梁 辰，靳翠紅*

(中國醫(yī)科大學公共衛(wèi)生學院衛(wèi)生毒理學教研室，遼寧 沈陽 110122)

神經(jīng)退行性疾病是一種異質性疾病，其特征性改變在于神經(jīng)系統(tǒng)慢性進行性認知功能的喪失。大腦和脊髓的細胞由神經(jīng)元組成，神經(jīng)元功能包括：控制運動、處理感覺信息、作出決策。由于神經(jīng)元細胞不會再生，所以損害不可逆轉。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行性加重，給社會和家庭帶來了極大的負擔。氧化應激導致的特定區(qū)域神經(jīng)細胞功能紊亂是神經(jīng)退行性疾病的重要發(fā)病機制。因此，闡明氧化損傷與神經(jīng)退行性疾病的關系，及其可能的發(fā)病機制，對提高老年人的生命質量和壽命具有重要的理論和實際意義。

1 氧化損傷與神經(jīng)退行性疾病

研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)退行性病變早期可檢測到的事件之一就是DNA(主要是mtDNA)氧化性損傷，導致線粒體功能障礙，使神經(jīng)元的氧化應激永久化，最終導致神經(jīng)退行性病變。

由于機體腦組織耗氧量大、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，神經(jīng)元DNA氧化損傷與認知缺陷密切相關，且在各種神經(jīng)退行性疾病病理改變的早期發(fā)生[2]。當發(fā)生氧化損傷時，ROS產(chǎn)生過多，電子傳遞鏈(electron transport chain，ETC)復合物1、2、4的活性降低[3]。ETC功能障礙可能導致線粒體損傷。

AD是全球癡呆病中最常見且發(fā)病率最高的癡呆類型。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mtDNA中觀察到8-羥基脫氧鳥苷(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(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]。進一步的研究表明，mtDNA可能參與了AD的線粒體功能障礙。當患者mtDNA被轉移到mtDNA缺陷細胞系時，由此產(chǎn)生的“胞質雜種”細胞重現(xiàn)了AD中腦和其他組織中所見的呼吸酶缺陷，表明這種缺陷至少部分是由mtDNA異常引起的[7]。

PD是第二常見的神經(jīng)退行性疾病。ETC酶復合物I缺陷引起的線粒體功能障礙可能參與PD發(fā)病過程[8]。實際上，用于制作PD實驗模型的線粒體毒素通常會破壞電子傳輸系統(tǒng)的能力，并以這種方式促進氧化應激[9]。PD患者黑質致密區(qū)(substantia nigra pars compacata，SN)的神經(jīng)元細胞質8-OHdG免疫反應強烈，外周血淋巴細胞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，認為線粒體損傷和細胞氧化狀態(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、腺嘌呤和鳥嘌呤(CAG)三核苷酸重復序列異常擴增，導致相應蛋白中的N-末端聚谷氨酰胺表達異常[11]。HD動物模型研究發(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)生乳腺癌的風險概率為80%[13]。

BRCA1基因位于染色體17q21.3，包含193 689個核苷酸，共有24個外顯子。其中外顯子11是核心外顯子，編碼超過整個蛋白質的60%[14]。BRCA1蛋白全長1 863個氨基酸，220 kD，是一種多結構域蛋白，有4個主要結構域：RING、BRCT、P300/CBP和卷曲螺旋(見圖1)。其中RING結構域和BRCT結構域尤為重要。RING結構域與BRCA1相關環(huán)狀蛋白(BRCA1 associated RING domain protein，BARD1)相互作用時，顯示E3連接酶活性。RING結構域突變使其從BARD1脫離，E3連接酶活性消除，通常與癌癥易感性相關。BRCT結構域是BRCA1羧基末端重復序列，其識別磷酸-SXXF基序中的磷酸化絲氨酸并結合3種蛋白，分別是帶有pSPxF結構的磷酸化蛋白Abraxas，DNA解旋酶BRIP1和DNA修復酶CtIP。BRCT結構域與DNA損傷應答蛋白質相互作用，修復DNA損傷[15]。在RING和BRCT結構域發(fā)現(xiàn)了許多遺傳性BRCA1突變，表明這些結構域對于BRCA1的功能至關重要。P300/CBP結構域可與P300、CREB相互作用，發(fā)揮轉錄調節(jié)活性。卷曲螺旋結構域在同源重組中起作用[16]。

