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疾病相关基因分析综述
史贵阳
（绍兴文理学院生命科学学院生物091班20号）
摘要：当前生命科学界的一项重大课题————— 人类基因组计划( HGP) 已落下帷幕, 将开始新的时代———— 后基因组时代。随着功能基因组学研究的深入, 各种千差万别生命现象的原因和人类受诸多疾病缠绕的根源也将成为新的研究热点。这其中, 威胁着全球
数亿人生命健康的复杂疾病, 如糖尿病、心脑血管疾病、癌症、帕金森病等将成为人类合力围攻的新堡垒。
关键词：疾病、基因、糖尿病、帕金森病
前言：随着医学科学的发展、社会的进步和人民生活水平的提高，一些既往常见的疾病成为可以预防或治疗的疾病，而糖尿病、癌症、帕金森病成为了主要要预防和治疗的疾病。这些疾病的发生都与基因变异有密切关系，是目前国际上研究的热点。人类基因组计划的完成及相关遗传学技术的广泛应用，为这些疾病基因研究提供了良好的平台，并且已经取得了一系列突破性进展。本文将通过2型糖尿病、帕金森病等来论述疾病与相关基因的分析。
主题：糖尿病是全球性医学难题。1997 年, 世界卫生组织( WHO) 报告, 全球范围内的糖尿病患者高达1. 25亿, 预计这一数字到2025 年将增加到2. 99 亿。我国原是糖尿病低发区, 但近年来其发病率也以惊人的速度激增。我国1994 年的糖尿病发病率竟为1980 年的3 倍。可以预计, 随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的进一步提高, 发病率还将继续升高。由于人口基数大, 我国的糖尿病人总数将会十分惊人, 估计现今的糖尿病总患者人数在
3 000万以上。如不加以有效干预, 今后30 年内, 我国糖尿病患病率将达到5. 0 % ~ 10. 0 %, 届时全国糖尿病患者总数将逾5 000 万, 将占世界各国糖尿病新增人数的首位。因此, 研究糖尿病的病因、发病机理和糖尿病的最佳防治方案已迫在眉睫。对糖尿病的各项研究已进行多年, 也已取得了不小的进展, 但总的来说, 到目前为止糖尿病的发病机制和遗传背景远未搞清, 因此, 研究2 型糖尿病( 2 DM) 的相关基因并在此基础上进一步研究这些相关基因与环境之间的相互关系, 是战胜糖尿病的重要途径。
目前认为普通的2 DM 是一种多基因遗传性疾病, 是否存在一个或几个主效基因( major gene) 目前尚未能肯定。但目前大量的资料表明: 普通型2 DM的遗传背景非常复杂, 它的遗传表现型具有很大的异质性, 其遗传模式与单基因遗传病显然不同, 基本上不符合孟德尔遗传规律。而且环境因素在2 DM的发病上起着十分重要的、有时甚至是决定性作用。这可能提示, 不仅在基因组的某些位点存在结构上( 即DNA 水平上) 的异常, 也可能在基因表达水平上( 基因转录调控即mRNA 水平上) 和表达蛋白的修饰过程中存在多种缺陷所致。在不同组合的多种遗传缺陷的背景下, 多种环境因素通过对某些相关基因表达和表达产物的修饰作用的影响, 而最终导致普通型2 DM 的发生。遗传背景的多样性、环境因素的多样性造成了个体表现型的多样性和异质性。但目前对多基因遗传性复杂性疾病, 明显缺乏正确、全面、合适的技术策略以及家系遗传和疾病的连锁分析法。可以说, 目前所成功定位的1 DM 的相关基因几乎都是采用单基因连锁遗传方式的研究分析方法和策略。因此, 在目前阶段对定位多基因复杂病相关基因应采用何种策略和分析方法本身就是一个非常迫切需解决的研究课题。近年来, 对2 DM 的分子遗传病因作了大量的研究, 但由于存在下述诸多的困难, 进展不大: 具有2 DM 遗传易感性的个体, 由于环境因素的影响, 没有或发病较晚; 具有2 DM 易感基因的个体, 由于生长期过短, 而未表现为临床DM 者; 家系研究, 因收集家系标本存在的各种阻碍和困难, 即使在中国这样的人口大国, 也难于收集到家系连锁相应有效的分析达显著性所需的足够样本; 目前仍缺乏研究、揭示多基因复杂病的基因背景的技术平台、遗传分析软件等研究策略。
糖尿病相关基因定位的策略 ( 1) 候选基因的筛选和克隆( 候选基因策略) 。( 2) 全基因组筛查相关基因作定位克隆( 这两个都是基于单基因疾病研究策略) 。用候选基因策略, 已经筛选过250 个以上的基因, 包括很多的糖尿病有关基因, 如: 细胞胰岛素产生、处理以及分泌的有关基因, 细胞葡萄糖转运代谢有关的基因, 外周靶细胞胰岛素作用糖代谢有关的基因, 调节机体摄取行为有关的基因。但是到目前为止, 还没有找到一个和普通型2 DM 相
关的基因。对定位克隆技术来讲, 家系收集非常重要。良好的家系应该尽可能大, 有良好的发生率而且每代都有一定的患病率。得到家系之后进行连锁分析, 寻找位点, 找到和2 DM 有连锁的位点, 在这个位点上, 组建一些cont ig, 一段一段连起来, 作图( map) , 然后精细作图( fine mapping) , 直至确定位点中的候选基因, 进行突变检测, 从而找到相关基因。
经过初步的全基因组谱筛查, 首次观察到中国华东地区汉族2 DM 与第9 号染色体两个位
