hOGG1基因与肿瘤
作者：邢德印 林东昕
单位：邢德印 林东昕(中国医学科学院中国协和医科大学肿瘤研究所病因及癌变研究室,北京100021)
关键词：hOGG1基因；DNA损伤修复；肿瘤；自由基
癌症000536 中图分类号：R730文献标识码：A
文章编号：1000-467X(2000)05-0499-03
多种物理或化学因素，诸如紫外线、电离辐射、化学诱变剂等可损伤细胞DNA。如果DNA损伤得不到及时和有效的修复，细胞将发生基因突变和癌变等严重后果。DNA损伤修复与遗传缺陷性疾病、肿瘤、衰老等的关系已为人们所熟知。然而，涉及DNA损伤修复的系统却极为复杂，许多环节及所含成分还远未被弄清。目前已知哺乳类细胞至少有三个重要的DNA修复系统，即核苷酸切除修复系统、错配修复系统和DNA烷基转移酶系统。核苷酸切除修复系统主要修复致癌物-碱基加合物或紫外线引起的嘧啶二聚体,错配修复系统主要修复DNA复制后的错配碱基，而烷基转移酶则修复烷基化剂引起的DNA损伤，如O6-甲基鸟嘌呤等。自由基和氧化剂引起的DNA氧化损伤是生物体内经常发生而又非常有害的事件。研究发现，新近克隆的hOGG1基因产物涉及DNA氧化损伤的修复过程。因此，hOGG1基因与肿瘤发生以及该基因多态与肿瘤遗传易感性的关系已引起越来越多的研究者的兴趣。本文对这方面的研究作一简要综述。
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1 DNA氧化损伤与8-羟基鸟嘌呤(Oh8Gua)形成
细胞的有氧代谢过程以及暴露于环境诱变剂可产生活性氧，包括OH-、O2、H2O2、1O2等。一般情况下，活性氧在体内很快被清除，在这一过程中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶以及抗氧化剂维生素C和E等发挥重要作用。但生物的抗氧化能力有一定限度，在一些情况下DNA仍会遭到活性氧的攻击，造成各种各样的DNA损伤，诸如碱基修饰、脱嘌呤或脱嘧啶位点(AP)形成、DNA链断裂以及DNA-蛋白质交联等[1,2]。当细胞分裂时，未被修复的损伤DNA便可产生突变。DNA突变可激活癌基因或使抑癌基因失活，导致细胞生长失控。氧自由基造成的DNA损伤被认为是肿瘤发生和发展的重要原因。
在DNA损伤过程中，O2-和H2O2不直接参与作用，而是被催化生成OH-后与碱基作用造成突变。氧自由基致癌的确切机制仍不很清楚，已经阐明的是氧自由基攻击DNA或RNA形成的主要产物oh8Gua在肿瘤发生过程中具有重要作用[3]。DNA与产生氧自由基的致突变物反应后，可检测到oh8Gua。强氧化剂KBrO3可诱发小鼠肾肿瘤，其机理与oh8Gua形成有关。致癌物2-硝基丙烷在引起肝癌的同时也使靶组织DNA和RNA中的oh8Gua含量升高，而不引起肿瘤的非致癌物1-硝基丙烷却无此作用。吸烟可引起多种肿瘤包括肺癌，吸烟者白细胞和肺组织中的oh8Gua含量比不吸烟者高[4,5]。研究还发现，离子辐射也可导致细胞中oh8Gua含量增高，可能与辐射致癌有关。
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oh8Gua是一种高度致突变性损伤，此种异常碱基不能阻止DNA链延伸，在复制时由于空间构象改变使该碱基优先与腺嘌呤配对。所以oh8Gua如果不被及时和有效修复，DNA复制时可引起G∶C°→T∶A颠换突变。鉴于oh8Gua的强致突变作用，已有研究者把它用作肿瘤发生过程中氧化损伤的敏感标志物[6]。
2hOGG1基因及其生物学功能
