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疾病相關基因分析綜述
史貴陽
（紹興文理學院生命科學學院生物091班20號）
摘要：當前生命科學界的一項重大課題————— 人類基因組計劃( HGP) 已落下帷幕, 將開始新的時代———— 后基因組時代。隨著功能基因組學研究的深入, 各種千差萬別生命現象的原因和人類受諸多疾病纏繞的根源也將成為新的研究熱點。這其中, 威脅著全球
數億人生命健康的復雜疾病, 如糖尿病、心腦血管疾病、癌癥、帕金森病等將成為人類合力圍攻的新堡壘。
關鍵詞：疾病、基因、糖尿病、帕金森病
前言：隨著醫學科學的發展、社會的進步和人民生活水平的提高，一些既往常見的疾病成為可以預防或治療的疾病，而糖尿病、癌癥、帕金森病成為了主要要預防和治療的疾病。這些疾病的發生都與基因變異有密切關系，是目前國際上研究的熱點。人類基因組計劃的完成及相關遺傳學技術的廣泛應用，為這些疾病基因研究提供了良好的平臺，并且已經取得了一系列突破性進展。本文將通過2型糖尿病、帕金森病等來論述疾病與相關基因的分析。
主題：糖尿病是全球性醫學難題。1997 年, 世界衛生組織( WHO) 報告, 全球范圍內的糖尿病患者高達1. 25億, 預計這一數字到2025 年將增加到2. 99 億。我國原是糖尿病低發區, 但近年來其發病率也以驚人的速度激增。我國1994 年的糖尿病發病率竟為1980 年的3 倍。可以預計, 隨著我國國民經濟的快速發展和人民生活水平的進一步提高, 發病率還將繼續升高。由于人口基數大, 我國的糖尿病人總數將會十分驚人, 估計現今的糖尿病總患者人數在
3 000萬以上。如不加以有效干預, 今后30 年內, 我國糖尿病患病率將達到5. 0 % ~ 10. 0 %, 屆時全國糖尿病患者總數將逾5 000 萬, 將占世界各國糖尿病新增人數的首位。因此, 研究糖尿病的病因、發病機理和糖尿病的最佳防治方案已迫在眉睫。對糖尿病的各項研究已進行多年, 也已取得了不小的進展, 但總的來說, 到目前為止糖尿病的發病機制和遺傳背景遠未搞清, 因此, 研究2 型糖尿病( 2 DM) 的相關基因并在此基礎上進一步研究這些相關基因與環境之間的相互關系, 是戰勝糖尿病的重要途徑。
目前認為普通的2 DM 是一種多基因遺傳性疾病, 是否存在一個或幾個主效基因( major gene) 目前尚未能肯定。但目前大量的資料表明: 普通型2 DM的遺傳背景非常復雜, 它的遺傳表現型具有很大的異質性, 其遺傳模式與單基因遺傳病顯然不同, 基本上不符合孟德爾遺傳規律。而且環境因素在2 DM的發病上起著十分重要的、有時甚至是決定性作用。這可能提示, 不僅在基因組的某些位點存在結構上( 即DNA 水平上) 的異常, 也可能在基因表達水平上( 基因轉錄調控即mRNA 水平上) 和表達蛋白的修飾過程中存在多種缺陷所致。在不同組合的多種遺傳缺陷的背景下, 多種環境因素通過對某些相關基因表達和表達產物的修飾作用的影響, 而最終導致普通型2 DM 的發生。遺傳背景的多樣性、環境因素的多樣性造成了個體表現型的多樣性和異質性。但目前對多基因遺傳性復雜性疾病, 明顯缺乏正確、全面、合適的技術策略以及家系遺傳和疾病的連鎖分析法。可以說, 目前所成功定位的1 DM 的相關基因幾乎都是采用單基因連鎖遺傳方式的研究分析方法和策略。因此, 在目前階段對定位多基因復雜病相關基因應采用何種策略和分析方法本身就是一個非常迫切需解決的研究課題。近年來, 對2 DM 的分子遺傳病因作了大量的研究, 但由于存在下述諸多的困難, 進展不大: 具有2 DM 遺傳易感性的個體, 由于環境因素的影響, 沒有或發病較晚; 具有2 DM 易感基因的個體, 由于生長期過短, 而未表現為臨床DM 者; 家系研究, 因收集家系標本存在的各種阻礙和困難, 即使在中國這樣的人口大國, 也難于收集到家系連鎖相應有效的分析達顯著性所需的足夠樣本; 目前仍缺乏研究、揭示多基因復雜病的基因背景的技術平臺、遺傳分析軟件等研究策略。