圖1 BRCA1蛋白的結構域

在功能方面，BRCA1是抑癌基因，參與細胞內多種代謝過程[17]。BRCA1可修復DNA損傷，在DNA損傷中，DNA雙鏈斷裂(DNA double-strand break，DSB)是最嚴重的損傷形式，會導致染色體重排、腫瘤發(fā)生和細胞死亡等[18]。DSB有2種修復途徑：同源重組(homologous recombination，HR)和非同源末端連接(non-homologous end joining，NHEJ)。BRCA1是調控HR修復DSB的重要蛋白。相關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、細胞周期、基因轉錄調節(jié)、細胞凋亡等過程中發(fā)揮著重要的生物學功能[19]。

3 BRCA1調控氧化損傷的機制

3.1 BRCA1調控氧化損傷與基因組穩(wěn)定性

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

mtDNA編碼37個基因，其中大多數(shù)為ETC的必需蛋白[20]。mtDNA是獨立于細胞核染色體外的基因組，由于以下3個原因：靠近氧化代謝部位——線粒體內膜，局部ROS高水平；缺乏保護性組蛋白；損傷修復途徑不完善，主要依賴于BER途徑，故mtDNA比nDNA對氧化劑更敏感，更易受到氧化損傷。因此，mtDNA積累的突變也遠高于nDNA[21]。mtDNA突變或損傷會引起編碼的呼吸鏈復合物活性下降，使得線粒體功能障礙，ATP生成減少，ROS產(chǎn)生增加。當不能及時修復mtDNA損傷時，則可能引起線粒體功能障礙和病理狀態(tài)，進而導致機體衰老、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)退行性疾病一個重要的共同特征[22]。BRCA1與DNA損傷應答的相關研究發(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基因突變亦會增加前列腺癌和胰腺癌的患病風險[23]。在BRCA1缺陷(功能喪失或基因突變等)細胞中，存在DNA的損傷修復缺陷和基因組不穩(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調節(jié)DNA修復

生物體進化過程中形成了多種修復系統(tǒng)，對不同類型的損傷進行不同的修復，以保持基因組精確性和穩(wěn)定性。研究認為，BRCA1參與調控3種DNA修復途徑：BER、HR、NHEJ[25]。BRCA1通過刺激8-羥基鳥嘌呤DNA糖苷酶OGG1、DNA糖基化酶NTH1、嘌呤核酸內切酶氧化還原因子1/嘌呤核酸內切酶1(REF1/APE1)等BER關鍵酶在人乳腺癌細胞MCF-7中的表達，從而促進BER途徑[26]；OGG1、NTH1和REF1/APE1這3種酶都有助于BRCA1抵制由過氧化氫(H2O2)引起的氧化應激，H2O2能夠促進這3種酶和BRCA1的表達。他們的研究結果確認了BRCA1可能調控DNA氧化損傷的一種新的機制[25]。

BRCA1也直接參與HR修復DSB。在應答DSB時，BRCA1會與受體相關蛋白80(receptor-associated protein 80，RAP80)形成BRCA1-RAP80復合物結合到DSB部位，促進DSB 5′端的切除，啟動HR[27]。NHEJ不使用同源模板，而把幾乎任何類型的DSB末端直接連接到一起，因此它可以發(fā)生于細胞周期任何階段，在G1期占優(yōu)勢，研究發(fā)現(xiàn)在G1期BRCA1促進了NHEJ的發(fā)生[28]。當DSB發(fā)生時，BRCA1可以同ATM/ATR和傳感器蛋白(MRN或Rpa)激活的磷酸化γ-H2AX形成復合物，并招募HR或NHEJ進行DNA的修復。如果損傷達到一定水平，則BRCA1充當ATM/ATR和Chk1/Chk2之間的適配器，在細胞周期中建立朝向檢查點的級聯(lián)，以便于DNA修復。如果損傷過重，細胞則發(fā)生凋亡[29]。

3.3 BRCA1調控轉錄因子Nrf2

BRCA1可誘導抗氧化劑應答基因的表達，保護細胞免受氧化應激的損害。多個研究提示BRCA1本身可以調節(jié)氧化應激：BRCA1缺失會增加細胞ROS水平，而BRCA1過度表達則抑制ROS的產(chǎn)生[26]。Nrf2-ARE是機體重要的抗氧化通路。Nrf2結合到靶基因啟動子的ARE元件，誘導抗氧化酶基因的表達，從而抵抗化學致癌物以及修復ROS所致DNA損傷，進而保護正常細胞、抑制癌變，預防DNA氧化損傷的發(fā)生[30]。

