乳腺癌易感基因1調(diào)控氧化損傷在神經(jīng)退行性疾病中作用的研究進(jìn)展

梁 辰，靳翠紅*

(中國(guó)醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院衛(wèi)生毒理學(xué)教研室，遼寧 沈陽(yáng) 110122)

神經(jīng)退行性疾病是一種異質(zhì)性疾病，其特征性改變?cè)谟谏窠?jīng)系統(tǒng)慢性進(jìn)行性認(rèn)知功能的喪失。大腦和脊髓的細(xì)胞由神經(jīng)元組成，神經(jīng)元功能包括：控制運(yùn)動(dòng)、處理感覺(jué)信息、作出決策。由于神經(jīng)元細(xì)胞不會(huì)再生，所以損害不可逆轉(zhuǎn)。典型的神經(jīng)退行性疾病包括：阿爾茲海默病(Alzheimer’s disease，AD)、帕金森氏病(Parkinson’s disease，PD)、亨廷頓氏病(Huntington’s disease，HD)等。隨著生活水平的逐步提高，以及社會(huì)人口老齡化程度的不斷加劇，AD、PD、HD患病人數(shù)逐年增多。神經(jīng)退行性疾病的病情呈慢性不可逆性進(jìn)行性加重，給社會(huì)和家庭帶來(lái)了極大的負(fù)擔(dān)。氧化應(yīng)激導(dǎo)致的特定區(qū)域神經(jīng)細(xì)胞功能紊亂是神經(jīng)退行性疾病的重要發(fā)病機(jī)制。因此，闡明氧化損傷與神經(jīng)退行性疾病的關(guān)系，及其可能的發(fā)病機(jī)制，對(duì)提高老年人的生命質(zhì)量和壽命具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 氧化損傷與神經(jīng)退行性疾病

研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)退行性病變?cè)缙诳蓹z測(cè)到的事件之一就是DNA(主要是mtDNA)氧化性損傷，導(dǎo)致線粒體功能障礙，使神經(jīng)元的氧化應(yīng)激永久化，最終導(dǎo)致神經(jīng)退行性病變。

由于機(jī)體腦組織耗氧量大、不飽和脂肪酸含量高、抗氧化酶含量低，導(dǎo)致腦組織極易受活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)攻擊，引發(fā)氧化損傷[1]。研究證實(shí)，神經(jīng)元DNA氧化損傷與認(rèn)知缺陷密切相關(guān)，且在各種神經(jīng)退行性疾病病理改變的早期發(fā)生[2]。當(dāng)發(fā)生氧化損傷時(shí)，ROS產(chǎn)生過(guò)多，電子傳遞鏈(electron transport chain，ETC)復(fù)合物1、2、4的活性降低[3]。ETC功能障礙可能導(dǎo)致線粒體損傷。

AD是全球癡呆病中最常見(jiàn)且發(fā)病率最高的癡呆類(lèi)型。有研究表明，AD患者腦中線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)的氧化修飾有所增加，且在其皮質(zhì)mtDNA中觀察到8-羥基脫氧鳥(niǎo)苷(8-hydroxy-deoxyguanosine acid，8-OHdG)水平升高[4]。最近在AD患者腦中發(fā)現(xiàn)了由尿嘧啶DNA糖苷酶(UDG)，8-羥基鳥(niǎo)嘌呤DNA糖苷酶(OGG1)和DNA聚合酶活性降低引起顯著的堿基切除修復(fù)(base excision repair，BER)功能障礙[5]。BER缺陷存在于AD患者的受累腦區(qū)以及未受影響的腦區(qū)，表明BER損傷是AD大腦的一般特征。

有大量文獻(xiàn)支持線粒體功能障礙和氧化損傷在AD發(fā)病中的作用，即AD早期，大腦組織病理改變發(fā)生前已產(chǎn)生氧化損傷[6]。進(jìn)一步的研究表明，mtDNA可能參與了AD的線粒體功能障礙。當(dāng)患者mtDNA被轉(zhuǎn)移到mtDNA缺陷細(xì)胞系時(shí)，由此產(chǎn)生的“胞質(zhì)雜種”細(xì)胞重現(xiàn)了AD中腦和其他組織中所見(jiàn)的呼吸酶缺陷，表明這種缺陷至少部分是由mtDNA異常引起的[7]。

