哮喘的遺傳學(xué)研究進展

孫金霞(綜述)，崔玉寶(審校)

(鹽城衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院醫(yī)學(xué)檢驗教研室，江蘇 鹽城 224005)

哮喘是一種嚴重的過敏性疾病，是最常見慢性病之一。它的特點是氣管支氣管對多重刺激的反應(yīng)性增加，各種炎性細胞特別是嗜酸性粒細胞浸潤增加，呼吸道上皮細胞損傷、呼吸道平滑肌肥厚，且血清總IgE升高。哮喘往往在夜間加劇，可進展為嚴重的氣流阻塞、呼吸急促、呼吸困難和吸氧不足。在少數(shù)情況下，會引發(fā)如缺氧癲癇發(fā)作，呼吸衰竭，甚至死亡等嚴重后果。流行病學(xué)研究表明，全世界范圍內(nèi)呼吸道過敏的患病率高達15%～30%[1]，哮喘影響了3.5%～20%的人群[2]。目前全球有300萬哮喘患者，且患者數(shù)以每10年50%的速度增長，據(jù)世界衛(wèi)生組織估計到2020年，哮喘伴隨慢性阻塞性肺疾病將成為人類第三大死亡原因[3]。哮喘的發(fā)病既有遺傳因素，也有環(huán)境風(fēng)險因素的作用。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)人類多個染色體上存在與哮喘相關(guān)的易患基因，對這些易患基因的確定有助于哮喘的防治。

1 哮喘遺傳學(xué)研究方法

對遺傳病遺傳基礎(chǔ)的研究主要依賴于兩種方法：全基因組連鎖分析和候選基因關(guān)聯(lián)研究。全基因組連鎖分析的對象是有受累遺傳病患者的家族。按染色體上均勻分布的遺傳標記對家庭成員進行基因分型。當遺傳病患者等位基因數(shù)目高于預(yù)期值時，就要對這些遺傳區(qū)域進行分析。一旦發(fā)現(xiàn)這樣的區(qū)域，往往涉及DNA的2～3 Mbp，包含數(shù)百個基因，表明這個基因組區(qū)域內(nèi)有疾病易患等位基因，即認為該區(qū)域與遺傳病間具有連鎖關(guān)系。該區(qū)域在后期進一步進行遺傳變異位點的深度掃描，直至疾病相關(guān)基因確定為止。

連鎖分析研究法能夠發(fā)現(xiàn)新基因和新途徑，不需要任何先驗假設(shè)，且分辨率很高。此外，連鎖分析是識別有明顯表型效應(yīng)的等位基因的理想方法，因為這樣的等位基因在較小的人群樣本中也能發(fā)現(xiàn)連鎖信號，往往多數(shù)研究很難得到大量的人群樣本[4]。通過在不同群體中發(fā)現(xiàn)連鎖作用能進一步驗證連鎖分析的結(jié)果。但通常不同人群中發(fā)現(xiàn)的哮喘連鎖區(qū)域具有區(qū)域依賴性。隨著全基因組關(guān)聯(lián)研究的出現(xiàn)和應(yīng)用，全基因組連鎖分析的應(yīng)用在迅速衰退。候選基因關(guān)聯(lián)研究重點放在一些預(yù)計對疾病的發(fā)病機制有關(guān)聯(lián)一些基因。候選基因的變異及相關(guān)表型的關(guān)聯(lián)分析，通過對病例-對照研究進行等位基因或基因型頻率的比較來完成。一般認為，聯(lián)分析在檢測中等頻率的等位基因時比連鎖分析法更有優(yōu)勢。關(guān)聯(lián)分析的另一個優(yōu)點是，更容易收集大量沒有相關(guān)性的患者樣本，有助于增加數(shù)據(jù)的統(tǒng)計力。然而，在一個標記周圍區(qū)域是完全相同的遺傳特性的可能性要比家族性患者的可能小得多。因此，關(guān)聯(lián)分析比連鎖分析需要更高密度的遺傳標記。

