Tau基因多態(tài)性與神經(jīng)變性疾病

周美鴻 吳成斯 徐仁伵

(南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，江西 南昌 330006)

Tau基因及其編碼的微管相關(guān)蛋白異常最早發(fā)現(xiàn)于阿爾茨海默病(AD)，隨著對(duì)Tau基因研究的深入，Tau基因與神經(jīng)變性性疾病的研究逐漸引起研究者的重視，并且有新的發(fā)現(xiàn)，最近研究表明，Tau基因多態(tài)性可能與AD、額顳葉癡呆(FTD)、肌萎縮側(cè)索硬化(ALS)、皮質(zhì)基底節(jié)變性(CBD)、帕金森病(PD)的發(fā)病存在潛在的相關(guān)性。本文將概述Tau基因的構(gòu)成，Tau基因的多態(tài)性及其與部分神經(jīng)變性性疾病的關(guān)系。

1 Tau基因的構(gòu)成

Tau基因位于17q21.11，其5'和3'端側(cè)翼序列分別是促皮層素釋放因子受體(CRFR)基因和KIAA1267，前者為從5'端延伸55 kb至Tau基因啟動(dòng)子的核苷酸序列，后者為從Tau基因多聚A尾延伸1.6 kb的核苷酸序列，是一個(gè)在大腦中表達(dá)但功能未知的基因〔1〕。不論從序列的同源性還是從目前了解的功能來(lái)看，側(cè)翼序列與Tau基因均呈不相關(guān)性，可見(jiàn)Tau基因并非簇相關(guān)基因的一部分。Tau基因從5'端到3'端跨越133.9 kb，包括16個(gè)外顯子，外顯子1和14被轉(zhuǎn)錄而不被翻譯〔1〕。Tau基因外顯子經(jīng)過(guò)特別的組織和生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)節(jié)而選擇性剪接，在人類大腦中，外顯子4a，6和8從未連接進(jìn)任何mRNA中參與編碼翻譯Tau蛋白，從而導(dǎo)致高分子Tau蛋白亞型的表達(dá)〔2〕。在正常成人大腦中，Tau基因根據(jù)外顯子2、3、10的可變連接可編碼6種同分異構(gòu)體。外顯子10的編入表達(dá)與否會(huì)形成兩種類型的蛋白，即含3個(gè)微管結(jié)合重復(fù)區(qū)域(3R)或4個(gè)微管結(jié)合重復(fù)區(qū)域(4R)的Tau蛋白亞型。外顯子3從未不依賴外顯子2而單獨(dú)出現(xiàn)，Tau蛋白N端插入子的存在與否及其數(shù)目則取決于是外顯子2還是外顯子2+3的剪接差異。因此，由這3個(gè)外顯子的選擇性剪切可有6種亞型:3R亞型(2-3-10-，2+3-10-，2+3+10-)和 4R 亞型(2-3-10+ ，2+3-10+，2+3+10+)。在胎兒大腦中，只有最短的亞型(2-3-10-)被表達(dá)。Conrad等已發(fā)現(xiàn)一個(gè)被命名為Saitohin(STH)的新基因，位于人Tau基因內(nèi)含子9內(nèi)。STH是一個(gè)無(wú)內(nèi)含子基因，表達(dá)一個(gè)含128氨基酸殘基的蛋白。STH并不受Tau基因啟動(dòng)子的調(diào)控，但兩者共有一些調(diào)控元件。

2 Tau基因突變

Tau基因突變可導(dǎo)致一種罕見(jiàn)的常染色體顯性疾病，它被命名為連鎖于17號(hào)染色體伴有PD的額顳葉癡呆(FTDP-17)，這提示Tau基因突變是一些家族性Tau病的病因。在目前已識(shí)別出的各種Tau基因突變中〔3，4〕，大部分是錯(cuò)義、缺失、編碼區(qū)的無(wú)效突變或者定位靠近外顯子10附近剪切位點(diǎn)的基因內(nèi)突變〔5〕。Tau基因突變可依據(jù)是否直接影響Tau蛋白的功能和(或)RNA的剪切而分類〔4，6〕。目前研究已證實(shí)位于外顯子9、11、12和13的突變擾亂Tau蛋白與微管之間的相互作用，這樣減少了Tau蛋白促進(jìn)微管聚集的能力。據(jù)報(bào)道在外顯子1的R5H和R5L突變會(huì)產(chǎn)生相同效應(yīng)。在外顯子10中的其他突變(N179K、L284L、N296N、S305N 和 S305S)可導(dǎo)致外顯子 10 剪切的增加，從而增加4R-Tau蛋白的比率，相對(duì)于可溶性3R蛋白亞型而言。在外顯子10之后緊接的內(nèi)含子中，位于不同位點(diǎn)+3、+11、+13、+14和+16的突變，可以影響到跨越這個(gè)剪切區(qū)的RNA莖環(huán)結(jié)構(gòu)，使其不穩(wěn)定〔7〕。最后，第三類突變對(duì)蛋白和信使mRNA水平均有影響。這些包括N296H、K280和N296，均位于外顯子10內(nèi)。

