第49卷第2期 上海师范大学学报(自然科学版) Vol 49. No. 2 2020年4月 Journal of Shanghai Normal University(Natural Sciences) Apr.,2020 DOI:10.3969/J.ISSN.1000-5137.202002.012 胞嘧啶脱氨基酶 APOBEC1研究进展 周冰涵12,严小璇2,蓝文贤2,王春喜2,曹春阳2 (1.上海师范大学化学与材料科学学院,上海200234;2.中国科学院上海有机化学研究所 生命有机化学国家重点实验室,上海200032) 摘要:为全面理解载脂蛋白 B mrNA( ApoB mRNA)编辑酶催化多肽-1( APOBEC)的作用机 制,介绍了 APOBECI和 ApoB mRNA的蛋白及核酸序列,总结并绘制了 APObECI与不同的辅助 蛋白的结合模型,阐述了 APOBEC催化 ApoB mRNA第6666位的胞嘧啶(Cw)脱氨基化分子机 制.列举了啮齿动物 APOBEC1抑制多种逆转录病毒的研究报道,介绍了兔源 APOBECI结合人 类免疫缺陷病毒1(HⅣV-1)的病毒粒子并编辑病毒基因组的机理.同时介绍了 APOBECI通过编 辑胞嘧啶或与AU富集元件(ABE)结合来调控癌症等疾病相关的细胞因子表达 关键词:载脂蛋白 B mrNA( ApoB mRNA);載脂蛋白 B mrnA编辑酶催化多肽-1( APOBECI 胞嘧啶脱基化 中图分类号:Q-71文献标志码:A文章编号:10005137(2020)02-023411 Research advances on cytosine deaminase APObECl ZHoU Binghan", YAN Xiaoxuan, LAN Wenxian, WANG Chunxi, CAO Chunyang (1. College of Chemistry and Materials Science, Shanghai Normal University, Shanghai 200234. China; 2. State Key Lab of Bio-organic and Natural Products Chemistry, Shanghai Institute of Organic Chemistry, Chinese Academy of Science Shanghai 200032. China Abstract: In order to fully understand the mechanisms of Apolipoprotein B mRNA(ApoB mRNA)editing enzyme catalytic polypeptide-1( APOBEC1), this review introduced the amino acid and nucleic acid sequences of APOBECI and ApoB mRNA summarized and mapped the binding models of APOBECI with different cofactors to explain the molecular mechanism of APOBECI catalyzing the deamination of the 6666 C of ApoB mRNA (Cu). The researches of rodent APOBECI inhibiting multiple retroviruses were exemplified here, and the related mechanisms of rabbit APOBECI binding to human immunodeficiency virus type 1(HIV-1 )and editing the viral genome were discussed. This review also introduced APOBECI regulating the expression f cytokines related to cancers and other diseases by deamination editing or combining with AU-rich element(ARE)of RNAs. 收稿日期:2019-12-20 基金项目:国家自然科学基金(21778065;91753119) 作者简介:周冰涵(1995—),女,硕士研究生,主要从事结构生物学方面的研究E-mail:binghamZ@outlook.com 通信作者:曹春阳(1970),男,研究员,主要从事结构生物学方面的研究E-mail:ccao@mail.sioc.ac.cn 引用格式:周冰涵,严小璇,蓝文贤,等胞嘧啶脱氨基酶 APOBEC1研究进展[J].上海师范大学学报(自然科学版), 2020,49(2):234-2 Citation format: ZHOU B H,, YAN X X LAN W X et al. Research advances on cytosine deaminase APOBECl [].Journal of Shanghai Normal University( Natural Sciences ),2020,49(2): 234-244
