李玉瑋 高 敏

1 γ-分泌酶基因簇的基因分類、定位、功能與傳導(dǎo)通路

γ-分泌酶基因簇由4個(gè)亞基組成，分別為早老素(Presenilin，PS)、單過(guò)性跨膜蛋白(Nicastrin，NCSTN)、前咽缺陷蛋白1(anterior-pharynx-defective-1，APH-1)和早老素增強(qiáng)子2 (presenilin enhancer-2，PEN-2)。PS可由PS-1或PS-2編碼，APH-1可由APH-1A或APH-1B編碼，但PS和APH-1亞基的不同亞型只有一個(gè)可以存在于一個(gè)γ-分泌酶復(fù)合體中,故體內(nèi)至少存在6種不同組成的γ-分泌酶，且各型功能有所不同[1]。4個(gè)亞基功能各異，缺一不可，需經(jīng)過(guò)正確的組裝、修飾、成熟及轉(zhuǎn)運(yùn)到相應(yīng)的位點(diǎn)，才能發(fā)揮各自正常的生理學(xué)功能。施一公等[2]研究團(tuán)隊(duì)為獲得活性的γ-分泌酶進(jìn)行了深入的研究，最終在HEK293細(xì)胞系上實(shí)現(xiàn)了四個(gè)亞基短暫的共表達(dá)，得到了分辨率達(dá)0.45 nm的γ-分泌酶復(fù)合體的三維結(jié)構(gòu)，復(fù)合體包括一個(gè)含19個(gè)跨膜片段的馬蹄形的跨膜結(jié)構(gòu)域，還有一個(gè)來(lái)自于NCSTN的大的細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域(ECD)。γ-分泌酶基因簇的基因分類、定位、功能與傳導(dǎo)通路見表1。

2 γ-分泌酶基因與疾病的相關(guān)性

研究發(fā)現(xiàn)，γ-分泌酶基因通過(guò)影響Notch信號(hào)傳導(dǎo)通路，影響基因的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)，參與多種疾病的發(fā)生。下文綜述了γ-分泌酶與化膿性汗腺炎、阿爾茨海默病、腫瘤、心肌病及癡呆5種疾病的相關(guān)性。

2.1 γ-分泌酶基因與化膿性汗腺炎 化膿性汗腺炎(HS),又名逆向性痤瘡(AI)，好發(fā)于頂泌汗腺分布部位，以反復(fù)發(fā)生皮膚膿腫、竇道及瘢痕形成為特征。隨后，有學(xué)者進(jìn)行了HS表型的研究，發(fā)現(xiàn)NCSTN缺陷小鼠表現(xiàn)出濾泡和囊性角化過(guò)度，特別是在皮膚的皮脂腺區(qū)域[10]。揭示了γ-分泌酶輔因子亞基NCSTN基因的突變可能導(dǎo)致家族性HS的發(fā)生，其在家族性HS中可能主要通過(guò)Notch和PI3K-AKT信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑影響角質(zhì)形成細(xì)胞的增殖和分化。NCSTN潛在抗增殖和促分化譜可能主要是由于其在人角質(zhì)形成細(xì)胞中對(duì)Notch途徑的活化和PI3K-AKT通路的抑制的結(jié)果[11]。2010年，王寶璽等[12]教授及其研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)6年的研究，對(duì)6個(gè)中國(guó)漢族家系的 HS 患者進(jìn)行全基因掃描和連鎖分析，發(fā)現(xiàn)編碼γ-分泌酶基因簇不同亞基的基因突變導(dǎo)致 HS 的發(fā)生。在6個(gè)家系中，1個(gè)家系出現(xiàn)了編碼PS-1的PSEN-1基因的移碼突變(14q4.3)，2個(gè)家系出現(xiàn)了編碼Pen-2的PSENEN基因的移碼突變(19q13.1)，3個(gè)家系分別出現(xiàn)了編碼Nicastrin的NCSTN基因的無(wú)義、移碼和剪接突變(1q22-1q23)。該研究最終將本病的致病基因確定為γ-分泌酶基因簇的組成亞基： PS-1、PEN-2、NCSTN。

