APE1在糖尿病心肌病中的研究進(jìn)展

林文敏，吳鏗，2 綜述 梁偉鈞，2 審校

1.廣東醫(yī)科大學(xué)，廣東 湛江 524000；

2.廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科，廣東 湛江 524000

糖尿病(diabetes mellitus，DM)是心血管疾病的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)是長(zhǎng)期高血糖、胰島素抵抗導(dǎo)致心肌細(xì)胞功能失調(diào)進(jìn)而導(dǎo)致心肌結(jié)構(gòu)和功能改變，同時(shí)排除血脂異常、高血壓、冠狀動(dòng)脈疾病、原發(fā)性心肌病等疾病的代謝性心臟病[1]。目前研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病心肌病病理表現(xiàn)主要為心肌細(xì)胞肥大、凋亡、微血管病變及心肌間纖維化并最終發(fā)展至心力衰竭[2]，發(fā)病機(jī)制包括炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、纖維化與膠原沉積、鈣穩(wěn)態(tài)失衡、心肌胰島素信號(hào)改變等[3]。糖尿病心肌病病理生理及發(fā)病機(jī)制目前尚不明了，尚無(wú)有效的針對(duì)性診斷及治療措施。

脫嘌呤/脫嘧啶核酸內(nèi)切酶(apurinic/aprimidinic endonuclease1，APE1)是一種DNA 堿基切除修復(fù)途徑的限速酶[3]，也被稱為氧化還原效應(yīng)因子1 (redox factor 1，Ref-1)，同時(shí)具有氧化還原與DNA 修復(fù)兩種功能。許多研究已證實(shí)APE1 可激活多種蛋白、細(xì)胞因子及信息傳導(dǎo)通路，參與細(xì)胞凋亡、炎癥、血管生成等過程，提示其在糖尿病心肌病心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞損傷過程中可能存在重要作用。目前已有許多研究證實(shí)APE1在肺癌、乳腺癌、腸癌等腫瘤的發(fā)生發(fā)展中有重要作用[5-7]，但其在心血管疾病中的作用尚缺乏研究基礎(chǔ)，本課題組的前期研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病心肌病患者血清APE1 的表達(dá)增加而功能下調(diào)，介導(dǎo)了氧化應(yīng)激、DNA 損傷及細(xì)胞功能障礙，進(jìn)一步表明APE1 與糖尿病心肌病緊密關(guān)聯(lián)[8]。本文主要從APE1的結(jié)構(gòu)及功能、APE1與糖尿病心肌病的關(guān)系以及過表達(dá)APE1對(duì)糖尿病心肌病的影響這幾方面做一綜述。希望能為糖尿病心肌病發(fā)病機(jī)制的研究及糖尿病心肌病的診治提供一些見解。

1 APE1的結(jié)構(gòu)

APE1/Ref-1又稱為APEX1，為一種具有多功能酶活性的核蛋白，是大腸桿菌Xth 的哺乳動(dòng)物直系同源物(核酸外切酶Ⅲ)，主要位于細(xì)胞核中，也可能存在于線粒體或細(xì)胞質(zhì)的其他地方。人APE1/Ref-1 基因位于14號(hào)染色體長(zhǎng)臂，包含4個(gè)內(nèi)含子和5 個(gè)外顯子，APEX1蛋白主要由自由卷曲及α-螺旋結(jié)構(gòu)組成[9]，含有318個(gè)氨基酸殘基，可劃分為兩個(gè)互不影響的結(jié)構(gòu)域，分別為發(fā)揮氧化還原調(diào)節(jié)活性的N-末端結(jié)構(gòu)域和發(fā)揮核酸內(nèi)切酶功能在脫堿基部位切除無(wú)堿基(AP)位點(diǎn)的C-末端結(jié)構(gòu)域[10-11]。