PD是第二常見(jiàn)的神經(jīng)退行性疾病。ETC酶復(fù)合物I缺陷引起的線粒體功能障礙可能參與PD發(fā)病過(guò)程[8]。實(shí)際上，用于制作PD實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木€粒體毒素通常會(huì)破壞電子傳輸系統(tǒng)的能力，并以這種方式促進(jìn)氧化應(yīng)激[9]。PD患者黑質(zhì)致密區(qū)(substantia nigra pars compacata，SN)的神經(jīng)元細(xì)胞質(zhì)8-OHdG免疫反應(yīng)強(qiáng)烈，外周血淋巴細(xì)胞DNA氧化損傷(DNA單鏈斷裂和氧化嘌呤堿基)及尿中8-OHdG水平更高。因此，認(rèn)為線粒體損傷和細(xì)胞氧化狀態(tài)失衡是PD發(fā)生和發(fā)展的重要因素[10]。

HD以常染色體顯性方式遺傳，致病原因是亨廷頓蛋白(Huntingtin，Htt)異常。HD是Htt基因的氨基末端編碼區(qū)中胞嘧啶、腺嘌呤和鳥(niǎo)嘌呤(CAG)三核苷酸重復(fù)序列異常擴(kuò)增，導(dǎo)致相應(yīng)蛋白中的N-末端聚谷氨酰胺表達(dá)異常[11]。HD動(dòng)物模型研究發(fā)現(xiàn)3-硝基丙酸(3-nitropro pionic acid，3-NPA)腹腔注射能夠引起線粒體復(fù)合物II的抑制，3-NPA是一種不可逆的琥珀酸脫氫酶抑制劑，這表明氧化應(yīng)激可能在HD的發(fā)病中發(fā)揮重要作用[12]。

2 乳腺癌易感基因1

乳腺癌是影響女性健康的主要惡性腫瘤之一。乳腺癌易感基因1(breast cancer susceptibility gene 1，BRCA1)是與乳腺癌發(fā)病相關(guān)的重要基因，是腫瘤抑制因子，參與維持基因組穩(wěn)定性，其突變是造成大多數(shù)遺傳性乳腺癌的原因。BRCA1突變發(fā)生乳腺癌的風(fēng)險(xiǎn)概率為80%[13]。

BRCA1基因位于染色體17q21.3，包含193 689個(gè)核苷酸，共有24個(gè)外顯子。其中外顯子11是核心外顯子，編碼超過(guò)整個(gè)蛋白質(zhì)的60%[14]。BRCA1蛋白全長(zhǎng)1 863個(gè)氨基酸，220 kD，是一種多結(jié)構(gòu)域蛋白，有4個(gè)主要結(jié)構(gòu)域：RING、BRCT、P300/CBP和卷曲螺旋(見(jiàn)圖1)。其中RING結(jié)構(gòu)域和BRCT結(jié)構(gòu)域尤為重要。RING結(jié)構(gòu)域與BRCA1相關(guān)環(huán)狀蛋白(BRCA1 associated RING domain protein，BARD1)相互作用時(shí)，顯示E3連接酶活性。RING結(jié)構(gòu)域突變使其從BARD1脫離，E3連接酶活性消除，通常與癌癥易感性相關(guān)。BRCT結(jié)構(gòu)域是BRCA1羧基末端重復(fù)序列，其識(shí)別磷酸-SXXF基序中的磷酸化絲氨酸并結(jié)合3種蛋白，分別是帶有pSPxF結(jié)構(gòu)的磷酸化蛋白Abraxas，DNA解旋酶BRIP1和DNA修復(fù)酶CtIP。BRCT結(jié)構(gòu)域與DNA損傷應(yīng)答蛋白質(zhì)相互作用，修復(fù)DNA損傷[15]。在RING和BRCT結(jié)構(gòu)域發(fā)現(xiàn)了許多遺傳性BRCA1突變，表明這些結(jié)構(gòu)域?qū)τ贐RCA1的功能至關(guān)重要。P300/CBP結(jié)構(gòu)域可與P300、CREB相互作用，發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)活性。卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域在同源重組中起作用[16]。

