APE1在糖尿病心肌病中的研究進展

林文敏，吳鏗，2 綜述 梁偉鈞，2 審校

1.廣東醫科大學，廣東 湛江 524000；

2.廣東醫科大學附屬醫院心血管內科，廣東 湛江 524000

糖尿病(diabetes mellitus，DM)是心血管疾病的獨立危險因素，糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)是長期高血糖、胰島素抵抗導致心肌細胞功能失調進而導致心肌結構和功能改變，同時排除血脂異常、高血壓、冠狀動脈疾病、原發性心肌病等疾病的代謝性心臟病[1]。目前研究發現，糖尿病心肌病病理表現主要為心肌細胞肥大、凋亡、微血管病變及心肌間纖維化并最終發展至心力衰竭[2]，發病機制包括炎癥反應、氧化應激、纖維化與膠原沉積、鈣穩態失衡、心肌胰島素信號改變等[3]。糖尿病心肌病病理生理及發病機制目前尚不明了，尚無有效的針對性診斷及治療措施。

脫嘌呤/脫嘧啶核酸內切酶(apurinic/aprimidinic endonuclease1，APE1)是一種DNA 堿基切除修復途徑的限速酶[3]，也被稱為氧化還原效應因子1 (redox factor 1，Ref-1)，同時具有氧化還原與DNA 修復兩種功能。許多研究已證實APE1 可激活多種蛋白、細胞因子及信息傳導通路，參與細胞凋亡、炎癥、血管生成等過程，提示其在糖尿病心肌病心肌細胞氧化應激、炎癥反應、細胞損傷過程中可能存在重要作用。目前已有許多研究證實APE1在肺癌、乳腺癌、腸癌等腫瘤的發生發展中有重要作用[5-7]，但其在心血管疾病中的作用尚缺乏研究基礎，本課題組的前期研究發現，糖尿病心肌病患者血清APE1 的表達增加而功能下調，介導了氧化應激、DNA 損傷及細胞功能障礙，進一步表明APE1 與糖尿病心肌病緊密關聯[8]。本文主要從APE1的結構及功能、APE1與糖尿病心肌病的關系以及過表達APE1對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病機制的研究及糖尿病心肌病的診治提供一些見解。

1 APE1的結構

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 的哺乳動物直系同源物(核酸外切酶Ⅲ)，主要位于細胞核中，也可能存在于線粒體或細胞質的其他地方。人APE1/Ref-1 基因位于14號染色體長臂，包含4個內含子和5 個外顯子，APEX1蛋白主要由自由卷曲及α-螺旋結構組成[9]，含有318個氨基酸殘基，可劃分為兩個互不影響的結構域，分別為發揮氧化還原調節活性的N-末端結構域和發揮核酸內切酶功能在脫堿基部位切除無堿基(AP)位點的C-末端結構域[10-11]。

2 APE1的功能

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

2.1 DNA損傷修復 DNA損傷是對活細胞基因組完整性的主要威脅，DNA損傷的修復主要有堿基切除修復、核苷酸切除修復和錯配修復3 條通路。其中氧化性DNA 損傷主要通過堿基切除修復(base excision repair，BER)途徑清除[13]。BER途徑主要用5種酶來進行修復DNA，包括DNA 糖基化酶、AP 核酸內切酶(Ape1/ref-1)、DNA 聚合酶β (polβ)、DNA 連接酶Ⅲ和X射線修復交叉互補蛋白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，AP 核酸內切酶切割DNA 中無堿基的位點-AP 位點，在AP 位點的DNA 5'中產生一個切口，將磷酸二酯鍵5'切割到AP位點，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)裂解酶結構域去除，polβ的核苷酸轉移酶活性將新的核苷酸插入到缺口中。最后在支架蛋白X 射線修復交叉互補蛋白1(XRCC1)的協助下，連接酶Ⅲ密封切口并生成修復的BER產物[14]。AP位點是常見的具有細胞毒性和誘變潛力的DNA損傷，是BER必然的中間產物，據估計，在人類中，每天在一個細胞中形成多達10 000個無堿基位點[14]。而APE1/Ref-1是BER途徑的主要限速酶，Ape1 介導的修復不足時，無堿基的損傷DNA 不斷累積，促進了細胞凋亡[16]，表明了APE1 在DNA損傷修復中不可或缺的作用。

