GAPDH基因與神經變性疾病研究進展

劉玲 熊念 王濤

3－磷酸甘油醛脫氫酶（glyceraldehyde－3－phos－phate dehydrogenase，GAPDH）蛋白是糖酵解途徑的一個關鍵酶，催化3－磷酸甘油醛脫氫氧化成為1，3－二磷酸甘油酸，并最終將能量轉移給ADP生成ATP。長期以來，GAPDH被視為一個管家基因和內參蛋白，在各種環(huán)境和刺激因素影響下較少發(fā)生表達和功能變化。然而，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，GAPDH不僅參與能量代謝，還涉及多種細胞生理功能，如DNA修復、核RNA輸出、維持端粒結構、膜融合和轉運、微管組裝和解聚、細胞骨架動態(tài)平衡、細胞凋亡和腫瘤發(fā)生等［1－2］。研究表明，異常修飾和結構改變的GAPDH蛋白具有聚集傾向，很可能通過誘導神經元凋亡參與了神經變性疾病的發(fā)生［3－4］。

GAPDH 基因，亦稱GAPD或G3PD，位于12p13，全長3880bp，含9個外顯子和8個內含子。人類GAPDH基因家族有多個成員，但只有一個功能性GAPDH基因位于12號染色體，編碼GAPDH蛋白，另外還發(fā)現(xiàn)150多個序列相似的同源基因分布于12號染色體或其他染色體上，其中絕大多數(shù)為假基因［4－5］。迄今 已 在 GAPDH 基因中發(fā)現(xiàn)了209個單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphisms，SNPs），其中89個為編碼區(qū)SNPs（coding SNPs，cSNPs）。近年來，有關 GAPDH蛋白異常改變的起源以及GAPDH基因變異與神經變性疾病的關系等領域的研究較為活躍。以GAPDH基因變異與阿爾茨海默病（Alzheimer disease，AD）的關系為例，不同研究對多個家系和群體樣本進行關聯(lián)分析的結果證實GAPDH基因SNPs與AD相關，但研究結論卻不完全一致。本文就GAPDH基因與神經變性疾病的關系進行綜述。

1 GAPDH基因多態(tài)性與AD

AD是最常見的由多種遺傳和非遺傳因素共同致病的復雜性神經系統(tǒng)變性疾病。目前僅有載脂蛋白Eε4（APOEε4）等位基因被證實為遲發(fā)型AD（LOAD）的易感位點［6］，且僅有約 50% 的LOAD患者攜帶此易感基因［7］。因此研究者一直致力于尋找陽性率更高的致病相關位點。

近年來多個全基因組掃描和連鎖分析將LOAD易感基因初步定位于第9、10和12號染色體［8－10］。Li等［11］匯總分析3組高加索病例對照群體（分別來自 WashU、UCSD和UK）共計1089例LOAD病例和1196例對照的12號染色體的致病相關位點發(fā)現(xiàn)，GAPDH及其旁系同源基因與LOAD發(fā)病風險相關。該研究首先選取12號染色體連鎖區(qū)域內的223個SNPs進行陽性位點初篩，結果發(fā)現(xiàn)在 WashU樣本（P＝0.0041）、UCSD樣本（P＝0.027）和3個樣本匯總后（P＝0.047）僅1個 SNP 即 GAPDH 5′－UTR 區(qū)rs3741916 與LOAD發(fā)病風險相關。隨后，該小組選擇rs3741916附近62個SNPs進行易感基因精細定位發(fā)現(xiàn)，GAPDH 2號內含子區(qū)rs1060621在WashU、UCSD和3個樣本匯總后均與LOAD相關。將研究樣本按 APOEε4 ＋／－ 分層后，rs3741916在APOEε4－亞組中與LOAD的相關性顯著增加（WashU樣本:P＝0.0003，3個樣本匯總后:P＝0.0084），并且該位點較低頻率等位基因G為LOAD致病危險因素（OR＝1.27%，95%CI:1.06～1.53）。Li等進一步選取 GAPDH基因家族內GAPDHS和4個GAPDH假基因（pGAPD）的15個SNPs進行分型，結果發(fā)現(xiàn)GAPDHS rs12984928和rs4806173在較早發(fā)病亞組（發(fā)病年齡＜75歲）中與LOAD顯著相關，而pGAPD（12q）的rs2029721則在較晚發(fā)病亞組（發(fā)病年齡≥75歲）中與LOAD相關，其較低頻率等位基因A為保護性因素（OR＝0.80%，95%CI:0.68～0.97）。