最初在大肠杆菌中发现两个编码DNA糖苷酶的基因fgp(mutM)和mutY(micA)可防止oh8Gua的致突变作用，两者中任一基因失活都会导致以G∶C°→T∶A颠换为特征的突变。1996年，在酵母(S.cerevisiae)中得到了与fgp功能相同的基因yOGG1[7]。虽然fgp和yOgg蛋白之间缺乏结构同源性，但yOGG1缺陷的酵母菌株表现突变表型并特异聚集G∶C°→T∶A颠换突变，可见二者是功能类似物。Radicella等[8]以及其他研究小组[9～11]根据酵母与人类基因的同源性，得到yOGG1在人细胞中的同源序列，此cDNA(hOGG1)编码345个氨基酸，与酵母Ogg1蛋白有38%的同源性。
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hOGG1基因位于人染色体3p25-26区域内，整个基因由7个外显子和6个内含子组成，起始子ATG和终止子TAG序列分别位于第1和第7外显子中。hOGG1基因选择性拼接产生至少两种mRNA，分别编码345和424个氨基酸，分子量各自为39KD和47KD。39KD的hOgg1蛋白被称为α构型，在细胞中含量丰富并具有核定位信号，位于335-338氨基酸残基处，其245-270氨基酸残基处具有螺旋-发夹-螺旋结构，是DNA结合位点。除上述位点与yOgg1高度同源外，31-47和128-159氨基酸也高度保守，但功能不清[8]。Takao等[12]发现hOGG1基因选择性拼接后产生四种蛋白，即1a、1b、1c和2型，其中1a定位于细胞核，其余3种定位于线粒体并参与线粒体DNA损伤的修复。
hOGG1基因存在遗传多态性，第7外显子的第1245位碱基具有C/G多态性，结果使第326位密码子产生丝氨酸或半胱氨酸。此外，在第98密码子处以及在非编码区内，也存在多态位点。
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hOgg1蛋白具有DNA修复功能，但其作用具有底物特异性，即oh8Gua特异的DNA结合活性。体外实验表明，hOgg1蛋白只能结合含有oh8Gua的双链寡核苷酸，与oh8Gua:C的结合力最强，oh8Gua:T次之，oh8Gua:A和oh8Gua:G较弱[13]。hOgg1蛋白的oh8GuaDNA糖苷酶活性可以切除内源性和环境因素引起的异常碱基oh8Gua。此外，hOgg1蛋白还具有AP裂解酶活性，可在糖基化产生的AP位点处将DNA链切除，以修复自发碱基丢失或因DNA糖苷酶作用后产生的、可阻断DNA复制的脱嘌呤或脱嘧啶(AP)位点[12]。
3hOGG1基因与肿瘤
由于许多内源性和外源性致癌物可产生oh8Gua，所以修复oh8Gua的能力与个体对致癌物作用的敏感性密切相关。无论hOGG1基因突变或缺失，都可能使细胞修复oh8Gua的能力降低或丧失，从而使此种个体罹患肿瘤的风险增高。
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肺癌的发生与环境因素特别是吸烟的作用高度相关，已经发现肺癌中染色体3p25～26区域的杂合性丢失甚为普遍。hOGG1基因正位于此区域，因此它在肺癌的发生和发展过程中可能具有重要作用。Kohno等[14]发现肺癌细胞中hOGG1基因杂合性丢失频率很高，达62.25%。肺组织中含有高浓度的活性氧，而且吸烟可产生高水平的oh8Gua。在这种情况下，hOGG1基因缺失或突变的个体，细胞中的oh8Gua得不到及时有效的修复，基因突变将不断累积而最终导致癌变。
肺癌细胞中有多种类型的hOgg1蛋白，其产生的原因可能与该基因遗传多态和选择性拼接有关。hOGG1基因第326位密码子C/G多态产生hOGG1-Ser326和hOGG1-Cys326两种蛋白。用oh8Gua修复缺陷的E.coli突变体作互补实验，发现前者对oh8Gua的修复能力比后者强得多。Sugimura等[15]研究了hOGG1基因Ser326Cys多态与肺癌易感性的关系，发现Cys/Cys基因型的个体罹患肺鳞癌和非腺癌的风险显著高于Ser/Cys及Ser/Ser基因型。经年龄和吸烟史校正后的相对风险度(ORs)分别为3.01(95%CI1.33～6.83)和2.78(95%CI1.05～4.54)。他们比较了中国人、日本人、密克罗尼西亚人、美拉尼西亚人、匈牙利人、澳大利亚人和高加索人hOGG1基因多态性分布差异，发现在中国人和日本人中Cys等位基因频率较高，而高加索人种中则较低。