2.2 氧化應激 氧化應激是一個高度規整及復雜的生物過程，ROS是細胞代謝正常線粒體活性的副產物，是重要的信號分子，產生ROS 的代謝過程對細胞至關重要，而當糖尿病或者高血糖使細胞的氧化及抗氧化平衡遭到破壞，導致大量氧化產物如活性氧(ROS)的堆積，可激活介導細胞代謝紊亂及細胞死亡的炎癥因子如NLRP3[17]，同時ROS 堆積可引起核酸、蛋白質、脂肪酸和糖類等過氧化，誘導生成許多有害的氧化產物[(如8-羥基-脫氧鳥苷(8-OHdG)、蛋白質羰基化產物及丙二醛等]，超過細胞內在的抗氧化能力，從而產生氧化應激，最終造成機體各類細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)及抑制活性氧的產生，從而控制細胞內的氧化還原狀態[18]。在調控氧化還原反應方面，p53是重要的抑癌基因之一，在包括肝細胞癌在內的約50%的人類癌癥類型中發生了突變，而APE1 是調節p53 DNA 結合活性的有效激活劑，可將非活性p53 轉變為活性p53，CUN 等[19]研究發現，在肝癌細胞中APE1/Ref-1不僅可以作為體外和體內結合野生型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 結合，表明了p53 和APE1 可能是肝癌的潛在分子治療靶點。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的因子的DNA 結合活性。在基因表達中發揮重要調節作用，FROSSI等[20]發現，APE1 通過其氧化還原調節活性，在白介素6 信號傳導途徑調節類別轉換重組(CSR)過程及IgA 的正確表達中發揮作用，揭示了APE1 通過調節IgA CSR 過程控制癌癥生長中的氧化還原功能。在抑制ROS 方面，翁杰等[21]發現，上調APE1表達可增加細胞增殖活性，并抑制活性氧的產生，從而減輕過氧化氫介導的大鼠微血管內皮細胞氧化應激反應的作用。而WON等[22]研究發現，咪康唑通過抑制APE/Ref-1表達從而促進ROS的產生誘導心臟毒性。糖尿病心肌病發病機制復雜，包括糖脂代謝異常、細胞凋亡、微血管病變及氧化應激等，其中氧化應激在其中占有重要地位。

3 APE1與糖尿病心肌病的關系

研究已證實，糖尿病心肌病是一種糖尿病慢性病程導致非缺血性心臟供血不足從而引起的代謝性心肌病，在糖尿病疾病狀態下，心肌細胞通過脂質過氧化、葡萄糖自身氧化和非酶促蛋白糖基化等多種途徑產生大量活性氧(reactive oxygen species，ROS)[23]，可直接或間接導致心肌細胞產生氧化應激及DNA 氧化損傷，從而導致心肌細胞肥大、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途徑(base-excision repair，BER)修復，以保證DNA 的穩定性，其中APE1 是BER 的關鍵限速酶，同時也具有氧化還原、調節轉錄因子、抑制活性氧產生等功能[26]。多種氧化性物質可以在短時間內上調APE1 蛋白水平，使細胞氧化還原活性及AP 核酸內切酶活性增強，同時增強了對氧化應激和DNA 損傷物質的抵抗性。在許多癌癥類型中，高APE1/Ref-1表達與較短的患者生存時間相關，DI等[27]發現在肝癌細胞中，APE-1/Ref-1過表達從而加速癌細胞生長，并抑制BAX 激活和凋亡，導致病情進展；FISHEL 等[28]發現與良性尿路上皮相比，膀胱癌中APE-1/Ref-1 表達較高，而APE1/Ref-1 特異性抑制劑抑制APE1/Ref-1 氧化還原信號，導致癌細胞凋亡的增加和NF-κB 和STAT3 (已知受APE1/Ref-1調節的轉錄因子)的轉錄活性降低，證實了APE1/Ref-1在膀胱癌生長中的關鍵。APE1在各種癌癥中的作用及作用機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制仍不完善。張蘭等[29]發現糖尿病大鼠心肌組織內APE1的表達增加不足以修復高血糖引起的DNA損傷，引起心臟功能的損傷。而JIE 等[30]用表達APE1 的慢病毒轉染誘導的APE1過表達在經H/R處理的H9C2細胞中顯著提高了細胞活力，降低了LDH的釋放，減少了細胞凋亡并降低了Caspase-3 活性從而減輕了H/R 誘導的H9c2細胞損傷。根據課題組的前期研究，糖尿病心肌病中表達功能缺失的APE1，進一步介導了心肌細胞損傷及凋亡[30]，因此，過表達功能正常的APE1可能對糖尿病心肌病具有保護、修復作用，其具體的機制仍有待進一步研究。

4 展望

據統計，2019 年全世界有將近10 億人患有糖尿病，預計該數字將在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病和死亡的主要原因[32-33]。近年來國內外有大量研究去探索糖尿病心肌病的發病機制及結構和功能的改變。同時也有大量的研究去探索APE1的功能，尤其是在腫瘤領域，已有大量的研究證實APE1 與腫瘤的發生發展密切相關。然而，目前關于APE1在糖尿病心肌病中作用尚缺乏充分的研究基礎。本文通過綜述國內外研究的新進展，發現糖尿病心肌病中APE1功能缺失從而進一步加重心肌細胞損傷及凋亡，而功能正常的APE1 對心肌細胞具有一定的保護作用。因此我們設想過表達功能正常APE1 的心肌細胞可修復高糖損傷心肌細胞，為糖尿病心肌病治療提供重要的研究方向。