圖1 BRCA1蛋白的結(jié)構(gòu)域

在功能方面，BRCA1是抑癌基因，參與細(xì)胞內(nèi)多種代謝過(guò)程[17]。BRCA1可修復(fù)DNA損傷，在DNA損傷中，DNA雙鏈斷裂(DNA double-strand break，DSB)是最嚴(yán)重的損傷形式，會(huì)導(dǎo)致染色體重排、腫瘤發(fā)生和細(xì)胞死亡等[18]。DSB有2種修復(fù)途徑：同源重組(homologous recombination，HR)和非同源末端連接(non-homologous end joining，NHEJ)。BRCA1是調(diào)控HR修復(fù)DSB的重要蛋白。相關(guān)研究證明除具有抑制惡性腫瘤發(fā)生的作用外，BRCA1蛋白在DNA損傷修復(fù)、細(xì)胞周期、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、細(xì)胞凋亡等過(guò)程中發(fā)揮著重要的生物學(xué)功能[19]。

3 BRCA1調(diào)控氧化損傷的機(jī)制

3.1 BRCA1調(diào)控氧化損傷與基因組穩(wěn)定性

基因組是指細(xì)胞內(nèi)所有遺傳信息，這種遺傳信息以核苷酸序列形式存儲(chǔ)。在機(jī)體內(nèi)，基因組包括細(xì)胞核DNA(nuclear DNA，nDNA)和mtDNA，分別是細(xì)胞核和線粒體中的遺傳物質(zhì)。

mtDNA編碼37個(gè)基因，其中大多數(shù)為ETC的必需蛋白[20]。mtDNA是獨(dú)立于細(xì)胞核染色體外的基因組，由于以下3個(gè)原因：靠近氧化代謝部位——線粒體內(nèi)膜，局部ROS高水平；缺乏保護(hù)性組蛋白；損傷修復(fù)途徑不完善，主要依賴(lài)于BER途徑，故mtDNA比nDNA對(duì)氧化劑更敏感，更易受到氧化損傷。因此，mtDNA積累的突變也遠(yuǎn)高于nDNA[21]。mtDNA突變或損傷會(huì)引起編碼的呼吸鏈復(fù)合物活性下降，使得線粒體功能障礙，ATP生成減少，ROS產(chǎn)生增加。當(dāng)不能及時(shí)修復(fù)mtDNA損傷時(shí)，則可能引起線粒體功能障礙和病理狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)體衰老、腫瘤以及神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生。

基因組不穩(wěn)定是腫瘤發(fā)生和神經(jīng)退行性疾病一個(gè)重要的共同特征[22]。BRCA1與DNA損傷應(yīng)答的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，BRCA1在維持基因組完整性方面發(fā)揮重要作用。BRCA1在散發(fā)性乳腺癌和卵巢癌中表達(dá)降低或缺失，而且在非遺傳性腫瘤中也起著腫瘤抑制基因的作用。BRCA1基因突變亦會(huì)增加前列腺癌和胰腺癌的患病風(fēng)險(xiǎn)[23]。在BRCA1缺陷(功能喪失或基因突變等)細(xì)胞中，存在DNA的損傷修復(fù)缺陷和基因組不穩(wěn)定性現(xiàn)象。這種基因組的不穩(wěn)定可能會(huì)引起基因組的永久致癌性或神經(jīng)退行性改變[24]。

3.2 BRCA1調(diào)節(jié)DNA修復(fù)

生物體進(jìn)化過(guò)程中形成了多種修復(fù)系統(tǒng)，對(duì)不同類(lèi)型的損傷進(jìn)行不同的修復(fù)，以保持基因組精確性和穩(wěn)定性。研究認(rèn)為，BRCA1參與調(diào)控3種DNA修復(fù)途徑：BER、HR、NHEJ[25]。BRCA1通過(guò)刺激8-羥基鳥(niǎo)嘌呤DNA糖苷酶OGG1、DNA糖基化酶NTH1、嘌呤核酸內(nèi)切酶氧化還原因子1/嘌呤核酸內(nèi)切酶1(REF1/APE1)等BER關(guān)鍵酶在人乳腺癌細(xì)胞MCF-7中的表達(dá)，從而促進(jìn)BER途徑[26]；OGG1、NTH1和REF1/APE1這3種酶都有助于BRCA1抵制由過(guò)氧化氫(H2O2)引起的氧化應(yīng)激，H2O2能夠促進(jìn)這3種酶和BRCA1的表達(dá)。他們的研究結(jié)果確認(rèn)了BRCA1可能調(diào)控DNA氧化損傷的一種新的機(jī)制[25]。