2 APE1的功能

APE1 是主要的脫嘌呤/脫嘧啶(AP)核酸內(nèi)切酶，在包括單鏈斷裂、烷基化、氧化及無(wú)堿基位點(diǎn)在內(nèi)的所有DNA損傷的DNA堿基切除修復(fù)途徑中起著核心作用，它還具有共轉(zhuǎn)錄活性，多種轉(zhuǎn)錄因子與DNA 的結(jié)合活性受其調(diào)控，如NF-κB、p53和HIF1a等，同時(shí)，它還可通過抑制活性氧(ROS)的產(chǎn)生來控制細(xì)胞內(nèi)的氧化還原狀態(tài)，作為許多轉(zhuǎn)錄因子的氧化還原激活劑，參與細(xì)胞凋亡、氧化應(yīng)激、轉(zhuǎn)移等過程，近年來研究還發(fā)現(xiàn)APE1在RNA代謝中新的功能[12]。

2.1 DNA損傷修復(fù) DNA損傷是對(duì)活細(xì)胞基因組完整性的主要威脅，DNA損傷的修復(fù)主要有堿基切除修復(fù)、核苷酸切除修復(fù)和錯(cuò)配修復(fù)3 條通路。其中氧化性DNA 損傷主要通過堿基切除修復(fù)(base excision repair，BER)途徑清除[13]。BER途徑主要用5種酶來進(jìn)行修復(fù)DNA，包括DNA 糖基化酶、AP 核酸內(nèi)切酶(Ape1/ref-1)、DNA 聚合酶β (polβ)、DNA 連接酶Ⅲ和X射線修復(fù)交叉互補(bǔ)蛋白1(XRCC1)。糖基化酶通過切割靶堿基和脫氧核糖之間的N-糖基鍵來去除受損的堿基，從而留下完整的脫嘌呤/脫嘧啶(apurinic/apyrinidinic，AP)位點(diǎn)，AP 核酸內(nèi)切酶切割DNA 中無(wú)堿基的位點(diǎn)-AP 位點(diǎn)，在AP 位點(diǎn)的DNA 5'中產(chǎn)生一個(gè)切口，將磷酸二酯鍵5'切割到AP位點(diǎn)，從而形成3'-羥基和5'-脫氧核糖磷酸(dRP)末端。5'-dRP被聚合酶β(polβ)裂解酶結(jié)構(gòu)域去除，polβ的核苷酸轉(zhuǎn)移酶活性將新的核苷酸插入到缺口中。最后在支架蛋白X 射線修復(fù)交叉互補(bǔ)蛋白1(XRCC1)的協(xié)助下，連接酶Ⅲ密封切口并生成修復(fù)的BER產(chǎn)物[14]。AP位點(diǎn)是常見的具有細(xì)胞毒性和誘變潛力的DNA損傷，是BER必然的中間產(chǎn)物，據(jù)估計(jì)，在人類中，每天在一個(gè)細(xì)胞中形成多達(dá)10 000個(gè)無(wú)堿基位點(diǎn)[14]。而APE1/Ref-1是BER途徑的主要限速酶，Ape1 介導(dǎo)的修復(fù)不足時(shí)，無(wú)堿基的損傷DNA 不斷累積，促進(jìn)了細(xì)胞凋亡[16]，表明了APE1 在DNA損傷修復(fù)中不可或缺的作用。