第49卷 第2期 2 0 2 0 年 4 月 Vol. 49，No. 2 Apr. ，2 0 2 0 上海师范大学学报（自然科学版） Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences） 胞嘧啶脱氨基酶APOBEC1研究进展 周冰涵1，2 ，严小璇2 ，蓝文贤2 ，王春喜2 ，曹春阳2* （1.上海师范大学 化学与材料科学学院，上海 200234；2.中国科学院上海有机化学研究所 生命有机化学国家重点实验室，上海 200032） 摘 要：为全面理解载脂蛋白B mRNA（ApoB mRNA）编辑酶催化多肽-1（APOBEC1）的作用机 制，介绍了APOBEC1和ApoB mRNA的蛋白及核酸序列，总结并绘制了APOBEC1与不同的辅助 蛋白的结合模型，阐述了APOBEC1催化ApoB mRNA第6 666位的胞嘧啶（C6666）脱氨基化分子机 制.列举了啮齿动物APOBEC1抑制多种逆转录病毒的研究报道，介绍了兔源APOBEC1结合人 类免疫缺陷病毒1（HIV-1）的病毒粒子并编辑病毒基因组的机理.同时介绍了APOBEC1通过编 辑胞嘧啶或与AU富集元件（ARE）结合来调控癌症等疾病相关的细胞因子表达. 关键词：载脂蛋白B mRNA（ApoB mRNA）；载脂蛋白B mRNA编辑酶催化多肽-1（APOBEC1）； 胞嘧啶脱氨基化 中图分类号：Q-71 文献标志码：A 文章编号：1000-5137（2020）02-0234-11 Research advances on cytosine deaminase APOBEC1 ZHOU Binghan1，2 ，YAN Xiaoxuan2 ，LAN Wenxian2 ，WANG Chunxi2 ，CAO Chunyang2* （1.College of Chemistry and Materials Science，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China；2.State Key Lab of Bio-organic and Natural Products Chemistry，Shanghai Institute of Organic Chemistry，Chinese Academy of Sciences， Shanghai 200032，China） Abstract：In order to fully understand the mechanisms of Apolipoprotein B mRNA（ApoB mRNA）editing enzyme catalytic polypeptide-1（APOBEC1），this review introduced the amino acid and nucleic acid sequences of APOBEC1 and ApoB mRNA， summarized and mapped the binding models of APOBEC1 with different cofactors to explain the molecular mechanism of APOBEC1 catalyzing the deamination of the 6666 C of ApoB mRNA（C6666）. The researches of rodent APOBEC1 inhibiting multiple retroviruses were exemplified here，and the related mechanisms of rabbit APOBEC1 binding to human immunodeficiency virus type 1（HIV-1）and editing the viral genome were discussed.This review also introduced APOBEC1 