γ-分泌酶基因與疾病表型的相關性研究

李玉瑋 高 敏

1 γ-分泌酶基因簇的基因分類、定位、功能與傳導通路

γ-分泌酶基因簇由4個亞基組成，分別為早老素(Presenilin，PS)、單過性跨膜蛋白(Nicastrin，NCSTN)、前咽缺陷蛋白1(anterior-pharynx-defective-1，APH-1)和早老素增強子2 (presenilin enhancer-2，PEN-2)。PS可由PS-1或PS-2編碼，APH-1可由APH-1A或APH-1B編碼，但PS和APH-1亞基的不同亞型只有一個可以存在于一個γ-分泌酶復合體中,故體內至少存在6種不同組成的γ-分泌酶，且各型功能有所不同[1]。4個亞基功能各異，缺一不可，需經過正確的組裝、修飾、成熟及轉運到相應的位點，才能發揮各自正常的生理學功能。施一公等[2]研究團隊為獲得活性的γ-分泌酶進行了深入的研究，最終在HEK293細胞系上實現了四個亞基短暫的共表達，得到了分辨率達0.45 nm的γ-分泌酶復合體的三維結構，復合體包括一個含19個跨膜片段的馬蹄形的跨膜結構域，還有一個來自于NCSTN的大的細胞外結構域(ECD)。γ-分泌酶基因簇的基因分類、定位、功能與傳導通路見表1。

2 γ-分泌酶基因與疾病的相關性

研究發現，γ-分泌酶基因通過影響Notch信號傳導通路，影響基因的轉錄與表達，參與多種疾病的發生。下文綜述了γ-分泌酶與化膿性汗腺炎、阿爾茨海默病、腫瘤、心肌病及癡呆5種疾病的相關性。

2.1 γ-分泌酶基因與化膿性汗腺炎 化膿性汗腺炎(HS),又名逆向性痤瘡(AI)，好發于頂泌汗腺分布部位，以反復發生皮膚膿腫、竇道及瘢痕形成為特征。隨后，有學者進行了HS表型的研究，發現NCSTN缺陷小鼠表現出濾泡和囊性角化過度，特別是在皮膚的皮脂腺區域[10]。揭示了γ-分泌酶輔因子亞基NCSTN基因的突變可能導致家族性HS的發生，其在家族性HS中可能主要通過Notch和PI3K-AKT信號轉導途徑影響角質形成細胞的增殖和分化。NCSTN潛在抗增殖和促分化譜可能主要是由于其在人角質形成細胞中對Notch途徑的活化和PI3K-AKT通路的抑制的結果[11]。2010年，王寶璽等[12]教授及其研究團隊經過長達6年的研究，對6個中國漢族家系的 HS 患者進行全基因掃描和連鎖分析，發現編碼γ-分泌酶基因簇不同亞基的基因突變導致 HS 的發生。在6個家系中，1個家系出現了編碼PS-1的PSEN-1基因的移碼突變(14q4.3)，2個家系出現了編碼Pen-2的PSENEN基因的移碼突變(19q13.1)，3個家系分別出現了編碼Nicastrin的NCSTN基因的無義、移碼和剪接突變(1q22-1q23)。該研究最終將本病的致病基因確定為γ-分泌酶基因簇的組成亞基： PS-1、PEN-2、NCSTN。

目前有研究報道具有γ-分泌酶突變的HS患者中有轉化到鱗狀細胞癌(SCC)的病例，表明Notch信號傳導的缺陷可能與皮膚SCC相關[13]。也有研究表明，γ-分泌酶單獨的雜合突變不能導致疾病，HS的異常和特征性皮膚分布可能與其他因素有關，例如溫度、汗液、摩擦、頂泌汗腺和微生物在疾病發病機制中的作用，潛在地解釋了為什么整個皮膚表面不受影響。這些因素可以降低酶活性至低于正常濾泡功能所需的臨界閾值，從而導致頂泌汗腺部位反復發生的皮膚膿腫、竇道及瘢痕[14,15]。

表1 γ-分泌酶基因簇的基因分類、定位、功能與傳導通路

2.2 γ-分泌酶基因與阿爾茨海默病 阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是一種神經退行性疾病，能夠導致患者腦內神經元凋亡、認知和記憶衰退及逐漸失去獨立生活能力，并使患者最終死于腦功能嚴重受損。AD的發生和大腦中淀粉樣斑塊的形成密切相關，其主要病理標志是腦內神經元缺失、淀粉樣斑塊沉積及有毒的淀粉樣蛋白纖維的形成。研究發現，淀粉樣斑塊是由γ-分泌酶異常切割淀粉樣蛋白前體蛋白 (amyloidprecursor protein ,APP)產生的過量的β-淀粉樣蛋白肽(Aβ)聚集所致[10]。PS的突變是家族性阿爾茨海默病(Family Alzheimer’s disease, FAD)所靶向的唯一的γ-分泌酶亞基，編碼該基因的PS-1和PS-2基因中的錯義突變，導致APP的缺陷切割以及淀粉樣斑塊的形成。與家族性HS不同，PS-1基因突變在FAD中幾乎全部為錯義突變，因此有學者指出，PS-1、NCSTN和PEN-2基因突變所導致的單倍劑量不足引起了HS的發病，而PS-1 和PS-2基因錯義突變導致蛋白功能喪失可能通過顯性負性機制引起阿爾茨海默病的發生[16]。雖然沒有統計學意義，但研究發現在HS患者中AD的發病率和危險率略有增加。γ-分泌酶的其它亞基中的突變不增加阿爾茨海默病發生的風險[17]。γ-分泌酶與Aβ的產生密切相關，阻止或者延遲Aβ的產生將有望從根本上治療AD，近年來人們將注意力轉移到研究γ-分泌酶抑制劑的研發上，通過抑制γ-分泌酶改變Aβ的產生而不影響Notch蛋白水解和信號轉導的化合物，已經被鑒定并且目前處于藥物開發階段，為AD 預防和治療提供了新的有效途徑[18]。

