李 虹，李赫健，樊 奔，張文生,3

(北京師范大學地理科學學部1. 中藥資源保護與利用北京市重點實驗室、2. 天然藥物教育部工程研究中心，北京 100875；3. 三七資源保護與利用技術國家地方聯合工程研究中心，云南 昆明 650000)

甲基乙二醛(methylglyoxal，MG)是一種活性羰基化合物，主要通過糖酵解過程中磷酸二羥丙酮(dihydroxyactone phosphat，DHAP)和甘油醛-3-磷酸(glyceraldehyde-3-phosphate，G3P)的中間體，經非酶催化過程而產生的有毒副產物。MG能夠與DNA的瞇基殘基端發(fā)生反應，對其進行修飾，從而使DNA雙鏈斷裂、形成DNA-蛋白質交聯物等，抑制DNA及RNA的合成，與蛋白質形成交聯，造成細胞凋亡和炎癥等細胞毒性和組織損傷[1-2]。1913年，Neuberg[3]發(fā)現乙二醛酶系催化MG轉化為無毒的D-乳酸。Racker[4]于1951年揭示了乙二醛酶系統主要由乙二醛酶1(glyoxalsse 1，Glo 1)和乙二醛酶2(glyoxalsse 2，Glo 2)兩個連續(xù)的催化步驟，其中Glo 1是該系統中的限速酶。之后，針對Glo 1的基因表達調控機制及在相關疾病中表達變化越來越引起人們的關注。本文總結近年Glo 1在不同疾病中分子調控機制的有關文獻，以期為深入研究Glo 1在疾病中的作用提供參考。

1 Glo 1基因的分子結構和遺傳特征

人類Glo 1基因位于6號染色體上，介于著絲粒和人類白細胞抗原DR(human leukocyte antigen DR，HLA-DR)之間，全長27 252 bp，包含6個外顯子和5個內含子，轉錄后產生2 071 bp的mRNA，編碼184個氨基酸。人類Glo 1是由1個雙等位基因所編碼的兩個結構相似的亞基GLO 1-A和GLO 1-E組成的二聚體，兩個亞基的主要區(qū)別在于第111位氨基酸——GLO 1-A為丙氨酸，而GLO 1-E為谷氨酸。Glo 1等位基因是以一種簡單的共顯性方式遺傳的，在所有組織中都有典型的表型表達。Glo 1主要包含3種等位基因酶：GLO 1-1、GLO 1-2和GLO 2-2。所有的等位基因酶相對分子質量均為46 ku(凝膠過濾)或42 ku(序列)，等電點(pI)為4.8～5.1，但它們每一種具有獨特的電荷密度和分子形狀[5]。通過氨基酸序列比對，發(fā)現不同物種間Glo 1具有較高的同源性，這說明Glo 1基因在進化上具有高度的保守性(Tab 1)。

2 在疾病中Glo 1拷貝數變異(copy number variation，CNV)

CNV也稱為拷貝數多態(tài)性，是個體之間基因組序列上>50 bp片段的插入、缺失、重復和復雜多位點的變異[6]。2004年，Redon等[7]對來自歐洲、非洲或亞洲的270名受試者進行檢測，發(fā)現Glo 1基因具有122 kb的CNV，其中具有Glo 1 CNV的人數占總人數的2%。隨后發(fā)現其他靈長類動物中也存在Glo 1 CNV。小鼠Glo 1 CNV在近交系小鼠中發(fā)現，是一段長達475 kb串聯重復序列。Glo 1在人類和小鼠基因組中存在功能性CNV的位點，使Glo 1表達增加2-4倍。

2.1 在癌癥中Glo 1 CNV近期研究表明，人腫瘤細胞系和原發(fā)性腫瘤中發(fā)現了Glo 1 CNV，Glo 1拷貝數增加是癌癥中Glo1表達增加的主要原因之一。對520種人類腫瘤調查發(fā)現，大約有8%的腫瘤中Glo 1基因拷貝數增加，其中最高的是乳腺癌(19%)、小細胞肺癌(16%)和非小細胞肺癌(11%)(Tab 2)[8]。有研究發(fā)現，Glo 1的表達增加與癌癥化學療法中的多重耐藥性(multi-drug resistance，MDR)相關，推測Glo 1基因拷貝數增加可能發(fā)生在腫瘤發(fā)展的早期階段，并且導致Glo 1蛋白表達和活性增加，MG含量減少。在臨床中，在低流行率(6%)的臨床肝癌中發(fā)現Glo 1拷貝數增加，在更高的肝癌患病率(48%)中發(fā)現Glo 1表達增加，而具有Glo 1拷貝數增加的所有肝癌患者均高表達Glo 1[6]。

Tab 1 Comparison of amino acid homology of Glo 1 between species

Tab 2 Glo 1 expression in human cancer and normal tissues

ND represents no change.