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肺鳞癌与吸烟关系最为密切，肺腺癌虽然也被认为与吸烟有关，但其相关性比鳞癌和小细胞肺癌小得多[16]。Ishida等[17]研究了hOGG1基因第1外显子多态性，序列分析发现有三种等位基因即野生型、第-23位碱基A→G转换产生的等位基因2和第-18位碱基G→T颠换产生的等位基因3，这些突变均位于5｀-非编码区，与起始密码子AUG临近。统计学分析发现日本人等位基因3与肺腺癌显著相关(OR3.15，P=0.014)，而与肺鳞癌无显著相关(OR0.86，P>0.05)。等位基因3与肺腺癌关系的机制有待阐明，因为吸烟史及吸烟量与腺癌关系不是很密切，说明可能有吸烟或职业暴露以外的因素导致肺腺癌。
在小细胞肺癌和肾癌中也发现有hOGG1基因的错义突变，分别位于第85、131和232密码子。突变类型为G∶C°→T∶A或T∶A→A∶T颠换以及G∶C°→A∶T转换，使修复oh8Gua的酶活性降低或丧失[18]。
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Shinmura等[19]用PCR单链构象多态检测技术分析了9种胃癌细胞株和35例原发胃癌标本中hOGG1基因的突变情况，发现MKN1细胞株在第154密码子出现G→A转换，使精氨酸被组氨酸取代。这一位点在人、鼠和酵母中是高度保守的位点。在对35例胃癌患者和42例正常对照的hOGG1-Ser326和hOGG1-Cys326多态分析后发现，虽然Cys326基因型在胃癌患者中的频率高于对照，但差异无统计学显著性。这提示hOGG1活性降低可能只影响一部分胃癌的发生，而不具有普遍意义。
关于hOGG1基因在肿瘤形成过程中的作用也存在不一致的看法。Kohno等发现虽然基因多态性、突变或选择性拼接会形成多种hOgg1蛋白，但人肺癌细胞和外周血白细胞中存在相似水平的oh8Gua，也就是说，oh8Gua含量不依hOgg1蛋白的多型性而变化[14]。支持这一结果的体外实验表明，纯化的融合蛋GST-alpha-hOgg1-Ser(326)和GST-alpha-hOgg1-Cys(326)都能有效地切除γ-射线照射生成的oh8Gua，二者催化寡核苷酸链裂解反应的速率相似，而且二者都能有效互补大肠杆菌fgp和mutY突变表型[20]。体外结果与人体内的情况是否一致有待进一步研究，但不同hOgg1蛋白的稳定性以及在修复反应中与其它蛋白协同作用可能对功能上的差异更为重要，甚至存在其它酶类单独发挥作用的可能。
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4展望
oh8Gua是DNA氧化损伤的代表性产物，是肿瘤发生和发展的重要因素，因此oh8Gua的修复能力可能与个体癌症易患性密切相关。目前对于hOGG1基因、其产物功能和基因多态性已有所认识。进一步的工作是要研究hOGG1基因在不同肿瘤、不同人群中的多态分布情况，以深入了解oh8Gua及其hOGG1修复途径与人类特定肿瘤发生的确切关系，同时探讨hOGG1基因多态是否可作为个体癌症易感性的一种预警标志物。当然，肿瘤的发生是一个多阶段和多基因参与的过程，单个基因改变不足以解释肿瘤发生的机制。因此，预测特定癌症的风险必须考虑多指标联合应用。
基金项目：本课题受国家杰出青年科学基金(39825122)，国家自然科学基金重大项目(39990570)资助
[参考文献]
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收稿日期：1999-01-21;修回日期：1999-04-29, 百拇医药
