APE1在糖尿病心肌病中的研究进展

林文敏，吴铿，2 综述 梁伟钧，2 审校

1.广东医科大学，广东 湛江 524000；

2.广东医科大学附属医院心血管内科，广东 湛江 524000

糖尿病(diabetes mellitus，DM)是心血管疾病的独立危险因素，糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)是长期高血糖、胰岛素抵抗导致心肌细胞功能失调进而导致心肌结构和功能改变，同时排除血脂异常、高血压、冠状动脉疾病、原发性心肌病等疾病的代谢性心脏病[1]。目前研究发现，糖尿病心肌病病理表现主要为心肌细胞肥大、凋亡、微血管病变及心肌间纤维化并最终发展至心力衰竭[2]，发病机制包括炎症反应、氧化应激、纤维化与胶原沉积、钙稳态失衡、心肌胰岛素信号改变等[3]。糖尿病心肌病病理生理及发病机制目前尚不明了，尚无有效的针对性诊断及治疗措施。

脱嘌呤/脱嘧啶核酸内切酶(apurinic/aprimidinic endonuclease1，APE1)是一种DNA 碱基切除修复途径的限速酶[3]，也被称为氧化还原效应因子1 (redox factor 1，Ref-1)，同时具有氧化还原与DNA 修复两种功能。许多研究已证实APE1 可激活多种蛋白、细胞因子及信息传导通路，参与细胞凋亡、炎症、血管生成等过程，提示其在糖尿病心肌病心肌细胞氧化应激、炎症反应、细胞损伤过程中可能存在重要作用。目前已有许多研究证实APE1在肺癌、乳腺癌、肠癌等肿瘤的发生发展中有重要作用[5-7]，但其在心血管疾病中的作用尚缺乏研究基础，本课题组的前期研究发现，糖尿病心肌病患者血清APE1 的表达增加而功能下调，介导了氧化应激、DNA 损伤及细胞功能障碍，进一步表明APE1 与糖尿病心肌病紧密关联[8]。本文主要从APE1的结构及功能、APE1与糖尿病心肌病的关系以及过表达APE1对糖尿病心肌病的影响这几方面做一综述。希望能为糖尿病心肌病发病机制的研究及糖尿病心肌病的诊治提供一些见解。

1 APE1的结构

APE1/Ref-1又称为APEX1，为一种具有多功能酶活性的核蛋白，是大肠杆菌Xth 的哺乳动物直系同源物(核酸外切酶Ⅲ)，主要位于细胞核中，也可能存在于线粒体或细胞质的其他地方。人APE1/Ref-1 基因位于14号染色体长臂，包含4个内含子和5 个外显子，APEX1蛋白主要由自由卷曲及α-螺旋结构组成[9]，含有318个氨基酸残基，可划分为两个互不影响的结构域，分别为发挥氧化还原调节活性的N-末端结构域和发挥核酸内切酶功能在脱碱基部位切除无碱基(AP)位点的C-末端结构域[10-11]。

2 APE1的功能

APE1 是主要的脱嘌呤/脱嘧啶(AP)核酸内切酶，在包括单链断裂、烷基化、氧化及无碱基位点在内的所有DNA损伤的DNA碱基切除修复途径中起着核心作用，它还具有共转录活性，多种转录因子与DNA 的结合活性受其调控，如NF-κB、p53和HIF1a等，同时，它还可通过抑制活性氧(ROS)的产生来控制细胞内的氧化还原状态，作为许多转录因子的氧化还原激活剂，参与细胞凋亡、氧化应激、转移等过程，近年来研究还发现APE1在RNA代谢中新的功能[12]。