regulating the expression of cytokines related to cancers and other diseases by deamination editing or combining with AU-rich element（ARE）of RNAs. DOI：10.3969/J.ISSN.1000-5137.2020.02.012 收稿日期：2019-12-20 基金项目：国家自然科学基金（21778065；91753119） 作者简介：周冰涵（1995—），女，硕士研究生，主要从事结构生物学方面的研究.E-mail：bingham_Z@outlook.com * 通信作者：曹春阳（1970—），男，研究员，主要从事结构生物学方面的研究.E-mail：ccao@mail.sioc.ac.cn 引用格式：周冰涵，严小璇，蓝文贤，等.胞嘧啶脱氨基酶APOBEC1研究进展［J］.上海师范大学学报（自然科学版）， 2020，49（2）：234-244. Citation format：ZHOU B H，YAN X X，LAN W X，et al.Research advances on cytosine deaminase APOBEC1［J］.Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences），2020，49（2）：234-244
第2期 周冰涵,严小璇,蓝文贤,等:胞嘧啶脱氨基酶 APOBECI研究进展 235 Key words: apolipoprotein B mRNA(ApoB mRNA): ApoB mRNA editing enzyme catalytic polypeptide-1(APOBEC1) cytidine deamination 0引言 载脂蛋白 B mRNA( ApoB mRNA)编辑酶催化多肽( APOBEC家族)是一类胞嘧啶脱氨基酶,能催化 单链RNA或单链DNA中的胞嘧啶脱氨基转化为尿嘧啶. APOBEC家族由活化诱导胞嘧啶脱氨基酶 (AID), ApoB mRNA编辑酶催化多肽-1( APOBEC1), APOBEC2, APObeC3亚家族( APOBEC3A APOBEC3B, APOBEC3C, APOBEC3D, APOBEC3E, APOBEC3F, APOBEC3G, APOBEC3H), D K POBEC4组成.其中 APObeCⅠ与AⅠD串联排列于第12号染色体, APOBEC2位于第6号染色体 APOBEC3亚家族以串联重复的方式排列于第22号染色体, APOBEC4则位于第1号染色体,如图1(a)所 示. APOBEC家族成员脱氨基催化活性由1个或2个锌指结构域提供,位于锌指结构域的氨基酸序列在 POBEC家族中相当保守:His-X-Glu-X2-x-Pno-Cys-X2-Cys(其中X表示任何氨基酸);AID, APOBEC1, APOBEC3A, APOBEC3C, APObEC3H为单锌指催化结构域; APOBEC3B, APOBEC3D APOBEC3F, APOBEC3G则含有2个锌指催化结构域,如图1(b)所示,而 APOBEC2与 APOBEC4暂无结 构相关报道2. APOBEC家族中研究最深入的是AID与 APOBEC3亚家族,两者都有以DNA为底物的高效 脱氨基催化活性,最广为人知的功能是在外源性病毒逆转录过程中对DNA进行编辑,使病毒DNA发生 降解以抑制病毒逆转录过程,如人源 APOBEC3G编辑人类免疫缺陷病毒1(HV-)DNA以抑制HV-在 人体中的复制 APOBECI human chromosome 12 APOBEC2 human chromosome 6 APOBEC3A APOBEC3B APOBEC3C APOBEC3F APOBEC3G human chromosome 22 POBEC3D APOBE APOBEC4 His-X-Glu-X23-2g-Pro-Cys-X2--Gys single zinc-coordinating domain AID. APOBECLAPOBEC3A APOBEC3C. APOBEC3H souble zinc-coordinating domains APOBEC3B APOBEC3D APOBEC3F APOBEC3G 图1人源 APOBEC家族的分布示意图.