目前有研究報(bào)道具有γ-分泌酶突變的HS患者中有轉(zhuǎn)化到鱗狀細(xì)胞癌(SCC)的病例，表明Notch信號(hào)傳導(dǎo)的缺陷可能與皮膚SCC相關(guān)[13]。也有研究表明，γ-分泌酶單獨(dú)的雜合突變不能導(dǎo)致疾病，HS的異常和特征性皮膚分布可能與其他因素有關(guān)，例如溫度、汗液、摩擦、頂泌汗腺和微生物在疾病發(fā)病機(jī)制中的作用，潛在地解釋了為什么整個(gè)皮膚表面不受影響。這些因素可以降低酶活性至低于正常濾泡功能所需的臨界閾值，從而導(dǎo)致頂泌汗腺部位反復(fù)發(fā)生的皮膚膿腫、竇道及瘢痕[14,15]。

表1 γ-分泌酶基因簇的基因分類、定位、功能與傳導(dǎo)通路

2.2 γ-分泌酶基因與阿爾茨海默病 阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是一種神經(jīng)退行性疾病，能夠?qū)е禄颊吣X內(nèi)神經(jīng)元凋亡、認(rèn)知和記憶衰退及逐漸失去獨(dú)立生活能力，并使患者最終死于腦功能嚴(yán)重受損。AD的發(fā)生和大腦中淀粉樣斑塊的形成密切相關(guān)，其主要病理標(biāo)志是腦內(nèi)神經(jīng)元缺失、淀粉樣斑塊沉積及有毒的淀粉樣蛋白纖維的形成。研究發(fā)現(xiàn)，淀粉樣斑塊是由γ-分泌酶異常切割淀粉樣蛋白前體蛋白 (amyloidprecursor protein ,APP)產(chǎn)生的過(guò)量的β-淀粉樣蛋白肽(Aβ)聚集所致[10]。PS的突變是家族性阿爾茨海默病(Family Alzheimer’s disease, FAD)所靶向的唯一的γ-分泌酶亞基，編碼該基因的PS-1和PS-2基因中的錯(cuò)義突變，導(dǎo)致APP的缺陷切割以及淀粉樣斑塊的形成。與家族性HS不同，PS-1基因突變?cè)贔AD中幾乎全部為錯(cuò)義突變，因此有學(xué)者指出，PS-1、NCSTN和PEN-2基因突變所導(dǎo)致的單倍劑量不足引起了HS的發(fā)病，而PS-1 和PS-2基因錯(cuò)義突變導(dǎo)致蛋白功能喪失可能通過(guò)顯性負(fù)性機(jī)制引起阿爾茨海默病的發(fā)生[16]。雖然沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但研究發(fā)現(xiàn)在HS患者中AD的發(fā)病率和危險(xiǎn)率略有增加。γ-分泌酶的其它亞基中的突變不增加阿爾茨海默病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[17]。γ-分泌酶與Aβ的產(chǎn)生密切相關(guān)，阻止或者延遲Aβ的產(chǎn)生將有望從根本上治療AD，近年來(lái)人們將注意力轉(zhuǎn)移到研究γ-分泌酶抑制劑的研發(fā)上，通過(guò)抑制γ-分泌酶改變Aβ的產(chǎn)生而不影響Notch蛋白水解和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的化合物，已經(jīng)被鑒定并且目前處于藥物開發(fā)階段，為AD 預(yù)防和治療提供了新的有效途徑[18]。