Lin等［12］分別在高加索家系和高加索病例對照群體中對GAPDH、GAPDHS和pGAPD與LOAD的關聯(lián)性進行評估表明，家系研究中GAPDH及其同源基因多態(tài)位點都與LOAD無關聯(lián)性，群體樣本中rs3741916和rs2029721均與LOAD相關，按發(fā)病年齡分層（發(fā)病年齡＝71歲）后關聯(lián)性顯著增加。發(fā)病年齡≤71歲亞組中，rs3741916位點等位基因G與LOAD發(fā)病風險降低相關（P＝0.014），基因型GG或CG個體發(fā)病風險較基因型CC者低（OR＝0.39%，95%CI:0.21～0.70；P＝0.002），與Li等的研究所提示的等位基因G是LOAD致病風險因素正好相反。該研究小組解釋這是該等位基因異質性的flip－flop現(xiàn)象，認為不同群體中GAPDH rs3741916與APOEε4間關系的差異或者兩個研究群體平均發(fā)病年齡不同均可能導致這一現(xiàn)象［13］。Lin等報道的SNP rs2029721位點的結果則與Li等的一致，在發(fā)病年齡＞71歲亞組中等位基因A與LOAD發(fā)病風險降低有關（P＝0.004）。另外，該研究還發(fā)現(xiàn)GAPDH 內 一 個 單 倍 域 rs1060621－rs1060620－rs1060619與LOAD相關（P＝0.0133）。

Lee等［14］首先在北歐和加勒比西班牙裔兩個LOAD家系中利用23個微衛(wèi)星標記將易感基因初步定位于12號染色體20cM附近區(qū)域，隨后在此區(qū)域選擇14個SNPs在一個獨立的北歐病例對照群體中進行關聯(lián)研究，并在上述兩個家系中重復驗證。結果顯示，rs3741916在群體樣本中與LOAD發(fā)病風險相關，且等位基因C是致病危險因素（P＝0.027），而rs1060620在加勒比西班牙裔家系中則與LOAD相關（P＝0.0418）。另外，單體型分析發(fā)現(xiàn)，rs3741916、rs3741918和rs1060620位點處的C－A－T單體型在群體樣本和加勒比西班牙裔家系中均與LOAD顯著相關。

Allen等［15］在共2112例LOAD病例和3808例對照的3個高加索病例對照群體中，對GAPDH rs3741916，pGAPD rs2029721 和 GAPDHS rs4806173使用與此前研究［11－12，14］相同的樣本分層方法和遺傳統(tǒng)計模型進行分析，結果顯示僅rs3741916可重復出與LOAD的關聯(lián)性結果。另外，應用Logistic回歸累加模型再次分析這3個SNPs，同樣僅rs3741916與LOAD發(fā)病顯著相關（P＝0.003），且等位基因 G 呈保護效應（OR＝0.87%，95%CI:0.79～0.96）。這與 Li等的研究結論相反，而與其后的兩個驗證研究結論一致。為進一步探究rs3741916在不同群體樣本中異質性的可能原因，Allen等將研究樣本按發(fā)病年齡和APOEε4＋／－分層后，rs3741916位點等位基因G仍與LOAD發(fā)病風險降低相關，該結果無法用Lin等［13］提出的假說解釋。該研究團隊解釋為rs3741916與LOAD的關聯(lián)性可能受多個微效等位基因或環(huán)境因素的影響，不同群體中這些影響因素的差異可能導致rs3741916與LOAD關聯(lián)性的不一致。另外，rs3741916可能與罕見的疾病易感位點處于連鎖不平衡狀態(tài)，當不同群體中易感等位基因頻率和連鎖不平衡程度差異較大時，亦可能導致rs3741916位點的異質性現(xiàn)象。

