Cockayne綜合征衰老機制及其治療進展

胡麗竹，王靜，王秋紅，陳海旭，鄒麗萍,6*

(中國人民解放軍總醫(yī)院：1研究生院，2兒科醫(yī)學(xué)部，3第一醫(yī)學(xué)中心兒科，4國家老年疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，5第二醫(yī)學(xué)中心老年醫(yī)學(xué)研究所，北京 100853；6首都醫(yī)科大學(xué)腦重大疾病研究中心，北京腦重大疾病研究院，北京 100069)

早衰癥是一組以加速衰老為特征的罕見遺傳病，由編碼核層結(jié)構(gòu)、DNA修復(fù)、維持基因組穩(wěn)定性及線粒體功能等細胞過程所需蛋白的基因突變引起，主要包括Cockayne綜合征(Cockayne syndrome，CS)、成人早衰癥(Werner syndrome，WS)、著色性干皮病(Xroderma pigmentosa，XP)及兒童早衰癥(Hutchinson-Gilford progeria syndrome，HGPS)等[1]。CS作為一種廣義上的“早衰癥”，是研究衰老機制的自然疾病模型，于1936年由Cockayne首次報道，以皮膚光過敏、生長發(fā)育障礙、視聽覺功能減退、神經(jīng)系統(tǒng)受累為典型表現(xiàn)，平均壽命約12歲，全球患病率約為2.5/100萬[2]，中國人群尚無患病率研究。DNA損傷和線粒體功能障礙是與年齡相關(guān)疾病及加速衰老的兩個重要因素。既往認為CS衰老的機制主要與CSA、CSB基因突變致轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)核苷酸切除修復(fù)及轉(zhuǎn)錄缺陷相關(guān)，近年研究表明堿基切除修復(fù)及線粒體功能障礙在CS發(fā)病中可能也起關(guān)鍵作用[3]。本文對Cockayne綜合征在各系統(tǒng)器官衰老方面的表現(xiàn)，及導(dǎo)致衰老進程加速的發(fā)病機制進行綜述，探討Cockayne綜合征可能的干預(yù)策略。

1 CS的早衰特征

(1)蒼老面容：皮膚皺紋、老化、皮下脂肪丟失，頭發(fā)干細，毛發(fā)脫落。(2)進行性神經(jīng)性耳聾：多從高頻感音受損開始，逐漸進展至聽力喪失。(3)進行性視覺障礙：視網(wǎng)膜色素性沉著，可出現(xiàn)視網(wǎng)膜出血和萎縮。約半數(shù)患者出現(xiàn)白內(nèi)障，可出現(xiàn)干眼癥、角膜混濁、玻璃體渾濁等。(4)神經(jīng)系統(tǒng)退行性變：進行性腦萎縮、癡呆、震顫、共濟失調(diào)、構(gòu)音障礙、腦血管病變、周圍神經(jīng)退行性變等。(5)心血管出現(xiàn)動脈粥樣硬化、高血壓、心功能衰竭。(6)蛋白尿、尿酸升高逐漸進展為慢性腎功能不全。(7)運動功能倒退，肌肉萎縮、關(guān)節(jié)攣縮。CS患者的多系統(tǒng)衰老逐年進展，約10年左右可危及生命[2]。

2 自然衰老與DNA損傷、線粒體功能障礙的相關(guān)性

衰老是隨年齡增長而發(fā)生的自然現(xiàn)象，其特征是細胞和組織及器官功能逐漸退化而導(dǎo)致代謝綜合征、神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病和癌癥等許多與年齡相關(guān)疾病易感性及死亡風(fēng)險的增加[4]。細胞衰老是因各種影響細胞正常功能發(fā)揮的過程可導(dǎo)致的細胞周期不可逆停滯，是衰老的基礎(chǔ)，端?？s短、核DNA突變、線粒體功能障礙和氧化損傷均可促進衰老，而DNA突變及損傷修復(fù)效率下降和線粒體自噬缺陷是衰老的兩個重要決定因素[5]。