病例-對照研究的一個主要問題是不同人群結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致與疾病無關(guān)的病例與對照組間等位基因頻率的差異。新統(tǒng)計方法的發(fā)展允許檢測和校正病例和對照組間的不平衡，基于家庭的連鎖分析在數(shù)據(jù)量上沒有優(yōu)勢，而關(guān)聯(lián)分析具有邏輯優(yōu)勢[4]。盡管如此，不管使用什么方法來推定疾病易患基因，這種基因具體的作用只能通過進一步的功能實驗，如對細胞采用化學(xué)或藥理學(xué)抑制劑后對功能進行分析，甚至用動物模型在體內(nèi)或體外對基因功能進行驗證。

2 已發(fā)現(xiàn)的哮喘易患基因

目前已知的對哮喘或過敏性疾病有作用的易患基因，主要通過分析過敏性炎癥、哮喘或哮喘表型的主要通路上一些基因的變異，如單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism，SNPs)間的相關(guān)性來確定。與哮喘相關(guān)的表型通常包括呼吸性狀，如哮鳴音、支氣管高反應(yīng)性、肺功能參數(shù)；免疫學(xué)特性，如總異性血清IgE水平，過敏；臨床性狀，如特應(yīng)性皮炎和(或)濕疹及結(jié)膜炎。

討論哮喘及過敏性疾病的文章有很多，這里僅討論從功能和免疫學(xué)角度來看的一些較強的哮喘和過敏性疾病易患基因。哮喘易患基因可以分為四大類：固有免疫和免疫調(diào)節(jié)相關(guān)基因；2類輔助性T細胞(T-helper type 2 cell,Th2)分化與功能效應(yīng)相關(guān)基因；上皮細胞及黏膜免疫相關(guān)基因；與肺功能、呼吸道重構(gòu)功能相關(guān)的基因。另外，還有一些基因是通過定位克隆確定的。下面從這幾個方面進行闡述。

2.1固有免疫和免疫調(diào)節(jié)相關(guān)基因 第一組基因位于固有免疫檢測和免疫調(diào)節(jié)連接處，并參與觸發(fā)免疫反應(yīng)。過敏性炎癥和IgE調(diào)節(jié)會在很大程度上受一些編碼模式識別受體和胞外受體基因的多態(tài)調(diào)節(jié)，如CD14，Toll樣受體(Toll-like receptor，TLR)2、TLR 4、TLR6和TLR10；胞內(nèi)受體，如核苷酸結(jié)合的寡聚化結(jié)構(gòu)域成分1、2。有趣的是，識別受體基因的變異不僅與哮喘等過敏癥相關(guān)，還與腸炎和心血管疾病[5-6]相關(guān)，凸顯了固有免疫在調(diào)節(jié)組織與微環(huán)境接口中發(fā)揮的重要作用。免疫調(diào)節(jié)細胞因子的變異，如白細胞介素(interlenkin,IL)10、轉(zhuǎn)化生長因子β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)，以及能介導(dǎo)IL-6的抑制作用樹突細胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3，STAT3)，也會影響過敏癥的易患性。固有免疫基因與不同人群哮喘性狀相關(guān)，表明不同環(huán)境會對不同外環(huán)境中固有免疫系統(tǒng)表面產(chǎn)生作用。人類白細胞抗原Ⅱ類分子(human leukocyte antigen Ⅱ，HLAⅡ)在抗原呈遞作用中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，許多研究顯示HLA-DR，HLA-DQ和HLA-DP等位基因，與過敏原特異性IgE反應(yīng)之間存在強關(guān)聯(lián)性[7]。

