張晶 陳水蓮 吳奕輝 邱謹 余克明 莊菁

【摘要】各種因素引起的神經元DNA損傷不易修復，持續(xù)損傷堆積將誘導突變，從而影響基因組穩(wěn)定性，損害線粒體功能甚至促進細胞死亡。神經元DNA損傷與多種疾病的病情發(fā)展聯(lián)系緊密，因此神經元DNA的修復一直是神經研究領域的熱點。該文對神經元DNA修復機制、相關疾病及促進DNA修復的因素進行了歸納，為將來科研及臨床應用提供理論依據(jù)及研究方向。

【關鍵詞】神經元;DNA修復;退行性疾病;視網膜疾病

【Abstract】It is difficult to repair the DNA damage in neurons caused by a variety of factors. The persistent DNA damage will induce mutation， affect genomic instability， destroy mitochondrial function and even accelerate cellular death. DNA damage in neurons is intimately correlated with the progressions of multiple diseases. Consequently， the repair of DNA damage in neurons has been a hot topic in the field of neurology. In this article， the mechanism of DNA repair， DNA damage-induced diseases and the factors promoting DNA repair were summarized， aiming to provide theoretical basis and research direction for future studies and application in clinical practice.

【Key words】Neuron;DNA repair;Neurodegenerative disease;Retinal disease

據(jù)統(tǒng)計，由于自主衰變、復制錯誤及細胞代謝等原因，哺乳動物的細胞每天會產生105個DNA損傷，其中因氧化應激損傷而導致DNA單鏈斷裂占104[1]。雖然大部分細胞能進行自我修復，但在神經元中DNA損傷修復能力明顯減弱，因此神經元DNA修復一直是神經領域的研究熱點。過去，修復途徑的研究主要集中在針對氧化應激損傷的堿基切除修復（BER），相關疾病主要研究神經性退行性疾病。近年來隨著研究的不斷深入，其他修復途徑也受到了重視，遺傳性疾病、視網膜等疾病與神經元DNA修復的關系密切，與神經元DNA修復相關因素不斷被發(fā)現(xiàn)。鑒于神經元DNA修復具有重要的生物學意義和臨床意義，本綜述就修復機制、影響因素及相關疾病三個方面對神經元DNA修復的研究進展進行系統(tǒng)的分析和論述。

一、神經元DNA的修復機制

人體細胞在正常生理代謝和外界因素影響時，會產生DNA損傷如DNA堿基易構互變，DNA單鏈斷裂和DNA雙鏈斷裂。大部分細胞都具有自我修復功能，但Gobbel等（1998年）這種修復能力在神經元中明顯減弱。Ren等（2007年）研究發(fā)現(xiàn)，在氧化應激和饑餓處理下，腦神經元DNA電泳呈現(xiàn)梯形條帶結果;視網膜神經元體外模型中，發(fā)現(xiàn)DNA修復效率降低[2]。這些研究說明神經元對DNA損傷的修復能力弱。另外， Sharma等（2007年）研究發(fā)現(xiàn)一般細胞中參與DNA修復過程的蛋白質，在中樞神經系統(tǒng)中大部分處于沉默狀態(tài)。這可能與神經元DNA修復能力下降有關。神經元DNA的損傷堆積會導致基因組的不穩(wěn)定，細胞的死亡以及功能障礙，因此神經元DNA的修復一直是神經領域的重點研究對象。

神經元DNA的主要修復途徑包括直接損傷修復（DR）、核苷酸切除修復（NER）、BER和非同源末端連接（NHEJ）。DR通過MGMT直接識別損傷位點啟動通路，主要修復O6-甲基鳥嘌呤導致的突變、致癌和細胞毒作用損傷;NER由多種蛋白質參與，通過識別、切除損傷部分，合成新鏈進行修復，主要針對紫外線輻射和活性氧等造成的DNA損傷，如環(huán)丁烷嘧啶二聚體、6-4光產物、DNA交互連結等;BER通過糖苷水解酶識別受損位點，特異性切除N-β-糖苷鍵形成AP位點，再由多種酶的作用切除損傷片段合成新鏈[3-4]。它主要修復神經元細胞DNA損傷中最常見的氧化應激損傷，因此一直是神經元DNA修復領域里的研究重點;NHEJ通過修復蛋白和DNA連接酶的作用將斷裂末端重新接合，是神經元DNA雙鏈斷裂的主要修復途徑，也是近年來神經元DNA修復研究的一大熱點[5]。另外，Wood等（1996年）研究發(fā)現(xiàn)NER與其他修復通路有協(xié)同作用，因此修復通路間的關系對神經元DNA修復也有重要意義。