2.1 DNA損傷及修復(fù)缺陷被認為是衰老的關(guān)鍵因素之一

細胞DNA不斷遭受各種內(nèi)、外源性損傷并引發(fā)各種突變，激活DNA損傷反應(yīng)途徑通過多種機制進行修復(fù)。隨著年齡的增長，損傷導(dǎo)致突變積累形成衰老的分子基礎(chǔ)，修復(fù)基因缺陷引發(fā)的早衰癥表現(xiàn)出加劇衰老，表明了DNA損傷與衰老之間的聯(lián)系[6]。內(nèi)源性DNA損傷是基因組不穩(wěn)定因素主要來源，基因組不穩(wěn)定直接導(dǎo)致線粒體DNA復(fù)制缺陷和修復(fù)失敗，進一步引發(fā)線粒體功能障礙，導(dǎo)致細胞酶活性的降低及細胞呼吸受損，誘導(dǎo)細胞凋亡導(dǎo)致組織器官功能下降。核DNA受損致細胞衰老還能升高細胞核外DNA水平，激活干擾素基因刺激物介導(dǎo)與衰老相關(guān)的持續(xù)炎癥，進一步促進細胞衰老和死亡[7]。

2.2 線粒體功能障礙可能是引發(fā)衰老的始發(fā)環(huán)節(jié)

線粒體是調(diào)節(jié)能量和代謝穩(wěn)態(tài)的核心，細胞通過新線粒體的產(chǎn)生和受損線粒體的去除調(diào)節(jié)線粒體結(jié)構(gòu)和數(shù)量以維持線粒體正常功能，線粒體功能紊亂可能是衰老及相關(guān)疾病的始發(fā)環(huán)節(jié)。線粒體產(chǎn)生能量同時伴活性氧自由基水平升高，正常老化過程中細胞氧化應(yīng)激反應(yīng)及抗氧化能力處于平衡狀態(tài)，當(dāng)活性氧自由基增加超過某個閾值，打破平衡導(dǎo)致嚴(yán)重線粒體功能障礙，而功能失調(diào)的線粒體又會加劇氧化應(yīng)激負荷，二者相互促進而引起細胞的凋亡及死亡[8]。線粒體自噬是功能失調(diào)的線粒體被靶向降解并回收利用的過程，受線粒體分裂和融合的調(diào)控[9]。研究發(fā)現(xiàn)，線粒體自噬隨年齡增長而減少，被認為是與年齡相關(guān)疾病發(fā)生和惡化的關(guān)鍵機制，是衰老過程的標(biāo)志[10]。線粒體自噬缺陷導(dǎo)致受損線粒體累積及線粒體功能障礙，代謝效率低下及活性氧增加，進一步加重DNA損傷，促進細胞凋亡而致衰老[5]。

3 CS的早衰致病機制

3.1 CS與核苷酸切除修復(fù)障礙及轉(zhuǎn)錄缺陷有關(guān)

CS既往被認為是一種核苷酸切除修復(fù)(nucleotide excision repair，NER)障礙疾病，超過90%因CSA或CSB基因突變所致。NER是細胞修復(fù)因各種不同因素導(dǎo)致DNA螺旋扭曲損傷的一種重要方式，其復(fù)雜過程涉及30多種蛋白質(zhì)，其中，CSA(Cockayne syndrome type A)、CSB(Cockayne syndrome type B)蛋白可以識別活躍轉(zhuǎn)錄鏈上的損傷，主要在NER通路的轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)核苷酸切除修復(fù)亞通路中發(fā)揮關(guān)鍵作用[11]。CSA或CSB基因突變致細胞無法修復(fù)基因活躍轉(zhuǎn)錄鏈損傷，經(jīng)紫外線照射后CS細胞RNA合成恢復(fù)率下降，患者表現(xiàn)出皮膚光敏性[12]。此外，有證據(jù)表明轉(zhuǎn)錄缺陷在CS中起重要作用，CSB蛋白依賴的RNA聚合酶停滯影響下游的轉(zhuǎn)錄，患者表現(xiàn)出嚴(yán)重的生長發(fā)育障礙和神經(jīng)發(fā)育缺陷[13]。然而，轉(zhuǎn)錄和NER障礙仍不能完全解釋CS神經(jīng)系統(tǒng)退化方面的癥狀。