BRCA1也直接參與HR修復(fù)DSB。在應(yīng)答DSB時(shí)，BRCA1會(huì)與受體相關(guān)蛋白80(receptor-associated protein 80，RAP80)形成BRCA1-RAP80復(fù)合物結(jié)合到DSB部位，促進(jìn)DSB 5′端的切除，啟動(dòng)HR[27]。NHEJ不使用同源模板，而把幾乎任何類(lèi)型的DSB末端直接連接到一起，因此它可以發(fā)生于細(xì)胞周期任何階段，在G1期占優(yōu)勢(shì)，研究發(fā)現(xiàn)在G1期BRCA1促進(jìn)了NHEJ的發(fā)生[28]。當(dāng)DSB發(fā)生時(shí)，BRCA1可以同ATM/ATR和傳感器蛋白(MRN或Rpa)激活的磷酸化γ-H2AX形成復(fù)合物，并招募HR或NHEJ進(jìn)行DNA的修復(fù)。如果損傷達(dá)到一定水平，則BRCA1充當(dāng)ATM/ATR和Chk1/Chk2之間的適配器，在細(xì)胞周期中建立朝向檢查點(diǎn)的級(jí)聯(lián)，以便于DNA修復(fù)。如果損傷過(guò)重，細(xì)胞則發(fā)生凋亡[29]。

3.3 BRCA1調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子Nrf2

BRCA1可誘導(dǎo)抗氧化劑應(yīng)答基因的表達(dá)，保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激的損害。多個(gè)研究提示BRCA1本身可以調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激：BRCA1缺失會(huì)增加細(xì)胞ROS水平，而B(niǎo)RCA1過(guò)度表達(dá)則抑制ROS的產(chǎn)生[26]。Nrf2-ARE是機(jī)體重要的抗氧化通路。Nrf2結(jié)合到靶基因啟動(dòng)子的ARE元件，誘導(dǎo)抗氧化酶基因的表達(dá)，從而抵抗化學(xué)致癌物以及修復(fù)ROS所致DNA損傷，進(jìn)而保護(hù)正常細(xì)胞、抑制癌變，預(yù)防DNA氧化損傷的發(fā)生[30]。

研究發(fā)現(xiàn)BRCA1可促進(jìn)Nrf2靶基因表達(dá)，且這種激活作用依賴(lài)于Nrf2啟動(dòng)子的存在，提示Nrf2在BRCA1信號(hào)通路下游，BRCA1通過(guò)調(diào)控Nrf2來(lái)促進(jìn)抗氧化反應(yīng)酶基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，從而保護(hù)細(xì)胞免受ROS損害[31]。已有報(bào)道[32]發(fā)現(xiàn)化學(xué)防癌劑吲哚-3-甲醇(I3C)，及其代謝物二吲哚甲烷(DIM)可以促進(jìn)BRCA1表達(dá)并激活Nrf2-ARE信號(hào)通路，但抑制BRCA1表達(dá)后，這種激活作用下降明顯，說(shuō)明DIM對(duì)Nrf2-ARE信號(hào)通路的激活依賴(lài)BRCA1的存在，故推測(cè)BRCA1可能介導(dǎo)Nrf2-ARE信號(hào)通路的激活。此外，BRCA1還可以抑制Nrf2的泛素化經(jīng)降解[31]。

3.4 BRCA1調(diào)節(jié)細(xì)胞其他功能

BRCA1是一種多功能蛋白質(zhì)，參與調(diào)控細(xì)胞周期、凋亡和各種轉(zhuǎn)錄途徑以及DNA損傷信號(hào)傳導(dǎo)和修復(fù)[34]。作為BRCAFanconi貧血癥途徑的一個(gè)組成部分，BRCA-Fanconi功能喪失導(dǎo)致細(xì)胞對(duì)DNA損傷劑的敏感性增加，細(xì)胞周期檢查點(diǎn)缺陷和癌癥易感性。BRCA1對(duì)直接修復(fù)和/或依賴(lài)其他補(bǔ)償性修復(fù)DNA損傷必不可少[34]。BRCA1與BARD1一起發(fā)揮E3泛素連接酶功能，是BRCA1唯一已知的酶功能[35]。此外還有研究表明BRCA1單倍體不足導(dǎo)致參與細(xì)胞增殖和發(fā)育的43個(gè)基因表達(dá)改變，可能影響分化，從而使細(xì)胞更容易趨于惡化[36]。