二、與神經元DNA修復相關的神經系統(tǒng)疾病

1. 神經退行性疾病

相對于其他細胞，神經元的能量消耗和代謝水平都要更高，產生的活性氧水平更高;然而在神經元中，DNA修復能力明顯減弱，因此神經元DNA容易受到氧化應激損傷[6]。神經元DNA分為核DNA和線粒體DNA，由于線粒體是產生能量和活性氧的主要場所，因此氧化應激損傷主要作用于線粒體DNA，引起線粒體功能障礙，最終導致神經元死亡，相關功能障礙[7]。

在神經退行性疾病中，神經元線粒體呼吸鏈產生活性氧水平升高是DNA損傷的主要原因。同時神經元中DNA單鏈斷裂和DNA雙鏈斷裂損傷的修復能力降低，DNA損傷不斷堆積，導致神經元的死亡或者凋亡，最終引起神經系統(tǒng)功能障礙[6]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，阿爾茲海默癥（AD）、帕金森綜合征（PD）與神經元DNA的氧化性損傷關系密切。

AD是一種由于腦功能缺損造成的記憶、思維和一般行為障礙的老年癡呆疾病;PD是一種中樞神經系統(tǒng)功能紊亂疾病，臨床上表現(xiàn)為運動功能障礙和癡呆。研究表明，AD和PD在65歲后高發(fā)，呈年齡相關性;而神經元的DNA修復功能隨著年齡增長而降低，因此AD和PD的發(fā)病可能與神經元修復力降低有關[8]。研究發(fā)現(xiàn)，長期氧化性損傷積累與AD和PD的發(fā)病有重要關系，線粒體DNA受到氧化性損傷進而功能障礙，誘導神經元細胞死亡，出現(xiàn)神經功能障礙[12]。因此研究神經元DNA的修復對AD和PD的病因和病情進展有重要意義。

2. 遺傳性疾病

著色性干皮?。╔P）是一種少見的常染色體隱性遺傳疾病，臨床特征是對陽光的敏感性以及紫外線照射后明顯增高的皮膚癌風險[9]。目前XP研究出有8種基因型，分別是神經元DNA修復NER的核心成分（XPA型到XPG型）和一種特異性DNA連接酶損傷（XPV型），這些蛋白質的缺失導致DNA堿基突變損傷的堆積。值得注意的是，Kraemer等（2007年）發(fā)現(xiàn)幾乎四分之一的XP患者會發(fā)展為神經性疾病，包括頭小畸形、小腦共濟失調、感覺性耳聾等，最后導致全腦萎縮。根據(jù)臨床調查結果，XPA發(fā)生突變的患者出現(xiàn)神經功能障礙表現(xiàn)，而XPB、XPD、XPF、XPG亞型的基因突變位點的患者，均表現(xiàn)出神經元DNA的NER修復能力下降，這說明XP神經功能障礙與神經元DNA修復有重要關系[10]。

亨廷頓氏病（HD）是一種常染色體顯性遺傳的進行性神經變性疾病，臨床表現(xiàn)為行為和精神障礙。Ross等（2009年）發(fā)現(xiàn)氧化應激損傷在HD的發(fā)病機制中起重要作用。神經元中，線粒體是氧化物產生的主要場所，對代謝和氧化損傷起重要作用。神經元線粒體DNA的損傷會造成線粒體功能障礙，誘導神經元細胞凋亡。Gil等（2008年）研究發(fā)現(xiàn)，在HT鼠腦組織中，神經元凋亡水平與病情程度呈正相關，而HD患者和動物模型中，也發(fā)現(xiàn)行為精神障礙表現(xiàn)與神經元線粒體功能障礙有關。因此，提高神經元線粒體DNA修復能力，減少神經元凋亡，能改善HD神經功能障礙癥狀。