3.2 DNA堿基切除修復(fù)在CS中起關(guān)鍵作用

新的研究表明，CSA、CSB蛋白除了在NER通路中維持正常NER及轉(zhuǎn)錄的重要作用外，還通過堿基切除修復(fù)(base excision repair，BER)在CS中起關(guān)鍵作用[14]。BER通過一組糖基化酶來識別和處理特定蛋白氧化性堿基損傷，是DNA修復(fù)氧化及烷基化損傷的一種重要方式[15]。研究表明，NER和BER途徑的一些蛋白質(zhì)在去除氧化損傷方面發(fā)揮協(xié)同作用，CSB蛋白對NER的DNA損傷識別階段很關(guān)鍵，其賴氨酸泛素化位點對氧化性損傷特別敏感，具有三磷酸腺苷酶活性，可調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能[16]。CSB蛋白可提高BER去除氧化損傷修復(fù)效率，細胞中CSB蛋白功能缺陷時，BER修復(fù)效率降低，導(dǎo)致氧化損傷負荷增加，進而引起線粒體功能紊亂并加速CS患者衰老[16]。

3.3 線粒體功能障礙是CS衰老特征的主要驅(qū)動因素

CS臨床特征與線粒體疾病臨床表現(xiàn)非常相似，且研究證據(jù)表明，CS患者腦組織、CS小鼠和線蟲模型中均有線粒體功能障礙存在，并認為其是CS加速衰老的主要驅(qū)動因素[17]。CSA、CSB蛋白通過輔酶Ⅰ信號傳導(dǎo)通路在維持線粒體穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)炎癥引發(fā)氧化應(yīng)激使髓鞘脂質(zhì)過氧化而損傷神經(jīng)元DNA，激活促凋亡途徑，導(dǎo)致髓鞘異常和神經(jīng)元細胞死亡[18]。DNA修復(fù)缺陷引起聚二磷酸腺苷核糖聚合酶Ⅰ異常激活及輔酶Ⅰ的消耗增加，輔酶Ⅰ依賴性脫乙酰酶沉默調(diào)節(jié)蛋白活性降低導(dǎo)致線粒體功能障礙[17]。線粒體功能障礙不僅影響細胞代謝，還可通過損傷相關(guān)分子模式引發(fā)炎癥反應(yīng)，進一步促進神經(jīng)元變性和死亡[19]。另外，CSA、CSB突變還可通過影響核糖體生物合成、核糖體蛋白穩(wěn)定性及蛋白質(zhì)折疊而影響線粒體功能及轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和細胞凋亡，加速衰老[20]。

4 CS治療的研究進展

CS目前無有效治療方案，多以改善患者生活質(zhì)量的對癥支持治療為主，最近有報道對患者腦深部核團電刺激手術(shù)可以減輕患者震顫等運動障礙[21]，而針對病因的治療策略多以衰老機制涉及的線粒體功能障礙和DNA損傷修復(fù)為靶點，但目前均處于細胞或動物模型研究階段。