4 BRCA1與神經(jīng)系統(tǒng)功能

保持DNA完整性對(duì)于所有細(xì)胞和生物體均至關(guān)重要。DNA損傷和/或修復(fù)缺陷可能導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病。Suberbielle等[37]發(fā)現(xiàn)，AD病人和人淀粉樣前體蛋白(human amyloid precusor protein，hAPP)轉(zhuǎn)基因小鼠大腦中BRCA1表達(dá)水平下調(diào)；β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)寡聚物處理可下調(diào)原代神經(jīng)元中BRCA1的表達(dá)水平；小鼠海馬DG區(qū)BRCA1沉默可增加DNA雙鏈斷裂、神經(jīng)元固縮、突觸可塑性受損、學(xué)習(xí)記憶缺陷，而APP/Aβ過(guò)表達(dá)可加重這些效應(yīng)。此研究證實(shí)BRCA1與AD認(rèn)知障礙密切相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)鋁暴露正常乳腺上皮MCF10A細(xì)胞可引起B(yǎng)RCA1 mRNA和蛋白的下降[38]。此外，AD中氧化性DNA損傷譜的證據(jù)提示BRCA1可能在神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮重要作用[39]。

研究發(fā)現(xiàn)，BRCA1對(duì)Aβ誘導(dǎo)的DNA雙鍵斷裂具有保護(hù)功能[37]。因死亡后細(xì)胞的降解和腦內(nèi)細(xì)胞的復(fù)雜性限制了從分子層面闡明AD病理特征和神經(jīng)功能障礙的因果關(guān)系，故有研究[40]應(yīng)用AD患者死后大腦樣本，分析其神經(jīng)元特異性基因組DNA甲基化譜，確定了BRCA1啟動(dòng)子上有差異的低甲基化區(qū)域，而且發(fā)現(xiàn)BRCA1在AD腦中表達(dá)顯著上調(diào)。同時(shí)，在體外細(xì)胞和小鼠模型中均發(fā)現(xiàn)，BRCA1在細(xì)胞質(zhì)中定位錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致DNA雙鏈斷裂。Aβ負(fù)荷下BRCA1的功能障礙伴隨著基因組完整性和突觸可塑性下降。另外，模型小鼠腦中BRCA1啟動(dòng)子區(qū)呈低甲基化狀態(tài)，提示BRCA1在AD中調(diào)控的一種表觀遺傳機(jī)制。上述研究均證實(shí)DNA完整性喪失是AD發(fā)病機(jī)制中的核心因素[40]。

有研究提出，觀察到的神經(jīng)元中活性磷酸化BRCA1的表達(dá)水平增強(qiáng)可能在AD細(xì)胞死亡信號(hào)傳導(dǎo)中發(fā)揮重要作用，其過(guò)度激活可能先于最終的神經(jīng)元丟失和BRCA1耗盡，研究還提出BRCA1上調(diào)在不同神經(jīng)發(fā)育階段具有不同的含義，在神經(jīng)元前體，成熟健康神經(jīng)元和成熟AD神經(jīng)元中發(fā)揮不同的作用[41]。在神經(jīng)元中，情況可能很特別。氧化應(yīng)激狀態(tài)下，神經(jīng)元開(kāi)啟細(xì)胞周期的進(jìn)展以便存活，進(jìn)而發(fā)生有絲分裂突變和最終的細(xì)胞凋亡信號(hào)傳導(dǎo)。由于BRCA1參與DNA修復(fù)，細(xì)胞周期暫停和細(xì)胞凋亡，隨著AD和神經(jīng)變性的進(jìn)展，BRCA1的表達(dá)水平增加。實(shí)際上，BRCA1蛋白的表達(dá)可能在AD進(jìn)展的早期被激活，即細(xì)胞周期的變化在疾病進(jìn)展的早期發(fā)生?？傊珺RCA1的功能障礙可能比Aβ等AD中已知的病理因素早得多[41]。

上述研究提示，BRCA1可以保護(hù)神經(jīng)元基因組，維持神經(jīng)元完整性和認(rèn)知功能。下調(diào)BRCA1的表達(dá)可造成氧化應(yīng)激而影響認(rèn)知功能，進(jìn)而引發(fā)神經(jīng)退行性疾病。

5 小結(jié)

DNA氧化損傷是所有神經(jīng)退行性疾病的早期病理事件。腫瘤抑制因子BRCA1在神經(jīng)細(xì)胞中也可能發(fā)揮重要的調(diào)控作用，參與DNA氧化損傷修復(fù)及其他相關(guān)修復(fù)途徑，與神經(jīng)退行性疾病關(guān)系密切。研究BRCA1的調(diào)控作用有助于闡明神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)制，并將為尋找潛在的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的治療和早期干預(yù)的靶點(diǎn)提供重要依據(jù)和線索。