(a)AID/ APOBEC基因在染色体上的位置(其中蓝色代表单锌指结构域蛋白,红色代 表双锌指结构域蛋白);(b)锌指结构域在蛋白序列中(上方氨基酸为构成锌指结构域的保守活性位点) APOBECI是一种RNA胞嘧啶脱氨基酶,可特异性编辑 ApoB mRNA,编辑DNA不是其主要功能 其功能特征具体体现在如下几个方面:1)与AID/ APOBEC3相似的是,啮齿动物,尤其兔源 APOBEC1蛋 白通过 RNA/DNA胞嘧啶脱氨基化的机制,抑制某些逆转录病毒的复制;2)随着更多的 APOBECI编辑 靶标的鉴定,发现 APOBEC在包括癌症等疾病发生方面具有一定作用;3) APOBEC1也是 APOBEC家族 中唯一需要与特定的辅助蛋白形成复合物才能进行 ApoB mRNA编辑的蛋白 近年来关于 APOBEC1的研究范围越来越广,不再局限于 ApoB mRNA的脱氨基化研究 APOBEC1 在体内有大量RNA靶标,催化脱氨基化也不是其参与生理过程的唯一机制.为全面了解 APOBEC1功
第2期 周冰涵，严小璇，蓝文贤，等：胞嘧啶脱氨基酶APOBEC1研究进展 Key words：apolipoprotein B mRNA（ApoB mRNA）；ApoB mRNA editing enzyme catalytic polypeptide-1（APOBEC1）； cytidine deamination 0 引 言 载脂蛋白 B mRNA（ApoB mRNA）编辑酶催化多肽（APOBEC 家族）是一类胞嘧啶脱氨基酶，能催化 单链 RNA 或单链 DNA 中的胞嘧啶脱氨基转化为尿嘧啶 .APOBEC 家族由活化诱导胞嘧啶脱氨基酶 （AID），ApoB mRNA 编 辑 酶 催 化 多 肽 -1（APOBEC1），APOBEC2，APOBEC3 亚 家 族（APOBEC3A， APOBEC3B，APOBEC3C，APOBEC3D，APOBEC3E，APOBEC3F，APOBEC3G，APOBEC3H），以 及 APOBEC4 组成 . 其中 APOBEC1 与 AID 串联排列于第 12 号染色体，APOBEC2 位于第 6 号染色体， APOBEC3亚家族以串联重复的方式排列于第22号染色体［1］ ，APOBEC4则位于第1号染色体［2］ ，如图1（a）所 示 .APOBEC家族成员脱氨基催化活性由 1个或 2个锌指结构域提供，位于锌指结构域的氨基酸序列在 APOBEC 家 族 中 相 当 保 守 ：His-X-Glu-X23–28-Pro-Cys-X2-4-Cys（其 中 X 表 示 任 何 氨 基 酸）；AID， APOBEC1，APOBEC3A，APOBEC3C，APOBEC3H 为 单 锌 指 催 化 结 构 域 ；APOBEC3B，APOBEC3D， APOBEC3F，APOBEC3G 则含有 2 个锌指催化结构域，如图 1（b）所示，而 APOBEC2 与 APOBEC4 暂无结 构相关报道［2］ .APOBEC家族中研究最深入的是AID与APOBEC3亚家族，两者都有以DNA为底物的高效 脱氨基催化活性，最广为人知的功能是在外源性病毒逆转录过程中对DNA进行编辑，使病毒DNA发生 降解以抑制病毒逆转录过程，如人源APOBEC3G编辑人类免疫缺陷病毒1（HIV-1）DNA以抑制HIV-1在 人体中的复制. APOBEC1是一种 RNA 胞嘧啶脱氨基酶，可特异性编辑 ApoB mRNA，编辑 DNA 不是其主要功能［1］ . 其功能特征具体体现在如下几个方面：1）与AID/APOBEC3相似的是，啮齿动物，尤其兔源APOBEC1蛋 白通过 RNA/DNA 胞嘧啶脱氨基化的机制，抑制某些逆转录病毒的复制；2）随着更多的 APOBEC1编辑 靶标的鉴定，发现APOBEC1在包括癌症等疾病发生方面具有一定作用；3）APOBEC1也是APOBEC家族 中唯一需要与特定的辅助蛋白形成复合物才能进行ApoB mRNA编辑的蛋白［3-4］ . 近年来关于 APOBEC1 的研究范围越来越广，不再局限于 ApoB mRNA 的脱氨基化研究 .APOBEC1 在体内有大量 RNA 靶标，催化脱氨基化也不是其参与生理过程的唯一机制 . 为全面了解 APOBEC1 功 图1 人源APOBEC家族的分布示意图（. a）AID/APOBEC基因在染色体上的位置（其中蓝色代表单锌指结构域蛋白，红色代 表双锌指结构域蛋白）；（b）锌指结构域在蛋白序列中（上方氨基酸为构成锌指结构域的保守活性位点） 235