4.1 改善線粒體功能為靶點的研究

補充輔酶Ⅰ及其前體如煙酰胺和煙酰胺單核苷酸等可以糾正缺乏CSA或CSB蛋白的原代細胞中的線粒體動力學(xué)障礙和線粒體自噬缺陷，恢復(fù)線粒體穩(wěn)態(tài)，顯著改善CS線蟲健康并延長其壽命[17]，還能逆轉(zhuǎn)CS小鼠動物模型與CS相關(guān)的聽力受損[22]。神經(jīng)元能量代謝和線粒體穩(wěn)態(tài)的失調(diào)與CS患者的神經(jīng)系統(tǒng)損害相關(guān)，腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)是一種可以調(diào)節(jié)線粒體穩(wěn)態(tài)，增強神經(jīng)元突觸之間信息傳遞，參與神經(jīng)元分化的神經(jīng)營養(yǎng)因子，在神經(jīng)退行性變中發(fā)揮重要作用，用BDNF可減少CS細胞系中因CSB蛋白功能缺失導(dǎo)致的一些神經(jīng)發(fā)生缺陷[23]。CS細胞對氧化應(yīng)激高度敏感，絲氨酸蛋白酶通過降解線粒體DNA聚合酶γ導(dǎo)致線粒體功能受損，CSA、CSB蛋白可下調(diào)絲氨酸蛋白酶的表達以維持線粒體功能，在體外通過絲氨酸蛋白酶抑制劑或活性氧清除劑錳苯甲酸卟啉治療改變氧化酶和抗氧化劑的表達，從而影響絲氨酸蛋白酶的靶向受體，可以恢復(fù)線粒體的正常功能，在進一步研究中有望減緩CS患者的衰老[24]。

4.2 修復(fù)DNA損傷為靶點的研究

有研究發(fā)現(xiàn)氧化應(yīng)激可導(dǎo)致由CSB基因突變型CS患者的皮膚成纖維細胞生成的誘導(dǎo)多能干細胞(induced pluripotent stem cell，IPSC)的過早衰老[25]。維生素C作為抗氧化劑可降低端粒的縮短速率，還可影響DNA損傷修復(fù)等過程相關(guān)基因的表達，延長正常人和WS患者成纖維細胞的復(fù)制壽命[26]，有治療CS的潛力。也有報道天然生物類黃酮的槲皮素具有強抗氧化能力及穩(wěn)定異染色質(zhì)和抑制逆轉(zhuǎn)錄酶活性，研究發(fā)現(xiàn)低劑量槲皮素可促進細胞自我更新和分化及部分恢復(fù)異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)而延緩早衰癥細胞模型的衰老[27]。靶向校正CSB基因，可緩解由CS患者IPSC分化的間充質(zhì)干細胞中的早衰表型[25]，這些促進DNA損傷修復(fù)為靶點的研究可以為CS的治療提供新思路及方案。

4.3 干細胞治療的研究

衰老伴隨著身體機能和免疫功能的下降，與干細胞耗竭有關(guān)。成體干細胞是維持機體器官生長和新陳代謝的動力，對人體自我修復(fù)和組織再生至關(guān)重要，是機體修復(fù)衰老退行性變最重要、最基本的生物單位[28]。近年來，干細胞治療緩解衰老是研究的熱點。部分應(yīng)用于臨床的研究發(fā)現(xiàn)間充質(zhì)干細胞治療可減少細胞凋亡、維持組織細胞生長和活力，對退行性疾病如心血管疾病、骨關(guān)節(jié)炎、肌肉萎縮癥和多發(fā)性硬化癥等神經(jīng)退行性疾病有改善衰老相關(guān)的病理生理變化的作用[29]。國外開展的異體間充質(zhì)干細胞治療老年衰弱的Ⅰ期和Ⅱ期臨床試驗中發(fā)現(xiàn)靜脈輸注干細胞治療能改善患者體能及肺功能等身體機能指標(biāo)，提高生活質(zhì)量，且能降低血清炎癥因子腫瘤壞死因子-α的表達水平、減少T細胞的活化、調(diào)節(jié)免疫功能，表明干細胞治療在改善衰老和虛弱方面的安全性及有效性[30]。這些研究顯示了干細胞療法對衰老干預(yù)的巨大潛能，為CS衰老的治療開辟了新方向。

5 小 結(jié)

CS是一種表現(xiàn)為加速衰老的遺傳病，NER及轉(zhuǎn)錄缺陷是其致病的重要因素，同時BER及線粒體功能障也發(fā)揮關(guān)鍵作用。CS作為早衰癥之一，是研究衰老機制的自然疾病模型，針對線粒體功能障礙及DNA損傷修復(fù)為干預(yù)靶點的治療是CS病因治療的研究熱點，而新興的干細胞療法可能為延緩CS衰老提供新策略。