2.2 氧化應(yīng)激 氧化應(yīng)激是一個(gè)高度規(guī)整及復(fù)雜的生物過程，ROS是細(xì)胞代謝正常線粒體活性的副產(chǎn)物，是重要的信號(hào)分子，產(chǎn)生ROS 的代謝過程對(duì)細(xì)胞至關(guān)重要，而當(dāng)糖尿病或者高血糖使細(xì)胞的氧化及抗氧化平衡遭到破壞，導(dǎo)致大量氧化產(chǎn)物如活性氧(ROS)的堆積，可激活介導(dǎo)細(xì)胞代謝紊亂及細(xì)胞死亡的炎癥因子如NLRP3[17]，同時(shí)ROS 堆積可引起核酸、蛋白質(zhì)、脂肪酸和糖類等過氧化，誘導(dǎo)生成許多有害的氧化產(chǎn)物[(如8-羥基-脫氧鳥苷(8-OHdG)、蛋白質(zhì)羰基化產(chǎn)物及丙二醛等]，超過細(xì)胞內(nèi)在的抗氧化能力，從而產(chǎn)生氧化應(yīng)激，最終造成機(jī)體各類細(xì)胞和器官的氧化損傷。APE1/Ref-1 可以刺激多種氧化還原因子的DNA活性(包括p53、NF-κB、HIF-1α等)及抑制活性氧的產(chǎn)生，從而控制細(xì)胞內(nèi)的氧化還原狀態(tài)[18]。在調(diào)控氧化還原反應(yīng)方面，p53是重要的抑癌基因之一，在包括肝細(xì)胞癌在內(nèi)的約50%的人類癌癥類型中發(fā)生了突變，而APE1 是調(diào)節(jié)p53 DNA 結(jié)合活性的有效激活劑，可將非活性p53 轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚詐53，CUN 等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在肝癌細(xì)胞中APE1/Ref-1不僅可以作為體外和體內(nèi)結(jié)合野生型p53DNA 的有效激活劑，還可以以氧化還原依賴性方式刺激突變型p53 DNA 結(jié)合，表明了p53 和APE1 可能是肝癌的潛在分子治療靶點(diǎn)。除此之外，APE1 的氧化還原活性還可刺激包括NF-κB 和其他一些參與炎癥和免疫反應(yīng)的因子的DNA 結(jié)合活性。在基因表達(dá)中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用，F(xiàn)ROSSI等[20]發(fā)現(xiàn)，APE1 通過其氧化還原調(diào)節(jié)活性，在白介素6 信號(hào)傳導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)類別轉(zhuǎn)換重組(CSR)過程及IgA 的正確表達(dá)中發(fā)揮作用，揭示了APE1 通過調(diào)節(jié)IgA CSR 過程控制癌癥生長(zhǎng)中的氧化還原功能。在抑制ROS 方面，翁杰等[21]發(fā)現(xiàn)，上調(diào)APE1表達(dá)可增加細(xì)胞增殖活性，并抑制活性氧的產(chǎn)生，從而減輕過氧化氫介導(dǎo)的大鼠微血管內(nèi)皮細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)的作用。而WON等[22]研究發(fā)現(xiàn)，咪康唑通過抑制APE/Ref-1表達(dá)從而促進(jìn)ROS的產(chǎn)生誘導(dǎo)心臟毒性。糖尿病心肌病發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，包括糖脂代謝異常、細(xì)胞凋亡、微血管病變及氧化應(yīng)激等，其中氧化應(yīng)激在其中占有重要地位。

