mFEN1不同剪切形成三中转录产物[4]
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另一类DNA修复蛋白,Rad9-Rad1-Hus1复合物,可以在DNA损伤处蓄积,它们与FEN1的相互作用也可以增加FEN1的活性[11]。
在对不同类型的五种蛋白质PCNA,WRN,APE-1,EndoG,Rad9-Rad1-Hus1与FEN1相互作用区域的鉴定中,发现FEN1与这五种蛋白质相互作用所使用的氨基酸大致相似,如果突变其中某几个残基,只会影响FEN1与其中一种蛋白质的相互作用,因此,一种特定的FEN1相互作用蛋白质的某些十分重要的氨基酸可能在该蛋白质参与的特定DNA代谢中发挥了重要作用[11]。
2.3 几种重要的相互作用蛋白质
PCNA是报道的比较早的与FEN1相互作用的蛋白质之一。
在体外实验中,被人们所熟知的“DNA滑动夹”PCNA可以显著增强FEN1的活性。
这种作用是由于FEN1与PCNA的直接相互作用而产生的。
FEN1与PCNA之间的相互作用是FEN1在细胞中发挥作用的先决条件。
对FEN1与PCNA相互作用形成的复合物进行结构研究时发现,它们相互作用的主要界面包括FEN1的C端末,即βA-αA-βB模体,该模体参与了和PCNA的疏水性相互作用。
此外,FEN1的核心结构域也参与了与FEN1相互作用界面的形成[6]。
人体氧化碱基特异性DNA糖基化酶——内切核酸酶VIII样内切酶1[nei(endonuclease VIII)-like 1,NEIL1)与FEN1之间也存在着相互作用,从人细胞裂解物分离出来的NEIL1免疫复合物中,会发现FEN1。
这两种蛋白质共同存在于细胞核中,FEN1可以显著增强NEIL1的活性;而NEIL1分子C 端附近的不规则区域对其与FEN1结合有着重要作用[12]。
人体RECQL5是RECQ螺旋酶家族的一员,在基因组稳定性的维持上发挥了作用[13]。
这个家族的其他三位成员BLM,WRN和RECQL4与癌症的高发相关。
而WRN与FEN1之间存在着相互作用早已报道[14]。
对RECQL5的异构体RECQL5β与FEN1相互作用的研究发现,RECQL5β可以快速增加FEN1切除DNA瓣状结构的速率,它与FEN1存在物理相互作用,并且共同存在于细胞核中,对DNA的损伤作出反应。
因此,根据上述发现和文献中关于WRN、BLM、RECQL4激活FEN1活性的报道,可以推测RECQ螺旋酶激活FEN1活性可能是这一类酶的普遍特征[13]。
在染色体中,端粒的稳定性对于维持基因组的稳定有着重要的作用,而端粒的稳定又是通过端粒的特殊蛋白质和DNA复制与修复蛋白之间的协调来维持的,FEN1就是这样的一种DNA复制与修复蛋白质。
在实验室中,通过研究DNA复制时,FEN1在后随链中的作用,以及在停止的复制叉的重新启动中,FEN1所发挥的功能,已确定FEN1可以使端粒高效率的复制而确保其稳定性[15]。
端粒发挥作用需要端粒酶的参与。
根据报道,在哺乳动物细胞中,FEN1可以与端粒酶相互作用,通过端粒上的DNA,FEN1与端粒酶可以形成复合物,而且FEN1还可以调节端粒酶的活性[16]。
3. FEN1与肿瘤的关系
正是由于FEN1在DNA复制和修复中的重要性,因此一旦编码FEN1的基因有所缺陷,会导致FEN1在体内含量的不正常增多或减少,或发生功能性变异,从而引起基因组的不稳定,导致肿瘤或癌症的发生。
3.1 FEN1的表达异常
通过研究FEN1在胃肠道肿瘤发生过程中的作用,利用基因敲出的方法在小鼠中引进了一种无功能的FEN1变异基因,发现FEN1纯合子突变的小鼠无法获得,暗示FEN1表达的缺失会导致胚胎的坏死;而大多数FEN1杂合子的小鼠显示正常。
然而当FEN1基因变异与腺瘤性结肠息肉基因(adenomatouspolyposis coli gene,Apc)的变异结合在一起时,这种杂合子的小鼠则会增加患腺癌的可能性,其生存率会降低。
在这些小鼠的肿瘤中发现了微卫星DNA的不稳定性,然而由于在肿瘤中FEN1基因的一个拷贝仍然是完整的,因此,FEN1的单拷贝导致的功能不足可能是加速肿瘤发生的原因[17]。
不仅FEN1的不足会引起肿瘤的发生,其在核酸或蛋白质水平高表达也会对肿瘤的发生产生影响。
在转移性前列腺癌细胞,胃癌细胞,神经母细胞瘤,胰腺癌,肺癌细胞株中均可见其表达的上调[5]。
通过研究FEN1在前列腺癌中的表达情况,并比较原发性前列腺癌、前列腺上皮内肿瘤、良性前列腺增生和正常前列腺上皮内FEN1的表达情况,发现FEN1的平均表达水平在前列腺癌中为36.7%,远高于正常水平13.2%,而在良性前列腺增生中为4.5%,前列腺上皮内肿瘤为15.4%,这说明FEN1在前列腺癌中过高表达,而且其表达增高的程度与细胞的去分化有
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关。
其结果暗示FEN1可能会作为前列腺癌的一种诊断标志[18] 。
乳腺癌是当今妇女的一大杀手,根据资料表明大部分乳腺癌的发生和雌激素及雌激素受体的异常有关。
