胃肠病学2010年第15卷第4期-249・AIkB蛋白介导的DNA氧化脱甲基化作用的研究进展许平上海交通大学医学院附属仁济医院陈胜良宰上海市消化疾病研究所(200001l摘要环境和细胞内各种因素所引起的DNA碱基甲基化改变可导致DNA损伤。DNA损伤修复对维持基因组功能的完整性非常重要,如未及时修复可能导致遗传信息功能的改变,并引起相关疾病,如癌症、发育缺陷等。最近发现AIkB蛋自家族利用单核非血红素Fe“以及0【.酮戊二酸作为辅助因子和协同底物可直接祛除部分DNA碱基甲基化损伤。因此。对AIkB功能的深入研究有助于了解DNA损伤修复机制以及研发新型抗肿瘤药物。关键词AlkB;DNA甲基化;DNA修复;抗肿瘤药,烷基化AdvancesinStudy011OxidativeDemethylationDNARepairMediatedbyAlkBProteinsJiaotongUnivers毋SchoolofMe击cineShanghaiInstituteXUPing,CHENDisease,鼬e,捌沥碍RenjiHospital,鼽锄咖iofDigestiveSk愕枫(200001)Correspondenceto:CHENShengliang,Email:chenslmd@163.cornAbstractDNAesl"lbedamagedbyvariousintracenularandenvironmentalagentsviamethylationofbasepairs.notRepairofDNAdamageisessentialformaintainingtheintegrityofgenomiefunction.Ifcauserepairedpromptly,itmaygeneticchangesleadingtodiseasessuchcanascanceranddevelopmentaldefects.Recently.ithasbeenfoundthatpartoftheDNAbasepairmethylationdamageutilizationofmononuelearnon.hemeonbedirectlyremovedbyafamilyofproteinscalledAlkBproteinswiththeiron(1I1and旺一ketoglutarate∞colactorandeosubstrate.Therefore,intensivestudiesfunctionofAIkBmayhelptheunderstandingofrepairdrugs.mechanismsofDNAdamageandthedevelopmentofnewantieancerKeywordsAIkB;DNAMethylation;DNARepair;,AntineoplasticAgents,Alkylating一、DNA甲基化概况及其机制DNA甲基化系指生物体DNA受到各种内源性和外源性因子的作用,以S.腺苷蛋氨酸(SAM)为甲基供体,由DNA甲基转移酶催化,将甲基转移至碱基特定结构上的过程。DNA甲基化是生物体DNA常见的一种修饰方式。广泛存在于原核生物和真核生物中。甲基化修饰有多个位点,如腺嘌呤N-6位Ill、胞嘧啶N-4位、胞嘧啶C.5位。哺乳动物中90%的DNA甲基化修饰是由胞嘧啶C.5位甲基转移酶识别DNA的5’.CG.3’序列(CpG)。并将SAM的甲基转移至胞嘧啶C.5位上。DNA甲基化后其核苷酸排列顺序并未发生改变,但空间结构发生改变,从而使基因表达受到不同程度的影响。DNA甲基化影响基因表达的主要机制为:①基因甲基化改变其构型后。直接影响DNA启动子识别位点与特异性转录因子的结合,导致基因不能转录121;②基因5’端调控序列甲基化后与核内甲基化CG序列结合蛋白结合。形成转录阻遏物,间接阻止转录复合物的形成,从而导致基因沉默;③DNA甲基化还可通过影响核小体的位置或与其染色体蛋白子MeCP2的C端转录抑制区域TRD与Sin3A结合.