XRCC1在肿瘤中的研究进展

The Research Progress of XRCC1 in Tumor

摘要: DNA损伤修复(DNA damage repair, DDR)系统在保护基因组稳定性方面发挥重要作用，DNA损伤累积或DDR功能减弱都会导致肿瘤的发生发展，同时也给肿瘤的药物治疗提供机会和靶点。人类X射线修复交叉互补基因1 (X-ray repair cross complementing gene 1, XRCC1)是首个发现影响细胞对电离辐射敏感性的哺乳动物类基因，调控DNA单链断裂和碱基切除损伤修复通路中的关键步骤。本文就XRCC1的结构、功能及在恶性肿瘤中的最新研究成果作一简要综述。

Abstract: DNA damage repair (DDR) system plays an important role in maintaining genomic stability. The accumulation of DNA damage or the weakening of DDR function will lead to the occurrence and de-velopment of tumors, and also provide opportunities and targets for drug therapy of tumors. Hu-man X-ray repair cross complementing gene 1 (XRCC1) is the first mammalian gene found to affect cell sensitivity to ionizing radiation, and plays an important role in regulating DNA single-strand break and base excision damage repair pathways. This article reviews the structure and function of XRCC1 and the latest research results in malignant tumors.

1. 引言

DNA是人类遗传信息的载体，其遗传保守性是维持物种稳定的重要因素。在细胞的生长过程中，一方面，机体因外界环境及自身因素引起DNA的损伤，另一方面，针对DNA损伤，人体系统有一套损伤修复系统，监视和修复DNA的损伤，从而保证基因组完整性。因此，维持DNA损伤与修复之间的良好平衡对于维持生物体稳定性和多样性至关重要。而XRCC1是碱基切除修复/单链断裂修复系统中的一个重要基因，因此，研究XRCC1在DNA损伤修复通路中的机制，对于恶性肿瘤的发生发展及治疗意义重大。

2. DNA损伤修复系统

人体DNA每天受到数十亿次来源于内源性和外源性因素导致的不同类型损伤 [1] ，与此同时，体内DDR系统的基因通过识别DNA损伤位点，激活一系列生化通路，协调DNA复制与转录，使损伤DNA得以修复，维持机体相对独立、稳定。DDR系统主要包含5条重要的修复通路：碱基切除修复(base excision repair, BER)、同源重组(homologous recombination, HR)、错配修复(mismatch repair, MMR)、核苷酸切除修复(nucleotide excision repair, NER)、非同源末端连接(non-homologou end joining, NHEJ)。DDR通路的缺陷可导致多种疾病的发生，包括肿瘤的发展 [2] 。大多数肿瘤的治疗会导致DNA损伤和细胞凋亡，然而，癌细胞天生具有修复这种损伤和抑制凋亡的能力，最终导致耐药性的发展。因此，研究DNA损伤机制，可能对肿瘤的易感性，癌症的治疗有重要意义 [3] [4] 。

其中，BER通路是主要的DNA损伤修复通路，该通路利用DNA糖苷酶识别并切除受损的核酸位点，并在DNA双链上形成去嘧啶位点(AP位点)；然后AP核酸内切酶在AP位点的5’端或者3’端切断DNA链产生裂口；最终通过DNA聚合酶和DNA连接酶合成新的片段并填补缺口，形成DNA新链 [1] [5] [6] 。其中，XRCC1在碱基切除修复和单链断裂修复中起着重要作用，可作为支架蛋白招募DNA修复蛋白参与DNA损伤位点的修复。