单位：邢德印 林东昕(中国医学科学院中国协和医科大学肿瘤研究所病因及癌变研究室,北京100021)
关键词：hOGG1基因；DNA损伤修复；肿瘤；自由基
癌症000536 中图分类号：R730文献标识码：A
文章编号：1000-467X(2000)05-0499-03
多种物理或化学因素，诸如紫外线、电离辐射、化学诱变剂等可损伤细胞DNA。如果DNA损伤得不到及时和有效的修复，细胞将发生基因突变和癌变等严重后果。DNA损伤修复与遗传缺陷性疾病、肿瘤、衰老等的关系已为人们所熟知。然而，涉及DNA损伤修复的系统却极为复杂，许多环节及所含成分还远未被弄清。目前已知哺乳类细胞至少有三个重要的DNA修复系统，即核苷酸切除修复系统、错配修复系统和DNA烷基转移酶系统。核苷酸切除修复系统主要修复致癌物-碱基加合物或紫外线引起的嘧啶二聚体,错配修复系统主要修复DNA复制后的错配碱基，而烷基转移酶则修复烷基化剂引起的DNA损伤，如O6-甲基鸟嘌呤等。自由基和氧化剂引起的DNA氧化损伤是生物体内经常发生而又非常有害的事件。研究发现，新近克隆的hOGG1基因产物涉及DNA氧化损伤的修复过程。因此，hOGG1基因与肿瘤发生以及该基因多态与肿瘤遗传易感性的关系已引起越来越多的研究者的兴趣。本文对这方面的研究作一简要综述。
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1 DNA氧化损伤与8-羟基鸟嘌呤(Oh8Gua)形成
细胞的有氧代谢过程以及暴露于环境诱变剂可产生活性氧，包括OH-、O2、H2O2、1O2等。一般情况下，活性氧在体内很快被清除，在这一过程中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶以及抗氧化剂维生素C和E等发挥重要作用。但生物的抗氧化能力有一定限度，在一些情况下DNA仍会遭到活性氧的攻击，造成各种各样的DNA损伤，诸如碱基修饰、脱嘌呤或脱嘧啶位点(AP)形成、DNA链断裂以及DNA-蛋白质交联等[1,2]。当细胞分裂时，未被修复的损伤DNA便可产生突变。DNA突变可激活癌基因或使抑癌基因失活，导致细胞生长失控。氧自由基造成的DNA损伤被认为是肿瘤发生和发展的重要原因。
在DNA损伤过程中，O2-和H2O2不直接参与作用，而是被催化生成OH-后与碱基作用造成突变。氧自由基致癌的确切机制仍不很清楚，已经阐明的是氧自由基攻击DNA或RNA形成的主要产物oh8Gua在肿瘤发生过程中具有重要作用[3]。DNA与产生氧自由基的致突变物反应后，可检测到oh8Gua。强氧化剂KBrO3可诱发小鼠肾肿瘤，其机理与oh8Gua形成有关。致癌物2-硝基丙烷在引起肝癌的同时也使靶组织DNA和RNA中的oh8Gua含量升高，而不引起肿瘤的非致癌物1-硝基丙烷却无此作用。吸烟可引起多种肿瘤包括肺癌，吸烟者白细胞和肺组织中的oh8Gua含量比不吸烟者高[4,5]。研究还发现，离子辐射也可导致细胞中oh8Gua含量增高，可能与辐射致癌有关。
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oh8Gua是一种高度致突变性损伤，此种异常碱基不能阻止DNA链延伸，在复制时由于空间构象改变使该碱基优先与腺嘌呤配对。所以oh8Gua如果不被及时和有效修复，DNA复制时可引起G∶C°→T∶A颠换突变。鉴于oh8Gua的强致突变作用，已有研究者把它用作肿瘤发生过程中氧化损伤的敏感标志物[6]。
2hOGG1基因及其生物学功能
最初在大肠杆菌中发现两个编码DNA糖苷酶的基因fgp(mutM)和mutY(micA)可防止oh8Gua的致突变作用，两者中任一基因失活都会导致以G∶C°→T∶A颠换为特征的突变。1996年，在酵母(S.cerevisiae)中得到了与fgp功能相同的基因yOGG1[7]。虽然fgp和yOgg蛋白之间缺乏结构同源性，但yOGG1缺陷的酵母菌株表现突变表型并特异聚集G∶C°→T∶A颠换突变，可见二者是功能类似物。Radicella等[8]以及其他研究小组[9～11]根据酵母与人类基因的同源性，得到yOGG1在人细胞中的同源序列，此cDNA(hOGG1)编码345个氨基酸，与酵母Ogg1蛋白有38%的同源性。