綜上所述，GAPDH rs3741916位點在多個病例對照組群體和家系研究中均與LOAD顯著相關，但存在等位基因異質性。盡管假基因一般無功能，但某些可轉錄的假基因對其同源編碼基因表達可能具有調控作用，從而間接影響疾病發(fā)病風險。研究也證實pGAPD rs2029721與LOAD發(fā)病風險相關。目前尚無亞洲人群GAPDH及其同源基因與LOAD的關聯(lián)研究報道。GAPDH是否為LOAD的易感基因，抑或GAPDH與LOAD易感位點處于連鎖不平衡狀態(tài)，需要在多種族、更大樣本人群中進一步深入探究。

2 GAPDH與帕金森病（Parkinson disease，PD）

PD是僅次于AD的第二大神經變性疾病，以中腦黑質多巴胺能神經元進行性丟失與殘存神經元內路易小體形成為主要病理特征［16］。研究表明，GAPDH可能參與多巴胺能神經元的凋亡過程，并發(fā)揮重要作用。GAPDH可與路易小體的主要成分α－突觸核蛋白（α－synuclein）相互作用，參與多種因素誘導的多巴胺能神經元凋亡［17］。前期研究發(fā)現(xiàn)，MPP＋、6－羥基多巴胺（6－OHDA）、魚藤酮等神經毒素誘導的多巴胺能細胞凋亡中均存在GAPDH基因過表達與GAPDH蛋白異常聚集及核轉位，而敲低GAPDH 表達可減輕 MPP＋、6－OHDA和魚藤酮對多巴胺能細胞的毒性作用［18－20］，提示 GAPDH 基因過 表達、GAPDH 蛋 白異常聚集及核轉位是PD發(fā)病機制中的重要環(huán)節(jié)。在細胞模型中，相比野生型GAPDH，突變體S284C－GAPDH基因的表達可導致GAPDH蛋白聚集傾向，加速氧化應激誘導的多巴胺能細胞凋亡［3］。這些結果均提示，GAPDH基因變異所致的表達變化可能與PD存在關聯(lián)，但目前尚缺乏GAPDH基因與PD的遺傳學關聯(lián)研究證據(jù)。PD和AD在發(fā)病機制中有許多相似之處，GAPDH基因多態(tài)性是否也與PD發(fā)病風險相關，有待今后在人群中進一步證實。

3 GAPDH與其他神經變性疾病

研究發(fā)現(xiàn)，以CAG三核苷酸重復序列為分子遺傳特征的多種神經變性疾病相關的異常蛋白，如亨廷頓?。℉D）的huntingtin、齒狀核紅核蒼白球丘腦下核萎縮（DRPLA）的atrophin、1型脊髓小腦性共濟失調（SCA1）的ataxin－1和脊延髓肌萎縮（SBMA）的雄激素受體等都與GAPDH有異常結合［21－22］。轉基因 HD 小鼠模型中可觀察到基底節(jié)、大腦新皮質和海馬等多個腦區(qū)神經元內GAPDH過表達、核內聚集以及明顯的神經元丟失［23］，提示GAPDH過表達和核轉位很可能與huntingtin細胞毒性作用有關。Bae等［24］研究證實，突變體huntingtin（mHtt）介導的細胞毒性與 mHtt－GAPDH－Siah1復合體的形成有關，由GAPDH－Siahl介導mHtt入核并引發(fā)細胞毒性，通過RNAi消除GAPDH或Siahl作用，可有效減少mHtt核轉位從而保護細胞功能。

綜上所述，GAPDH基因和蛋白可能在神經變性疾病中扮演重要角色。然而，GAPDH與神經變性疾病發(fā)病機制的確切關系尚未完全闡明。GAPDH基因是否為AD／PD的易感基因，也需要進一步在多種族大樣本人群中進行關聯(lián)研究證實。作者所在課題組已發(fā)現(xiàn)GAPDH siRNA對神經毒素處理的多巴胺能細胞具有保護作用，相信對GAPDH與神經變性疾病關系的深入研究，可以進一步揭示其發(fā)病機制，進而研發(fā)基于GAPDH的AD／PD早期診斷和基因治療方案，為神經變性疾病的診治提供新思路和新途徑。

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