盲眼洞穴鱼中暗CPD光解酶功能的保守性揭示DNA修复新机制

研究人员针对长期生活在黑暗环境中的盲眼洞穴鱼(Phreatichthys andruzzii)，开展了一项关于DNA光解酶(photolyase)功能演化的突破性研究。通过比较基因组学、CRISPR基因编辑和细胞模型，发现CPD光解酶(CPDphr)在完全黑暗环境中仍保留修复氧化应激诱导的DNA损伤（如8-OHdG和"暗CPD"）的功能。这一发现揭示了光解酶家族存在不依赖光的新型修复机制，为理解极端环境下DNA修复系统的适应性进化提供了重要依据。

　　

在生命演化过程中，阳光既是能量源泉也是DNA损伤源。紫外线(UV)辐射会导致相邻嘧啶碱基形成共价交联，产生环丁烷嘧啶二聚体(CPD)和(6-4)光产物(6-4PP)。绝大多数生物通过光复活(photoreactivation)机制修复这类损伤，该过程由光解酶(photolyase)家族介导——这类黄素蛋白利用可见光能量特异性修复CPD或6-4PP。然而，胎盘哺乳动物和某些洞穴生物却意外地丢失了光解酶基因，这引发了一个关键科学问题：在永久黑暗环境中，光解酶基因的演化命运如何？其功能是否会发生适应性转变？

来自卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruhe Institute of Technology, KIT）的研究团队以索马里盲眼洞穴鱼(Phreatichthys andruzzii)为模型，揭开了这个谜题。这种鱼类在撒哈拉沙漠地下水中隔离演化超过300万年，完全丧失了眼睛和体色，是研究黑暗适应机制的理想模型。研究人员发现，虽然洞穴鱼的6-4光解酶(6-4phr)和DASH光解酶(DASHphr)基因积累了功能缺失突变，但CPD光解酶(CPDphr)却惊人地保持高度保守。通过构建CPDphr功能缺失的青鳉鱼(medaka)突变体，结合哺乳动物细胞异源表达系统，研究首次证实CPDphr具有不依赖光的DNA修复功能，能有效清除氧化应激诱导的8-羟基脱氧鸟苷(8-OHdG)和"暗CPD"损伤。

研究采用了多学科技术方法：对洞穴鱼群体进行基因组测序和单倍型分析；利用CRISPR-Cas9构建青鳉鱼光解酶突变体；建立原代细胞培养模型进行氧化应激实验；通过ELISA定量CPD和8-OHdG水平；采用电泳迁移率变动分析(EMSA)验证蛋白-DNA相互作用；在3T3细胞中异源表达斑马鱼CPDphr并构建色氨酸突变体。

CPDphr在盲眼洞穴鱼中的选择性保守

基因组分析显示，洞穴鱼群体中存在多个6-4phr功能缺失等位基因，这些突变导致蛋白质C端截短，使其无法进入细胞核。相比之下，CPDphr基因在14 kb区域内未发现任何多态性位点，表明该基因受到强烈的纯化选择。

CPDphr缺失导致氧化应激敏感性增加

在青鳉鱼CPDphr突变体中，H₂O₂处理显著升高了γ-H2AX（DNA损伤标志物）水平，而6-4phr和DASHphr突变体无此现象。自动高通量显微镜(AHM)和MTT实验证实，CPDphr缺失细胞在氧化应激下存活率显著降低。

哺乳动物细胞获得CPDphr功能增强抗性

稳定表达斑马鱼CPDphr的3T3细胞不仅恢复光复活能力，在黑暗中也表现出更强的H₂O₂耐受性，γ-H2AX水平较对照组降低40-60%。

CPDphr的新型底物特异性

研究发现：

1. 未暴露UV的CPDphr突变体肝脏中CPD水平升高2.3倍

2. H₂O₂处理使突变体细胞8-OHdG增加3.5倍

3. EMSA证实纯化CPDphr能结合8-OHdG修饰的DNA

保守色氨酸电子转移链的双重功能

将活性中心的色氨酸（W310/W400）突变为苯丙氨酸后，CPDphr既丧失光复活能力，也失去黑暗中的氧化损伤修复功能，表明两种修复机制共享相同的电子转移路径。

这项研究颠覆了对光解酶功能的传统认知，首次揭示CPDphr在完全黑暗环境中通过进化出"双功能模式"得以保留：既保留经典的光依赖CPD修复，又获得不依赖光的氧化损伤修复能力。这种创新性机制解释了为何在永久黑暗的洞穴鱼中，CPDphr未被随机遗传漂变所淘汰。从更广的视角看，该发现为理解极端环境下DNA修复系统的适应性演化提供了范式，也为开发新型抗氧化损伤策略提供了分子靶点。特别值得注意的是，洞穴鱼与胎盘哺乳动物在光解酶基因丢失模式上存在显著差异——前者选择性保留CPDphr，后者则完全丢失所有光解酶，这种对比为研究不同黑暗适应策略的分子基础开辟了新方向。