2.3 γ-分泌酶基因與腫瘤 γ-分泌酶基因通過(guò)影響Notch信號(hào)通路，參與腫瘤的發(fā)生。有研究發(fā)現(xiàn)，Notch1蛋白的過(guò)表達(dá)與多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展有密切的關(guān)系，Notch缺陷會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的胚胎發(fā)育缺陷、影響成年人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)軸突重塑性和免疫系統(tǒng)細(xì)胞增殖等[19]。Notch1的功能是癌基因還是抑癌基因取決于腫瘤發(fā)生部位的不同，它在皮膚癌和非小細(xì)胞型肺癌中起抑癌基因作用，而在其他許多腫瘤中起癌基因作用，如：腎癌、胰腺癌、乳腺癌和前列腺癌等。γ-分泌酶作為Notch 活化過(guò)程中的一種必需水解酶，參與Notch的切割，能夠促進(jìn)其釋放Notch胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域(NICD)，并涉及生命的關(guān)鍵信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程。杜瀟等研究者從細(xì)胞水平驗(yàn)證了應(yīng)用γ-分泌酶抑制劑DAPT阻斷Notch信號(hào)通路可通過(guò)促進(jìn)細(xì)胞凋亡而抑制胰腺癌細(xì)胞的增殖[20]。Carmen等人將γ-分泌酶應(yīng)用于神經(jīng)母細(xì)胞瘤的研究，結(jié)果顯示人類神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞與Notch信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)[21]。也有研究發(fā)現(xiàn)，卵巢癌中 Notch1 信號(hào)蛋白有異常表達(dá)，卵巢癌細(xì)胞系中γ-分泌酶的酶活性顯著高于正常卵巢上皮細(xì)胞系，且在卵巢癌變化過(guò)程中表達(dá)逐漸增高，可能與早期癌變的啟動(dòng)有關(guān)。研究者在乳腺癌患者中鑒定出兩種PS-2突變，表明γ-分泌酶在乳腺癌中起重要作用[22,23]。 近年來(lái)，γ-分泌酶抑制劑的研發(fā)漸熱，研究已證實(shí)γ-分泌酶抑制劑阻斷癌細(xì)胞中的Notch信號(hào)后，對(duì)許多癌細(xì)胞的生長(zhǎng)具有抑制作用，利用γ-分泌酶抑制劑調(diào)節(jié)Notch信號(hào)途徑，從而為調(diào)節(jié)神經(jīng)發(fā)育和腫瘤的相關(guān)治療提供有效途徑[24]。

2.4 γ-分泌酶基因與心肌病 心肌病(cardiomyopathy)是一種原因不明的心肌疾病,可分為三種：擴(kuò)張型性心肌病，肥厚型心肌病和限制性心肌病。有研究表明，缺乏PS-1的小鼠表現(xiàn)出心臟畸形，包括室間隔缺損、右心室雙出口和肺動(dòng)脈狹窄，揭示了PS-1在心臟形態(tài)形成中發(fā)揮著重要的作用[25]。Notch蛋白家族是調(diào)節(jié)心臟生長(zhǎng)和發(fā)育的相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平。γ-分泌酶參與Notch受體的切割，影響Notch通路的傳導(dǎo)。Notch信號(hào)傳導(dǎo)的紊亂與瓣膜異常、心血管疾病、先天性心臟病和肌細(xì)胞功能障礙有關(guān)。有研究表明，在擴(kuò)張性患者中鑒定出PS-1基因突變，揭示了γ-分泌酶可能是心肌病的發(fā)生的原因之一。也有研究者發(fā)現(xiàn)，PS-1敲除的小鼠顯示心臟形態(tài)的改變，而PS-2敲除的小鼠正常生長(zhǎng)，沒(méi)有心臟肥大和纖維化，而且顯示心臟收縮力的改善[26]。