2.2Th2分化和效應(yīng)子功能相關(guān)基因 第二組哮喘易患基因包括調(diào)節(jié)初始CD4+Th分化成Th2極化的效應(yīng)表型的相關(guān)基因，而初始CD4+Th分化成Th2極化過程是過敏性炎癥和哮喘的一個關(guān)鍵過程。Th2完全極化需要通過GATA結(jié)合蛋白3(GATA-binding protein 3，GATA3)誘導(dǎo)IL-4-IL-4Rα轉(zhuǎn)導(dǎo)的信號傳輸及STAT6的介導(dǎo)。GATA3的活化是Th2的總開關(guān)，會被轉(zhuǎn)錄因子T-bet抑制，通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，從而干擾GATA3與靶DNA結(jié)合。因此，GATA3、T盒轉(zhuǎn)錄因子21、IL-4、IL-4RA、STAT6及IL-12B的常見突變與哮喘等過敏性疾病以及與糖皮質(zhì)激素療的反應(yīng)相關(guān)。

IL-13是過敏性炎癥的中央效應(yīng)細胞因子。IL-13介導(dǎo)動物模型在肺部由Th2介導(dǎo)的全部反應(yīng)特征主要包括：呼吸道高反應(yīng)性、炎性細胞浸潤、黏液分泌過多和呼吸道纖維化。此外，IL-13、IL-4是誘導(dǎo)人類IgE合成的獨有的兩個細胞因子。IL-13及其受體在哮喘和過敏性鼻炎等呼吸道癥狀的患者體內(nèi)高表達[8-9]，IL-13在胚胎時期即表達，在新生兒時期即在T細胞作用下分泌，而這個時期是過敏性疾病易患性的關(guān)鍵時期。IL-13+2044GA(IL-13 Arg130Gln，rs20541)位于編碼區(qū)(Arg130Gln)，變異后的表達蛋白生物活性增加[10]，該多態(tài)性與哮喘、遺傳過敏性和異位性皮炎患者的血清總IgE的增加相關(guān)。IL-13-1112CT(rs1800925)是啟動子SNP，該多態(tài)與哮喘、特應(yīng)性皮炎等過敏性疾病的易患風(fēng)險增加相關(guān)，導(dǎo)致在極化的Th2中IL-13轉(zhuǎn)錄增加，絲裂原刺激的單核細胞中IL-13分泌增強[11]。值得注意的是，IL-13+2044GA和IL-13-1112CT高度連鎖不平衡。因此，攜帶兩個風(fēng)險等位基因的個體預(yù)期會表達更多的高活性的IL-13異構(gòu)體。

Th2的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的多態(tài)性不僅影響T細胞依賴性的IgE合成，也影響了依賴于嗜堿性粒細胞和肥大細胞的Th2因子表達IgE的擴增。高親和力IgE受體(FcεR1)的交聯(lián)是肥大細胞和嗜堿性粒細胞分泌Th2因子的主要刺激因素。正因為如此，多個研究對跨膜4域，亞家族A，成員2(MS4A2)-編碼FcεR1-鏈區(qū)域的SNP進行研究，都發(fā)現(xiàn)了哮喘易患位點[12]，這些區(qū)域可能影響肥大細胞的IgE依賴性炎性介質(zhì)的釋放。過敏性炎性反應(yīng)的效應(yīng)階段依賴于嗜酸性粒細胞祖細胞中Th2來源的IL-5和IL-5RA之間的相互作用。IL-5驅(qū)動嗜酸性粒細胞招募呼吸道上皮細胞來源的趨化因子，進而成為Th2因子的一個重要來源。IL-5和IL-5RA上的SNP同樣也與哮喘性狀相關(guān)[13-14]，但作用不如Th2途徑中其他基因的多態(tài)性作用強烈。

2.3上皮細胞相關(guān)基因 第三組易患基因在上皮細胞中表達，存在于固有免疫和適應(yīng)性免疫中間層。上皮細胞分泌趨化因子，如趨化因子CCL5(CC chemokine 5，CCL5)招募T細胞和嗜酸性粒細胞，趨化因子CCL11、CCL24和CCL26則是強大的嗜酸性粒細胞的誘餌。上皮細胞也分泌抗菌肽和子宮珠/克拉拉細胞16×103蛋白，通過作用于樹突狀細胞抑制Th2的分化。所有這些基因是穩(wěn)定的哮喘和遺傳過敏性的候選基因。絲氨酸肽酶抑制因子Kazal型5(serine peptidase inhibitor Kazal type 5，SPINK5)的表達僅限于上皮細胞，保護細胞免受肥大細胞或過敏原釋放的蛋白酶的蛋白酶降解作用。在SPINK5的突變會導(dǎo)致瑟頓綜合征，表現(xiàn)為濕疹樣的上皮細胞的功能缺陷。此外，rs2303067(SPINK5 Glu420Lys)與哮喘和濕疹有強烈相關(guān)性[15]。