3. XRCC1基因

3.1. XRCC1的发现

1990年，Thompson等 [7] 首次从中国仓鼠卵巢细胞系(CHO)中的EM9细胞株中克隆得到了该基因。通过对中国仓鼠卵巢细胞系随机诱变，并根据它们对DNA烷化剂的敏感性进行了筛选，其中EM9细胞株，这是一个对甲基磺酸乙酯和电离辐射高度敏感的突变体。此突变体的表型有两个重要特征，首先暴露于电离辐射或烷基化损伤时，DNA单链断裂的修复能力水平下降；其次，EM9细胞中姐妹染色单体交换 (SCE)频率大大升高，约为亲本CHO细胞的10倍。但通过与正常的人类成纤维细胞或淋巴细胞融合杂交，可以获得SCE频率接近亲本细胞水平的克隆群体，从而纠正EM9细胞缺陷。通过转染杂交证实了使EM9缺陷的基因(现命名为XRCC1)定位到人类第19号染色体的长臂19q.13.2。

3.2. XRCC1的结构和功能

研究表明，人类XRCC1和ERCC1、ERCC2等DNA修复基因都位于人类第19号染色体的长臂上(19q.13.2~13.3)，其基因组全长31.9 kb，包含了17个外显子 [8] 。一个可能的转录起始位点位于翻译起始位点上游105 bp处，同时在转录起始位点上游−136位置存在一个TATA序列，在3’端有一个典型的多聚腺苷酸(poly A)尾巴，人类XRCC1转录本的长度为2802个核苷酸，从ATG起始密码子翻译1899个核苷酸开放阅读框，产生633个氨基酸，相对分子量为69.5 kDa [6] [9] 。

人XRCC1蛋白是一个分子支架蛋白，自身无催化酶作用，但因其存在3个功能域，可分别和不同的酶相互作用，参与碱基切除修复和DNA单链断裂修复 [10] 。如图1所示，3个功能域具体为：1) N端的功能域(N terminal domain, NTD)横跨1-183个残基，该区域可与DNA多聚酶β结合，催化1-6nt缺口的填补反应，以及AP位点的5脱氧核糖核酸磷酸残基的释放，而这两个反应均是碱基切除修复中的重要步骤 [11] [12] 。2) 居中的BRCT-I结构域位于第315~403氨基酸残基之间，通过与PARP聚合酶相互作用；PARP1是PARP家族中活性最高的蛋白，被认为是DNA损伤的感受器。当检测到DNA缺口，PARP1可与受损的DNA结合，PARP1的活性被迅速刺激，导致PARP1自体聚核糖化和(或)其他核蛋白质聚核糖化，如组蛋白，由于自身聚核糖化作用，PARP-1失去对DNA的亲和力，并从其结合位点释放，有助于修复蛋白的结合而进行DNA损伤的修复 [13] [14] 。3) C端的BRCT-II结构域位于第538~633氨基酸残基之间，通过与DNA连接酶III (DNA ligase 3alpha, LIG3α)相互作用，大多数的LIG3α都能与XRCC1结合，这种相互作用维持了细胞的稳定性，在缺乏XRCC1的细胞中，LIG3α的水平降低了5倍。此外与XRCC1的相互作用可以促进LIG3α在细胞核内的募集和在损伤部位的积聚。XRCC1还可能在聚合酶β与连接酶III间起架桥作用，即通过聚合酶β填充核苷酸裂隙，使连接酶III能立即封闭缺口，完成修复 [15] 。而这3个结构域由两个连接域隔开，其中包含核定位信号(NLS)区域，以及酪蛋白激酶(CK2)磷酸化位点，NLS能与脱嘌呤/脱嘧啶核酸内切酶(APE1)、羟基鸟嘌呤糖苷酶1 (OGG1) [16] 和增殖细胞核抗原(PCNA)结合 [17] 。CK2在染色体DNA断裂修复和维持基因完整性方面有着直接作用，并且这个功能是通过与XRCC1磷酸化而实现 [18] 。

Figure 1. The structure of XRCC1

图1. XRCC1的结构

3.3. XRCC1的差异表达

所有真核细胞中都存在XRCC1蛋白的表达，但其表达呈现组织特异性，一项早期研究发现XRCC1在小鼠睾丸细胞、精子细胞的表达水平显著高于其他小鼠组织，提示XRCC1可能在生殖细胞生理学中发挥重要作用 [19] 。同时，其他研究也发现XRCC1在不同类型的肿瘤组织中表达也均有不同，在黑色素瘤 [20] 、胶质瘤 [21] 、肾细胞癌 [22] 、膀胱癌 [23] 、胃癌 [24] 中均表达下调，然而，在卵巢癌 [25] 和头颈鳞癌 [26] 的结果完全相反。我们认为不同类型的癌症发病机制不同，这可能是XRCC1在卵巢癌和头颈鳞癌中充当癌基因的原因，但具体机制仍有待进一步研究。