使基因转录失活131。由此可见,DNA碱基的甲基化修饰可引起基因异常表达,如不能及时修复,很可能导致细胞毒作用以及遗传物质突变并引起相关疾病,如肿瘤、神经系统疾病或发育缺陷。研究发现上述疾病发生、发展过程中存在广泛的甲基化不平衡状况,其中包括基因组总体甲基化水平降低和某些基因启动区域(CpG序列)发生高甲基化。前者导致染色体不稳定.激活原来保持沉默状态的基因;后者常发生于细胞周期调控基因、DNA修复基因、细胞凋亡基因等CpG岛高甲基化,使转录沉默,两者共同促进了肿瘤细胞的形成。目前尚不明确基因组广泛低甲基化和局部区域CpG岛高甲基化是同一机制的两个方面抑或是两种不同的机制141。异常DNA甲基化可通过碱基切除修复以及DNA去甲基化酶或AIkB蛋白介导的氧化脱甲基化的形式进行修复。近年研究证实AIkB是单核非血红素附和Ot.酮戊二酸依赖的双加氧酶.能修复DNA碱基异常甲基化,已引起各国学者的重视四。本文就哺乳动物中AIkB蛋白介导的DNA氧化脱甲基化作用及其机制作一综述。二、AIkB概述1983年Kataoka等161发现大肠杆菌变异株对烷化剂甲磺酸甲酯非常敏感,并将其命名为AIkB。随后Lee等用采用序质相互作用改变染色体结构,从而抑制转录;④转录抑制因DOI:10.3969/j.issn.1008-7125.2010.04.016・本文通讯作者,Email:chenslmd@163.com万方数据・250・列对比分析证实AIkB为单核非血红素Fe:+和d.酮戊二酸依赖的双加氧酶超家族成员,其以金属离子为辅基。激活双氧分子催化氧化与稳定杂环上氮原子相接触的甲基团,使之构象发生变化,从『fii通过释放甲醛的形式移除甲基团。目前发现这种修复机制在低等生物细菌到高等哺乳动物中均是保守的。三、AIkB的同系物目前研究表明人类基因组中AIkB家族至少存在8种同系物.分别为ABHI~8f8l。第一种同系物ABHl中52%的结构与大肠杆菌AIkB序列相似,23%完全相同191。Aas等llol在尿嘧啶DNA糖基酶基因上游(12q24.1)鉴定出一种AIkB样编码序列.并命名为hABH2,该基冈含5300个碱基对和4个外显子。同时该研究鉴定出AIkB的另一种同系物hABH3,基冈定位于染色体llqll,含39400个碱基对和10个外显子。随后Lee等用的研究陆续克隆出其余5种同系物ABH4—8。最近有研究w.1:'ri/E实人类肥胖敏感基因(b'TO)具有与AlkB蛋白相似的序列,体外存在Fe“、分子氧、d.酮戊二酸时。其能修复88.DNA上3.甲基胸腺嘧啶(3-meT)以及s8.RNA上的3.甲基尿嘧啶(3.meU),由此推测FTO是AIkB的第9种同系物,但需进一步研究证实。四、AIkB的组织分布、细胞定位Lee等吲的研究采用RNA印迹法检测人类组织中AIkBmRNA表达,结果显示ABH2在睾丸、骨骼肌、肝脏、前列腺、卵巢、心脏中的表达较高。外周血、结肠、胸腺、脾脏、胰腺、肾脏中的含量相对较低.而在肺、脑组织、胎盘中的含量很低;ABH3在睾丸、骨骼肌、前列腺、心脏、胰腺中高表达,其他组织中含量相对较少。与Duncan等113J的研究结果相似。为进一步明确人类细胞巾hABH2和hABH3的亚细胞定位,Aas等lIOi利用Hela细胞行瞬时转染实验,结果表明hABH2和hABH3属于核内酶。除S期外。hABH2在核质中均匀分布,部分聚集于核仁;S期时,hABH2重新分布于复制又处,并能修复这些复制叉ss.DNA区域内产生的内源性损伤。而同的亚细胞定位说明其具有不同的生物学功能。五、AIkB氧化脱甲基化的作用机制多数单核非血红素Fe2+和旺.酮戊二酸依赖的双加氧酶nm紫万方数据ChinJGastroenterol,2010,V01.15。No.4O-O键.从而构成高价FeJr=O中间产物。AIkB蛋白正是通过FeJV=O中问产物的机制,使各种底物的C.H根据不同的蛋白功能发生羧基化。