聚角蛋白微絲蛋白基因(filaggrin，F(xiàn)LG)是一種對上皮屏障的完整性至關(guān)重要的基因，是染色體1q21上表皮分化復(fù)合物的一員。FLG在表皮和口腔及鼻腔黏膜細胞中表達，但不在支氣管黏膜表達。在無過敏性皮炎的哮喘患者人群中，未發(fā)現(xiàn)哮喘和FLG突變的相關(guān)性。綜合研究表明，特應(yīng)性皮炎患者在表皮屏障破裂后才導(dǎo)致哮喘的發(fā)生。最近的一項Meta分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)LG變異對特應(yīng)性皮炎的風(fēng)險超過目前研究的任何其他候選基因[16]。然而，突變誘發(fā)特應(yīng)性皮炎是極為罕見的。FLG基因突變往往導(dǎo)致尋常型魚鱗病，這是一種常見的隱性孟德爾遺傳性疾病，皮膚呈角質(zhì)化，魚鱗病的患者高發(fā)特應(yīng)性皮炎，F(xiàn)LG基因往往缺失或為雜合子[17]。所有這些研究結(jié)果表明，完整的上皮屏障系統(tǒng)在保護細胞免受環(huán)境因素的損害和復(fù)雜性基因疾病的發(fā)生中發(fā)揮十分重要的作用。

2.4肺功能相關(guān)基因 這一組易患基因主要由肺功能、呼吸道重構(gòu)、疾病嚴重程度相關(guān)的一組基因組成，如腎上腺素受體2、腫瘤壞死因子是最為有力的哮喘易患基因。其他基因包括TGF-β1、白細胞三烯C4、肌鈣蛋白C等，這些基因影響了患者的治療，藥物基因組學(xué)對這些基因進行系統(tǒng)研究目的是確定藥理反應(yīng)模式的基因變異[18]。