4. XRCC1缺陷体

XRCC1缺陷的EM9细胞表现为对各种DNA损伤剂敏感，其重要标志为DNA单链修复能力下降及姐妹染色单体交换频率升高 [7] 。相似的实验也证明了这一点，LUO H [27] 和Fan J [28] 等人通过RNA干扰(RNAi)下调XRCC1表达，发现XRCC1的下调使宫颈癌(Hela)及成纤维细胞对烷化剂MMS敏感性升高。同时还发现，XRCC1蛋白降低70%~80%会导致Hela细胞和正常人成纤维细胞的姐妹染色单体交换水平升高。小鼠体内实验结果显示，XRCC1缺失可使胚胎发育停滞，尽管胚胎的胚胎外组织表现为正常，但与正常胚胎相比，突变胚胎在卵圆筒阶段DNA单链断裂水平升高 [29] 。以上实验证据表明XRCC1缺陷的细胞或小鼠，均对烷化剂、活性氧及电离辐射等DNA损伤表现出高度敏感。

Zheng Y等 [30] 通过慢病毒转染敲低胰腺癌细胞中XRCC1的表达水平观察某种新型抗癌药物(β-lap)的疗效，发现XRCC1低表达细胞中DNA双链断裂及细胞死亡显著增加。说明XRCC1的缺失会增加细胞对对β-lap的敏感性，这表明靶向BER通路中的XRCC1表达可能有潜力扩大β-lap在基因治疗中的应用和疗效。Gao X等 [31] 研究发现小檗碱(BBR)在细胞周期S期阻滞细胞，并诱导DNA断裂。同时，BBR使癌细胞对顺铂、喜树碱和甲磺酸甲酯致敏，表明BBR可能影响DNA修复途径。该研究还发现，BBR可下调了XRCC1的表达，获救的XRCC1恢复了癌细胞对BBR的耐药性。因此，我们认为BBR通过干扰XRCC1介导的基底切除修复，使癌细胞对化疗药物敏感。以上研究结果提示，XRCC1可用于评估肿瘤患者的预后，XRCC1低表达提示对化疗药物敏感，但能否作为肿瘤患者的独立预测因素仍需前瞻性研究进一步证实。

5. XRCC1突变体

Mohrenweiser等人 [32] 已经确定并量化了XRCC1的9个多态性，包括3处常见的取代位点，分别为第6外显子上rs1799782 (Arg194Trp)、第9外显子上rs25489 (Arg280His)、第10外显子上rs25487 (Arg399Gln)，其中194、280位点位于N端与BRCT-1结构域之间，399位点位于BRCT-1结构域上，故以上位点碱基的突变，将会导致编码的氨基酸发生改变，从而影响编码蛋白的功能，导致疾病的易感性差异。

5.1. XRCC1突变体与肿瘤易感性之间关系

近年来，大量的分子流行病学研究发现，XRCC1多态性与肿瘤风险之间存在关联，Liu SY等 [33] 纳入7项关于XRCC1 Arg194Trp多态性与甲状腺癌(TC)的研究，结果未能表明Arg194Trp多态性与TC易感性之间的关联。然而，在种族亚组分析中，XRCC1 C等位基因在中国人TC发病风险降低18%，在所有遗传模型下白种人TC发病风险均无显著相关性。一项基于泰国人群的病例对照研究结果显示，XRCC1基因的AA纯合子多态性与胃癌风险增加相关(OR = 3.7；95% CI = 1.30~10.72)。高摄入植物油和盐可以改变XRCC1基因对胃癌风险的影响(P = 0.036和P = 0.014)，尤其是AA纯合子基因型。然而，XRCC1基因变异与吸烟、饮酒或食用猪肉油之间对胃癌风险没有显著性影响 [34] 。以上研究显示某些多态性的存在似乎与癌症易感性的增加或减少有关，这取决于癌症的类型和接触有害环境因素等。

