全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 18卷 第 4期
2006年 8月
Vol. 18, No. 4
Aug., 2006
错配识别蛋白MutS的研究及应用进展
全智勇，徐晋麟*
（上海交通大学生命科学技术学院，上海 2 0 02 4 0）
摘　要：错配修复(mismatch repair system, MMR)系统维护着遗传物质的稳定性。错配识别蛋白MutS
是错配修复系统行使修复功能的第一个蛋白，具有识别并结合错配的能力。MutS蛋白具有特异性结合
错配的特殊功能，在检测突变和 SNP的研究中具有很大的应用潜力。近年来已有一些报道介绍了Muts
蛋白的一些方法，虽然这些方法还有待改进，但M u t S 应用前景仍然十分诱人。
关键词：错配修复；错配识别；M u t S 突变；单核苷酸多态性
中图分类号：Q 7 5　　文献标识码：A
Progress in research and application of mismatch binding protein MutS
QUAN Zhi-Yong, XU Jin-Lin*
(College of Life Science and Biotechnology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)
Abstract: Mismatch repair system plays a crucial role in the genetic stability of DNA. DNA mismatch binding
protein MutS, is the first protein which initiate the function of MMR. MutS has the ability to recognize and
binding mismatched base pair. Thus, MutS seems to be a promising tool to detect mutations and SNPs. There
were some researches these years to develop techniques, using MutS as a tool to detect mutations and SNPs.
These techniques still have deficiencies and more new ideas should be taken to develop these promising
techniques.
Key words: mismatch repair; mismatch binding; MutS mutation; SNP
文章编号 ：1004-0374(2006)04-0380-05
1　错配修复系统和错配识别蛋白MutS
无论在真核生物还是原核生物中，错配修复
(mismatch repair system, MMR)系统确保了遗传物质
精确稳定地复制。复制时，错配修复系统修复复制
酶没能检出的错配碱基，或者由于化学修饰产生的
错配，还能抑制同源双链之间发生重组，从而保证
了遗传物质复制的高保真，确保遗传的稳定性[1]。
目前，细菌的错配修复系统已经研究得比较透
彻。在大肠杆菌错配修复系统中包含十多种蛋白：
M u t S、M u t L、M u t H、D N A 解旋酶 I I ( D N A
helicaseII)、单链结合蛋白(SSB)、DNA 聚合酶 III
全酶(DNA polymeraseIII holoenzyme)、DNA连接
酶(DNA ligase) [2]、核酸外切酶 I (exonuclease I)、
核酸外切酶VII (exonuclease VII)、核酸外切酶Ⅹ(
exonuclease Ⅹ)以及 RecJ[3]。
整个修复过程是由错配识别蛋白MutS二聚体识
别并结合错配起始的，随后MutL蛋白与MutS结
合，这个过程受ATP调节。然后MutL-MutS-错配
复合物激活MutH蛋白的内切酶活性，在尚未甲基
化的DNA链(复制时新合成的子链)识别GATC序列
(直到结合位点上游 1 kb 左右)，并切开一个缺口
(nick)，DNA解旋酶 II从缺口向错配方向解开双
链，几种核酸外切酶将解开的单链降解。DNA 聚
合酶 III负责重新合成这条片断，最后由连接酶将缺
收稿日期：2005-12-13；修回日期：2006-02-16
作者简介：全智勇( 1 9 8 1 —)，男，硕士研究生；徐晋麟( 1 9 4 1 —)，男，教授，博士生导师，* 通讯作者。
381第4期 全智勇，等：错配识别蛋白Mu tS 的研究及应用进展
口封闭起来完成修复[2~3]。
大肠杆菌错配识别蛋白MutS大小约97kDa。在
体外，大肠杆菌MutS能够识别并结合全部八种错
配，以及由碱基修饰引起的误配，还能识别结合
1~4个核苷酸插入或缺失形成的 loop环结构[4]，其
中 G:T、A:C、A:A、G:G的结合效率较其他错配
高 [ 5 ]。
来源于嗜热栖热菌Thermus thermophilus的耐高
温MutS蛋白与大肠杆菌MutS蛋白约有56%的同源
序列，与人 hMsh2蛋白有 39％同源[6]，能够有效
