PARP-1在神经退行性疾病中的研究进展.pdf

综715脑与神经疾病杂志2 0 2 3年第31卷第11期34(5):637-650.32Albandar J M,Susin C,Hughes F J.Manifestations of systemicdiseases and conditions that affect the periodontal attachmentapparatus:Case definitions and diagnostic considerationsJJ.JPeriodontol,2018,89(Suppl 1):S183-S203.33Kalash D,Vovk A,Huang H,et al.Influence of periodontal therapyon systemic lipopolysaccharides in children with localized aggressiveperiodontitisJJ.Pediatr Dent,2015,37(5):35-40.34 Taniguchi-Watanabe S,Arai T,Kametani F,et al.Biochemicalclassification of tauopathies by immunoblot,protein sequence andmass spectrometric analyses of sarkosyl-insoluble and trypsin-resistant tauJ.Acta Neuropathol,2016,131(2):267-280.35Singhrao S K,Harding A,Poole S,et al.Porphyromonas gingivalisperiodontal infection and Its putative links with AlzheimersdiseaseJ.Mediators Inflamm,2015,2015:137357.（收稿日期：2 0 2 2-0 8-0 5）PARP-1 在神经退行性疾病中的研究进展朱丽娟孙新刚中图分类号：R741文献标识码：A文章编号：10 0 6-351X（2 0 2 3）11-0 7 15-0 4聚腺苷二磷酸核糖聚合酶1（polyADP-ribosepolymerase-1，PA R P-1）广泛存在于真核细胞中，可介导DNA损伤修复、基因表达和细胞信号转导。然而，当DNA大量损伤时，PARP-1被过度激活，导致细胞因烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadeninedinucleotide，NA D+）和ATP耗竭而死亡。此外，PARP-1过度激活产生的聚腺苷二磷酸核糖（polyADP-ribose,PAR），通过与TDP-43非共价结合，调节TDP-43的细胞质移位及蛋白质聚集的形成。它还通过静电作用与突触核蛋白结合，使其成为更稳定、更具毒性形式。同时，在阿尔茨海默病（AD）中发现PARP-1在脑组织不同部位的作用截然不同。因此，PARP-1与神经退行性疾病密切相关。本文对PARP-1的结构和功能进行简要介绍，重点阐述了PARP-1在神经退行性疾病中的研究进展。一、PARP-1的结构与功能PARP-1是一种多功能核酶，分子量为113kDa，由三个主要结构域组成2-3：N端DNA结合结构域：位于PARP-1的N末端，可特异性识别并结合DNA的断裂端；自修饰结构域：位于中心区域，含有参与PARP-1自身修饰的大部分谷氨酸残基以及赖氨酸残基，能够将PARP-1自身进行聚腺苷二磷酸核糖基化修饰；C端催化结构域：以NAD+为底物参与PAR的合成。