糖尿病相關基因定位的策略 ( 1) 候選基因的篩選和克隆( 候選基因策略) 。( 2) 全基因組篩查相關基因作定位克隆( 這兩個都是基于單基因疾病研究策略) 。用候選基因策略, 已經篩選過250 個以上的基因, 包括很多的糖尿病有關基因, 如: 細胞胰島素產生、處理以及分泌的有關基因, 細胞葡萄糖轉運代謝有關的基因, 外周靶細胞胰島素作用糖代謝有關的基因, 調節機體攝取行為有關的基因。但是到目前為止, 還沒有找到一個和普通型2 DM 相
關的基因。對定位克隆技術來講, 家系收集非常重要。良好的家系應該盡可能大, 有良好的發生率而且每代都有一定的患病率。得到家系之后進行連鎖分析, 尋找位點, 找到和2 DM 有連鎖的位點, 在這個位點上, 組建一些cont ig, 一段一段連起來, 作圖( map) , 然后精細作圖( fine mapping) , 直至確定位點中的候選基因, 進行突變檢測, 從而找到相關基因。
經過初步的全基因組譜篩查, 首次觀察到中國華東地區漢族2 DM 與第9 號染色體兩個位
點( D9S175 與171) 顯著連鎖, 提示其間可能存與2 DM 相關基因; 經BMI 分組后第20 號染色體長臂的D20S176 位點顯著與低BMI( < 23 kg m2 ) 組相關聯,提示其間可能存在與胰島素分泌有關的基因; 還發現其他連鎖性較弱的可能與2 DM 相關的位點。
另一類疾病叫帕金森病，這是一類僅次于阿爾茨海默病的第二大神經退行性疾病, 它是一種黑質紋狀體系統多巴胺神經功能受損所致多巴胺與乙酰膽堿平衡失調的一種慢性疾病, 以運動遲緩、靜止性震顫和強直為主要特征。其病理改變主要涉及中腦黑質DA能神經元缺失, 殘存的神經元變性, 胞漿內出現特征包涵體。大于65 歲的人群中約1%的人患PD[1]。PD 以散發性為主, 約10%~15%呈現家族性。這兩者盡管存在臨床癥狀及病理改變的差別, 但也共有許多特征, 比如都出現震顫麻痹和黑質多巴胺神經元退行性病變。2007 年Papapetropoulos 等[2]報道sPD 和fPD 病人呈現相似的運動特征, 暗示了它們之間相似的病理機制。家族性PD 連鎖的基因尚不能完全解釋散發性PD 的發病機制, 但是這些基因的發現極大地推動了PD 多巴胺神經元退行性病變分子通路的研究。
通過研究一個具有常染色體顯性遺傳特征的意大利籍美國人家系, 第一個和fPD 相關的基因 -synuclein被定位在染色體4q21-q23 上; 隨后從這個家系中鑒定出 -synuclein 基因第一個錯義突變A53T(第53 位丙氨酸突變為蘇氨酸); 1998 年在一個德國家系中鑒定出 -synuclein 基因的第二個突變體A30P(第30 位丙氨酸突變為脯氨酸); 2004 年在一個西班牙家系中檢測出突變體E46K(第46 位谷氨酸突變為賴氨酸)[3]。 -synuclein 基因編碼一個140 氨基酸的蛋白,屬于突觸核蛋白家族。在蛋白氨基端含有一個雙親(親水, 親油)區域, 中間含有疏水區, 羧基端為酸性區。 -synuclein 蛋白在哺乳動物腦中廣泛表達并且在突觸前富集。 -synuclein 蛋白和膜上脂筏相關, 這可能是它定位在突觸上的原因。對 -synuclein 突變小鼠的研究暗示其調控突觸囊泡再生和多巴胺傳遞;細胞水平研究顯示 -synuclein 蛋白通過保護脂質免受水解而調控脂代謝, 并且調控突觸前囊泡庫大小; -synuclein 蛋白可以抑制磷脂酶D2 從而在信號傳導、細胞骨架動態等方面發揮功能; -synuclein 蛋白抑制酪氨酸羥化酶從而影響酪氨酸向左旋多巴的轉變[3]。 -synuclein 被認為在PD 發病過程中發揮核心作用[3,4], 表現在: (1) -synuclein 突變體A53T、A30P、E46K 在不同PD 家系中被鑒定出來; (2) 基因組中 -synuclein 基因重復和PD 發病相關; (3) 纖維狀 -synuclein 蛋白是PD 患者Lewy 小體的主要成分。 -synuclein 突變通過獲得性功能(gain-of-function)毒性導致PD, 這與其顯性遺傳性狀一致。一般認為 -synuclein 過表達或突變引起 -synuclein 聚集, 從而產生細胞毒性而引起多巴胺神經元壞死; 但有研究者認為 -synuclein 寡聚中間體是其中的毒性成分而不是纖維狀-synuclein 聚集體[5]。例如A53T 和A30P 突變體可以促進 -synuclein寡聚化而不是纖維化, 并且這些突變體可能形成環形原纖維, 類似細菌毒素, 暗示它可能異常地增加細胞膜的通透性而造成毒性。 -synuclein 是Lewy 小體的主要成分, 而且 -synuclein 基因的突變可能與fPD 病人黑質紋狀體多巴胺能神經元的退行性變有關, 所以人們利用轉基因技術, 使野生型或突變型 -synuclein 在小鼠和果蠅中過度表達制備出動物模型來研究PD 發病機制或藥物作用機制。轉基因小鼠過表達人 -synuclein 產生PD 的一些特征性變化, 包括紋狀體多巴胺能神經末梢的減少、 -synuclein 和泛素陽性細胞質包涵體的形成以及運動障礙的出現[6]。在果蠅中表達正常或突變的 -synuclein, 均表現出多巴胺能細胞的減少、細胞內纖維狀包涵體的出現以及運動障礙等PD 特征性變化[7]。轉基因表達野生型或突變型
-synuclein 的動物模型為研究PD 發病機制提供了重要的條件。2006 年Kuwahara 等[8]在線蟲多巴胺神經元中特異過表達野生型或突變型(A30P、A53T)人 -synuclein 基因, 造成線蟲多巴胺神經元特異性功能損傷: 多巴胺神經元所控制的對食物的反應下降,并且多巴胺神經元神經突起壞死, 從而引起多巴胺分泌減少。行為學上的缺陷可以通過應用多巴胺而
得到緩解, 顯示了和人PD 的相似性。2006 年Vartiainen 等[9]應用過表達人 -synuclein 基因線蟲品系進行基因芯片分析, 發現433 個基因上調和67 個基因下調, 其中7 個在泛素-蛋白酶體系統中發揮功能的基因(pdr-1、ubc-7、pas-5、pas-7、pbs-4、RPT2、PSMD9) 表達上調, 35 個在線粒體中發揮功能的基因上調。2008 年Kuwahara 等[10]應用過表達人 -synuclein 基因線蟲品系對1 673 個基因進行RNAi篩選, 篩選到10 個基因被干擾后可以特異性的在轉基因品系造成運動障礙, 其中包括和胞吞通路相關的4 個基因(apa-2、aps-2、eps-8、rab-7), 顯示了胞吞通路和PD 的相關性。總之以過表達人 -synuclein基因為模型研究PD發病機制已經取得了可喜的成績。
總結：2 DM 的發病、進展, 慢性并發癥的形成為多種體內外因素相互作用的綜合結果, 必須盡快建立更為適合多基因疾病研究的策略、技術和分析方法,深入開展基因組、轉錄子組和蛋白質組三個層面, 分子、細胞、生物模式和臨床水平的綜合研究。而人們對PD 的認識經歷了從癥狀描述, 病理特征, 進而到分子機制的過程, 對其認識逐漸加深。尤其是近代生物學和醫學的發展, 使得人們對其的認識深入到分子層次, 發現了許多和PD 相關的基因;并且由于模式動物研究的介入使得這些基因的正常功能以及突變后在PD 發病中的作用有了更進一步的了解, 為徹底闡明PD 發病機制以及最終預防和治療PD 打下了堅實的基礎。然而對于PD 的研究來說這可能還是冰山一角, 可能還有更多的PD 相關基因未被發現, 它們在PD 發病過程中的作用更不清楚, 這些基因組成的相關網絡通路也有待闡明。但是隨著研究的進一步深入, 相信未來人們一定可以徹底了解PD, 并最終戰勝它。
參考文獻
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