识别并结合1~3个碱基的插入或缺失以及8种错配产
生的异源双链DNA分子[7]，并能在低于80℃的温度
下保持稳定[8 ]。
最近还有报道介绍来自嗜血流感菌的MutS蛋
白，除了能结合错配外，还具有结合单链 DNA的
活性 [ 9 ]。
MutS蛋白结合错配的能力使其在检测和富集点
突变以及 SNP检测上有很大的应用潜力。近年来，
已有一些研究在这方面有所进展。
2　MutS蛋白的应用研究进展
近年来已有一些研究探索MutS蛋白在检测和富
集突变以及检测 SNP方面的应用。相比其他的技
术，如变性梯度胶电泳(denaturing gradient gel elect-
rophoresis, DGGE)及其派生的方法，以及如异源双
链分析(hetero-duplex analysis, HA)和单链构象多态性
分析(single-stranded conformational polymorphism
analysis, SSCP)等方法[10]，Muts蛋白更加简便，更
加灵敏。
Wagner等[11]报道利用大肠杆菌MutS蛋白结合
在硝酸纤维素膜上的精确、快速检测点突变的方
法 。
利用耐高温MutS酶切保护来检测突变也是一种
简便有效的方法：通过 PCR将野生型和突变型的片
断扩增，经过高温变性 ->退火杂交使野生型和突变
型的片断形成含有错配碱基的杂合双链(heterohelix) ;
然后加入MutS蛋白结合错配。MutS蛋白结合错配
后，将错配两翼的序列保护使其不受 T4 DNA聚合
酶外切酶活性的切割，而没有结合MutS蛋白的同
源双链(homohelix)会被T4 DNA聚合酶外切酶活性完
全降解；最后加入 SYBR-gold，SYBR-gold结合在
含有错配片段的单链部分上，通过检测荧光即可将
含有错配的样品检测出来(图 1)[12]。
大肠杆菌MutS蛋白与DNA芯片检测技术相结
合而发展出的MutS蛋白-DNA芯片给芯片检测技术
提供了一种新的手段[13]。将合成的带有生物素标记
的引物固定在芯片上，将目标片断与引物杂交；利
用带Cy5荧光标记的MutS蛋白结合芯片上带有错配
的片断，经过洗脱非特异以及残留的蛋白，利用荧
光扫描可在芯片上显示含有 SNP的位点(图 2)[13]。
同样使用DNA-蛋白质芯片，Bi等[14]报道了另
一种检测方法。将高温M ut S 分别与绿荧光蛋白
(GFP)、strept tagII、his6 tag等报告分子融合，构
建成 Trx-His6-GFP-(Ser-Gly)6-MutS(THGLM)、
Trx-His6-(Ser-Gly)6-Strep tagII-(Ser-Gly)6-MutS
(THLSLM)和 Trx-His6-(Ser-Gly)6-MutS(THLM)对
DNA芯片进行检测。
利用原子力显微镜(AFM)结合大肠杆菌MutS蛋
白可以进行DNA检测和作图。将含有点突变的双链
片断与MutS蛋白结合后，在 AFM下可以观察到
MutS蛋白结合的位点，并能进行DNA作图。该方
法的优势在于能够检测痕量的样品，并能通过DNA
作图比较精确地确定突变的位点而不必测序[15]。
恒定电流剥离分析(constant current stripping
analysis，CPSA)技术是一种灵敏度很高的检测技
术。有研究将这种技术与MutS蛋白检测技术相结
合：首先，将生物素标记的寡核苷酸片断固定在用
抗生物素蛋白(avidin)包裹的磁珠上，与目标片断进
行杂交，使形成带有点突变或插入 /缺失位点的异
源双链分子；其次，加入M ut S 蛋白结合错配片
断，反应结束后洗去未结合的多余的蛋白，将磁珠
离心收集；最后，将结合吸附在磁珠上异源双链上
的MutS蛋白洗脱，将洗脱液用 CPSA法分析，检
测包含突变的情况[16]。
另一种灵敏的检测技术也被开发与MutS检测
技术相结合：使用石英晶体微天平(QCM)来检测结
合吸附在金电极上含有错配片断的高温MutS(图
3)。此法能够检测很少量的MutS结合，而且，由
于突变位点离电极表面距离不同，使得MutS结合
离电极的距离也不同，从而产生黏度性质的改变，
使用这个方法还能估计和定位突变位点离寡核苷酸
片断一端的距离[17]。
Oba等[18]报道合成了一种新型的聚合乳胶颗粒
(polymer latex particles)能够选择性地切割含有错配
碱基的双链，能够用于突变和 SNP检测。这种聚
合乳胶颗粒由错配结合蛋白MutS和蒽醌衍生物两个
功能部分组成，MutS蛋白结合错配，蒽醌衍生物
382 生命科学 第18卷
图 1　利用MutS酶切保护作用检测突变[12]
图2　利用MutS蛋白 -DNA芯片检测SNP [13]
图 3　利用QCM检测MutS结合突变[17]
383第4期 全智勇，等：错配识别蛋白Mu tS 的研究及应用进展
在紫外光的激活下将双链切割。样品用 STBR-Gold
结合，如含有错配，则被降解没有信号；反之，
如完全配对，则不发生切割，就会产生荧光信号
(图 4) [18]。
图 4　双功能的聚合乳胶颗粒检测突变和SNP[18]
差异显示(representational difference analysis,
RDA)是一种被广泛认可的分离检测基因文库差异的
技术，有研究证实RDA技术和MutS富集突变的能力