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hOGG1基因位于人染色体3p25-26区域内，整个基因由7个外显子和6个内含子组成，起始子ATG和终止子TAG序列分别位于第1和第7外显子中。hOGG1基因选择性拼接产生至少两种mRNA，分别编码345和424个氨基酸，分子量各自为39KD和47KD。39KD的hOgg1蛋白被称为α构型，在细胞中含量丰富并具有核定位信号，位于335-338氨基酸残基处，其245-270氨基酸残基处具有螺旋-发夹-螺旋结构，是DNA结合位点。除上述位点与yOgg1高度同源外，31-47和128-159氨基酸也高度保守，但功能不清[8]。Takao等[12]发现hOGG1基因选择性拼接后产生四种蛋白，即1a、1b、1c和2型，其中1a定位于细胞核，其余3种定位于线粒体并参与线粒体DNA损伤的修复。
hOGG1基因存在遗传多态性，第7外显子的第1245位碱基具有C/G多态性，结果使第326位密码子产生丝氨酸或半胱氨酸。此外，在第98密码子处以及在非编码区内，也存在多态位点。
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hOgg1蛋白具有DNA修复功能，但其作用具有底物特异性，即oh8Gua特异的DNA结合活性。体外实验表明，hOgg1蛋白只能结合含有oh8Gua的双链寡核苷酸，与oh8Gua:C的结合力最强，oh8Gua:T次之，oh8Gua:A和oh8Gua:G较弱[13]。hOgg1蛋白的oh8GuaDNA糖苷酶活性可以切除内源性和环境因素引起的异常碱基oh8Gua。此外，hOgg1蛋白还具有AP裂解酶活性，可在糖基化产生的AP位点处将DNA链切除，以修复自发碱基丢失或因DNA糖苷酶作用后产生的、可阻断DNA复制的脱嘌呤或脱嘧啶(AP)位点[12]。
3hOGG1基因与肿瘤
由于许多内源性和外源性致癌物可产生oh8Gua，所以修复oh8Gua的能力与个体对致癌物作用的敏感性密切相关。无论hOGG1基因突变或缺失，都可能使细胞修复oh8Gua的能力降低或丧失，从而使此种个体罹患肿瘤的风险增高。
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肺癌的发生与环境因素特别是吸烟的作用高度相关，已经发现肺癌中染色体3p25～26区域的杂合性丢失甚为普遍。hOGG1基因正位于此区域，因此它在肺癌的发生和发展过程中可能具有重要作用。Kohno等[14]发现肺癌细胞中hOGG1基因杂合性丢失频率很高，达62.25%。肺组织中含有高浓度的活性氧，而且吸烟可产生高水平的oh8Gua。在这种情况下，hOGG1基因缺失或突变的个体，细胞中的oh8Gua得不到及时有效的修复，基因突变将不断累积而最终导致癌变。
肺癌细胞中有多种类型的hOgg1蛋白，其产生的原因可能与该基因遗传多态和选择性拼接有关。hOGG1基因第326位密码子C/G多态产生hOGG1-Ser326和hOGG1-Cys326两种蛋白。用oh8Gua修复缺陷的E.coli突变体作互补实验，发现前者对oh8Gua的修复能力比后者强得多。Sugimura等[15]研究了hOGG1基因Ser326Cys多态与肺癌易感性的关系，发现Cys/Cys基因型的个体罹患肺鳞癌和非腺癌的风险显著高于Ser/Cys及Ser/Ser基因型。经年龄和吸烟史校正后的相对风险度(ORs)分别为3.01(95%CI1.33～6.83)和2.78(95%CI1.05～4.54)。他们比较了中国人、日本人、密克罗尼西亚人、美拉尼西亚人、匈牙利人、澳大利亚人和高加索人hOGG1基因多态性分布差异，发现在中国人和日本人中Cys等位基因频率较高，而高加索人种中则较低。