236上海师范大学学报(自然科学版)J. Shanghai Normal Univ.Nat.Sci.)2020年 能,促进 APOBEC1在相关领域的研究,本文作者总结了近年来 APOBEC1在生物功能方面的研究进展 介绍了基于同源建模预测的 APOBECI编辑胞嘧啶脱氨基化的分子机制, APOBECI与辅助蛋白如何形 成复合物识别并编辑 ApoB mRNA的机制,和 APObeC在逆转录病毒以及疾病方面的研究成果 1 APOBEC1研究进展 1.1 APOBEC1功能域及结构研究 APOBECI最初在 ApoB mRNA编辑事件中被发现,人源 APOBEC1与兔源 APOBECI包含236个氨基 酸(a),大鼠 APOBEC1与小鼠 APOBEC1包含229aa,人源 APOBEC1与大鼠 APOBEC1具有69%的序列 相似性,构成锌指结构域的脱氨基活性位点H-X-E-X23-C-PX2C在 APOBEC同源蛋白中也十分 保守;N端的碱性氨基酸R15,R16,R17,R33和K34被认为是核定位信号的一部分η,它们对编辑反 应很重要 MEHTA等发现, APOBEC1的N端区域可能参与辅助蛋白的结合 APOBEC1蛋白均在C端 173-~210aa处具有一段保守的亮氨酸富集区域180~196aa.L.80,L182,I185和L189的单突变体,以及 P190AP191A双突变体均导致 APOBECI部分或几乎完全失去编辑活性同位素标记以及高效液相色 谱分析显示: APObeC1可能以同源二聚体的方式存在,而 APOBEC1的C端残基196-210a和221 229aa对二聚体的形成有很重要的影响,如图2所示,其次C端缺失的 APOBEC1突变体( APOBEC1截 短体1~172aa和截短体1-196a)无法二聚并且无法编辑 ApoB mRNA1, IKEDA等发现 APObeC的 二聚结构需要RNA分子的介导 APObEC1还能对单链DNA的胞嘧啶进行脱氨基催化,基于酵母脱氨 酶晶体结构模拟的 APOBECI结构模型支持这一结论 IKEDA等发现兔源 APOBECI的C端亮氨酸富 集区以及2个二聚体结构域均参与了其包装到HIV-1病毒粒子中的过程,C端结构域同时也是 APOBECI对病毒cDNA和基因组RNA发挥脱氨基活性必不可少的部分 human-APOBECI 80196210221229236 catalytic domain leucine- rich mot 图2人源 APOBEC1蛋白的结构域组成示意图 1.2 APOBEC1催化胞嘧啶脱氨基化的可能机制 APOBEC1能够特异性催化 ApoB mRNA第66位的胞嘧啶Cw脱氨基化转变为尿嘧啶(Uw),即 ApoB mRNA C-to-U编辑,该处密码子则由 CesaA(Q2153)突变为终止密码子UAA,经过编辑的ApoB mRNA翻译后得到ApoB蛋白的截短体Apo48(相对分子质量为24100),.未经编辑的 ApoB mRNA则翻译为 全长的ApoB100相对分子质量为5120004,如图3(a)所示,ApoB100在血液中运输内源性胆固醇和甘油三酸 酯而截短体ApoB48可代谢膳食脂类,但ApoB100结合胆固醇并在血液中运输时有可能增加动脉粥样硬化的 风险,所以 APOBEC1对 ApoB mRNA的脱氨基催化产物ApoB48可能降低动脉样硬化的风险, APOBEC1催 化活性中心是一个锌指结构域,如图1(b)所示,脱氨基化活性位点为His-X-CGlu-X2-x-Cys-Pro-X2-Cys,主 要识别底物是RNA,也有硏究报道 APOBEC1能对DNA胞嘧啶催化脱氨基化口 W.HARRIS等根据细菌 以及酵母胞嘧啶脱氨酶的结构硏究预测了 APOBEC蛋白对单链DNA脱氨基催化的分子机制,如图3(b) 所示,首先,活性位点的组氨酸(His)和半胱氨酸(Cys)与锌离子(Zn2)配位,此时一个水分子靠近活性位 点;随后水分子在Zn2作用下与谷氨酸(Glu)反应后生成一个氢氧根离子(OH),激活了锌指结构域;激 活后的Glu将胞嘧啶环的N3质子化,导致N3与C4双键不稳定,此时C4易于OH的进攻;OH进攻C4后 其质子氢被Glu鳌合,形成四面体的过渡态;最终,胞嘧啶的氨基侧基(-NH2)接受了被Ghu螯合的质子
上海师范大学学报（自然科学版） J. Shanghai Normal Univ（. Nat. Sci.） 2020年 能，促进APOBEC1在相关领域的研究，本文作者总结了近年来APOBEC1在生物功能方面的研究进展， 介绍了基于同源建模预测的 APOBEC1编辑胞嘧啶脱氨基化的分子机制，APOBEC1与辅助蛋白如何形 成复合物识别并编辑ApoB mRNA的机制，和APOBEC1在逆转录病毒以及疾病方面的研究成果. 1 APOBEC1研究进展 1.1 APOBEC1功能域及结构研究 APOBEC1最初在ApoB mRNA编辑事件中被发现.