2.1 DNA损伤修复 DNA损伤是对活细胞基因组完整性的主要威胁，DNA损伤的修复主要有碱基切除修复、核苷酸切除修复和错配修复3 条通路。其中氧化性DNA 损伤主要通过碱基切除修复(base excision repair，BER)途径清除[13]。BER途径主要用5种酶来进行修复DNA，包括DNA 糖基化酶、AP 核酸内切酶(Ape1/ref-1)、DNA 聚合酶β (polβ)、DNA 连接酶Ⅲ和X射线修复交叉互补蛋白1(XRCC1)。糖基化酶通过切割靶碱基和脱氧核糖之间的N-糖基键来去除受损的碱基，从而留下完整的脱嘌呤/脱嘧啶(apurinic/apyrinidinic，AP)位点，AP 核酸内切酶切割DNA 中无碱基的位点-AP 位点，在AP 位点的DNA 5'中产生一个切口，将磷酸二酯键5'切割到AP位点，从而形成3'-羟基和5'-脱氧核糖磷酸(dRP)末端。5'-dRP被聚合酶β(polβ)裂解酶结构域去除，polβ的核苷酸转移酶活性将新的核苷酸插入到缺口中。最后在支架蛋白X 射线修复交叉互补蛋白1(XRCC1)的协助下，连接酶Ⅲ密封切口并生成修复的BER产物[14]。AP位点是常见的具有细胞毒性和诱变潜力的DNA损伤，是BER必然的中间产物，据估计，在人类中，每天在一个细胞中形成多达10 000个无碱基位点[14]。而APE1/Ref-1是BER途径的主要限速酶，Ape1 介导的修复不足时，无碱基的损伤DNA 不断累积，促进了细胞凋亡[16]，表明了APE1 在DNA损伤修复中不可或缺的作用。

2.2 氧化应激 氧化应激是一个高度规整及复杂的生物过程，ROS是细胞代谢正常线粒体活性的副产物，是重要的信号分子，产生ROS 的代谢过程对细胞至关重要，而当糖尿病或者高血糖使细胞的氧化及抗氧化平衡遭到破坏，导致大量氧化产物如活性氧(ROS)的堆积，可激活介导细胞代谢紊乱及细胞死亡的炎症因子如NLRP3[17]，同时ROS 堆积可引起核酸、蛋白质、脂肪酸和糖类等过氧化，诱导生成许多有害的氧化产物[(如8-羟基-脱氧鸟苷(8-OHdG)、蛋白质羰基化产物及丙二醛等]，超过细胞内在的抗氧化能力，从而产生氧化应激，最终造成机体各类细胞和器官的氧化损伤。APE1/Ref-1 可以刺激多种氧化还原因子的DNA活性(包括p53、NF-κB、HIF-1α等)及抑制活性氧的产生，从而控制细胞内的氧化还原状态[18]。在调控氧化还原反应方面，p53是重要的抑癌基因之一，在包括肝细胞癌在内的约50%的人类癌症类型中发生了突变，而APE1 是调节p53 DNA 结合活性的有效激活剂，可将非活性p53 转变为活性p53，CUN 等[19]研究发现，在肝癌细胞中APE1/Ref-1不仅可以作为体外和体内结合野生型p53DNA 的有效激活剂，还可以以氧化还原依赖性方式刺激突变型p53 DNA 结合，表明了p53 和APE1 可能是肝癌的潜在分子治疗靶点。除此之外，APE1 的氧化还原活性还可刺激包括NF-κB 和其他一些参与炎症和免疫反应的因子的DNA 结合活性。在基因表达中发挥重要调节作用，FROSSI等[20]发现，APE1 通过其氧化还原调节活性，在白介素6 信号传导途径调节类别转换重组(CSR)过程及IgA 的正确表达中发挥作用，揭示了APE1 通过调节IgA CSR 过程控制癌症生长中的氧化还原功能。在抑制ROS 方面，翁杰等[21]发现，上调APE1表达可增加细胞增殖活性，并抑制活性氧的产生，从而减轻过氧化氢介导的大鼠微血管内皮细胞氧化应激反应的作用。而WON等[22]研究发现，咪康唑通过抑制APE/Ref-1表达从而促进ROS的产生诱导心脏毒性。糖尿病心肌病发病机制复杂，包括糖脂代谢异常、细胞凋亡、微血管病变及氧化应激等，其中氧化应激在其中占有重要地位。

