钱伟强实验室与合作者揭示了AP内切酶在植物体细胞和生殖细胞DNA损伤修复过程的重要功能

生命的信息编码在DNA的碱基排列顺序中。然而，细胞中的日常代谢副产物，如活性氧分子和醛类分子，容易与DNA上的碱基发生反应，导致碱基自发地从DNA上脱落或者被DNA糖苷酶切割而脱落。所形成的产物，称为脱碱基位点(apurinic/apyrimidinic site, AP site)，它是活细胞中一种丰度很高的DNA损伤，容易引起DNA突变。据估计，人类平均每个细胞每天可产生多达104个AP位点损伤。AP位点损伤主要由AP内切酶(AP endonuclease, APE)进行修复。APE是一种专门修复AP位点的核酸酶，此外它们还具有切割去除DNA单链损伤（single strand DNA break，SSB）位点3'-末端残留基团的酶活性。大多数真核生物的基因组编码两个APE，但植物拥有三个APE，分别是ARP，APE2和APE1L。在植物中，APE功能的重要性以及三者间在功能上的联系和区别还没有进行深入的研究。

2023年3月1日，北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室钱伟强实验室联合复旦大学/华南农业大学王应祥实验室在The Plant cell 发表了题为“Functional importance and divergence of plant apurinic/apyrimidinic endonucleases in somatic and meiotic DNA repair”的研究论文，对植物中APE的生理功能进行了深入的研究。该研究首先对APE家族蛋白进行系统发育树构建。结果表明，三个APE在所有分析的植物物种中都存在，包括低等的红藻、苔藓等植物，表明这三个APE产生自古老的基因复制（gene duplication）事件。有趣的是，ARP和APE2分别与人类的hsAPE1和hsAPE2直系同源，而APE1L似乎只出现在植物中，表明APE1L是一种植物特异的APE。

进一步的遗传学实验发现，拟南芥APE的三重敲除突变体是胚胎致死的，而各自的单突变没有发育异常，表明APE功能的重要性和冗余性。两两间的双突变中，只有ape1l ape2双突变表现出发育缺陷，包括营养生长和生殖生长的缺陷。通过测试这一系列的单、双突变体对多种DNA损伤试剂的敏感性，发现ARP是主要的AP位点修复酶，而APE1L和APE2偏好于修复SSB上的3'-残基。这些酶活上的分化可能可以解释为什么ARP与APE1l或APE2的双重突变没有发育异常，而只有APE1l与APE2的双突变表现出发育缺陷。

图. ape突变体具有明显的生殖发育缺陷

进一步的细胞生物学实验发现，APE1L和APE2蛋白可以定位在减数分裂的染色体上。APE1L和APE2的双重突变可导致花粉减数分裂过程染色体碎片增加，最终引起花粉败育。深入的遗传分析发现，减数分裂同源重组起始酶SPO11-1切割DNA，是导致ape1l ape2减数分裂过程染色体碎片增加的一个原因。此外，ape1l ape2花粉中DNA损伤应答反应被激活是其育性下降的另一个原因。这些结果说明APEs参与了减数分裂过程的DNA损伤修复。

北京大学现代农学院李金超博士和复旦大学/华南农业大学王聪博士为该论文的共同第一作者，北京大学现代农学院钱伟强研究员和复旦大学/华南农业大学王应祥教授为论文的共同通讯作者。该研究项目得到国家自然科学基金和中国博士后科学基金的支持。