共濟失調毛細血管擴張癥（AT）是一種少見的常染色體隱性遺傳病，臨床主要表現(xiàn)為小腦性共濟失調癥狀如出現(xiàn)舞蹈性動作、手足徐動，發(fā)病機制與共濟失調毛細血管擴張突變激酶（ATM）的突變有關[11]。ATM是一種DNA損傷應答酶，通過DNA的NHEJ修復途徑參與DNA雙鏈斷裂修復，因此ATM的缺損會降低神經元DNA修復能力，造成基因組的不穩(wěn)性;同時ATM缺失也與神經元線粒體代謝有關，包括產生更高水平的活性氧，電子傳遞鏈活躍性降低，這說明在AT患者中，神經元處于氧化物水平更高的環(huán)境中，同時線粒體能量產生水平下降，DNA易受氧化性損傷[12-13]。在AT患者中，神經元線粒體的DNA修復能力下降，氧化應激損傷水平升高，最終導致線粒體功能障礙誘導神經元細胞死亡，相關神經功能障礙。

3. 急性神經損傷

腦卒中是一種急性神經功能損傷疾病，它會導致嚴重的腦功能障礙以及神經元死亡。研究表明，缺血型腦卒中時，缺血導致的缺氧以及再灌注產生的活性氧損傷與神經功能障礙關系密切[14]。缺血性腦卒中動物實驗中，缺血以及再灌注條件下的神經元DNA，BER相關蛋白質表達升高，修復水平升高;增強神經元DNA的BER水平時，對氧化性損傷的耐受程度升高;Li等（2007年）發(fā)現(xiàn)降低神經元DNA的BER效率時，則會造成腦功能障礙。這說明缺血性腦卒中的氧化性損傷與神經元DNA修復能力缺損有關，氧化性損傷造成的神經元死亡，導致神經系統(tǒng)功能障礙出現(xiàn)相關臨床癥狀。因此研究神經元DNA氧化性損傷機制對缺血性腦卒中的預防和治療有重要意義。

4. 視網膜疾病

由于神經元是不再分裂的終末分化型細胞，因此視網膜神經元DNA損傷的堆積可能會造成視功能障礙。年齡相關性黃斑病變（AMD）、糖尿病視網膜病變（DR）、青光眼等眼科疾病都與視網膜損傷有關，DNA損傷會引起視網膜細胞死亡或凋亡進而引起視網膜功能障礙，最終引起視功能障礙。因此研究神經元DNA的修復對視網膜損傷的預防和治療有重要意義。

AMD是一種導致中心視力缺損和失明的主要疾病，據(jù)統(tǒng)計，在所有疾病導致的失明中，AMD占8.7%，到2020年，全球將有1億9 600萬AMD患者[15]。研究表明，AMD患者的神經元中表現(xiàn)更高水平的氧化性DNA損傷，對過氧化氫和紫外輻射敏感性升高，和對照組相比，神經元對于這些刺激因素造成的DNA修復能力水平下降[16]。這說明在AMD發(fā)病機制中，神經元DNA損傷的修復起重要作用。

DR是成人后天失明的主要原因，Bearse等（2004年）研究發(fā)現(xiàn)，DR不但會造成視網膜血管病變，也會造成神經損傷。 Kowluru等（2001年）發(fā)現(xiàn)在DR患者中，氧化應激水平增高而抗氧化防御系統(tǒng)相關酶含量降低，而Caldwell等（2008年）發(fā)現(xiàn)視網膜中有大量氧耗和氧化葡萄糖水平的不飽和脂肪酸，對氧化性損傷相對其他部位更加敏感。因此DR患者視網膜受到的氧化性損傷與病情發(fā)展關系密切。研究神經元DNA的氧化應激修復，減少視網膜損傷對糖尿病視網膜病情控制有重要意義。

