生命的信息編碼在DNA的堿基排列順序中。然而，細(xì)胞中的日常代謝副產(chǎn)物，如活性氧分子和醛類分子，容易與DNA上的堿基發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致堿基自發(fā)地從DNA上脫落或者被DNA糖苷酶切割而脫落。所形成的產(chǎn)物，稱為脫堿基位點(apurinic/apyrimidinic site, AP site)，它是活細(xì)胞中一種豐度很高的DNA損傷，容易引起DNA突變。據(jù)估計，人類平均每個細(xì)胞每天可產(chǎn)生多達(dá)104個AP位點損傷。AP位點損傷主要由AP內(nèi)切酶(AP endonuclease, APE)進(jìn)行修復(fù)。APE是一種專門修復(fù)AP位點的核酸酶，此外它們還具有切割去除DNA單鏈損傷（single strand DNA break，SSB）位點3'-末端殘留基團(tuán)的酶活性。大多數(shù)真核生物的基因組編碼兩個APE，但植物擁有三個APE，分別是ARP，APE2和APE1L。在植物中，APE功能的重要性以及三者間在功能上的聯(lián)系和區(qū)別還沒有進(jìn)行深入的研究。

     2023年3月1日，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院錢偉強(qiáng)研實驗室聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)/華南農(nóng)業(yè)大學(xué)王應(yīng)祥實驗室在The Plant cell 發(fā)表了題為“Functional importance and divergence of plant apurinic/apyrimidinic endonucleases in somatic and meiotic DNA repair”的研究論文，對植物中APE的生理功能進(jìn)行了深入的研究。該研究首先對APE家族蛋白進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建。結(jié)果表明，三個APE在所有分析的植物物種中都存在，包括低等的紅藻、苔蘚等植物，表明這三個APE產(chǎn)生自古老的基因復(fù)制（gene duplication）事件。有趣的是，ARP和APE2分別與人類的hsAPE1和hsAPE2直系同源，而APE1L似乎只出現(xiàn)在植物中，表明APE1L是一種植物特異的APE。

     進(jìn)一步的遺傳學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)，擬南芥APE的三重敲除突變體是胚胎致死的，而各自的單突變沒有發(fā)育異常，表明APE功能的重要性和冗余性。兩兩間的雙突變中，只有ape1l ape2雙突變表現(xiàn)出發(fā)育缺陷，包括營養(yǎng)生長和生殖生長的缺陷。通過測試這一系列的單、雙突變體對多種DNA損傷試劑的敏感性，發(fā)現(xiàn)ARP是主要的AP位點修復(fù)酶，而APE1L和APE2偏好于修復(fù)SSB上的3'-殘基。這些酶活上的分化可能可以解釋為什么ARP與APE1l或APE2的雙重突變沒有發(fā)育異常，而只有APE1l與APE2的雙突變表現(xiàn)出發(fā)育缺陷。

 

 

     進(jìn)一步的細(xì)胞生物學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)，APE1L和APE2蛋白可以定位在減數(shù)分裂的染色體上。APE1L和APE2的雙重突變可導(dǎo)致花粉減數(shù)分裂過程染色體碎片增加，最終引起花粉敗育。深入的遺傳分析發(fā)現(xiàn)，減數(shù)分裂同源重組起始酶SPO11-1切割DNA，是導(dǎo)致ape1l ape2減數(shù)分裂過程染色體碎片增加的一個原因。此外，ape1l ape2 花粉中DNA損傷應(yīng)答反應(yīng)被激活是其育性下降的另一個原因。這些結(jié)果說明APEs參與了減數(shù)分裂過程的DNA損傷修復(fù)。

     北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院李金超博士和復(fù)旦大學(xué)/華南農(nóng)業(yè)大學(xué)王聰博士為該論文的共同第一作者，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院錢偉強(qiáng)研究員和復(fù)旦大學(xué)/華南農(nóng)業(yè)大學(xué)王應(yīng)祥教授為論文的共同通訊作者。該研究項目得到國家自然科學(xué)基金和中國博士后科學(xué)基金的支持。