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肺鳞癌与吸烟关系最为密切，肺腺癌虽然也被认为与吸烟有关，但其相关性比鳞癌和小细胞肺癌小得多[16]。Ishida等[17]研究了hOGG1基因第1外显子多态性，序列分析发现有三种等位基因即野生型、第-23位碱基A→G转换产生的等位基因2和第-18位碱基G→T颠换产生的等位基因3，这些突变均位于5｀-非编码区，与起始密码子AUG临近。统计学分析发现日本人等位基因3与肺腺癌显著相关(OR3.15，P=0.014)，而与肺鳞癌无显著相关(OR0.86，P>0.05)。等位基因3与肺腺癌关系的机制有待阐明，因为吸烟史及吸烟量与腺癌关系不是很密切，说明可能有吸烟或职业暴露以外的因素导致肺腺癌。
在小细胞肺癌和肾癌中也发现有hOGG1基因的错义突变，分别位于第85、131和232密码子。突变类型为G∶C°→T∶A或T∶A→A∶T颠换以及G∶C°→A∶T转换，使修复oh8Gua的酶活性降低或丧失[18]。
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Shinmura等[19]用PCR单链构象多态检测技术分析了9种胃癌细胞株和35例原发胃癌标本中hOGG1基因的突变情况，发现MKN1细胞株在第154密码子出现G→A转换，使精氨酸被组氨酸取代。这一位点在人、鼠和酵母中是高度保守的位点。在对35例胃癌患者和42例正常对照的hOGG1-Ser326和hOGG1-Cys326多态分析后发现，虽然Cys326基因型在胃癌患者中的频率高于对照，但差异无统计学显著性。这提示hOGG1活性降低可能只影响一部分胃癌的发生，而不具有普遍意义。
关于hOGG1基因在肿瘤形成过程中的作用也存在不一致的看法。Kohno等发现虽然基因多态性、突变或选择性拼接会形成多种hOgg1蛋白，但人肺癌细胞和外周血白细胞中存在相似水平的oh8Gua，也就是说，oh8Gua含量不依hOgg1蛋白的多型性而变化[14]。支持这一结果的体外实验表明，纯化的融合蛋GST-alpha-hOgg1-Ser(326)和GST-alpha-hOgg1-Cys(326)都能有效地切除γ-射线照射生成的oh8Gua，二者催化寡核苷酸链裂解反应的速率相似，而且二者都能有效互补大肠杆菌fgp和mutY突变表型[20]。体外结果与人体内的情况是否一致有待进一步研究，但不同hOgg1蛋白的稳定性以及在修复反应中与其它蛋白协同作用可能对功能上的差异更为重要，甚至存在其它酶类单独发挥作用的可能。
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4展望
oh8Gua是DNA氧化损伤的代表性产物，是肿瘤发生和发展的重要因素，因此oh8Gua的修复能力可能与个体癌症易患性密切相关。目前对于hOGG1基因、其产物功能和基因多态性已有所认识。进一步的工作是要研究hOGG1基因在不同肿瘤、不同人群中的多态分布情况，以深入了解oh8Gua及其hOGG1修复途径与人类特定肿瘤发生的确切关系，同时探讨hOGG1基因多态是否可作为个体癌症易感性的一种预警标志物。当然，肿瘤的发生是一个多阶段和多基因参与的过程，单个基因改变不足以解释肿瘤发生的机制。因此，预测特定癌症的风险必须考虑多指标联合应用。
基金项目：本课题受国家杰出青年科学基金(39825122)，国家自然科学基金重大项目(39990570)资助
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收稿日期：1999-01-21;修回日期：1999-04-29, 百拇医药