十二指肠贾第虫（Giardia duodenalis）：碱基切除修复途径中的酶FEN1执行与NER（Nucleotide Excision Repair）途径相关的催化活性

《Biochimie》：Giardia duodenalis: Base excision repair pathway enzyme FEN1 carries out catalytic activities pertaining to NER pathway

Giardia duodenalis的Fen1酶具有切割泡状DNA的能力，通过替换酸阻隔区和帽区的人类同源序列发现，酸阻隔区替换不影响活性，而帽区替换显著抑制了该功能。研究揭示了该酶处理泡状DNA的结构机制及功能域特异性。

　　

乌利塞斯·奥马尔·加西亚-莱佩（Ulises Omar García-Lepe）| 索菲亚·加布里埃拉·托马斯-莫拉莱斯（Sofía Gabriela Tomás-Morales）| 玛丽亚·特蕾莎·伊萨吉雷-埃尔南德斯（María Teresa Izaguirre-Hernández）| 玛丽亚·路易莎·巴桑-特赫达（María Luisa Bazán-Tejeda）| 罗莎·玛丽亚·贝尔穆德斯-克鲁斯（Rosa María Bermúdez-Cruz）

墨西哥国立理工学院（IPN）高级研究与研究中心遗传学与分子生物学系，墨西哥城国家理工学院大道2508号，邮编07360

摘要

十二指肠贾第虫（Giardia duodenalis）是一种双核原生动物，可引起人类和动物的肠道感染。其生命周期包括两个阶段：滋养体（营养阶段，倍性为4N）和囊肿（感染阶段，倍性为8-16N）。从一个阶段过渡到另一个阶段需要精确的协调以及DNA修复机制的支持。虽然DNA同源重组和DNA修复机制已得到研究，但核苷酸切除修复（NER）和碱基切除修复（BER）途径尚未被充分探索。大多数结构特异性酶（SSE）参与多种过程，如DNA复制应激、DNA加合物修复和霍利迪结（Holliday junction）处理。为了研究这种寄生虫中的这些酶，我们克隆了Fen1基因，通过使用flap和bubble DNA底物来分析其催化特性（结合能力和核酸酶活性）。出乎意料的是，我们发现GdFen-1能够切割bubble DNA，并进一步明确了该酶中负责这一活性的结构域。将贾第虫的酸阻遏区（acid block）和帽区（cap region）的部分替换为人类对应序列后，虽然酸阻遏区的替换并未影响酶活性，但帽区的修饰却产生了影响。本文讨论了这些发现的可能意义。

引言

十二指肠贾第虫是一种肠道寄生虫，主要感染小肠上部，每年导致2.8亿人患病[1]。这种原生动物可感染所有哺乳动物，A型和B型菌株均具有动物源性传播潜力（可在动物与人类之间传播）。在工业化国家，贾第虫感染率约为2-3%，而在发展中国家这一比例可高达30%。该寄生虫的生命周期分为两个阶段：滋养体（营养阶段）和囊肿（感染阶段），其倍性分别为4N和8-16N，这对它的生存至关重要[2][3]。因此，阶段转换与倍性数之间的精确协调对于基因组稳定性至关重要，而DNA修复途径负责完成这一过程。研究表明，贾第虫基因组中含有同源重组相关基因，这些基因在DNA损伤时参与修复[4][5][6]；然而，其他DNA修复途径（如NER和BER）在滋养体生长过程中的作用尚未得到研究。已鉴定出的结构特异性内切酶（SSE）参与DNA复制和转录应激、DNA修复以及霍利迪结构处理等过程。其中，FEN1-XPG家族成员能够切割flap DNA，但只有XPG能够切割bubble DNA。由于十二指肠贾第虫的生物学特性较为特殊，我们选择了GdFen1作为研究对象。通过克隆、表达和纯化Fen1蛋白，我们利用flap和bubble DNA底物分析了其结合能力和核酸酶活性。研究发现，GdFen-1确实能够切割这两种DNA结构。为确定负责切割bubble DNA的结构域，我们将贾第虫的酸阻遏区和帽区部分替换为人类对应序列，结果发现人类酸阻遏区的替换未影响酶活性，而帽区的修饰则影响了其活性。本文探讨了这些发现的可能原因及其意义。

细胞培养

十二指肠贾第虫（A1型菌株，ATCC 30957）在37°C条件下，于含有10%胎牛血清（HyClone）和1X抗生素/抗真菌溶液（Hyclone，Thermo Scientific SV30079.01）的改良TYI-S-33培养基中培养。

生物信息学分析 GdFen1的核苷酸序列来自GiardiaDB数据库（https://giardiadb.org/giardiadb/app）。GdFen1的ID为GL50803_16953。此外还使用了其他Fornicata门生物的序列进行多序列比对。

GdFen1中的保守结构域

十二指肠贾第虫Fen1的核苷酸序列来自GiardiaDB数据库，通过计算机模拟分析了其保守性和功能结构域的存在。将贾第虫蛋白序列与多种哺乳动物模型及其他密切相关的生物（包括Fornicata门寄生虫）的同类蛋白进行比对。

讨论

十二指肠贾第虫具有许多独特特征，使其成为研究细胞机制的理想模型。尽管在其他生物（如细菌或人类）中这些机制已被充分理解，但在该寄生虫中却表现出意想不到的灵活性。例如，十二指肠贾第虫具有最小的基因组（kinome）、简化的转录和RNA加工系统等。

CRediT作者贡献声明

索菲亚·加布里埃拉·托马斯-莫拉莱斯（Sofía Gabriela Tomás-Morales）： 调查工作、数据分析。 乌利塞斯·奥马尔·加西亚-莱佩（Ulises Omar García-Lepe）： 原稿撰写、调查工作、数据分析、概念构建。 玛丽亚·路易莎·巴桑-特赫达（María Luisa Bazán-Tejeda）： 监督工作、调查工作。 玛丽亚·特蕾莎·伊萨吉雷-埃尔南德斯（María Teresa Izaguirre-Hernández）： 调查工作、数据分析、概念构建。 罗莎·玛丽亚·贝尔穆德斯-克鲁斯（Rosa María Bermúdez-Cruz）： 原稿撰写、项目管理、资金申请、概念构建。

利益声明

无

资助信息

无

利益冲突声明

无

致谢

感谢墨西哥城市教育、科学、技术及创新部（SECTEI）为博士后研究员乌利塞斯·奥马尔·加西亚-莱佩提供的奖学金（编号：SECTEI/131/2023）。