但这种羧基化的中间产物不稳定,可在水中分解得到最终修复产物。六、AlkB的底物、功能和生理意义虽然ABHI与AIkB的同源性很高.但多数研究并未发现其具有氧化脱甲基化功能。最近研究旧表明ABHl是功能性线粒体AIkB同系物.能对单链DNA和RNA的3.甲基胞嘧啶(3-meC)脱甲基。ABH4、ABH6、ABH7均未发现对AlkB底物具有修复功能。可能与蛋白不恰当折叠导致活性消失有关;而ABH5、ABH8由于不能产生可溶性蛋白以致无法纯化,因此很难评估其生物活性同。目前对ABH2和ABH3具有氧化脱甲基化功能已形成初步共识。ABH2对双链DNA底物的作用效率明显高于8s.DNA:ABH3主要倾向于单链DNA,并能对RNA底物脱甲基化。目前发现的哺乳动物AlkB蛋白的特异性底物包括1.甲基腺瞟呤(-ltleA)、3.meC、2-甲基鸟嘌呤(1-meG)、3-met、1-N6-亚乙烯基腺嘌呤和3.N4.亚乙烯基胞嘧啶,更多新的底物有待进一步研究发现证实。Ringvoll等I”I采用基因打靶技术敲除小鼠mABH2基因,结果显示小鼠均发育正常。无明显表型异常.并能够生育;但其胚胎成纤维细胞暴露于甲磺酸甲酯后,无法修复1.meA。mABH3基冈敲除小鼠亦可健康存活至成年,且不能区分野生型和杂合子的表型,DNA修复亦未发现明显缺陷,无l-meA累积。mABH2和mABH3基因均敲除的小鼠相互交配产生的子代仍可健康存活至成年,且无任何明显的表型异常。AIkB蛋白能对碱基异常甲基化修饰进行修复,但目前对其生理意义知之甚少,需进一步研究。七、总结和展望肿瘤的发生、发展是一个涉及多基因、多阶段异常累积的复杂过程。随着研究的不断深入,DNA甲基化表观遗传学修饰方式在肿瘤发生、发展过程中的作用越来越受到关注。DNA异常甲基化通过影响基因转录、促基因突变、增加染色体结构的不稳定性等多种方式促进肿瘤的发生、发展。体外实验旧表明应用去甲基化药物后,肿瘤细胞的抑癌基因均重新表达。I临床应用5.氮.2’.脱氧胞苷(5-a98.CdR)通过使失活的p15、p16、VHL和维甲酸受体基因重新恢复表达而治疗白血病118I。然而这种去甲基化荆缺乏特异性靶点,在修复异常甲基化的同时也会引发正常基因调控机制的紊乱,导致正常基因突变的概率增加,因此肿瘤长期幸存者在治疗过程中很可能会引起再发肿瘤。而AIkB蛋白对DNA碱基异常甲基化修饰具有氧化脱甲基化的修复作用,对其行深入研究可为肿瘤的早期诊断、治疗和预后提供新的思路。目前AIkB蛋白的核酸修复功能已得到证实.未来需明确ABH2和ABH3氧化脱甲基化功能的生物学意义;通过构建AIkB靶向基因敲除动物模型研究并开发新型的抗肿瘤药物.探讨抗肿瘤药物耐药的机制,为肿瘤的预防、早期诊断、早期治疗以及预后判断提供新的思路。hABH3在多数细胞中主要位于核仁外。由此可见,AIkB不超家族成员能藕联底物。使a.酮戊二酸转变为琥珀酸盐和C02。在氧饱和的水中加入含铁的AikB蛋白,于595外光谱波段可见显色中心,该峰值是由Feo的OH-Trp配体金属离子跃迁所致。发生羟基化作用的Trp侧链经鉴定为Trp]78.说明AlkB可形成氧化中间产物。上述功能与其他单核非血红素Fe2+和a.酮戊二酸依赖的双加氧酶超家族成员相同。Mishina等114l的研究提出以Fe“=O中间产物作为反应氧化剂来阐明这种酶的氧化脱甲基化作用机制。第一步为活性位点Fe“与O,反应产生超氧阴离子结合Fe-,随后亲核的超氧化物作为中介作用于铁结合的a.酮戊二酸的q.酮碳位点。这种桥连中介对预定的d.酮戊二酸进行脱羧,并切割胃肠病学2010年第15卷第4期参考文献AhmadLRaoDN.FunctionalanalysisofconservedmotifsinEcoPl5IDNAmethyltransferase.JMoIBiol。1996,259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