结合能够更有效地检测细菌基因组上未知突变[19]。
Wang等[20]开发出了利用融合了His-tag的高温MutS
蛋白快速有效富集并检测铜绿假单胞菌高氯霉素抗
性菌株基因组上的突变的方法(图 5)。
另外，Ba um等[21]利用融合麦芽糖结合蛋白
MBP的MutS，并对毛细管电泳富集低丰度的突变
进行了研究，Stanislawska-Sachadyn等[22]利用MutS
凝胶阻滞反应用于临床上检测基因突变。
除了上述MutS蛋白在富集和检测突变上的应用
外，也有将其用于提高人工合成基因的保真度上的
研究报道。比如 Binkowski等[23]发展了一种叫做
consensus shuffling的方法，在合成基因时，将各
个初始合成的基因片断用限制性内切酶切成长短各
异的较小片断，用MBP-MutS结合，去除 PCR时
产生的含有突变的小片断，然后再将剩下的不含突
变的片断进行装配，装配成完整功能的基因，其中
MutS结合去除突变片断的过程可以重复，以达到
进一步减少突变的可能，甚至能从完全没有功能的
合成基因重新获得有功能的基因。Carr等[24]也报道
了类似的技术用于人工从头合成完整基因，保真度
可以达到每 10kb一个突变。
3　MutS应用研究中涉及的问题以及前景展望
MutS蛋白的应用技术还不很完善，存在着一
些问题。主要有：对不同类型错配突变的识别能力
存在差异。大肠杆菌MutS识别并结合G:T、A:C、
A:A、G:G等错配类型的能力存在较明显差异，故
实际应用意义不大，但耐高温MutS蛋白的识别能
力差异不大，具有较好的应用前景。MutS蛋白也
能结合完全配对双链，从而产生本底信号，如大肠
图 5　利用融合了His-tag的高温MutS蛋白富集并检
测铜绿假单胞菌高氯霉素抗性菌株基因组上的突变[20]
384 生命科学 第18卷
杆菌和耐高温MutS蛋白，但如选用新发现的嗜血
流感菌MutS蛋白则可减少本底。此外，由于检测
方法尚不成熟，信噪比较好的方法或操作复杂或成
本较高；成本较低的检测方法信噪比还有待改善，
因此，需研究更加简便价廉的方法。
虽然存在上述不足，但是MutS蛋白的应用前
景还是被广泛的看好。由于Muts结合错配的特殊性
质，很有希望开发检测试剂用于遗传突变的临床诊
断、SNP研究、提高人工合成基因保真度并降低成
本，甚至MutS以及MMR系统的其他蛋白可作为体
外修复系统用于基因功能的体外修复，这些都有待
进一步的深入研究。
[参　考　文　献]
[1] Harfe B D, Jinks-Robertson S. DNA mismatch repair and
genetic instability. Annu Rev Genet, 2000, 34: 359~399
[2] Lahue R S, AuP K G, Modrich, P. DNA mismatch correc-
tion in a defined system. Science, 1989, 245(4914): 160~164
[3] Burdett V, Baitinger C, Viswanathan M, et al. In vivo re-
quirement for RecJ, ExoVII, ExoI, and ExoX in methyl-di-
rected mismatch repair. Proc Natl Acad Sci USA, 2001, 98
(12): 6765~6770
[4] Kramer B, Kramer W, Fritz H J. Different base-base mis-
matches are corrected with different efficiencies by the me-
thyl-directed DNA mismatch-repair system of Escherichia
coli. Cell, 1984, 38(3): 879~887
[5] Brown J, Brown T, Fox K R. Affinity of mismatch-binding
protein MutS for heteroduplexes containing different
mismatches. Biochem J, 2001, 354(3): 627~633
[6] Takamatsu S, Kato R, Kuramitsu S. Mismatch DNA recog-
nition protein from an extremely thermophilic bacterium,
Thermus thermophilus HB8. Nucleic Acids Res, 1996, 24(4):
640~647
[7] Whitehouse A, Deeble J, Parmar R, et al. Analysis of the
mismatch and insertion/deletion binding properties of
Thermus thermophilus, HB8, MutS. Biochem Biophys Res
Commun, 1997, 233(3): 834~837
[8] Stanislawska-Sachadyn A, Sachadyn P, Jedrzejczak R, et al.
