γ-分泌酶基因与疾病表型的相关性研究

李玉玮 高 敏

1 γ-分泌酶基因簇的基因分类、定位、功能与传导通路

γ-分泌酶基因簇由4个亚基组成，分别为早老素(Presenilin，PS)、单过性跨膜蛋白(Nicastrin，NCSTN)、前咽缺陷蛋白1(anterior-pharynx-defective-1，APH-1)和早老素增强子2 (presenilin enhancer-2，PEN-2)。PS可由PS-1或PS-2编码，APH-1可由APH-1A或APH-1B编码，但PS和APH-1亚基的不同亚型只有一个可以存在于一个γ-分泌酶复合体中,故体内至少存在6种不同组成的γ-分泌酶，且各型功能有所不同[1]。4个亚基功能各异，缺一不可，需经过正确的组装、修饰、成熟及转运到相应的位点，才能发挥各自正常的生理学功能。施一公等[2]研究团队为获得活性的γ-分泌酶进行了深入的研究，最终在HEK293细胞系上实现了四个亚基短暂的共表达，得到了分辨率达0.45 nm的γ-分泌酶复合体的三维结构，复合体包括一个含19个跨膜片段的马蹄形的跨膜结构域，还有一个来自于NCSTN的大的细胞外结构域(ECD)。γ-分泌酶基因簇的基因分类、定位、功能与传导通路见表1。

2 γ-分泌酶基因与疾病的相关性

研究发现，γ-分泌酶基因通过影响Notch信号传导通路，影响基因的转录与表达，参与多种疾病的发生。下文综述了γ-分泌酶与化脓性汗腺炎、阿尔茨海默病、肿瘤、心肌病及痴呆5种疾病的相关性。

2.1 γ-分泌酶基因与化脓性汗腺炎 化脓性汗腺炎(HS),又名逆向性痤疮(AI)，好发于顶泌汗腺分布部位，以反复发生皮肤脓肿、窦道及瘢痕形成为特征。随后，有学者进行了HS表型的研究，发现NCSTN缺陷小鼠表现出滤泡和囊性角化过度，特别是在皮肤的皮脂腺区域[10]。揭示了γ-分泌酶辅因子亚基NCSTN基因的突变可能导致家族性HS的发生，其在家族性HS中可能主要通过Notch和PI3K-AKT信号转导途径影响角质形成细胞的增殖和分化。NCSTN潜在抗增殖和促分化谱可能主要是由于其在人角质形成细胞中对Notch途径的活化和PI3K-AKT通路的抑制的结果[11]。2010年，王宝玺等[12]教授及其研究团队经过长达6年的研究，对6个中国汉族家系的 HS 患者进行全基因扫描和连锁分析，发现编码γ-分泌酶基因簇不同亚基的基因突变导致 HS 的发生。在6个家系中，1个家系出现了编码PS-1的PSEN-1基因的移码突变(14q4.3)，2个家系出现了编码Pen-2的PSENEN基因的移码突变(19q13.1)，3个家系分别出现了编码Nicastrin的NCSTN基因的无义、移码和剪接突变(1q22-1q23)。该研究最终将本病的致病基因确定为γ-分泌酶基因簇的组成亚基： PS-1、PEN-2、NCSTN。

目前有研究报道具有γ-分泌酶突变的HS患者中有转化到鳞状细胞癌(SCC)的病例，表明Notch信号传导的缺陷可能与皮肤SCC相关[13]。也有研究表明，γ-分泌酶单独的杂合突变不能导致疾病，HS的异常和特征性皮肤分布可能与其他因素有关，例如温度、汗液、摩擦、顶泌汗腺和微生物在疾病发病机制中的作用，潜在地解释了为什么整个皮肤表面不受影响。这些因素可以降低酶活性至低于正常滤泡功能所需的临界阈值，从而导致顶泌汗腺部位反复发生的皮肤脓肿、窦道及瘢痕[14,15]。

表1 γ-分泌酶基因簇的基因分类、定位、功能与传导通路

2.2 γ-分泌酶基因与阿尔茨海默病 阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是一种神经退行性疾病，能够导致患者脑内神经元凋亡、认知和记忆衰退及逐渐失去独立生活能力，并使患者最终死于脑功能严重受损。AD的发生和大脑中淀粉样斑块的形成密切相关，其主要病理标志是脑内神经元缺失、淀粉样斑块沉积及有毒的淀粉样蛋白纤维的形成。研究发现，淀粉样斑块是由γ-分泌酶异常切割淀粉样蛋白前体蛋白 (amyloidprecursor protein ,APP)产生的过量的β-淀粉样蛋白肽(Aβ)聚集所致[10]。PS的突变是家族性阿尔茨海默病(Family Alzheimer’s disease, FAD)所靶向的唯一的γ-分泌酶亚基，编码该基因的PS-1和PS-2基因中的错义突变，导致APP的缺陷切割以及淀粉样斑块的形成。与家族性HS不同，PS-1基因突变在FAD中几乎全部为错义突变，因此有学者指出，PS-1、NCSTN和PEN-2基因突变所导致的单倍剂量不足引起了HS的发病，而PS-1 和PS-2基因错义突变导致蛋白功能丧失可能通过显性负性机制引起阿尔茨海默病的发生[16]。虽然没有统计学意义，但研究发现在HS患者中AD的发病率和危险率略有增加。γ-分泌酶的其它亚基中的突变不增加阿尔茨海默病发生的风险[17]。γ-分泌酶与Aβ的产生密切相关，阻止或者延迟Aβ的产生将有望从根本上治疗AD，近年来人们将注意力转移到研究γ-分泌酶抑制剂的研发上，通过抑制γ-分泌酶改变Aβ的产生而不影响Notch蛋白水解和信号转导的化合物，已经被鉴定并且目前处于药物开发阶段，为AD 预防和治疗提供了新的有效途径[18]。