2.2 在焦慮癥中Glo 1 CNVWilliams等[9]發(fā)現了實驗室小鼠品系中的Glo 1 CNV，并與小鼠焦慮樣行為相關。Cahan等[10]利用轉基因小鼠進一步探索了Glo1 CNV與焦慮表型的關聯，在Glo1過表達2、4和5倍的模型中，過表達4倍和5倍的小鼠表現出焦慮表型。此外，Glo1 拷貝數增加的BAC Tg小鼠較正常小鼠易出現焦慮樣行為，原因或許與MG過度減少有關。MG是一種內源性γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)受體激動劑，激活突觸GABAA受體，調節(jié)階段抑制信號。Glo1拷貝數增加導致Glo1表達和活性增加，清除MG，從而減少GABAA受體的激動，導致焦慮癥[11]。

3 在疾病中Glo 1單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism，SNP)

SNP是指在基因組水平上，一種常見的單個核苷酸的突變所引起的多態(tài)性變化，主要有單個堿基的轉換或顛換，也可由堿基的插入或缺失造成，Glo 1基因存在多達70個SNP[12]。近年來，針對Glo 1 SNP與各種疾病(如神經系統疾病、癌癥、糖尿病等)的關系越來越受到關注。

3.1 在神經系統疾病中Glo 1 SNPBarua等[13]采用蛋白質組學發(fā)現，Glo 1 rs2736654位點SNP與自閉癥密切相關。AA基因型自閉癥患者類淋巴母細胞中的Glo1活性比CC基因型細胞中Glo1活性明顯降低。進一步研究發(fā)現，該位點C突變?yōu)锳，導致Ala突變?yōu)镚lu，從而改變了Glo 1基因結構與功能，致使Glo 1酶活性降低。Arai等[14]利用精神分裂癥患者和正常人外周血提取DNA，對Glo 1基因進行重測序，發(fā)現2個雜合子框移突變，其中一個框移突變是位于第1個外顯子97核苷酸插入1個腺嘌呤堿基，這一插入突變改變了酶的一級結構；另一個框移突變是位于第4個外顯子365核苷酸刪除了1個胞嘧啶堿基，改變了蛋白質的一級結構。這些框移突變使Glo 1酶表達和酶活性下降了40%～50%。此外，rsl781735和rsl049346也與精神分裂癥易感性相關，連鎖不平衡分析中發(fā)現這兩個位點位于Glo 1啟動子區(qū)域，并且是完全連鎖。rsl781735和rsl049346突變致使Glo 1啟動子活性下降，進而使Glo 1 mRNA以及Glo 1酶表達和活性降低[15]。

3.2 在癌癥中Glo 1 SNP在113名乳腺癌患者和58名健康者中，Germanová等[16]研究發(fā)現，rs2736654位點多態(tài)性與乳腺癌的發(fā)生、發(fā)展具有明顯的相關性。C等位基因增加乳腺癌發(fā)生發(fā)展的風險，C等位基因頻率和CC基因型頻率在乳腺癌患者中較高，在乳腺癌晚期階段的頻率也明顯升高。CC型基因型攜帶者Glo 1表達量和酶活性升高。進一步研究發(fā)現，與雌激素陽性乳腺癌比較，C等位基因在雌激素陰性乳腺癌的頻率更高，以及在雌激素受體陰性的患者中CC基因型頻率更高，Glo 1表達量和酶活性明顯更高。

3.3 在糖尿病中Glo 1 SNPGroener等[17]選取209名1型糖尿病患者和524名2型糖尿病患者，針對Glo 1 rs2736654位點進行基因分型，發(fā)現在1型糖尿病中，AA基因型頻率的患病率明顯較高，但基因型與糖尿病性視網膜病、腎病或神經病變均未發(fā)現相關性。相比之下，CC基因型在2型糖尿病患者中基因型頻率較高，并且與糖尿病神經病變的患病率明顯相關，而與糖尿病腎病或視網膜病變無關，其原因值得深入研究。

4 轉錄因子對Glo 1的調控

Fig 1 Schematic diagram of transcription factor binding site of Glo 1 gene promoter region

在Glo 1基因啟動子區(qū)已經發(fā)現了幾個重要的轉錄因子結合位點，包括抗氧化應答元件(antioxidant response-element，ARE)、胰島素應答元件(insulin-response element，IRE)、金屬應答元件(metal-response element，MRE)、負調節(jié)元件(negative regulatory element，NRE)和糖皮質激素應答元件(glucocorticoid response element，GRE)、特異性蛋白1(specificity protein 1，SP1)、核因子κB(nuclear factor κappa B，NF-κB)、CCAAT增強子結合蛋白(CCAAT-enhancer-binding protein，C/EBP)和激活蛋白1(activator protein 1，AP-1)等[5](Fig 1)。