2.3 γ-分泌酶基因與腫瘤 γ-分泌酶基因通過影響Notch信號通路，參與腫瘤的發生。有研究發現，Notch1蛋白的過表達與多種腫瘤的發生發展有密切的關系，Notch缺陷會導致嚴重的胚胎發育缺陷、影響成年人的中樞神經系統軸突重塑性和免疫系統細胞增殖等[19]。Notch1的功能是癌基因還是抑癌基因取決于腫瘤發生部位的不同，它在皮膚癌和非小細胞型肺癌中起抑癌基因作用，而在其他許多腫瘤中起癌基因作用，如：腎癌、胰腺癌、乳腺癌和前列腺癌等。γ-分泌酶作為Notch 活化過程中的一種必需水解酶，參與Notch的切割，能夠促進其釋放Notch胞內結構域(NICD)，并涉及生命的關鍵信號傳導過程。杜瀟等研究者從細胞水平驗證了應用γ-分泌酶抑制劑DAPT阻斷Notch信號通路可通過促進細胞凋亡而抑制胰腺癌細胞的增殖[20]。Carmen等人將γ-分泌酶應用于神經母細胞瘤的研究，結果顯示人類神經母細胞瘤細胞與Notch信號傳導相關[21]。也有研究發現，卵巢癌中 Notch1 信號蛋白有異常表達，卵巢癌細胞系中γ-分泌酶的酶活性顯著高于正常卵巢上皮細胞系，且在卵巢癌變化過程中表達逐漸增高，可能與早期癌變的啟動有關。研究者在乳腺癌患者中鑒定出兩種PS-2突變，表明γ-分泌酶在乳腺癌中起重要作用[22,23]。 近年來，γ-分泌酶抑制劑的研發漸熱，研究已證實γ-分泌酶抑制劑阻斷癌細胞中的Notch信號后，對許多癌細胞的生長具有抑制作用，利用γ-分泌酶抑制劑調節Notch信號途徑，從而為調節神經發育和腫瘤的相關治療提供有效途徑[24]。

2.4 γ-分泌酶基因與心肌病 心肌病(cardiomyopathy)是一種原因不明的心肌疾病,可分為三種：擴張型性心肌病，肥厚型心肌病和限制性心肌病。有研究表明，缺乏PS-1的小鼠表現出心臟畸形，包括室間隔缺損、右心室雙出口和肺動脈狹窄，揭示了PS-1在心臟形態形成中發揮著重要的作用[25]。Notch蛋白家族是調節心臟生長和發育的相關基因的轉錄水平。γ-分泌酶參與Notch受體的切割，影響Notch通路的傳導。Notch信號傳導的紊亂與瓣膜異常、心血管疾病、先天性心臟病和肌細胞功能障礙有關。有研究表明，在擴張性患者中鑒定出PS-1基因突變，揭示了γ-分泌酶可能是心肌病的發生的原因之一。也有研究者發現，PS-1敲除的小鼠顯示心臟形態的改變，而PS-2敲除的小鼠正常生長，沒有心臟肥大和纖維化，而且顯示心臟收縮力的改善[26]。

2.5 γ-分泌酶基因與癡呆 路易體癡呆(Dementia with Lewy body，DLB)是以波動性認知障礙、視幻覺和帕金森綜合征為臨床特點，以路易小體為病理特征的神經變性病。路易體是指蛋白質的異常聚集。2008年，研究者在具有DLB的臨床表型的先證者中發現PS-2的錯義突變，在患者家系中檢測到6個攜帶者。除了仍然無癥狀的年輕家庭成員外，所有突變攜帶者發展為AD或DLB，或兩者皆有[27]。額顳癡呆(Frontotemporal dementia，FTD)是額顳葉變性的臨床表型，是AD后的早發性神經退行性疾病的第二大常見形式。其主要特征是行為、性格和語言能力的惡化。目前，在FTD患者中發現了至少四種PS-2突變。2010年，研究者在一例31歲的患者中發現了PS-2 R62H。患者的健康母親也攜帶這種突變[28]。這幾項研究，揭示了γ-分泌酶基因組成亞基PS的突變可能與路易體癡呆和額顳癡呆的發生發展有關。

3 研究展望及小結

綜上所述，γ-分泌酶是體內重要的膜內切割蛋白酶，它切割多種I 型跨膜蛋白，切割產物與HS、AD發病、觸發Notch信號轉導級聯反應等密切相關。γ-分泌酶及相關調控通路已成為目前研究的熱點問題，且研究已經取得了一定的進展。相信隨著研究的逐漸深入，γ-分泌酶的結構、功能、調控通路及關鍵作用靶點等會逐漸闡明，這將為利用γ-分泌酶作為相關疾病治療和預防的新靶點提供理論依據和有效途徑。

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