早先就有人在实验中鉴定FEN1可以直接与α-雌激素受体(estrogen receptor α,ERα)相互作用,并且增强ERα与雌激素应答元件(estrogen re-sponse element, ERE)的相互作用。
他们还通过染色质免疫沉淀和RNA干扰的测定,显示在MCF-7乳腺癌细胞中,内源性表达的FEN1与天然的pS2基因相联系,而且会影响雌激素相应基因的表达[19]。
Singh等[5]用基因表达谱阵列方法,对241对癌组织和相应的正常组织中FEN1的表达进行检测,并且通过实时定量PCR和免疫组化证明它们之间的FEN1表达有差异,癌组织中FEN1的表达要高于相应的正常组织(前列腺癌除外)。
其中他们对50例乳腺组织进行检测,47例(94%)癌组织中FEN1的表达要高于相应的正常组织。
他们还对乳腺癌不同阶段FEN1的表达进行检测:在21个样本中,包括腺体增生,纤维脂肪组织,纤维腺瘤样增生,腺体导管增生和囊肿性增生中,几乎没有FEN1的免疫组化着色;在11个样本中,包括顿管乳腺病,纤维腺瘤样增生与乳腺增生,硬化腺病,乳头状瘤或乳头状瘤的导管增生中,FEN1表达为阳性;在乳腺浸润性导管癌中,FEN1表达的增加与相应疾病的阶段一致,并在最坏的浸润性导管癌三期达到最高;浸润性小叶癌中FEN1的表达要远高于骨髓癌或胃黏液腺癌。
这些发现都暗示FEN1表达的数量直接与乳腺肿瘤的高阶段分期有关[5]。
3.2 FEN1的功能性变异
Yang等[20]研究了FEN1基因功能性变异与DNA的损伤和肺癌危险性之间的关系。
他们对30个DNA样本进行测序来鉴定变异型,并且通过一系列的生化实验检测变异型的功能,从中他们鉴定出了两个单核苷酸多态性:一个位于启动子区域c.-69G>A(rs174538: G>A),另一个位于3’-非编码区c.4150G>T(rs4246215: G>T),并且这个单核苷酸多态性与FEN1表达的降低有关。
他们从303个焦炉工人和297个对照工人中,通过彗星实验检测出DNA损伤的水平,在焦炉工人中-69GG或GA携带者与-69AA携带者相比,前者DNA损伤水平显著性增高;从1840个肺癌病人和1958个对照病人中,抽取病例组成两个独立的对照小组,检测FEN1与肺癌危险性的关联:他们发现与-69AA或4150TT携带者相比,-69GG或4150GG携带者会显著增加肺癌发生的危险性。
因此,他们认为FEN1在癌症生成中十分重要,并且FEN1基因的多态性与肺癌的易感性有关。
4. 结语
FEN1作为一种结构特异性的核酸酶,参与了众多的生命过程,对其结构与功能的研究一直是DNA复制和损伤修复研究领域的关注热点。
虽然已有的研究加深了人们对这一重要调节分子功能的认识,但目前,对人体FEN1的基因的结构特点及其调节机制还不十分清楚,对FEN1与众多蛋白质之间的相互作用机制及其生物学意义还需进一步深入的研究。
对于FEN1与肿瘤关系的研究表明它很有可能作为一种肿瘤的标记物用于肿瘤的早期诊断。
因此,对于FEN1如何参与肿瘤的形成,特别是与肿瘤中的某些标志基因产物之间的相互作用关系值得人们深入研究。
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The relationship between FEN1 and tumor
MA Jinju2, CHEN Bin1, BIAN Shizhu2
1Department of Biochemistry and Molecular Biology, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China;
2Squadron 1 of Cadet Brigade, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China
Abstract Flap endonuclease-1 (FEN1) is a structure-specific nuclease, which consists of the nuclease core domain and the C-terminal tail. FEN1 plays a crucial role in the removal of RNA primers during Okazaki fragment maturation in DNA repair process and the efficient removal of 5-flaps during long-patch base excision repair. In the different DNA replication and repair pathways, FEN1 has an important role through interaction with different proteins. It has been found to be abnormally expressed in various tumors, suggesting that it may be a potential tumor marker.
Key words FEN1; DNA repair; tumor。