3 Tau基因多態(tài)性

在Tau基因中大約有122個(gè)核苷酸替換已被報(bào)道，最近又在3'端新發(fā)現(xiàn)8個(gè)多態(tài)性位點(diǎn)。這130個(gè)Tau基因的序列變異包括111個(gè)單核苷酸多態(tài)性(SNP)，9個(gè)插入和8個(gè)缺失。所有這些多態(tài)性的位點(diǎn)在Susanna Schraen-Maschke等的報(bào)道中均有描述〔5〕。這些核苷酸替換中有74個(gè)(57%)被發(fā)現(xiàn)是分為兩簇分別分布在內(nèi)含子9和10當(dāng)中，兩個(gè)區(qū)域都與外顯子10的剪切相關(guān)。成簇現(xiàn)象的意義將有待進(jìn)一步相關(guān)性分析研究。第三簇則涉及在3'端發(fā)現(xiàn)的20個(gè)核苷酸替換，為T(mén)au基因mRNA的新陳代謝相關(guān)區(qū)域。

現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)在Tau基因中有10個(gè)多態(tài)性位點(diǎn)，包括8個(gè)SNP和1個(gè)缺失，與116507(TG)n二核苷酸重復(fù)多態(tài)一起，相互之間以完全連鎖不平衡方式遺傳，從而定義了Tau基因的兩個(gè)擴(kuò)展單倍型(H1和H2)〔8〕。它們大部分定位在內(nèi)含子9和外顯子9當(dāng)中，其中有3個(gè)位于啟動(dòng)子內(nèi)部，對(duì)Tau基因表達(dá)功能的影響還存在爭(zhēng)議〔9，10〕。參照最早的一些論文顯示，H1和H2單倍型在不同的健康人群樣本中的頻率比較，H1單倍型出現(xiàn)頻率較 H2 高，在日本人〔11〕、澳大利亞人〔12〕和查摩洛人群〔13〕中，H2單倍型的頻率很低。由116507(TG)n重復(fù)多態(tài)而產(chǎn)生的A0等位基因主要見(jiàn)于H1單倍型，A3等位基因則多見(jiàn)于H2單倍型。其他的多態(tài)性位點(diǎn)非常罕見(jiàn)，只在更為常見(jiàn)的H1單倍型中發(fā)生。112705A＞G多態(tài)性位點(diǎn)位于內(nèi)含子9內(nèi)，相應(yīng)于STH基因的一個(gè)外顯子多態(tài)性。這一遺傳變異在蛋白水平的表達(dá)主要是把谷氨酰胺變?yōu)榫彼帷?4，15〕。

4 Tau基因多態(tài)性和AD

Lilius等(1999)、Bullido等(2000)的研究均證實(shí)H1單倍型與AD發(fā)病的危險(xiǎn)增加相關(guān)。但另有7項(xiàng)研究〔16〕的Meta分析揭示AD和H1沒(méi)有相關(guān)性，包括Green等(2002)一項(xiàng)基于尸檢確證為AD病例的最新研究也未發(fā)現(xiàn)二者的相關(guān)性。所得的矛盾結(jié)果可能取決于AD患者組年齡的不同，同時(shí)也表明Tau基因?qū)t發(fā)性AD和早發(fā)性AD所起的作用不同。對(duì)遲發(fā)性AD患者的不相關(guān)性表明Tau蛋白可能涉及在AD病理通路的下游。Conrad等(2002)識(shí)別的一個(gè)單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)112705A＞G，可改變STH基因表達(dá)的谷氨酰胺為精氨酸。第一個(gè)關(guān)于該多態(tài)性位點(diǎn)的遺傳性研究是用51例尸檢確證為遲發(fā)性AD的病例，與30例正常對(duì)照組相比，GG基因型的概率顯著增高(16%比0%)，G等位基因在患者與對(duì)照組中分別為32%和13%。Combarrost等(2003)的最新研究證明STH基因的RR基因型在遲發(fā)性AD患者中顯著增加。然而這一遺傳相關(guān)性在其他一些研究中并未得到證實(shí)〔14，15〕。