5.2. XRCC1突变体与肿瘤化疗疗效之间的关系

一项meta分析评价XRCC1 Arg399Gln位点多态性与结直肠癌患者的铂类药物化疗的敏感性和预后之间的关系，研究结果显示该位点多态性在显性、共显性遗传模型下与结直肠癌患者接受铂类化疗的敏感性有关(AA + AG vs GG: OR = 0.50, 95% CI = 0.38~0.65, P = 0.000; AG vs GG: OR = 0.72, 95% CI = 0.53~0.98, P = 0.038; AA vs GG: OR = 0.34, 95% CI = 0.18~0.67, P = 0.002)。然而，在种族亚组分析时发现，其多态性与铂类药物化疗敏感性在高加索人群中无明显相关性。在所有纳入的研究中显示XRCC1 Arg399Gln位点在显性和共显性遗传模式下与结直肠癌患者的无进展生存期(PFS)和OS无明显相关性 [35] 。一项荟萃研究回顾性分析了5项研究共计1159例经铂化疗的卵巢癌患者，结果显示XRCC1 Arg194Trp、Arg280His和Arg399Gln的表达状态不影响卵巢癌患者铂基化疗后的总生存率(OS)。然而，亚组分析提示，当III或IV病例的百分比 > 80.0%时，Gln399Gln显著降低OS (HR = 1.79, 95% CI = 1.22~2.62, P = 0.003)，而当该百分比 < 80.0%时，OS升高(HR = 0.47, 95% CI = 0.28~0.79, P = 0.004)。上述研究结果提示疾病状态可能影响患者Arg399Gln与OS的关系 [36] 。以上研究提示XRCC1的多态性可能会影响肿瘤化疗疗效及患者生存期，但具体机制仍不清楚，其研究结果仍存在差异，可能与癌症类型、疾病状态及研究对象的种族等相关。

5.3. XRCC1突变体与肿瘤放疗疗效之间的关系

Yang Z等 [37] 随访了86例非小细胞肺癌患者，结果显示XRCC1 Arg399Gln (OR = 0.457, 95% CI = 0.259~0.804, P = 0.006)与非小细胞肺癌(NSCLC)患者放疗的疗效和毒性有关。他们的研究结果可能阐明DNA修复基因对放疗后NSCLC患者预后的预测价值，提示其多态性与放疗后不良反应及生存期存在关联。一项队列研究评估了XRCC1 Arg194Trp多态性与头颈部鳞状细胞癌(HNSCC)患者接受同步放化疗(CCRT)治疗的临床结果的相关性，结果显示多态变异(TT) XRCC1的HNSCC患者接受CCRT治疗后，急性辐射发病率显著增加，与野生型(CT)相比，可能有更好的PFS趋势 [38] 。

以上研究结果表明XRCC1的多态性与肿瘤的发生发展、患者预后具有相关性，但迄今为止其具体机制仍未明确，可能与研究对象的种族和遗传因素、接触有害环境因素不同、样本量的大小以及其他未知混杂因素有关。

6. 结语

综上所述，DAN损伤修复基因XRCC1在单链断裂/碱基切除修复通路中起着重要作用，但具体的分子机制还未研究透彻。细胞和动物模型均揭示了XRCC1在生物体中起着重要作用，但仍需进一步研究。同时，流行病学研究提出XRCC1突变体与疾病的易感性、癌症治疗疗效之间存在关联。通过研究XRCC1在DNA损伤修复中的机制及基因多态性与疾病易感性之间的关系，可以从分子水平指导疾病的诊断、治疗和预后，对于筛查易感人群、早期预防、提高疗效及指导预后有着重要意义。

NOTES

^*通讯作者。