人源APOBEC1与兔源APOBEC1包含236个氨基 酸（aa），大鼠 APOBEC1与小鼠 APOBEC1包含 229aa，人源 APOBEC1与大鼠 APOBEC1具有 69% 的序列 相似性［5］ ，构成锌指结构域的脱氨基活性位点H-X-E-X23-28-C-P-X2-4-C在APOBEC1同源蛋白中也十分 保守［4］ ；N端的碱性氨基酸 R15，R16，R17，R33和 K34被认为是核定位信号的一部分［6-7］ ，它们对编辑反 应很重要［8］ .MEHTA等［9］ 发现，APOBEC1的N端区域可能参与辅助蛋白的结合.APOBEC1蛋白均在C端 173~210 aa 处具有一段保守的亮氨酸富集区域 180~196 aa.L180，L182，I185 和 L189 的单突变体，以及 P190A/P191A双突变体均导致APOBEC1部分或几乎完全失去编辑活性［8］ .同位素标记以及高效液相色 谱分析显示：APOBEC1 可能以同源二聚体的方式存在［10］ ，而 APOBEC1 的 C 端残基 196~210 aa 和 221~ 229 aa对二聚体的形成有很重要的影响［8］ ，如图2所示.其次C端缺失的APOBEC1突变体（APOBEC1截 短体1~172 aa和截短体1~196 aa）无法二聚并且无法编辑ApoB mRNA［8，11］ ，IKEDA等［5］ 发现APOBEC1的 二聚结构需要RNA分子的介导.APOBEC1还能对单链DNA的胞嘧啶进行脱氨基催化［12］ ，基于酵母脱氨 酶晶体结构模拟的APOBEC1结构模型支持这一结论［13］ .IKEDA等［5］ 发现兔源APOBEC1的C端亮氨酸富 集区以及 2 个二聚体结构域均参与了其包装到 HIV-1 病毒粒子中的过程，C 端结构域同时也是 APOBEC1对病毒cDNA和基因组RNA发挥脱氨基活性必不可少的部分. 1.2 APOBEC1催化胞嘧啶脱氨基化的可能机制 APOBEC1 能够特异性催化 ApoB mRNA 第 6666 位的胞嘧啶 C6666脱氨基化转变为尿嘧啶（U6666），即 ApoB mRNA C-to-U编辑，该处密码子则由C6666AA（Q2153）突变为终止密码子U6666AA，经过编辑的ApoB mRNA翻译后得到ApoB蛋白的截短体ApoB48（相对分子质量为241 000），未经编辑的ApoB mRNA则翻译为 全长的ApoB100（相对分子质量为512 000）［14］ ，如图3（a）所示.ApoB100在血液中运输内源性胆固醇和甘油三酸 酯，而截短体ApoB48可代谢膳食脂类［15］ ，但ApoB100结合胆固醇并在血液中运输时有可能增加动脉粥样硬化的 风险［16］ ，所以APOBEC1对ApoB mRNA的脱氨基催化产物ApoB48可能降低动脉粥样硬化的风险.APOBEC1催 化活性中心是一个锌指结构域，如图1（b）所示，脱氨基化活性位点为His-X-Glu-X23-28-Cys-Pro-X2-4-Cys［4］ ，主 要识别底物是RNA，也有研究报道APOBEC1能对DNA胞嘧啶催化脱氨基化［12，17］ .HARRIS等［1］ 根据细菌 以及酵母胞嘧啶脱氨酶的结构研究预测了APOBEC蛋白对单链DNA脱氨基催化的分子机制，如图3（b） 所示.首先，活性位点的组氨酸（His）和半胱氨酸（Cys）与锌离子（Zn2+ ）配位，此时一个水分子靠近活性位 点；随后水分子在Zn2+ 作用下与谷氨酸（Glu）反应后生成一个氢氧根离子（OH- ），激活了锌指结构域；激 活后的Glu将胞嘧啶环的N3质子化，导致N3与C4双键不稳定，此时C4易于OH- 的进攻；OH- 进攻C4后 其质子氢被 Glu螯合，形成四面体的过渡态；最终，胞嘧啶的氨基侧基（-NH2 ）接受了被 Glu螯合的质子 图2 人源APOBEC1蛋白的结构域组成示意图 236
第2期 周冰涵,严小璇,蓝文贤,等:胞嘧啶脱氨基酶 APOBECI研究进展 237 氢,使碳氮键断裂,C4重新与氧原子(O)形成双键并从活性位点处释放尿嘧啶和氨(NH3),如图3(b)所 示. APOBEC1催化DNA或RNA胞嘧啶脱氨基化可能也符合这一机制 /CwAA、 ApoB mRNA U666AA Q2153 Apol00512000 Apo48(241000 active site of APObECl Zn" H, HN RNA/DNA cuisine uracil 图3 APOBEC1编辑 ApoB mRNA的微观机制.(a) APOBEC1催化 ApoB mRNA C66脱氨基转化为U(该处的密码子CAA 被突变为UAA,对应APo100的Q2153被突变为Apo48的终止密码子);(b) APOBEC1催化 DNA/RNA胞嘧啶脱氨基化 13 APOBEC1与辅助蛋白形成复合物对 A poB mRNA C脱氨基化 重组 APOBECI蛋白和细胞提取物的研究均证明仅凭单独的 APOBEC1尽管能介导单胞嘧啶的脱 氨基化反应,但不足以在体内或体外催化 ApoB mRNA C-to-U编辑,需要与辅助蛋白 APOBEC1互 补因子(A1CF)或RNA结合模体蛋白-47(RBM47)形成有效的RNA编辑复合物2.