此外，PARP-1的C端催化结构域还可与核小体中的组蛋白H4相互作用，使染色质在某个位点周围保持松散状态，维持转录所需的长期染色质松动基金项目：山西省基础研究计划项目（2 0 2 10 30 2 12 36 2 4）作者单位：0 30 0 0 0 太原，山西医科大学第二医院神经内科通信作者：孙新刚，Email：s u n y a n x i a 8 2 0 7 0 1 16 3.c o mPARP-1的功能主要包括2.5-6 ：调节DNA复制及DNA损伤修复，在维持基因组完整性及稳定性方面发挥重要作用；调节基因转录和蛋白的细胞内转运；调控细胞的增殖、分化及坏死；线粒体中的PARP-1负责电子传递链复合物的翻译后修饰，维持线粒体功能；调控记忆巩固所需基因的表达；调节自噬。二、PARP-1与DNA修复、细胞死亡PARP-1是一种与DNA损伤修复密切相关的核蛋白，通过在PARP-1和核蛋白上合成PAR并募集与DNA修复相关的酶，参与损伤DNA修复7)。当DNA轻度损伤时，PARP-1通过特异性识别单链或双链断裂的DNA并与之结合，催化NAD*分解为烟酰胺和腺苷二磷酸核糖（adenosinediphosphate,ADP）,以ADP为底物对核蛋白进行聚腺苷二磷酸核糖化修饰，这种表观遗传修饰导致染色质结构松动，允许修复蛋白和转录因子进人DNA，对损伤DNA进行修复。PARP-1还通过识别未连接的冈崎片段控制复制叉伸长的速度，在DNA复制中也起着重要作用8 。然而，当受到严重刺激导致大量DNA受损时，PARP-1则被过度激活，在自身聚腺苷二磷酸核糖化的过程中大量分解细胞内的NAD*，导致NAD*耗竭9。NAD+是葡萄糖代谢酶的基本辅助因子，参与线粒体内ATP的合成，NAD*耗竭可导致细胞能量耗竭而死亡；细胞能量耗竭后会产生大量的氧化剂和自由基，正反馈调节细胞死亡。同时，反应产物PAR诱导细胞调亡诱导因子迅速从线粒体转移到细胞核，与核酸外切酶G协同作用，导致染色质凝集和大规模DNA片段化，此种PARP-1依赖性细胞死亡程序被称为PARP-1依赖性细胞死亡10 。总之，PARP-1在机体中发挥双刃剑作用。当DNA轻度损伤时,PARP-1促进DNA的损伤修复、维持基因组稳定性；然而，当DNA的损伤水平远超过机体修716脑与神经疾病杂志2 0 2 3年第31卷第11期复能力时，过度激活的PARP-1则导致细胞死亡。三、PARP-1与部分神经退行性疾病1.PARP-1 与 ADAD是一种不可逆的年龄相关性神经退行性疾病，主要表现为记忆和认知功能下降。早期发现，PARP-1可引起记忆巩固所需基因的表达，例如核仁中的即刻早期基因c-fos和c-jun以及核仁rRNA基因，在啮齿动物的记忆巩固中起重要作用2 。尸体解剖发现，轻度认知障碍患者和AD患者海马锥体细胞神经元核仁PARP-1免疫组织化学染色明显减少，而轻度认知障碍患者的核仁PARP-1变化比AD患者更明显，提示海马锥体细胞神经元核仁PARP-1减少可能是认知障碍的早期标志物，推测可能是由于轻度认知障碍患者体内存在应激神经元增加，而在AD进展中这些神经元丢失所致13-14。神经元核仁PARP-1的缺失通过激活DNA甲基转移酶1，诱导核糖体DNA启动子高甲基化，使核糖体生物合成减少，导致记忆障碍15。这提示，海马锥体细胞神经元核仁PARP-1的下调是AD的早期事件，可能通过激活DNA甲基转移酶1，沉默核糖体DNA，从而导致记忆障碍。转座元件（transposableelements，T E）不受控制的激活是神经退行性疾病的共同特征，在转基因AD果蝇模型中TE的异常激活导致神经变性16 。TE可被复杂模式的组蛋白修饰调节，而PARP-1能够通过调节组蛋白和染色质修饰酶的活性来调节组蛋白的乙酰化和甲基化修饰，且多项研究证实人类和小鼠额叶、题叶组织中PARP-1、PA R 明显升高17 。在AD转基因果蝇模型中发现组蛋白乙酰化、甲基化修饰水平明显升高,TE异常激活，而PARP-1抑制剂可恢复组蛋白修饰水平，抑制TE失调，该研究表明PARP-1抑制剂通过表观遗传修饰调节染色质结构和功能来部分抑制AD诱导的TE活化，显著延长AD果蝇的寿命,并提高其攀爬能力18 。因此,研究者推测，PARP-1在AD中可能通过两种截然不同的机制起作用，海马锥体神经元核仁PARP-1丢失可能导致认知障碍，而额叶和叶皮质中的PARP-1则被过度激活并导致细胞死亡，不同部位的PARP-1的具体作用机制尚需进一步探究。