点( D9S175 与171) 显著连锁, 提示其间可能存与2 DM 相关基因; 经BMI 分组后第20 号染色体长臂的D20S176 位点显著与低BMI( < 23 kg m2 ) 组相关联,提示其间可能存在与胰岛素分泌有关的基因; 还发现其他连锁性较弱的可能与2 DM 相关的位点。
另一类疾病叫帕金森病，这是一类仅次于阿尔茨海默病的第二大神经退行性疾病, 它是一种黑质纹状体系统多巴胺神经功能受损所致多巴胺与乙酰胆碱平衡失调的一种慢性疾病, 以运动迟缓、静止性震颤和强直为主要特征。其病理改变主要涉及中脑黑质DA能神经元缺失, 残存的神经元变性, 胞浆内出现特征包涵体。大于65 岁的人群中约1%的人患PD[1]。PD 以散发性为主, 约10%~15%呈现家族性。这两者尽管存在临床症状及病理改变的差别, 但也共有许多特征, 比如都出现震颤麻痹和黑质多巴胺神经元退行性病变。2007 年Papapetropoulos 等[2]报道sPD 和fPD 病人呈现相似的运动特征, 暗示了它们之间相似的病理机制。家族性PD 连锁的基因尚不能完全解释散发性PD 的发病机制, 但是这些基因的发现极大地推动了PD 多巴胺神经元退行性病变分子通路的研究。
通过研究一个具有常染色体显性遗传特征的意大利籍美国人家系, 第一个和fPD 相关的基因 -synuclein被定位在染色体4q21-q23 上; 随后从这个家系中鉴定出 -synuclein 基因第一个错义突变A53T(第53 位丙氨酸突变为苏氨酸); 1998 年在一个德国家系中鉴定出 -synuclein 基因的第二个突变体A30P(第30 位丙氨酸突变为脯氨酸); 2004 年在一个西班牙家系中检测出突变体E46K(第46 位谷氨酸突变为赖氨酸)[3]。 -synuclein 基因编码一个140 氨基酸的蛋白,属于突触核蛋白家族。在蛋白氨基端含有一个双亲(亲水, 亲油)区域, 中间含有疏水区, 羧基端为酸性区。 -synuclein 蛋白在哺乳动物脑中广泛表达并且在突触前富集。 -synuclein 蛋白和膜上脂筏相关, 这可能是它定位在突触上的原因。对 -synuclein 突变小鼠的研究暗示其调控突触囊泡再生和多巴胺传递;细胞水平研究显示 -synuclein 蛋白通过保护脂质免受水解而调控脂代谢, 并且调控突触前囊泡库大小; -synuclein 蛋白可以抑制磷脂酶D2 从而在信号传导、细胞骨架动态等方面发挥功能; -synuclein 蛋白抑制酪氨酸羟化酶从而影响酪氨酸向左旋多巴的转变[3]。 -synuclein 被认为在PD 发病过程中发挥核心作用[3,4], 表现在: (1) -synuclein 突变体A53T、A30P、E46K 在不同PD 家系中被鉴定出来; (2) 基因组中 -synuclein 基因重复和PD 发病相关; (3) 纤维状 -synuclein 蛋白是PD 患者Lewy 小体的主要成分。 -synuclein 突变通过获得性功能(gain-of-function)毒性导致PD, 这与其显性遗传性状一致。一般认为 -synuclein 过表达或突变引起 -synuclein 聚集, 从而产生细胞毒性而引起多巴胺神经元坏死; 但有研究者认为 -synuclein 寡聚中间体是其中的毒性成分而不是纤维状-synuclein 聚集体[5]。例如A53T 和A30P 突变体可以促进 -synuclein寡聚化而不是纤维化, 并且这些突变体可能形成环形原纤维, 类似细菌毒素, 暗示它可能异常地增加细胞膜的通透性而造成毒性。 -synuclein 是Lewy 小体的主要成分, 而且 -synuclein 基因的突变可能与fPD 病人黑质纹状体多巴胺能神经元的退行性变有关, 所以人们利用转基因技术, 使野生型或突变型 -synuclein 在小鼠和果蝇中过度表达制备出动物模型来研究PD 发病机制或药物作用机制。转基因小鼠过表达人 -synuclein 产生PD 的一些特征性变化, 包括纹状体多巴胺能神经末梢的减少、 -synuclein 和泛素阳性细胞质包涵体的形成以及运动障碍的出现[6]。在果蝇中表达正常或突变的 -synuclein, 均表现出多巴胺能细胞的减少、细胞内纤维状包涵体的出现以及运动障碍等PD 特征性变化[7]。转基因表达野生型或突变型
-synuclein 的动物模型为研究PD 发病机制提供了重要的条件。2006 年Kuwahara 等[8]在线虫多巴胺神经元中特异过表达野生型或突变型(A30P、A53T)人 -synuclein 基因, 造成线虫多巴胺神经元特异性功能损伤: 多巴胺神经元所控制的对食物的反应下降,并且多巴胺神经元神经突起坏死, 从而引起多巴胺分泌减少。行为学上的缺陷可以通过应用多巴胺而
得到缓解, 显示了和人PD 的相似性。2006 年Vartiainen 等[9]应用过表达人 -synuclein 基因线虫品系进行基因芯片分析, 发现433 个基因上调和67 个基因下调, 其中7 个在泛素-蛋白酶体系统中发挥功能的基因(pdr-1、ubc-7、pas-5、pas-7、pbs-4、RPT2、PSMD9) 表达上调, 35 个在线粒体中发挥功能的基因上调。2008 年Kuwahara 等[10]应用过表达人 -synuclein 基因线虫品系对1 673 个基因进行RNAi筛选, 筛选到10 个基因被干扰后可以特异性的在转基因品系造成运动障碍, 其中包括和胞吞通路相关的4 个基因(apa-2、aps-2、eps-8、rab-7), 显示了胞吞通路和PD 的相关性。总之以过表达人 -synuclein基因为模型研究PD发病机制已经取得了可喜的成绩。