在 ApoB mRNA的 C-to-U编辑中,能被编辑的最小序列长26个核苷酸(n),这段序列从有袋动物到人类都高度保 守23.除被编辑位点C外,该序列还包含 ApoB mRNA的位点特异性脱氨所需的其他3个顺式作用 元件如图4所示,第一个元件是位于C下游的特异性结合序列( mooring sequence,1lnt),特异性 结合序列不可编辑33;第二个元件位于C和特异性结合序列之间的区域,称为间隔元件( spacer element,2-8nt),最佳长度为4nt;第三个元件是富含AU的效率序列( efficiency sequence),位于Cc的 上游,调节编辑反应的产量
第2期 周冰涵，严小璇，蓝文贤，等：胞嘧啶脱氨基酶APOBEC1研究进展 氢，使碳氮键断裂，C4重新与氧原子（O）形成双键并从活性位点处释放尿嘧啶和氨（NH3 ），如图 3（b）所 示.APOBEC1催化DNA或RNA胞嘧啶脱氨基化可能也符合这一机制. 1.3 APOBEC1与辅助蛋白形成复合物对ApoB mRNA C6666脱氨基化 重组 APOBEC1蛋白和细胞提取物的研究均证明仅凭单独的 APOBEC1 尽管能介导单胞嘧啶的脱 氨基化反应，但不足以在体内或体外催化 ApoB mRNA C-to-U 编辑［18-19］ ，需要与辅助蛋白 APOBEC1互 补因子（A1CF）或 RNA 结合模体蛋白-47（RBM47）形成有效的 RNA 编辑复合物［20-22］ . 在 ApoB mRNA 的 C-to-U 编辑中，能被编辑的最小序列长 26 个核苷酸（nt）［23］ ，这段序列从有袋动物到人类都高度保 守［24-25］ .除被编辑位点 C6666外，该序列还包含 ApoB mRNA 的位点特异性脱氨所需的其他 3 个顺式作用 元件［26-28］ . 如图 4所示，第一个元件是位于 C6666下游的特异性结合序列（mooring sequence，11nt），特异性 结合序列不可编辑［23，26，29］ ；第二个元件位于 C6666和特异性结合序列之间的区域，称为间隔元件（spacer element，2~8 nt），最佳长度为4 nt［28］ ；第三个元件是富含AU的效率序列（efficiency sequence），位于C6666的 上游，调节编辑反应的产量［30］ . 图3 APOBEC1编辑ApoB mRNA的微观机制（. a）APOBEC1催化ApoB mRNA C6666脱氨基转化为U6666（该处的密码子CAA 被突变为UAA，对应Apo100的Q2153被突变为Apo48的终止密码子）；（b）APOBEC1催化DNA/RNA胞嘧啶脱氨基化 237
上海师范大学学报(自然科学版)J. Shanghai Normal Univ.Nat.sci.) 2020年 5*- GACAUAUAU-GAUA-C6666-AAUU-UGAUCAGUAUAUUA- 4 ApoB mRNA序列结构示意图 1998年, RICHARDSON等提出被编辑的胞嘧啶核苷C。周围的保守序列元件形成茎-环二级结 构,其中C位于八环中.1999年, HERSBERGER等提出另一种二级结构,其中特异性结合序列和5 端的效率元件形成双链茎部,被编辑的胞苷位于单链区域而不是茎-环中2005年, MARIS等使用核 磁光谱法解析了 ApoB mRNA(3lnt)的茎-环状结构,构建了 APOBEC1互补因子(ACF)与 ApoB mRNA 的识别模型,如图5(a)所示,首先AlCF识别并结合特异性识别序列,将茎部的双链结构解构象,破坏 ApoB mRNA坚固的二级结构,使其展开并暴露出编辑位点Cws,随后 APOBECI得以靠近Cw并将其突 变为U2010年, GALLOWAY等报道称ACF可能以二聚体的形式参与 ApoB mRNA编辑.2011年 ZANTO等母认为二聚体AlCF在体外可能更容易稳定结合特异性识别的RNA序列,如图5(b)所示根 据 FOSSAT等构建的模型,如图5(c)所示,RBM47与 APOBEC1及AlCF均有相互作用,RBM47的N端 RNA识别模体(RRM)结合了 ApoB mRNA特异性识别序列,AlCF与特异性识别序列的更下游结合,因 为敲除AICF不会对整个脱氨基模型产生影响 S'-GGAUAU A UGAUA4 3-cuAu真 J-CCUAUA ACU unedited ApoB mRNA S-GGAUAU A UGAUACAA 3 CCUAUA△.ACUA C to U RNA editing APOBE ApoB48 protein 5-GAUA-Cf-AAUUUGAUCAGUAUAUUA-3 图5 APOBEC1与辅助蛋白的复合物模型示意图(a) APOBEC-ACF催化 ApoB mRNA C脱氨基;(b) APOBEC1-ACF 结合 ApoB mRNA;(e) APObECI-RBM47-ACF催化 ApoB mRNA C脱氨基 14 APOBEC1的抗逆转录病毒活性 APOBEC3蛋白亚家族是HIV-1限制因子.