2.PARP-1 与 PD帕金森病（Parkinsonsdisease,PD）是一种以运动功能障碍为主的老年神经系统退行性疾病，其病理学特征是-突触核蛋白积累。PARP-1与-突触核蛋白沉积有关，PARP-1过度激活产生的PAR使-突触核蛋白形成更稳定、更具毒性形式，最终导致神经元变性。尸体解剖发现，PD患者脑组织神经元细胞质中PARP-1与-突触核蛋白共定位明显增加,提示PARP-1与-突触核蛋白的形成有关19。-突触核蛋白通过诱导一氧化氮合酶活化导致大量DNA损伤，使PARP-1过度激活，伴有产物PAR的增加；增多的PAR可加速更稳定形式的突触核蛋白的形成，并诱导突触核蛋白具有更强的神经毒性，而PARP-1抑制剂维利帕尼（v e l i p a r i b，A BT-8 8 8）和瑞卡帕布（Rucaparib,AG-014699）能抑制神经元细胞中-突触核蛋白病理性聚集2 0-1。进一步的研究表明PAR与-突触核蛋白N端的赖氨酸残基通过静电相互作用结合2 1。可见，-突触核蛋白与PARP-1激活之间形成一个反馈环路，诱导神经元死亡。自噬通过降解受损或异常的蛋白质在维持神经元功能和存活方面起重要作用，其功能障碍是家族性和特发性PD的发病机制，有研究发现自噬功能障碍可导致突触核蛋白的积累。转录因子EB（t r a n s c r i p t i o n f a c t o r EB，T FEB）是调控自噬-溶酶体通路的中心调控因子，有研究表明PARP-1可通过两种方式介导TFEB的核易位，进而调控自噬：PARP-1的过度活化通过抑制沉默信息调节因子1（sirtuinl，SI R T 1）的活性、上调哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian targetofrapamycin，mT O R）的磷酸化，继而抑制TFEB的核易位；PA R P-1的过度活化促进TFEB的聚腺苷二磷酸核糖基化修饰，减少TFEB与CRM1核输出复合物的形成，从而增加TFEB的核定位。抑制PARP-1通过上述两种方式增加TFEB的核定位上调自噬，促进病理性突触核蛋白的降解，该研究表明，抑制PARP-1能够上调自噬，在富含-突触核蛋白的转基因小鼠和细胞中起到保护作用2 。因此，抑制PARP-1不仅可减少更稳定、更具毒性的-突触核蛋白形成，还可上调自噬促进病理性突触核蛋白的降解。在嗜神经毒素1-甲基-4苯基-1，2，3，4-四氢吡啶（1-me t h y l-4-p h e n y l-1，2，3，6-t e t r a h y d r o p y r i d i n e,M PT P）处理诱导的PD细胞和小鼠模型中，PAR的积累可触发凋亡诱导因子（apoptosis inducingfactor，A IF）从线粒体到细胞核的易位，最终导致多巴胺能神经元死亡；骨化三醇通过上调维生素D受体，抑制PARP-1的过度活化，减少产物PAR的积累，最终改善PD动物细胞模型的多巴胺能神经元损伤2 3。临床发现，PD患者脑脊液中的PAR水平升高，且PAR水平与疾病持续时间或进展之间存在正相关2 0 。突触核蛋白是一种普遍存在于外泌体上的蛋白质，血浆PAR阳性的PD患者含-突触核蛋白的外泌体水平明显升高2 4。因此，抑制PARP-1活化的策略有望作为一种疾病修饰疗法，以防止PD中多巴胺能神经元的丢失。3.PARP-1与肌萎缩侧索硬化肌萎缩侧索硬化（amyotrophiclateral sclerosis，A LS）是以选择性上、下运动神经元的进行性变性为特征的神经退行性疾病，其病理学特征是核蛋白TAR DNA/RNA结合蛋白43(transactive response DNA binding protein 43,TDP-43）核不均一核糖核蛋白 A1（h e t e r o g e n e o u s n u c l e a r r i b o n u c l e o p r o t e i n A l,hnRNPA1）和肉瘤融合蛋白（fusedin sarcoma,FUS）的细胞质异常聚集2 5。TDP-43、h n R NPA 1、FU S是RNA结合蛋白，参与协调RNA代谢的多个方面，生理条件下主要位于细胞核，只有小部分通过核细胞质穿梭转移到细胞质。