2.5通過定位克隆確定的相關(guān)基因 另外一類是通過連鎖分析確定后，再對該基因進行定位克隆確定的哮喘易患基因。第一個定位克隆獲得的哮喘基因是整合素金屬蛋白酶33(a disintegrin and metalloproteinase 33，ADAM33)[18]。①ADAM33基因，位于20號染色體的短臂末端。通過來自美國和英國的460例高加索患者的家庭進行連鎖分析，確定ADAM33是哮喘易患基因，其與哮喘和支氣管高反應(yīng)性之間的有顯著聯(lián)系。ADAM33與哮喘及肺功能間的相關(guān)性在不同種族的多個人群中得到驗證[19]。②植物同源結(jié)構(gòu)域指蛋白11(plant homeodomain finger protein 11，PHF11)位于染色體13q14區(qū)域，與過敏和血清總IgE水平同步連鎖。PHF11基因的SNP圖譜上確定有與IgE水平相關(guān)的數(shù)量性狀基因座。這些變異與臨床重哮喘相關(guān)。③二肽基肽酶10(dipeptidyl-peptidase 10，DPP10)位于第2號染色體上，對其周圍區(qū)域及高密度SNP及連鎖不平衡分析表明，哮喘的相關(guān)性位點在DPP10基因的起始外顯子上，DPP10基因編碼二肽基肽酶的同源物，參與細胞因子和炎癥趨化因子的外端的酶切作用[20]。④G蛋白偶聯(lián)受體基因位于第7號染色體短臂。對健康和哮喘患者進行支氣管活檢，編碼G蛋白偶聯(lián)受體的蛋白異構(gòu)體表現(xiàn)出明顯的分布差異。芬蘭、加拿大的三組人群研究發(fā)現(xiàn)，標簽SNP單倍型與高血清IgE水平或哮喘相關(guān)[21]。⑤HLA-G，HLA-Ib基因位于染色體6p21區(qū)域，于2005年通過連鎖分析確定。該基因主要表在胚胎細胞的母胎界面表達，而母胎界面參與免疫抑制，對胎兒的母源耐受細胞有關(guān)。兩例哮喘患者支氣管上皮細胞中檢測到的可溶性HLA-G的表達，但正常個體中不表達，表明哮喘肺細胞中該基因表達上調(diào)[22]。⑥脆性X智力遲鈍蛋白作用蛋白2(cytoplasmic fragile X mental retardation protein interacting protein 2，CYFIP2)位于染色體5q33區(qū)域，突變篩查和關(guān)聯(lián)性分析顯示，CYFIP2的6個多態(tài)性位點與哮喘的發(fā)生、發(fā)展相關(guān)，疾病相關(guān)的純合子單倍型個體中CYFIP2表達明顯增加[23]。⑦IL-1受體相關(guān)激酶-M(IL-1 receptor-associated kinase M，IRAKM)是TLR和IL-1R信號通路中的負調(diào)控因子，位于12q13～24，肺活檢的免疫組織化學(xué)結(jié)果顯示上皮細胞中IRAKM高表達，表明固有免疫系統(tǒng)的過度活化與慢性呼吸道炎癥之間存在某種聯(lián)系[24]。⑧3q21區(qū)域的異位性皮炎易患區(qū)域[25]，該區(qū)域僅有一個基因，即編碼表皮膠原蛋白的基因COL29A1，這種蛋白在皮膚、肺和胃腸道高表達，這些部位往往與過敏性炎癥息息相關(guān)。

3 結(jié) 語

雖然目前對于哮喘的遺傳學(xué)機制已有大量研究，但哮喘遺傳學(xué)仍然存在很多問題。在《自然遺傳學(xué)》雜志的一篇報道表示，關(guān)聯(lián)研究的結(jié)果很難重復(fù)[26]。同樣，《胸腔》一篇評論文章認為多基因病的遺傳關(guān)聯(lián)研究由于設(shè)計粗糙和結(jié)果不可重復(fù)性獲得廣泛差評[27]。此外，即使對哮喘有影響的并且可重復(fù)的一些基因，在大量樣本研究時與哮喘僅有微小相關(guān)性，只能解釋極少的表型變異。為什么會出現(xiàn)如此大的爭議和復(fù)雜性？目前普遍認為是由實驗設(shè)計、樣本量不同加上分析缺陷導(dǎo)致的。然而，存在于復(fù)雜疾病下的生物學(xué)因素和過程的作用不應(yīng)忽視，如復(fù)雜性疾病的表型異質(zhì)性，基因與環(huán)境間的相互作用，基因之間的相互作用都是復(fù)雜性的來源。

哮喘是環(huán)境和遺傳因素共同參與的一種復(fù)雜的多基因疾病，在全世界范圍內(nèi)造成了巨大的經(jīng)濟和社會負擔(dān)。現(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)超過100個位點與哮喘有關(guān)，面對大量的易患基因信息，接下來需要做的是通過大量的基因組數(shù)據(jù)開發(fā)哮喘更優(yōu)的研究手段，來進行圖譜定位確定特定的基因以及表型特異的SNP位點，來澄清哮喘的發(fā)病機制，從而利用藥物基因組開發(fā)個體化治療藥物。因此，不同學(xué)科人員間，包括病理生理學(xué)、流行病學(xué)，臨床一線和遺傳學(xué)的相關(guān)研究人員應(yīng)該保持更多的交流互動，從而將哮喘相關(guān)研究不斷推進。相信隨著基因技術(shù)的不斷更新及對哮喘相關(guān)基因研究的不斷深入，哮喘患者的基因治療即將成為現(xiàn)實。

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