总结：2 DM 的发病、进展, 慢性并发症的形成为多种体内外因素相互作用的综合结果, 必须尽快建立更为适合多基因疾病研究的策略、技术和分析方法,深入开展基因组、转录子组和蛋白质组三个层面, 分子、细胞、生物模式和临床水平的综合研究。而人们对PD 的认识经历了从症状描述, 病理特征, 进而到分子机制的过程, 对其认识逐渐加深。尤其是近代生物学和医学的发展, 使得人们对其的认识深入到分子层次, 发现了许多和PD 相关的基因;并且由于模式动物研究的介入使得这些基因的正常功能以及突变后在PD 发病中的作用有了更进一步的了解, 为彻底阐明PD 发病机制以及最终预防和治疗PD 打下了坚实的基础。然而对于PD 的研究来说这可能还是冰山一角, 可能还有更多的PD 相关基因未被发现, 它们在PD 发病过程中的作用更不清楚, 这些基因组成的相关网络通路也有待阐明。但是随着研究的进一步深入, 相信未来人们一定可以彻底了解PD, 并最终战胜它。
参考文献
[1] Lang AE, Lozano AM. Parkinson’s disease. First of two parts. N Engl J Med, 1998, 339(15): 1044–1053.
[2] Papapetropoulos S, Adi N, Ellul J, Argyriou AA, Chroni E. A prospective study of familial versus sporadic Parkinson's disease. Neurodegener Dis, 2007, 4(6): 424–427.
[3] Moore DJ, West AB, Dawson VL, Dawson TM. Molecular pathophysiology of Parkinson's disease. Annu Rev Neurosci, 2005, 28: 57–87.
[4] Farrer MJ. Genetics of Parkinson disease: paradigm shifts and future prospects. Nat Rev Genet, 2006, 7(4): 306–318.
[5] van der Putten H, Wiederhold KH, Probst A, Barbieri S, Mistl C, Danner S, Kauffmann S, Hofele K, Spooren WP, Ruegg MA, Lin S, Caroni P, Sommer B, Tolnay M, Bilbe G. Neuropathology in mice expressing human alpha-synu clein. J Neurosci, 2000, 20(16): 6021–6029.
[6] Feany MB, Bender WW. A Drosophila model of Parkinson's disease. Nature, 2000, 404(6776): 394–398.
[7] Kuwahara T, Koyama A, Gengyo-Ando K, Masuda M, Kowa H, Tsunoda M, Mitani S, Iwatsubo T. Familial Parkinson mutant alpha-synuclein causes dopamine neuron dysfunction in transgenic Caenorhabditis elegans. J Biol Chem, 2006, 281 (1): 334–340.
[8] Vartiainen S, Pehkonen P, Lakso M, Nass R, Wong G. Identification of gene expression changes in transgenic C. elegans overexpressing human alpha-synuclein. Neurobiol Dis, 2006, 22(3): 477–486.
[9] Kuwahara T, Koyama A, Koyama S, Yoshina S, Ren CH, Kato T, Mitani S, Iwatsubo T. A systematic RNAi screen reveals involvement of endocytic pathway in neuronal dysfunction in alpha-synuclein transgenic C. elegans. Hum Mol Genet, 2008, 17(19): 2997–3009.

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