Cell封面：华人科学家重构DNA修复系统

　　生物通报道：

122卷第5期《细胞》杂志（Cell）封面是一双错配的袜子，配以的文章是关于DNA错配和修复的。文章的通讯作者为华人科学家——李国民，他曾经就读于武汉大学生物系，在那里获得了理学学士学位。后来又在美国韦恩州立大学取得理学博士学位，目前是美国肯塔基大学的副教授。

 

李教授多年来从事DNA复制错配修复研究。我们知道DNA除了外界环境影响会造成损伤外，在其本身的复制过程中也会出现错配。尽管这种出错的几率十分微小，但是生命这台精密的仪器不允许任何差错。因为就算是一个碱基的错配也可能造成严重的疾病。如果错配修复基因存在缺陷的话就可能造成癌症，比如：遗传性非多发性息肉结肠癌（hereditary nonpolyposis colorectal cancer）。

对于复制过程中出现的错误，比如碱基错配、少量插入、缺失，机体内本身就存在有校正机制。这种校正机制通常可以由DNA聚合酶3’→5’的校对功能立即进行纠正。如果DNA聚合酶没有发现错配，就需要错配修复（mismatch repair, MMR）系统来完成。

在大肠杆菌中的错配修复系统已经研究得十分透彻了（如下图所示）。这个系统主要包括酶错配矫正酶（mismatch correction enzyme）、DNA聚合酶Ⅲ和DNA连接酶等11种蛋白参与。可以分为步骤：启始、切除和修复。启始：根据序列上GATC中腺嘌呤（A）的甲基化程度不同，酶错配矫正酶中的MutS部分识别错配区域，而MutH和MutL识别没有甲基化的GATC序列。之后，将新合成的单链上切出一个缺口（nick）。切除：由核酸外切酶将距离GATC到错配区域间的DNA链切除。为了防止剩下的暴露的单链遭到降解，需要有单链结合蛋白（Ssb）将其保护起来。修复：由DNA聚合酶Ⅲ全酶进行合成，连接酶对缺口进行连接。

 

错配修复系统是一种高度保守的途经。理论上，它在真核系统中的修复过程应该与原核系统中的相类似。原核系统是依靠甲基化程度来判断哪条是新合成链，而在真核系统中是如何识别错配单链的机制尚未明确。但是，人们在体外可以利用含有MutSα或者MutSβ、MutLα、RPA、PCNA、EXO1、HMGB1、RFC和DNA聚合酶δ的系统将含有缺口的双链DNA进行修复。

本期Cell的封面文章就是《在纯化后的系统中重构人类5’方向修复系统》（Reconstitution of 5′-Directed Human Mismatch Repair in a Purified System）。文章利用纯化后的人源蛋白在体外对5’方向存在缺口的错配DNA进行了修复。这一系统包括了MutSα或者MutSβ、MutLα、RPA、PCNA、EXO1、HMGB1、RFC和DNA聚合酶δ蛋白。在这个系统中，MutSβ对于碱基错配的修复作用十分有限，它对于插入/缺失错配的修复率比MutSα高；MutSα对于两种类型的错配修复率是一样的。MutLα可以减低EXO1的酶切活性，并且在错配区域被切除后MutLα可以终止EXO1的催化切除效果。如果缺乏MutLα蛋白EXO1就会无法停止作用而切除过多的DNA。

 

RPA和HMGB1在MutSα激活的EXO1催化切除的错配修复启始、切除过程中起到相似但是互补的作用，但是RPA在协助MutLα调节切除过错配区域后的终止过程中起到完全不同的作用。一个碱基有效的错配修复需要MutSα-MutLα多分子复合物的参与。这一研究描述了一种由错配引起的DNA切除的启始和终止模式。

在体外重新构建的错配修复系统能执行的只是体内错配修复系统的一部分功能。它必须以出现缺口的双链DNA为底物进行反应，而在体内这种缺口产生的机制仍不清楚，特别是先导链（leading strand）缺口的产生。在这项研究中将真核系统错配修复系统中MutLα的作用机理进行了进一步的阐明，是MutLα使EXO1失去酶切的活性，从而使切除反应终止。这对于错配修复系统是否能正常工作是一个关键的步骤。

生物通记者 谢菲

 

原文摘要：

Cell, Vol 122, 693-705, 9 September 2005

Article

Reconstitution of 5′-Directed Human Mismatch Repair in a Purified System
Yanbin Zhang,1 Fenghua Yuan,1 Steven R. Presnell,2 Keli Tian,1 Yin Gao,2,5 Alan E. Tomkinson,4 Liya Gu,1,2 and Guo-Min Li1,2,3,*
1 Graduate Center for Toxicology and Markey Cancer Center, University of Kentucky Medical Center, Lexington, Kentucky 40536
2 Department of Pathology, University of Kentucky Medical Center, Lexington, Kentucky 40536
3 Department of Molecular and Cellular Biochemistry, University of Kentucky Medical Center, Lexington, Kentucky 40536
4 Department of Radiation Oncology and Greenebaum Cancer Center, University of Maryland School of Medicine, Baltimore, Maryland 21201
*Correspondence:
Guo-Min Li
Ph.: 859-257-7053; F.: 859-323-2094
[e-mail]

This paper reports reconstitution of 5′-nick-directed mismatch repair using purified human proteins. The reconstituted system includes MutSα or MutSβ, MutLα, RPA, EXO1, HMGB1, PCNA, RFC, polymerase δ, and ligase I. In this system, MutSβ plays a limited role in repair of base-base mismatches, but it processes insertion/deletion mispairs much more efficiently than MutSα, which efficiently corrects both types of heteroduplexes. MutLα reduces the processivity of EXO1 and terminates EXO1-catalyzed excision upon mismatch removal. In the absence of MutLα, mismatch-provoked excision by EXO1 occurs extensively. RPA and HMGB1 play similar but complementary roles in stimulating MutSα-activated, EXO1-catalyzed excision in the presence of a mismatch, but RPA has a distinct role in facilitating MutLα-mediated excision termination past mismatch. Evidence is provided that efficient repair of a single mismatch requires multiple molecules of MutSα-MutLα complex. These data suggest a model for human mismatch repair involving coordinated initiation and termination of mismatch-provoked excision.

Footnotes

5 Present address: College of Life Science, Peking University, Beijing 100871, China.