APE1与APE2在基因组稳定性维持和癌症治疗靶向中的对比作用机制研究

《NAR Cancer》：Contrasting roles of APE1 and APE2 in genome maintenance, cancer development, and therapeutic targeting

本刊特邀编辑推荐：为解决DNA损伤修复中AP位点处理机制不明及癌症治疗耐药性问题，研究人员开展了APE1与APE2功能对比研究。结果表明APE1主导BER通路修复并调控转录因子氧化还原状态，而APE2通过PCNA依赖性核酸酶活性协调复制应激响应。该研究为BRCA突变癌症的合成致死疗法提供了新靶点，对精准肿瘤学发展具有重要意义。

　　

当我们每天醒来，身体里的每个细胞都在与内外环境的威胁作斗争。内源性因素如活性氧分子，外源性因素如紫外线辐射，不断挑战着基因组的完整性。其中，脱嘌呤/脱嘧啶(AP)位点尤为常见，每个细胞每天约产生10,000个这样的损伤。如果得不到及时修复，这些损伤将导致基因组不稳定，进而引发癌症等一系列疾病。

哺乳动物细胞拥有复杂的DNA损伤修复网络，其中碱基切除修复(BER)通路专门负责处理小范围的碱基损伤。在这个通路中，AP核酸内切酶扮演着关键角色。人类拥有两个重要的AP核酸内切酶——APE1和APE2，它们虽然同属于核酸外切酶III家族，却在功能上各司其职。APE1是主要的AP位点内切酶，承担了95%以上的AP位点修复任务，同时还具有独特的氧化还原调控功能。而APE2则表现出PCNA依赖性的3'-5'核酸外切酶和3'-磷酸二酯酶活性，在微同源介导的末端连接和ATR-Chk1信号通路激活中发挥重要作用。

这两种酶在癌症中常常出现异常表达。APE1在多种肿瘤中过度表达，与基因组不稳定性、治疗抵抗和不良预后密切相关。APE2同样在多种恶性肿瘤中上调，特别是在BRCA缺陷的癌症中帮助细胞应对复制应激。近年来研究发现，抑制APE1或APE2在HR缺陷的癌症中能够产生合成致死效应，这使得它们成为极具潜力的治疗靶点。

然而，科学界对这两个酶的理解仍存在重要空白。APE2的全长结构尚未解析，APE1无序的N端尾部的功能也有待阐明，针对APE1和APE2的亚型特异性抑制剂仍然缺乏，它们在免疫球蛋白多样化等特殊过程中的相互作用机制也不完全清楚。正是这些未解之谜，促使Memorial Sloan Kettering癌症中心的研究团队开展了这项系统性的综述研究，相关成果发表在《NAR Cancer》期刊上。

研究人员通过整合结构生物学、生物化学和细胞生物学等多学科证据，系统阐述了APE1和APE2在基因组维持和癌症发生发展中的对比作用。研究主要基于文献荟萃分析，重点考察了两种酶的结构特征、酶学活性、生物学功能及其在癌症治疗中的应用前景。

结构研究显示，APE1是一个约35 kDa的蛋白质，其N端尾部(1-42位氨基酸)负责氧化还原活性，而C端结构域采用保守的EEP折叠，携带AP核酸内切酶活性位点。低温电子显微镜研究揭示了APE1通过DNA重塑机制弯曲DNA并将AP位点翻转进入活性位点的精细过程。相比之下，APE2是一个约60 kDa的蛋白质，除了N端的EEP催化结构域外，还包含一个C端锌指结构域和一个含有PCNA相互作用蛋白(PIP)基序的柔性区域。

在酶学活性方面，APE1表现出强大的内切酶活性，催化效率达到100 s^-1μM^-1，每秒能切割约700个AP位点。而APE2的内切酶活性较弱，仅贡献约7%的AP位点切口活性，但其3'-5'核酸外切酶活性在PCNA结合后显著增强。两种酶都具备3'-磷酸二酯酶活性，但APE1的这一活性效率较低，而APE2在PCNA存在下能够有效处理复杂的3'末端损伤。