2.5 γ-分泌酶基因與癡呆 路易體癡呆(Dementia with Lewy body，DLB)是以波動(dòng)性認(rèn)知障礙、視幻覺和帕金森綜合征為臨床特點(diǎn)，以路易小體為病理特征的神經(jīng)變性病。路易體是指蛋白質(zhì)的異常聚集。2008年，研究者在具有DLB的臨床表型的先證者中發(fā)現(xiàn)PS-2的錯(cuò)義突變，在患者家系中檢測(cè)到6個(gè)攜帶者。除了仍然無(wú)癥狀的年輕家庭成員外，所有突變攜帶者發(fā)展為AD或DLB，或兩者皆有[27]。額顳癡呆(Frontotemporal dementia，F(xiàn)TD)是額顳葉變性的臨床表型，是AD后的早發(fā)性神經(jīng)退行性疾病的第二大常見形式。其主要特征是行為、性格和語(yǔ)言能力的惡化。目前，在FTD患者中發(fā)現(xiàn)了至少四種PS-2突變。2010年，研究者在一例31歲的患者中發(fā)現(xiàn)了PS-2 R62H?；颊叩慕】的赣H也攜帶這種突變[28]。這幾項(xiàng)研究，揭示了γ-分泌酶基因組成亞基PS的突變可能與路易體癡呆和額顳癡呆的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。

3 研究展望及小結(jié)

綜上所述，γ-分泌酶是體內(nèi)重要的膜內(nèi)切割蛋白酶，它切割多種I 型跨膜蛋白，切割產(chǎn)物與HS、AD發(fā)病、觸發(fā)Notch信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)反應(yīng)等密切相關(guān)。γ-分泌酶及相關(guān)調(diào)控通路已成為目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，且研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。相信隨著研究的逐漸深入，γ-分泌酶的結(jié)構(gòu)、功能、調(diào)控通路及關(guān)鍵作用靶點(diǎn)等會(huì)逐漸闡明，這將為利用γ-分泌酶作為相關(guān)疾病治療和預(yù)防的新靶點(diǎn)提供理論依據(jù)和有效途徑。

參考文獻(xiàn)

[1] Kimberly WT,LaVoie MJ,Ostaszewski BL,et al. Gamma-secretase is a membrane protein complex comprised of presenilin, nicastrin, Aph-1, and Pen-2[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2003, 100 (11): 6382-6387.

[2] Sun L,Zhao L,Yang G,et al. Structural basis of human gamma-secretase assembly[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2015, 112 (19): 6003-6008.

[3] Selkoe DJ,MS W. In search of gamma-secretase: presenilin at the cutting edge[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2000, 97 (11): 5690-5692.

[4] Bai XC,Yan C,Yang G,et al. An atomic structure of human gamma-secretase[J]. Nature,2015,525(7568):212-217.

[5] Honarnejad K,Herms J. Presenilins: role in calcium homeostasis[J]. Int J Biochem Cell Biol, 2012, 44 (11): 1983-1986.

[6] Faraji Zonooz M,Sabbagh-Kermani F,Fattahi Z,et al. Whole genome linkage analysis followed by whole exome sequencing identifies nicastrin (NCSTN) as a causative gene in a multiplex family with gamma-secretase spectrum of autoinflammatory skin phenotypes[J]. J Invest Dermatol, 2016, 136 (6): 1283-1286.

[7] Zhao G,Liu Z,Ilagan MX,et al. Gamma-secretase composed of PS1/Pen2/Aph1a can cleave notch and amyloid precursor protein in the absence of nicastrin[J]. J Neurosci, 2010, 30 (5): 1648-1656.

[8] 龍志敏,賀桂瓊. γ- 分泌酶組件蛋白Nicastrin 的研究進(jìn)展[J]. 生命科學(xué), 2010, 22 (9): 906-912.

[9] Tian Y,Bassit B,Chau D,et al. An APP inhibitory domain containing the Flemish mutation residue modulates γ-secretase activity for Aβ production[J]. Nature Structural & Molecular Biology, 2010, 17 (2): 151-158.

[10] Li T,Wen H,Brayton C,et al. Epidermal growth factor receptor and notch pathways participate in the tumor suppressor function of gamma-secretase[J]. J Biol Chem, 2007, 282 (44): 32264-32273.