PARP-1过度激活产生的PAR可与TDP-43非共价结合，调节TDP-43的细胞质易位及蛋白质聚集体的形成，与ALS的发病机制密切相关。使用过氧化氢诱导原代神经元的研究发现，PARP-1过度激活，PAR的产生增加，TDP-43的细胞质定位增加，而PARP-1抑制剂BMN673明显减少TDP-43的胞质积累，该研究表明PARP-1激活和PAR的产生是TDP-43向胞质易位的关键病理事件2 6 生理条件下，聚腺苷二磷酸核糖化修饰可调节相分离介717脑与神经疾病杂志2 0 2 3年第31卷第11期导的应激颗粒的组装和分解；而当PARP-1异常激活时，PAR修饰促进应激颗粒固化，使TDP-43、h n R NPA 1在细胞质形成病理性聚集，而PARP的遗传和药理学抑制可减轻ALS细胞和果蝇模型中 hnRNPA1 和 TDP-43 介导的神经毒性2 7-2 9。然而，肉瘤融合蛋白（fusedinsarcoma,FUS）可通过与PAR结合可防止FUS的细胞质移位，减少细胞质FUS聚集体的形成。在DNA单链损伤早期，PARP-1激活产生的PAR通过与FUS结合募集到DNA损伤位点，在后期阶段观察到细胞质FUS聚集体的形成，而抑制聚腺苷二磷酸核糖水解酶可防止细胞质FUS聚集体的形成，同时观察到抑制PARP-1导致FUS募集到DNA损伤部位减少，也导致细胞质FUS聚集体的形成，研究者建议抑制聚腺苷二磷酸核糖水解酶可能是FUS突变型 ALS 有前途的治疗策略 30-32 。小结PARP-1的过度激活通过耗竭NAD+和ATP，导致线粒体功能障碍，从而导致神经元变性死亡。它也可以产生PAR，通过与TDP-43非共价结合，调节TDP-43的细胞质移位及蛋白质聚集体的形成。PAR还可以通过静电作用与突触核蛋白结合，使其成为更稳定、更具毒性形式。在DNA损伤时，PARP-1募集到DNA损伤位点，同时产生的PAR可招募FUS到DNA损伤位点并与之结合，防止FUS的细胞质移位，减少细胞质FUS聚集体的形成。同时，在AD中发现PARP-1在脑组织不同部位的作用可能截然不同。因此，PARP-1在不同疾病及疾病的不同部位可能发挥的作用不完全相同，尚需进一步阐明其发病机制。在正常机体中，PARP-1参与损伤DNA 的修复、维持基因组完整性及稳定性。近期Wang等6 研究，遗传性PARP-1耗竭会阻碍少突胶质祖细胞分化为少突胶质细胞以及髓鞘的形成。因此，长期使用PARP-1抑制剂是否会对正常脑功能产生不利影响仍是一个悬而未决的问题。同时，血脑脊液屏障（blood-cerebrespinalfluidbarrier，BCFB）的存在增加了PARP-1抑制剂的研究及其应用于临床治疗的难度。烟酰胺可以通过高容量运输系统快速和双向地通过BCFB，在AD模型中已被证明不仅可抑制PARP-1活性，还可增加NAD*的储存。生酮饮食也可增加NAD水平，改善氧化DNA损伤，降低PARP-13。H a n 等34 首次在健康志愿者中对神经保护性PARP-1抑制剂JPI-289的安全性、耐受性和药代动力学进行人体评估，在整个研究过程中没有发生严重的不良事件，提示JPI-289在健康受试者中耐受性良好，需进一步在临床患者中评估其疗效和安全性。利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突作者贡献声明朱丽娟：查阅文献、论文撰写；孙新刚：论文审阅和批改参考文献1Nozaki T,Sasaki Y,Fukuda I,et al.Next-generation sequencing-based miRNA expression analysis in Parp1-deficient embryonic stemcell-derived exosomes J.Biochem Biophys Res Commun,2018,499(3):410-415.2 Mao K,Zhang G.The role 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