5 Tau基因多態(tài)性和FTD、Pick病(PiD)

Morris等(1999)發(fā)現(xiàn)在32名FTD患者和75名對(duì)照受試者中，A0/A0基因型的頻率沒(méi)有顯著差異。其他小組也發(fā)現(xiàn)不論是H1單倍型還是H1/H1基因型都與FTD沒(méi)有明顯相關(guān)性〔12，17～19〕。Sobrido 等 (2003)發(fā) 現(xiàn) 內(nèi) 含 子 9 上 的 罕 見(jiàn)123534C＞T多態(tài)性，與對(duì)照組(0.2%)相比，在 FTD患者(3.3%)中是顯著增加，這個(gè)特殊的多態(tài)變異型有外顯子10剪切調(diào)控的作用。Hughes等關(guān)于FTD患者的大規(guī)模研究也證實(shí)與對(duì)照組相比，H1/H1基因型是顯著過(guò)表達(dá)，但均未發(fā)現(xiàn)兩組有任何顯著差異性〔20〕。PiD是另一類罕見(jiàn)的早老性癡呆，病理特點(diǎn)為神經(jīng)元內(nèi)出現(xiàn)Pick小體，其中主要包含3R-Tau蛋白亞型。由于在進(jìn)行性核上麻痹(PSP)和皮質(zhì)基底節(jié)變性(CBD)中Tau基因單倍型頻率的差異性，推測(cè)H1單倍型可能誘發(fā)了這些疾病中4R-Tau蛋白聚集體的形成。與此平行的假說(shuō)是Tau基因H2單倍體可能誘發(fā)了PiD中3R-Tau蛋白聚集物的形成。但至今所發(fā)表的所有研究中，都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Tau基因的H2單倍型與PiD存在顯著相關(guān)性〔21，22〕。Tau基因 H2單倍型在Russ等的研究中發(fā)現(xiàn)有輕微的過(guò)表達(dá)，但不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

6 Tau基因多態(tài)性和肌萎縮側(cè)索硬化-帕金森癡呆疊加綜合征(ALS-PDC-G)

存在于西太平洋關(guān)島查摩洛人群中兩個(gè)特別的Tau病:被命名為ALS-G的肌萎縮側(cè)索硬化的罕見(jiàn)型，以及被命名為PDC-G的帕金森癡呆疊加綜合征。兩個(gè)疾病都以脊髓和大腦中的神經(jīng)原纖維纏結(jié)為神經(jīng)病理特點(diǎn)。由于ALS-G和PDC-G臨床與病理相似，并同存在于關(guān)島，這兩類綜合征可能被證實(shí)為同一種疾病即ALS的不同表現(xiàn)型〔13〕。同時(shí)，在這兩類ALS的變異型中，116507(TG)n多態(tài)性的連鎖平衡分析發(fā)現(xiàn)兩病例組中H1和H2單倍型的頻率與對(duì)照組相比，并無(wú)顯著差異性。

7 Tau基因多態(tài)性和PSP、CBD

在CBD和PSP中都存在的異常Tau蛋白沉積物存在4R-Tau蛋白亞型。通過(guò)利用臨床上或僅神經(jīng)病理上確證為CBD的病例開(kāi)展的研究，均發(fā)現(xiàn)H1等位基因和H1/H1基因型與CBD之間都存在顯著相關(guān)性〔21〕，證實(shí)了一個(gè)假說(shuō)，即由Tau基因多態(tài)性所代表的特別的遺傳背景可作為CBD和PSP進(jìn)展的一個(gè)危險(xiǎn)因素。

8 Tau基因多態(tài)性與PD

Scott等的研究發(fā)現(xiàn)Tau基因所在染色體17q與晚發(fā)型PD連鎖。Martin小組研究了235個(gè)家族的1056例患者，測(cè)定Tau基因的單核苷酸多態(tài)性。這些多態(tài)性位于Tau基因的內(nèi)含子或外顯子上，且不改變Tau蛋白的氨基酸序列。在被測(cè)的5個(gè)多態(tài)性中有3個(gè)與晚發(fā)型PD顯著相關(guān)。單倍型分析顯示，PD與一個(gè)單倍型(H1)正相關(guān)，與第二個(gè)單倍型負(fù)相關(guān)。此外，在Tau外顯子9和10之間的內(nèi)含子中，一個(gè)已知的二核苷酸多態(tài)性(A0)也證明與原發(fā)性PD正相關(guān)〔23〕。

綜上所述，目前大量的證據(jù)表明Tau基因在許多神經(jīng)變性疾病中都有影響，發(fā)生在FTDP-17的Tau基因突變是這類少見(jiàn)疾病的致病因素，而Tau基因多態(tài)性對(duì)于一些更多見(jiàn)的散發(fā)病如AD和PD是一種遺傳因素的作用，環(huán)境因素和其他遺傳因素對(duì)于正常種群中H1/H1基因型的高出現(xiàn)率和促進(jìn)這類疾病發(fā)展的H1/H1同合子的低價(jià)值預(yù)測(cè)都很可能有重要影響。Tau基因的H1單倍型對(duì)于具備不同臨床特點(diǎn)的神經(jīng)變性疾病都是一個(gè)危險(xiǎn)易感因素，提示這類疾病都有著一個(gè)共同的致病機(jī)制，即與Tau基因的異常有關(guān)。目前Tau基因多態(tài)性作為一個(gè)致病因素在生物學(xué)功能上的機(jī)制，由于它在基因座上顯著的連鎖不平衡性，遺傳學(xué)尚不能做出明確解釋。H1單倍型可能改變Tau基因表達(dá)或剪接的內(nèi)含子特性，可以解釋它的相關(guān)性。但為了更好地明確解釋，進(jìn)一步的機(jī)制研究應(yīng)更多地關(guān)注于一個(gè)或多個(gè)H1/H2多態(tài)性對(duì)引起神經(jīng)元變性和死亡在Tau基因表達(dá)或功能中的影響。

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