2.3 γ-分泌酶基因与肿瘤 γ-分泌酶基因通过影响Notch信号通路，参与肿瘤的发生。有研究发现，Notch1蛋白的过表达与多种肿瘤的发生发展有密切的关系，Notch缺陷会导致严重的胚胎发育缺陷、影响成年人的中枢神经系统轴突重塑性和免疫系统细胞增殖等[19]。Notch1的功能是癌基因还是抑癌基因取决于肿瘤发生部位的不同，它在皮肤癌和非小细胞型肺癌中起抑癌基因作用，而在其他许多肿瘤中起癌基因作用，如：肾癌、胰腺癌、乳腺癌和前列腺癌等。γ-分泌酶作为Notch 活化过程中的一种必需水解酶，参与Notch的切割，能够促进其释放Notch胞内结构域(NICD)，并涉及生命的关键信号传导过程。杜潇等研究者从细胞水平验证了应用γ-分泌酶抑制剂DAPT阻断Notch信号通路可通过促进细胞凋亡而抑制胰腺癌细胞的增殖[20]。Carmen等人将γ-分泌酶应用于神经母细胞瘤的研究，结果显示人类神经母细胞瘤细胞与Notch信号传导相关[21]。也有研究发现，卵巢癌中 Notch1 信号蛋白有异常表达，卵巢癌细胞系中γ-分泌酶的酶活性显著高于正常卵巢上皮细胞系，且在卵巢癌变化过程中表达逐渐增高，可能与早期癌变的启动有关。研究者在乳腺癌患者中鉴定出两种PS-2突变，表明γ-分泌酶在乳腺癌中起重要作用[22,23]。 近年来，γ-分泌酶抑制剂的研发渐热，研究已证实γ-分泌酶抑制剂阻断癌细胞中的Notch信号后，对许多癌细胞的生长具有抑制作用，利用γ-分泌酶抑制剂调节Notch信号途径，从而为调节神经发育和肿瘤的相关治疗提供有效途径[24]。

2.4 γ-分泌酶基因与心肌病 心肌病(cardiomyopathy)是一种原因不明的心肌疾病,可分为三种：扩张型性心肌病，肥厚型心肌病和限制性心肌病。有研究表明，缺乏PS-1的小鼠表现出心脏畸形，包括室间隔缺损、右心室双出口和肺动脉狭窄，揭示了PS-1在心脏形态形成中发挥着重要的作用[25]。Notch蛋白家族是调节心脏生长和发育的相关基因的转录水平。γ-分泌酶参与Notch受体的切割，影响Notch通路的传导。Notch信号传导的紊乱与瓣膜异常、心血管疾病、先天性心脏病和肌细胞功能障碍有关。有研究表明，在扩张性患者中鉴定出PS-1基因突变，揭示了γ-分泌酶可能是心肌病的发生的原因之一。也有研究者发现，PS-1敲除的小鼠显示心脏形态的改变，而PS-2敲除的小鼠正常生长，没有心脏肥大和纤维化，而且显示心脏收缩力的改善[26]。

2.5 γ-分泌酶基因与痴呆 路易体痴呆(Dementia with Lewy body，DLB)是以波动性认知障碍、视幻觉和帕金森综合征为临床特点，以路易小体为病理特征的神经变性病。路易体是指蛋白质的异常聚集。2008年，研究者在具有DLB的临床表型的先证者中发现PS-2的错义突变，在患者家系中检测到6个携带者。除了仍然无症状的年轻家庭成员外，所有突变携带者发展为AD或DLB，或两者皆有[27]。额颞痴呆(Frontotemporal dementia，FTD)是额颞叶变性的临床表型，是AD后的早发性神经退行性疾病的第二大常见形式。其主要特征是行为、性格和语言能力的恶化。目前，在FTD患者中发现了至少四种PS-2突变。2010年，研究者在一例31岁的患者中发现了PS-2 R62H。患者的健康母亲也携带这种突变[28]。这几项研究，揭示了γ-分泌酶基因组成亚基PS的突变可能与路易体痴呆和额颞痴呆的发生发展有关。

3 研究展望及小结

综上所述，γ-分泌酶是体内重要的膜内切割蛋白酶，它切割多种I 型跨膜蛋白，切割产物与HS、AD发病、触发Notch信号转导级联反应等密切相关。γ-分泌酶及相关调控通路已成为目前研究的热点问题，且研究已经取得了一定的进展。相信随着研究的逐渐深入，γ-分泌酶的结构、功能、调控通路及关键作用靶点等会逐渐阐明，这将为利用γ-分泌酶作为相关疾病治疗和预防的新靶点提供理论依据和有效途径。

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