Construction and purification of his6-Thermus thermophilus
MutS protein. Protein Expr Purif, 2003, 28(1): 69~77
[9] Joseph N, Duppatla V, Rao D N. Functional characteriza-
tion of the DNA mismatch binding protein MutS from
Haemophilus influenzae. Biochem Biophys Res Commun,
2005, 334(3): 891~900
[10] Parsons B L, Heflich R H. Genotypic selection methods for
the direct analysis of point mutations. Mutat Res, 1997, 387
(2): 97~121
[11] Wagner R, Debbie P, Radman M. Mutation detection using
immobilized mismatch binding protein (MutS). Nucleic Ac-
ids Res, 1995, 23(19): 3944~3948
[12] Sachadyn P, Stanislawska A, Kur J. One tube mutation de-
tection using sensitive fluorescent dyeing of MutS protected
DNA. Nucleic Acids Res, 2000, 28(8): E36
[13] Behrensdorf H A, Pignot M, Windhab N, et al. Rapid parallel
mutation scanning of gene fragments using a microelectronic
protein-DNA chip format. Nucleic Acids Res, 2002, 30(14):
e64
[14] Bi L J, Zhou Y F, Zhang X E, et al. Construction and
characterization of different MutS fusion proteins as recog-
nition elements of DNA chip for detection of DNA mutations.
Biosens Bioelectron, 2005, 21(1): 135~144
[15] Tanigawa M, Gotoh M, Machida M, et al. Detection and
mapping of mismatched base pairs in DNA molecules by
atomic force microscopy. Nucleic Acids Res, 2000, 28(9):
E38
[16] Palecek E, Masarik M, Kizek R, et al. Sensitive electro-
chemical determination of unlabeled MutS protein and de-
tection of point mutations in DNA. Anal Chem, 2004, 76
(19): 5930~5936
[17] Su X D, Robelek R, Wu Y J, et al. Detection of point
mutation and insertion mutations in DNA using a quartz
crystal microbalance and MutS, a mismatch binding protein.
Anal Chem, 2004, 76(2): 489~494
[18] Oba S, Hatakeyama M, Handa H, et al. Development of
polymer latex particles for selective cleavage of mismatched
DNA and their application for DNA diagnosis. Bioconjug
Chem, 2005, 16(3): 551~558
[19] Gotoh K, Hata M, Miyajima M, et al. Genome-wide detec-
tion of unknown subtle mutations in bacteria by combina-
tion of MutS and RDA. Biochem Biophys Res Commun,
2000, 268(2): 535~540
[20] Wang J, Liu J H. Directly fishing out subtle mutations in
genomic DNA with histidine-tagged Thermus thermophilus
MutS. Mutat Res, 2004, 547(1-2): 41~47
[21] Baum L, Ng A, Leung W K. Developing the use of mismatch
binding proteins for discovering rare somatic mutations. Mol
Cell Probes, 2005, 19(3): 163~168
[22] Stanislawska-Sachadyn A, Paszko Z, Kluska A, et al. Pre-
liminary studies on DNA retardation by MutS applied to
the detection of point mutations in clinical samples. Mutat
Res, 2005, 570(1): 97~103
[23] Binkowski B F, Richmond K E, Kaysen J, et al. Correcting
errors in synthetic DNA through consensus shuffling. Nucleic
Acids Res, 2005, 33(6): e55
[24] Carr P A, Park J S, Lee Y J, et al. Protein-mediated error
correction for de novo DNA synthesis. Nucleic Acids Res,
2004, 32(20): e162