耐辐射球菌的辐射抗性研究进展

乔惠萍 赵丽红 田海燕 陈鹏 杨吉森

耐辐射球菌的辐射抗性研究进展

乔惠萍 赵丽红 田海燕 陈鹏 杨吉森

耐辐射球菌（Deinococcus radiodruans，以下简称DR菌）是一类非致病性，具有超强辐射抗性的球菌，同时又具有较好的基因转化和生物制药潜力。随着1999 DR基因组全序列的发布，对该菌在辐射损伤修复机制方面的研究日新月异。各国学者对该菌的辐射耐受性分子和生理机制的研究已扩展至生理学、转录组学、比较基因组学、蛋白组学等多学科。目前对耐辐射球菌的探索主要在于利用其极端的电离辐射耐受性，构建工程菌株用于复合型核污染地点降解有毒化合物，富集重金属解毒和放射性元素。针对DR菌的抗性基因在农业以及生物医药方面的应用国内外还是一片空白。本文对耐辐射球菌的分类、辐射抗性机制及辐射损伤修复机制等方面进行综述。

耐辐射球菌；基因；辐射损伤修复

耐辐射球菌（Deinococcus radiodruans，以下简称DR菌）是一类非致病性，具有超强辐射抗性的球菌，同时又具有较好的基因转化和生物制药潜力。基于DR菌极端的电离辐射耐受性，目前对耐辐射球菌的探索利用，主要是构建工程菌株以应用于复合型核污染地点有毒化合物的降解，重金属解毒和放射性元素的富集等几个方面。针对DR菌的抗性基因在农业以及生物医药方面的应用国内外还是一片空白。本文对耐辐射球菌的分类、辐射抗性机制，辐射损伤修复机制等方面进行描述。

1 耐辐射球菌的菌属分类

耐辐射球菌属（Deinococcus）目前被分为八个种,详见表1。这八个菌属种类都表现出极端电离辐射抗性这一特性。其中尤以D.radiodurans（DR）抗性最强。1956年 Anderson等在X-射线灭菌处理后的肉罐食品中分离出一种红色的非致病性球菌，这种球菌就是DR，是耐辐射球菌属一种。通过研究发现，该球菌对电离辐射及化学诱变剂具有极端的耐受性，不仅能在60 Gy慢性辐照下持续正常生长，在15 kGy急性照射条件下仍达到一定的细胞存活率[1]。

表l 耐辐射球菌属的种类及来源

2 DR菌辐射损伤抗性机制

DR菌最显著的特征是能在致死剂量的电离辐射下生存，特别是在指数生长期对X-射线有强于其他生物的抗性，实验表明经过15 kGy急性照射后还能达到一定的细胞存活率。因DR菌细胞具备特定的染色体结构及多基因组拷贝，良性特性与细胞的代谢调节、保护机制、损伤修复形成了一套完整的抗性机制。正是这种抗性机制使其对多种DNA损伤试剂的具有极端抗性。

DR菌在稳定生长期拟核是呈紧密排列的环状结构[2]，正是这种结构使其异于其它细菌。有学者推断，这种罕见的环状结构能防止DNA双链断裂碎片在修复时出现的弥散现象，能保持受损染色体的线性完整性，因此增强其DNA修复能力。

DR菌的另外一个特性是含有多个基因组拷贝，在静止生长期细胞存在4个拷贝，而在对数分裂期的细胞则携带4～10个拷贝，甚至大于10个[3]。对DR菌的相关研究表明，其拥有更多的拷贝基因组为细胞提供了更多的遗传信息，为同源重组提供更多的模板信息，因此大大提高了DNA重组修复效率。另外DR的修复系统相对简单、变化少，因此在修复 DNA 损伤时会拥有相对更简洁高效的途径，而且具备种属特异性。DR菌DNA辐射损伤后，染色体基因组经常呈聚集排列状态，这种状态有利于修复模板的搜索[4]。研究表明，DR菌细胞内还存在监测DNA的损伤和修复，并决定何时进行细胞分裂的调节机制。DR菌辐射损伤后产生的IrrI能调控DNA的降解。因此，DR菌能监测DNA损伤程度或DNA修复情况，进而调控DNA修复能力[5-6]。

DR菌辐射抗性源于其在长期进化过程中形成的抗氧化防御体系。华跃进研究小组观察到DR菌在受到照射后会诱导生成活性极高的超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT），通过清除超氧阴离子自由基和过氧化氢抵抗自由基导致的DNA氧化损伤。有研究表明DR菌的SOD及CAT活性要远远高于其他细菌，相比较于大肠杆菌有6倍的活性[7]。