三、神經元DNA修復的促進因素

1. BRCA1與神經元DNA修復

許多DNA修復因子在中樞系統(tǒng)被沉默，這與神經元DNA修復能力降低有一定關系。BRCA1是一種腫瘤抑制基因，與乳腺癌的發(fā)生密切相關。近年來研究發(fā)現(xiàn)，BRCA1在神經元DNA修復中起著重要作用：BRCA1通過與ku80 RAD50-MRE11-NBS1復合物結合，參與神經元NHEJ的修復途徑，在敲除神經元BRCA1的小鼠模型中，DNA雙鍵斷裂水平升高;另外，研究發(fā)現(xiàn)BRCA1表達水平隨著年齡下降，在1個月鼠模型中，BRCA1的表達被沉默[16-18]。因此，BRCA1的表達能促進神經元DNA雙鏈斷裂的修復，神經元中BRCA1表達呈年齡相關性降低，表達被沉默，很多研究認為這與AD和PD的病情有關[19-21]。

2. Ku80與神經元DNA修復

Ku80是一種由XRCC5編碼的蛋白質，與DNA雙鏈損傷末端結合，募集其他蛋白質參與DNA的NHEJ修復[22]。Oka等（2000年）? 研究發(fā)現(xiàn)，隨著神經系統(tǒng)發(fā)育成熟，神經元中的ku80水平不斷降低;應激條件下的神經膠質細胞中ku80水平會升高，成熟神經元中則不出現(xiàn)。Gu等（2000年）研究表明ku80對H202損傷的視網膜神經元DNA有保護作用;而滅活ku80的小鼠則表現(xiàn)出異常神經元凋亡。這說明ku80對神經元DNA雙鏈斷裂有促進作用，神經元中ku80被沉默會影響DNA雙鏈斷裂修復。除了BRCA1和ku80，還有很多因子與神經元DNA修復有關，研究這些促進因子可以為藥物設計提供一個可能的靶點，促進神經元DNA的修復減少神經元凋亡，達到保護神經功能的作用。

3. 鋰與神經元DNA修復

近年來，研究發(fā)現(xiàn)鋰對視網膜缺血細胞有保護作用[2]。在體外缺血模型中，鋰預處理組的視網膜細胞生存水平從第1日開始就比對照組高。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在缺血條件下，機體會激活非同源性末端結合通路進行DNA修復，而在視網膜中，鋰通過上調DNA連接酶IV促進這一修復通路并減輕視網膜的損害[23]。因此，鋰能夠促進缺血條件下的神經元細胞DNA的穩(wěn)定性以及提高視網膜神經元細胞的活性。這一發(fā)現(xiàn)對缺血性視網膜疾病的治療具有重要的意義。

4. 睡眠與神經元DNA修復

睡眠占據(jù)了我們人生的三分之一，除了能恢復體力，加速清除腦脊液中的代謝廢物，最新研究表明睡眠與神經元的DNA雙鏈斷裂水平有關[24]。實驗顯示，在睡眠受影響的果蠅組中，大腦中DNA雙鏈斷裂水平升高;而經過γ射線照射處理的果蠅組中，睡眠組的DNA修復水平升高;同樣，在小鼠模型中，睡眠受影響的大腦皮層中DNA雙鏈斷裂水平升高;在DNA雙鏈斷裂損傷預處理小鼠組中，睡眠受影響的對照組DNA雙鏈斷裂修復效率降低[25]。因此，睡眠對于神經元DNA的修復具有促進作用，睡眠質量可能會影響神經性疾病的病情發(fā)展。

四、結 語

細胞DNA時刻處于各種損傷因素中，雖然大部分細胞具有自我修復功能，但神經元細胞DNA修復能力明顯減弱，容易發(fā)生DNA損傷引發(fā)神經元凋亡，影響神經功能。在神經元細胞DNA修復途徑中，BER針對最容易受到的氧化應激損傷，而非同源末端連接途徑則是DNA雙鏈斷裂的主要修復方式，因此一直是神經元DNA修復的研究熱點。神經元DNA的修復能力與多種神經功能障礙病變有關，近年來不斷發(fā)現(xiàn)與神經元DNA修復關系密切的其他疾病，因此研究神經元DNA修復機制與促進因素，為多種疾病的臨床治療和健康教育提出了新的研究方向。本綜述從修復機制、相關疾病和促進因素論述了神經元DNA的修復，旨在為將來臨床應用提供理論指導。

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（收稿日期：2018-12-18）

（本文編輯：楊江瑜）