[11] Xiao X,He Y,Li C,et al. Nicastrin mutations in familial acne inversa impact keratinocyte proliferation and differentiation through the Notch and phosphoinositide 3-kinase/AKT signalling pathways[J]. Br J Dermatol, 2016, 174 (3): 522-532.

[12] Wang B,Yang W,Wen W,et al. Gamma secretase gene mutations in familial acne inversa[J]. Science, 2010, 330 (19): 1065.

[13] Ingram JR. The Genetics of Hidradenitis Suppurativa[J]. Dermatol Clin, 2016, 34 (1): 23-28.

[14] Pink AE,Dafou D,Desai N,et al. Hidradenitis suppurativa: haploinsufficiency of gamma-secretase components does not affect gamma-secretase enzyme activityin vitro[J]. Br J Dermatol, 2016, 175 (3): 632-635.

[15] Nomura Y,Nomura T,Suzuki S,et al. A novel NCSTN mutation alone may be insufficient for the development of familial hidradenitis suppurativa[J]. J Dermatol Sci, 2014, 74 (2): 180-182.

[16] Tong BC,Lee CS,Cheng WH,et al. Familial Alzheimer's disease-associated presenilin 1 mutants promote γ-secretase cleavage of STIM1 to impair store-operated Ca2+entry[J]. Sci Signal, 2016, 9 (444): 1-11.

[17] Theut Riis P,Egeberg A,Gislason GH,et al. Patients with hidradenitis suppurativa have no increased risk of Alzheimer disease[J]. Br J Dermatol, 2017, 117 (1): 273-275.

[18] 萬(wàn)君,李余星,鄭衛(wèi)紅. γ-分泌酶的空間結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)劑的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)藥理學(xué)與毒理學(xué)雜志, 2015, 29 (6): 979-985.

[19] Herranz H,Stamataki E,Feiguin F,et al. Self-refinement of Notch activity through the transmembrane protein Crumbs: modulation of gamma-secretase activity[J]. EMBO Rep, 2006, 7 (3): 297-302.

[20] 杜瀟,程中,李旸，等. γ分泌酶抑制劑DAPT對(duì)胰腺癌細(xì)胞生長(zhǎng)的影響[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 44 (5): 699-702.

[21] Dorneburg C,Goβ AV,Fischer M,et al. γ-Secretase inhibitor I inhibits neuroblastoma cells, with NOTCH and the proteasome among its targets[J]. Oncotarget, 2016, 7 (39): 62799-62813.

[22] Kondratyev M,Kreso A,Hallett RM,et al. Gamma-secretase inhibitors target tumor-initiating cells in a mouse model of ERBB2 breast cancer[J]. Oncogene, 2011, 31 (1): 93-103.

[23] Schott AF,Landis MD,Dontu G,et al. Preclinical and clinical studies of gamma secretase inhibitors with docetaxel on human breast tumors[J]. Clin Cancer Res, 2013, 19 (6): 1512-1524.

[24] Feng Z,Xu W,Zhang C,et al. Inhibition of gamma-secretase in Notch1 signaling pathway as a novel treatment for ovarian cancer[J]. Oncotarget, 2017, 8 (5): 8215-8225.

[25] Nakajima M,Moriizumi E,Koseki H,et al. Presenilin 1 is essential for cardiac morphogenesis[J]. Dev Dyn, 2004, 230 (4): 795-799.

[26] Kelleher RJ 3rd,Shen J. Gamma-secretase and human disease[J]. Science, 2010, 330 (6007): 1055-1056.

[27] Bernardi L,Maletta RG,Tomaino C,et al. The effects of APOE and tau gene variability on risk of frontotemporal dementia[J]. Neurobiol Aging, 2006, 27 (5): 702-709.

[28] Kauwe JS,Jacquart S,Chakraverty S,et al. Extreme cerebrospinal fluid amyloid beta levels identify family with late-onset Alzheimer's disease presenilin 1 mutation[J]. Ann Neurol, 2007, 61 (5): 446-453.