3 DR菌高效修复DNA损伤机制

DR菌在高剂量电离辐射中依旧存活，是因为其具有精确高效修复DNA损伤的能力。在DR菌通过4 种重组修复方式产生极强的辐射抗性：同源重组、非同源末端连接、单链末端退火及合成依赖单链退火。目前认为主要的修复途径是依赖RecA的同源重组，以辅助方式协助修复的是不依赖RecA的单链末端退火、非同源末端连接以及合成依赖单链退火[8-9]。

同源重组（Homologous recombination，HR）指发生在非姐妹染色单体间或同一染色体上含有同源序列的DNA分子之间或分子之内的重新组合。通过DNA序列间的同源性来识别，这种重组方式的催化酶无碱基序列特异性，主要包括 Rec BC和 Rec F。受电离辐照后，DR菌中普遍存在质粒和质粒以及染色体和染色体之间的同源重组。研究显示，DR 菌基因组中不包含编码 Rec BC 蛋白的基因，而主要是Rec F相关的蛋白同系物，故考虑Rec F 途径在其同源重组修复中起重要作用。Rec F途径需要rec系列基因编码蛋白。目前为止，已克隆出 DR 菌重组修复基因rec A、rec F、rec O、rec R、rec Q，为进一步研究其在DNA损伤修复中的作用奠定了基础[10]。

非同源末端连接（Non-homologous end joining，NHEJ），这种修复不需要任何模板的帮助。在DNA连接酶的作用下修复蛋白将双链断裂的末端拉近，进行重新接合，而且不需要这两条DNA链的末端匹配。DR菌的PprA蛋白能抑制核酸外切酶III的活性，优先结合双链DSBs，诱发DNA黏合酶催化DNA末端连接反应。由此判断DR菌具备NHEJ修复机制[10]。

单链末端退火（Single strand annealing，SSA），在单链特异性核酸外切酶的作用下自DNA双链断裂处开始，逐渐形成DNA单链区域，直至两个断点处出现互补的DNA单链。互补DNA单链退火，非互补末端被切除，单链缺口修复连接，完成DNA重组。当DR菌在受到辐射损伤后，早期主要以SSA 途径进行修复，延滞期才采用更加精确的依赖RecA的修复方式。

合成依赖单链退火（Synthesis dependent strand annealing，SDSA），这种修复途径不依赖Rec A。DR菌的DdrB蛋白介导不依赖RecA的修复途径， 有研究表明ddrA和ddrB同时缺失突变菌株相对ddrA或ddrB单独缺失突变菌株具备更强的辐射敏感性，由此推断DdrA和DdrB在这种修复方式中具有互补作用[11]。

4 DR细菌的应用研究

随着全球原子能工业、核武器的实验生产及其他核相关的人类活动扩大，地下水及土壤的核污染日趋严重。这些污染区域存在大量放射性无机物，如：235 u、238 Pu、90 sr、137 Ce等。污染区域的放射性水平也日趋增高，有些区域甚至高达10 mCi/L。而DR菌却能在极端的电离辐射环境中正常生长，同时还具备易被染色体DNA及质粒DNA自然转化的特性，因此DR工程菌已经广泛应用于农业和生物医药的研发中。DR菌在高剂量电离辐射情况下仍具备高效的重金属解毒和降解有机溶剂能力，这种能力意味着可以利用基因工程重组技术对核废料的复合污染进行生物性修复[12]。

DR菌还具备易于被染色体DNA及质粒DNA自然转化的特性。根据这一特性，目前已大范围应用于基因工程方面的研究，将来可应用于检测环境中放射性物质污染的剂量，并进一步拓宽DR菌作为工程菌的应用领域。现阶段，进一步阐明DR菌极端抗性机制对于癌症机制的研究、阐明老化现象、DNA修复系统的起源和进化、放射性废物的富集与处理技术都将具有重大意义。

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Advance Research of Radioresistance in Deinococcus Radiodurans

QIAO Huiping ZHAO Lihong TIAN Haiyan CHEN Peng YANG Jisen, Department of Radiotherapy, The first affiliated hospital of Baotou medical college, Baotou 014010, China

Deinococcus radiodruans (DR) is a non-pathogenic bacterium with strong radioresistance. It has the potential of genetic transformation in biological pharmacy. After the complete genomic sequence of DR was promulgated in 1999, studies of it’s radiation damage repair mechanism were developed rapidly. Scientists all over the world have explored the principle and technology of DR in many discipline such as physiology, transcription, homology comparison, protemics technology, etc. Strains construction based on this characteristics can be used in degradation of toxic substance in complex nuclear pollution, detoxification of heavy metals, concentration of radioactive element. This review is about classification, functional gene, repair capacity agaist radiation of DR.

Deinococcus radiodruans, Gene, Radiation damage repair

Q397

A

1674-9308（2015）32-0207-02

10.3969/j.issn.1674-9308.2015.32.153

014010 包头医学院第一附属医院放疗科

内蒙古自然科学基金面上项目（编号：2014MS0809）