4.1 在癌癥中轉錄因子對Glo 1的調控ARE位于Glo 1基因第1個外顯子的5’-UTR區(qū)域，當細胞處于氧化應激的狀態(tài)時，核因子紅細胞2相關因子2(nuclear factor erythroid 2 related factor 2，Nrf2)被激活進入細胞核內，與ARE應答元件結合，從而調控Glo 1的轉錄[18]。在癌細胞中Nrf2表達增加，導致Glo 1基因轉錄水平上調。肝癌中Nrf2表達增加的高患病率與生存率降低有明顯相關性，可能也與Glo 1介導的MDR有關。用Nrf2激活劑鼠草酸預處理SH-SY5Y神經母細胞瘤細胞，可減少MG及其衍生物晚期糖基化終末產物(advanced glycation end products，AGEs)形成。同時，鼠尾草酸還誘導了乙二醛酶系中谷胱甘肽(glutathione，GSH)的表達，這可能有利于形成D-乳酸，從而使MG在這些細胞中得以清除[19]。炎癥中激活的NF-κB與Nrf2不同，能下調Glo1的表達。此外，AP-1/2和SP1位點位于Glo1基因最小啟動子區(qū)域(-40～-182 bp)，在癌細胞中兩者缺失可導致啟動子活性的完全喪失。用100 g·L-1的胰島素處理HepG2細胞后，Glo 1基因的啟動子活性上升了2倍，說明胰島素可能通過IRE來調控Glo1的表達。25、75 μmol·L-1ZnCl2處理HepG2細胞48 h后，Glo 1基因的啟動子活性上升了2倍，表明該序列中的MRE對Glo 1的表達具有調節(jié)作用[20]。

5 非編碼RNA對Glo 1的調控

人類基因組計劃揭示人基因組中有30億個堿基對，其中1.5%能夠編碼蛋白質，98.5%是非蛋白質編碼基因，這些基因序列一度被認為是垃圾基因。但隨后的“DNA元件百科全書(encyclopedia of DNA elements，ENCODE)”計劃表明，大約75%的人類基因組能被轉錄成RNAs，其中74%是非蛋白編碼RNA(non-coding RNA，ncRNAs)。目前，ncRNA研究領域主要包含微小RNA(microRNA，miRNA)和長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA，lncRNA)。近年研究證明，ncRNAs在許多生命活動過程中扮演著重要角色[21]。

5.1 癌癥中miRNA對Glo 1的調控miRNA是存在于真核生物及病毒中的一類長約19～25 nt短序列的內源性非編碼RNA，在各物種間具有高度的保守性。miRNAs通過抑制翻譯或降解靶標mRNA，調節(jié)基因的表達來參與調控一系列生命活動，包括細胞增殖、生長發(fā)育、器官形成、造血、凋亡、腫瘤的發(fā)生。在哺乳動物中，大約有50% mRNA的翻譯由miRNA調控[22]。近些年，隨著科學研究的進展，大量的miRNA已經被鑒定出來，截至目前，發(fā)現人的成熟miRNA有2 693條，小鼠的有2 013條，秀麗隱桿線蟲的有267條。研究發(fā)現，miR-137直接靶向Glo 1 3′-UTR。過表達miR-137可以降低黑色素瘤細胞內源性Glo 1 mRNA和蛋白表達，而miR-137抑制劑上調Ma-Mel-79b和Ma-Mel-86b細胞中Glo 1 mRNA的表達，抑制黑色素瘤細胞的增殖，表明Glo 1可能是黑色素瘤的潛在治療靶點[23]。

5.2 阿爾茨海默病中l(wèi)ncRNA對Glo1的調控lncRNA是一類長度大于200 nt的ncRNA，廣泛存在于哺乳動物細胞中。lncRNA生物學功能多樣，主要表現在表觀遺傳學調控、轉錄調控和轉錄后調控3個方面，參與各種疾病發(fā)生、發(fā)展[24]。Zhang等[25]運用lncRNA-seq對快速老化小鼠SAMP8和對照小鼠SAMR1腦lncRNA進行分析，發(fā)現有7條lncRNA調控Glo 1，但其調控機制尚需進一步闡明。

6 總結與展望

MG是含有2個羰基的有毒化合物，隨著糖酵解過程產生，經過乙二醛酶系統代謝為無毒的D-乳酸而排除體外。但在糖酵解異常的病理狀態(tài)下，體內Glo 1表達異常，造成MG積累量異常。MG的累積與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關，包括癌癥、神經系統疾病等。癌細胞為了存活和分裂，利用Warburg效應來產生大量的ATP，導致MG的大量產生，從而需要高速率的乙二醛酶系進行清除[26]。在多種類型的腫瘤中，Glo 1通過CNV或者利用轉錄因子進行表達調控，導致Glo 1表達和活性明顯升高。在人類晶狀體和大腦中，MG積累量隨著年齡的增長而升高，而Glo 1的表達和活性隨著年齡的增長而降低[27]。此外，在阿爾茨海默病的患者腦組織中，Glo 1表達在早期增加，但在晚期減少，MG的積累量也隨之增加[28]。在神經系統疾病中，Glo 1可能通過SNP或者ncRNAs進行調控，導致Glo 1表達和活性降低，其機制尚需進一步的研究。綜上，Glo1在不同疾病中的變化規(guī)律不同，CNV、SNP、轉錄因子和非編碼RNA提示我們，從CNV、SNP、轉錄因子和非編碼RNA等多方面綜合系統研究Glo 1在不同疾病中表達調控的規(guī)律意義重大，通過這些研究可以為相關疾病的診斷和和治療提供潛在的靶點和新思路。