生物功能

APE1作为BER通路的核心参与者，通过短片段和长片段两种修复方式维护基因组稳定性。其独特的氧化还原功能通过关键半胱氨酸残基调节转录因子如AP-1、NF-κB、HIF-1α和p53的活性。此外，APE1还能结合G4结构，通过促进G4折叠和转录机器招募来调控基因表达。最近研究发现，APE1还能通过形成核仁凝聚物激活ATM依赖的DNA损伤响应信号通路。

APE2则在微同源介导的末端连接(MMEJ)和单链断裂修复中发挥重要作用。在生殖中心B细胞中，APE2通过易错修复机制促进体细胞高频突变(SHM)，而APE1则主要参与类别转换重组(CSR)。特别值得注意的是，APE1和APE2在ATR/ATRIP检查点激活中呈现顺序作用模式：APE1起始切除并招募ATRIP，APE2则扩展切除并放大ATR激活信号。

癌症病因学

临床数据显示，APE1在前列腺癌、肺癌、卵巢癌等多种癌症中过度表达，且与化疗抵抗和不良预后相关。其过度表达可能帮助癌细胞应对高负荷的AP位点和基因毒性应激。同时，APE1的氧化还原功能通过调节HIF-1α、NF-κB等重要转录因子，影响肿瘤血管生成、增殖和免疫逃逸等过程。

APE2同样在多种癌症中异常表达，在肝细胞癌、前列腺癌和胰腺癌中呈现上调趋势。功能上，APE2通过促进易错修复和复制应激耐受来维持肿瘤生长。值得注意的是，APE2的表达与患者生存率的关系表现出组织特异性，在某些癌症中高表达反而与较好预后相关。

治疗靶向

合成致死概念的提出为APE1和APE2的靶向治疗提供了理论依据。在BRCA1/2缺陷细胞中，APE1缺失导致AP位点积累，而APE2缺失则阻碍3'末端损伤处理，两者都能引发致命的复制叉崩溃。基于这一原理，多个APE1抑制剂已进入研发阶段。

针对APE1内切酶活性的抑制剂包括CRT0044876、甲氧胺和Lucanthone等，它们通过不同机制阻断APE1的修复功能。而针对氧化还原功能的抑制剂如APX3330已进入II期临床试验，显示出良好的安全性和生物活性。第二代的APX2009等化合物在保持抗肿瘤活性的同时，还能保护正常神经元免受顺铂毒性。

APE2的靶向治疗尚处于起步阶段，但已有研究发现天然产物雷公藤红素能够抑制APE2的ssDNA结合和核酸外切酶功能。考虑到APE2在HR缺陷肿瘤中的合成致死效应，开发特异性APE2抑制剂具有重要临床意义。

研究结论与展望

本研究系统阐述了APE1和APE2在基因组维持和癌症治疗中的对比作用。APE1作为催化主导的修复酶，通过BER通路和氧化还原调控维持基因组稳定性；而APE2则作为PCNA依赖的信号核酸酶，专门应对复制应激相关损伤。两种酶在癌症中的异常表达反映了肿瘤细胞对复制应激和氧化损伤的适应性反应。

未来的研究方向应包括解析APE2的全长结构，阐明其与PCNA的协同作用机制；开发亚型特异性抑制剂，充分利用APE1/APE2与BRCA缺陷的合成致死关系；探索APE1/APE2表达水平作为生物标志物在患者分层中的应用价值。特别值得关注的是，近期在拟南芥中的研究发现APE2参与主动DNA去甲基化过程，提示其在哺乳动物表观遗传调控中可能也具有类似功能。

随着精准医疗时代的到来，针对DNA损伤修复通路的靶向治疗已成为癌症治疗的重要策略。APE1和APE2作为这一领域的新兴靶点，其独特的功能特性和合成致死效应为克服化疗耐药性和拓展治疗窗口提供了新的机遇。这项研究不仅深化了我们对DNA损伤修复机制的理解，也为开发新型抗癌药物奠定了重要理论基础。