研究發(fā)現(xiàn)BRCA1可促進Nrf2靶基因表達，且這種激活作用依賴于Nrf2啟動子的存在，提示Nrf2在BRCA1信號通路下游，BRCA1通過調控Nrf2來促進抗氧化反應酶基因的轉錄表達，從而保護細胞免受ROS損害[31]。已有報道[32]發(fā)現(xiàn)化學防癌劑吲哚-3-甲醇(I3C)，及其代謝物二吲哚甲烷(DIM)可以促進BRCA1表達并激活Nrf2-ARE信號通路，但抑制BRCA1表達后，這種激活作用下降明顯，說明DIM對Nrf2-ARE信號通路的激活依賴BRCA1的存在，故推測BRCA1可能介導Nrf2-ARE信號通路的激活。此外，BRCA1還可以抑制Nrf2的泛素化經(jīng)降解[31]。

3.4 BRCA1調節(jié)細胞其他功能

BRCA1是一種多功能蛋白質，參與調控細胞周期、凋亡和各種轉錄途徑以及DNA損傷信號傳導和修復[34]。作為BRCAFanconi貧血癥途徑的一個組成部分，BRCA-Fanconi功能喪失導致細胞對DNA損傷劑的敏感性增加，細胞周期檢查點缺陷和癌癥易感性。BRCA1對直接修復和/或依賴其他補償性修復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單倍體不足導致參與細胞增殖和發(fā)育的43個基因表達改變，可能影響分化，從而使細胞更容易趨于惡化[36]。

4 BRCA1與神經(jīng)系統(tǒng)功能

保持DNA完整性對于所有細胞和生物體均至關重要。DNA損傷和/或修復缺陷可能導致神經(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)轉基因小鼠大腦中BRCA1表達水平下調；β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)寡聚物處理可下調原代神經(jīng)元中BRCA1的表達水平；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、學習記憶缺陷，而APP/Aβ過表達可加重這些效應。此研究證實BRCA1與AD認知障礙密切相關。有研究發(fā)現(xiàn)鋁暴露正常乳腺上皮MCF10A細胞可引起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)病機制中發(fā)揮重要作用[39]。

研究發(fā)現(xiàn)，BRCA1對Aβ誘導的DNA雙鍵斷裂具有保護功能[37]。因死亡后細胞的降解和腦內細胞的復雜性限制了從分子層面闡明AD病理特征和神經(jīng)功能障礙的因果關系，故有研究[40]應用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腦中表達顯著上調。同時，在體外細胞和小鼠模型中均發(fā)現(xiàn)，BRCA1在細胞質中定位錯誤會導致DNA雙鏈斷裂。Aβ負荷下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啟動子區(qū)呈低甲基化狀態(tài)，提示BRCA1在AD中調控的一種表觀遺傳機制。上述研究均證實DNA完整性喪失是AD發(fā)病機制中的核心因素[40]。

有研究提出，觀察到的神經(jīng)元中活性磷酸化BRCA1的表達水平增強可能在AD細胞死亡信號傳導中發(fā)揮重要作用，其過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。氧化應激狀態(tài)下，神經(jīng)元開啟細胞周期的進展以便存活，進而發(fā)生有絲分裂突變和最終的細胞凋亡信號傳導。由于BRCA1參與DNA修復，細胞周期暫停和細胞凋亡，隨著AD和神經(jīng)變性的進展，BRCA1的表達水平增加。實際上，BRCA1蛋白的表達可能在AD進展的早期被激活，即細胞周期的變化在疾病進展的早期發(fā)生?？傊?，BRCA1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可以保護神經(jīng)元基因組，維持神經(jīng)元完整性和認知功能。下調BRCA1的表達可造成氧化應激而影響認知功能，進而引發(fā)神經(jīng)退行性疾病。

5 小結

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)細胞中也可能發(fā)揮重要的調控作用，參與DNA氧化損傷修復及其他相關修復途徑，與神經(jīng)退行性疾病關系密切。研究BRCA1的調控作用有助于闡明神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機制，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的靶點提供重要依據(jù)和線索。