作为其同源蛋白, APOBEC1在体外也具有对单链DNA的 脱氨基活性.但 APOBEC1是否能调控病毒基因组从而影响病毒传播,是近年人们一直关注的研究方 向.早期利用小鼠白血病病毒(MLV)或乙型肝炎病毒(HBV)的小鼠模型研究发现, APOBECI还具有抗 病毒活性,感染MLⅤ的小鼠脾细胞或感染HBⅤ的小鼠肝细胞均检测到受 APOBECI特异性编辑过的病 毒基因组,表明 APOBEC1通过编辑病毒基因抑制病毒-3.近年的报道则揭示了更多逆转录病毒因子 定程度上受 APOBEC1调控GEE等第一次阐释了 APOBECI或有抵抗单纯疱疹病毒1(HSV-1)的作 用,大鼠幼崽神经元在感染HSV-1期间能诱导 APOBEC1表达,体外研究证明 APOBEC1通过脱氨基作用 直接抑制病毒DNA的复制,这些都暗示 APOBECI或许可以发展为大鼠在脑炎背景下新的HSV1感染 抑制剂 IKEDA等在细胞实验中发现来自多种哺乳动物的 APOBEC1蛋白可以降低长散布核苷酸序列
上海师范大学学报（自然科学版） J. Shanghai Normal Univ（. Nat. Sci.） 2020年 1998年，RICHARDSON 等［18］ 提出被编辑的胞嘧啶核苷 C6666周围的保守序列元件形成茎-环二级结 构，其中 C6666位于八环中 .1999年，HERSBERGER 等［31］ 提出另一种二级结构，其中特异性结合序列和 5' 端的效率元件形成双链茎部，被编辑的胞苷位于单链区域而不是茎-环中 .2005年，MARIS等［30］ 使用核 磁光谱法解析了 ApoB mRNA（31nt）的茎-环状结构，构建了 APOBEC1互补因子（A1CF）与 ApoB mRNA 的识别模型，如图 5（a）所示，首先 A1CF 识别并结合特异性识别序列，将茎部的双链结构解构象，破坏 ApoB mRNA 坚固的二级结构，使其展开并暴露出编辑位点 C6666，随后 APOBEC1得以靠近 C6666并将其突 变为 U6666.2010 年，GALLOWAY 等［32］ 报道称 A1CF 可能以二聚体的形式参与 ApoB mRNA 编辑 .2011 年 ZANTO 等［33］ 认为二聚体 A1CF在体外可能更容易稳定结合特异性识别的 RNA序列，如图 5（b）所示 .根 据 FOSSAT等［4］ 构建的模型，如图 5（c）所示，RBM47与 APOBEC1及 A1CF均有相互作用，RBM47的 N端 RNA 识别模体（RRM）结合了 ApoB mRNA 特异性识别序列，A1CF与特异性识别序列的更下游结合，因 为敲除A1CF不会对整个脱氨基模型产生影响. 1.4 APOBEC1的抗逆转录病毒活性 APOBEC3蛋白亚家族是HIV-1限制因子.作为其同源蛋白，APOBEC1在体外也具有对单链DNA的 脱氨基活性［12］ .但APOBEC1是否能调控病毒基因组从而影响病毒传播，是近年人们一直关注的研究方 向.早期利用小鼠白血病病毒（MLV）或乙型肝炎病毒（HBV）的小鼠模型研究发现，APOBEC1还具有抗 病毒活性，感染MLV的小鼠脾细胞或感染HBV的小鼠肝细胞均检测到受APOBEC1特异性编辑过的病 毒基因组，表明 APOBEC1通过编辑病毒基因抑制病毒［34-35］ .近年的报道则揭示了更多逆转录病毒因子 一定程度上受APOBEC1调控.GEE等［36］ 第一次阐释了APOBEC1或有抵抗单纯疱疹病毒1（HSV-1）的作 用，大鼠幼崽神经元在感染HSV-1期间能诱导APOBEC1表达，体外研究证明APOBEC1通过脱氨基作用 直接抑制病毒 DNA 的复制，这些都暗示 APOBEC1或许可以发展为大鼠在脑炎背景下新的 HSV-1感染 抑制剂.IKEDA等［37］ 在细胞实验中发现来自多种哺乳动物的APOBEC1蛋白可以降低长散布核苷酸序列 图4 ApoB mRNA序列结构示意图 图5 APOBEC1与辅助蛋白的复合物模型示意图（. a）APOBEC1-A1CF催化ApoB mRNA C6666脱氨基；（b）APOBEC1-A1CF 结合ApoB mRNA；（c）APOBEC1-RBM47-A1CF催化ApoB mRNA C6666脱氨基 238