3 APE1與糖尿病心肌病的關(guān)系

研究已證實(shí)，糖尿病心肌病是一種糖尿病慢性病程導(dǎo)致非缺血性心臟供血不足從而引起的代謝性心肌病，在糖尿病疾病狀態(tài)下，心肌細(xì)胞通過脂質(zhì)過氧化、葡萄糖自身氧化和非酶促蛋白糖基化等多種途徑產(chǎn)生大量活性氧(reactive oxygen species，ROS)[23]，可直接或間接導(dǎo)致心肌細(xì)胞產(chǎn)生氧化應(yīng)激及DNA 氧化損傷，從而導(dǎo)致心肌細(xì)胞肥大、炎癥、凋亡、壞死、纖維化等[24-25]。DNA氧化損傷主要通過堿基切除修復(fù)途徑(base-excision repair，BER)修復(fù)，以保證DNA 的穩(wěn)定性，其中APE1 是BER 的關(guān)鍵限速酶，同時(shí)也具有氧化還原、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子、抑制活性氧產(chǎn)生等功能[26]。多種氧化性物質(zhì)可以在短時(shí)間內(nèi)上調(diào)APE1 蛋白水平，使細(xì)胞氧化還原活性及AP 核酸內(nèi)切酶活性增強(qiáng)，同時(shí)增強(qiáng)了對(duì)氧化應(yīng)激和DNA 損傷物質(zhì)的抵抗性。在許多癌癥類型中，高APE1/Ref-1表達(dá)與較短的患者生存時(shí)間相關(guān)，DI等[27]發(fā)現(xiàn)在肝癌細(xì)胞中，APE-1/Ref-1過表達(dá)從而加速癌細(xì)胞生長(zhǎng)，并抑制BAX 激活和凋亡，導(dǎo)致病情進(jìn)展；FISHEL 等[28]發(fā)現(xiàn)與良性尿路上皮相比，膀胱癌中APE-1/Ref-1 表達(dá)較高，而APE1/Ref-1 特異性抑制劑抑制APE1/Ref-1 氧化還原信號(hào)，導(dǎo)致癌細(xì)胞凋亡的增加和NF-κB 和STAT3 (已知受APE1/Ref-1調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄因子)的轉(zhuǎn)錄活性降低，證實(shí)了APE1/Ref-1在膀胱癌生長(zhǎng)中的關(guān)鍵。APE1在各種癌癥中的作用及作用機(jī)制得到了廣泛而深入的研究，然而其在糖尿病心肌病中的作用及機(jī)制仍不完善。張?zhí)m等[29]發(fā)現(xiàn)糖尿病大鼠心肌組織內(nèi)APE1的表達(dá)增加不足以修復(fù)高血糖引起的DNA損傷，引起心臟功能的損傷。而JIE 等[30]用表達(dá)APE1 的慢病毒轉(zhuǎn)染誘導(dǎo)的APE1過表達(dá)在經(jīng)H/R處理的H9C2細(xì)胞中顯著提高了細(xì)胞活力，降低了LDH的釋放，減少了細(xì)胞凋亡并降低了Caspase-3 活性從而減輕了H/R 誘導(dǎo)的H9c2細(xì)胞損傷。根據(jù)課題組的前期研究，糖尿病心肌病中表達(dá)功能缺失的APE1，進(jìn)一步介導(dǎo)了心肌細(xì)胞損傷及凋亡[30]，因此，過表達(dá)功能正常的APE1可能對(duì)糖尿病心肌病具有保護(hù)、修復(fù)作用，其具體的機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。

4 展望

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019 年全世界有將近10 億人患有糖尿病，預(yù)計(jì)該數(shù)字將在2030 年增加25%，在2045 年增加51%[31]，而 糖 尿 病 心 肌 病(diabetic cardiomyopathy，DCM)是全球糖尿病人群發(fā)病和死亡的主要原因[32-33]。近年來國(guó)內(nèi)外有大量研究去探索糖尿病心肌病的發(fā)病機(jī)制及結(jié)構(gòu)和功能的改變。同時(shí)也有大量的研究去探索APE1的功能，尤其是在腫瘤領(lǐng)域，已有大量的研究證實(shí)APE1 與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。然而，目前關(guān)于APE1在糖尿病心肌病中作用尚缺乏充分的研究基礎(chǔ)。本文通過綜述國(guó)內(nèi)外研究的新進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)糖尿病心肌病中APE1功能缺失從而進(jìn)一步加重心肌細(xì)胞損傷及凋亡，而功能正常的APE1 對(duì)心肌細(xì)胞具有一定的保護(hù)作用。因此我們?cè)O(shè)想過表達(dá)功能正常APE1 的心肌細(xì)胞可修復(fù)高糖損傷心肌細(xì)胞，為糖尿病心肌病治療提供重要的研究方向。