3 APE1与糖尿病心肌病的关系

研究已证实，糖尿病心肌病是一种糖尿病慢性病程导致非缺血性心脏供血不足从而引起的代谢性心肌病，在糖尿病疾病状态下，心肌细胞通过脂质过氧化、葡萄糖自身氧化和非酶促蛋白糖基化等多种途径产生大量活性氧(reactive oxygen species，ROS)[23]，可直接或间接导致心肌细胞产生氧化应激及DNA 氧化损伤，从而导致心肌细胞肥大、炎症、凋亡、坏死、纤维化等[24-25]。DNA氧化损伤主要通过碱基切除修复途径(base-excision repair，BER)修复，以保证DNA 的稳定性，其中APE1 是BER 的关键限速酶，同时也具有氧化还原、调节转录因子、抑制活性氧产生等功能[26]。多种氧化性物质可以在短时间内上调APE1 蛋白水平，使细胞氧化还原活性及AP 核酸内切酶活性增强，同时增强了对氧化应激和DNA 损伤物质的抵抗性。在许多癌症类型中，高APE1/Ref-1表达与较短的患者生存时间相关，DI等[27]发现在肝癌细胞中，APE-1/Ref-1过表达从而加速癌细胞生长，并抑制BAX 激活和凋亡，导致病情进展；FISHEL 等[28]发现与良性尿路上皮相比，膀胱癌中APE-1/Ref-1 表达较高，而APE1/Ref-1 特异性抑制剂抑制APE1/Ref-1 氧化还原信号，导致癌细胞凋亡的增加和NF-κB 和STAT3 (已知受APE1/Ref-1调节的转录因子)的转录活性降低，证实了APE1/Ref-1在膀胱癌生长中的关键。APE1在各种癌症中的作用及作用机制得到了广泛而深入的研究，然而其在糖尿病心肌病中的作用及机制仍不完善。张兰等[29]发现糖尿病大鼠心肌组织内APE1的表达增加不足以修复高血糖引起的DNA损伤，引起心脏功能的损伤。而JIE 等[30]用表达APE1 的慢病毒转染诱导的APE1过表达在经H/R处理的H9C2细胞中显著提高了细胞活力，降低了LDH的释放，减少了细胞凋亡并降低了Caspase-3 活性从而减轻了H/R 诱导的H9c2细胞损伤。根据课题组的前期研究，糖尿病心肌病中表达功能缺失的APE1，进一步介导了心肌细胞损伤及凋亡[30]，因此，过表达功能正常的APE1可能对糖尿病心肌病具有保护、修复作用，其具体的机制仍有待进一步研究。

4 展望

据统计，2019 年全世界有将近10 亿人患有糖尿病，预计该数字将在2030 年增加25%，在2045 年增加51%[31]，而 糖 尿 病 心 肌 病(diabetic cardiomyopathy，DCM)是全球糖尿病人群发病和死亡的主要原因[32-33]。近年来国内外有大量研究去探索糖尿病心肌病的发病机制及结构和功能的改变。同时也有大量的研究去探索APE1的功能，尤其是在肿瘤领域，已有大量的研究证实APE1 与肿瘤的发生发展密切相关。然而，目前关于APE1在糖尿病心肌病中作用尚缺乏充分的研究基础。本文通过综述国内外研究的新进展，发现糖尿病心肌病中APE1功能缺失从而进一步加重心肌细胞损伤及凋亡，而功能正常的APE1 对心肌细胞具有一定的保护作用。因此我们设想过表达功能正常APE1 的心肌细胞可修复高糖损伤心肌细胞，为糖尿病心肌病治疗提供重要的研究方向。