APOL1基因多態(tài)性與非糖尿病腎病相關性的研究進展

谷曉玲(綜述)，劉 建(審校)

(1.瀘州醫(yī)學院,四川 瀘州 646000； 2.瀘州醫(yī)學院附屬醫(yī)院腎內(nèi)科，四川 瀘州 646000)

據(jù)報道，有3300～23000個蛋白編碼基因的單基因突變會引起人類疾病[1-2]。在過去的研究中，采用以家庭為基礎的連鎖研究，確定了常染色體顯性遺傳的多囊腎病，令人印象深刻的還有以孟德爾形式遺傳的基因變異所致的局灶節(jié)段型腎小球硬化(focal segmental glomerulosclerosis，F(xiàn)SGS)[3]。近年來利用群體遺傳學原理和全基因組關聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)，特定人群中的多基因非孟德爾形式單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms，SNPs)與非糖尿病腎病具有相關性[4]。該文將著重介紹載脂蛋白L1(apolipoprotein L1，APOL1)的SNPs與非裔血統(tǒng)人群中非糖尿病腎病相關性的研究進展。

1 SNPs

在人類遺傳學中，人群被描述為一組共享全基因或特異遺傳位點的人[5]。SNPs主要是指在基因組水平上由單個核苷酸的變異所引起的DNA 序列多態(tài)性。SNPs是由于復制的不精確性造成的，導致替代，然后傳送到子孫后代。在給定的基因位點不同的變異稱為等位基因變異。大多數(shù)這種變異不引起可檢測到的表型變化，也不易患病，它們通?？梢杂脕碜鳛樘囟ǖ倪z傳標記，與特定的涉及疾病表型的功能變異常在物理上接近，因此在這種情況下可以考慮作為疾病標記[6]。在人類基因組，識別的SNPs迄今超過1500萬至32億[7]。其他引起基因多態(tài)性的過程是重組，即減數(shù)分裂中染色體互換的過程。重組改變不同的SNPs之間的關聯(lián)水平。當一個等位基因變異功能性地引起疾病易患時，連鎖不平衡在致病變異鄰近的基因形成表型與SNPs有統(tǒng)計學的相關性，雖然這些SNPs本身不是功能性的，但是它們通過連鎖不平衡效應，充當了實際致病變異的物理接近標記。

2 APOL1

人類APOL1基因產(chǎn)物是APOL1，存在于血清的高密度脂蛋白微粒上。這個蛋白的結(jié)構可分成三個不同的結(jié)構和功能區(qū)域：①陰離子孔隙形成域，被認為參與溶酶體滲透和細胞死亡。②由pH敏感的發(fā)夾橋接兩個α螺旋組成的膜定位區(qū)域，它在中性pH時，可促進其與血漿中高密度脂蛋白微粒相結(jié)合，在酸性pH時，與細胞內(nèi)的細胞器定位相關。③有亮氨酸拉鏈的C末端兩性分子的α螺旋，用于蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用。最有名和最廣泛的關于APOL1的研究是它的溶錐蟲效應。載脂蛋白有一個信號肽，使它可以作為循環(huán)蛋白表達。蛋白質(zhì)的這種特性可使人類避免布氏錐蟲指名亞種(T.b brucei)的感染。T.b brucei感染許多哺乳動物，但不能感染人類，因為人的血清中含有一個復雜的錐蟲裂解因子，包括APOL1、結(jié)合珠蛋白相關蛋白、APOA1，可對抗T.b brucei。血紅蛋白、結(jié)合珠蛋白相關蛋白一起作為共同因子促進溶錐蟲的APOL1綁定到錐蟲表面，并促進分解因子的內(nèi)化。APOL1導致了寄生蟲的溶酶體膜陰離子孔的形成，引起溶酶體腫脹和機體死亡。與T.b brucei同屬于布氏錐蟲的另外兩個亞種：布氏羅德西亞錐蟲和布氏岡比亞錐蟲，都獲得感染人類的能力，引起非洲昏睡病[8-9]。在布氏羅得西亞錐蟲感染的情況下，APOL1溶錐蟲的效應被血清抗性相關蛋白(serum resistance associated protein,SRA)克服，SRA結(jié)合到它的C末端區(qū)域，中和它的溶解活性[10]。

3 APOL1基因作為非糖尿病腎病易患基因的證據(jù)

通過混合連鎖不平衡繪圖鑒定出了位于染色體22q12.3包含30個基因的區(qū)域與終末期腎病有強相關性[11-12]，包括非肌肉肌球蛋白重鏈9(nonmuscle myosin heavy chain 9，MYH9)基因。MYH9基因被挑選出來進行研究，這種選擇的部分原因是以前的研究表明MYH9常染色體顯性突變引起巨型血小板綜合征組疾病，許多該疾病的患者隨著疾病進展可出現(xiàn)腎小球疾病并導致腎衰竭[13]。根據(jù)連鎖不平衡和不同遺傳模型下的統(tǒng)計關聯(lián)強度，十大強相關性的SNPs被歸類為三個集群(稱為E、S和F)[14-15]。當密集的測序沒能在MYH9鑒定出確切功能效應的突變時，研究人員開始尋找MYH9以外的變異[14]。尋找MYH9以外變異的另一個刺激因素是觀察到在埃塞俄比亞人群中，盡管沒有人類免疫缺陷病毒相關性腎病(HIV associated nephropathy，HIVAN)患者，但該人群的MYH9基因中卻有高頻率的E和S群變異。

在隨后的研究發(fā)現(xiàn)了鄰近的APOL1基因變異，與疾病有更強的相關性，占大部分或全部分配給MYH9基因E單倍型SNPs的風險[16-17]。APOL1的易患等位基因變異包含了兩個錯義突變的單倍型，幾乎完美的相互連鎖不平衡：rs73885319(Ser342Gly)和rs60910145(Ile384Met)稱為G1；第二個信號是APOL1中鄰近G1的6個堿基對的缺失，即rs71785313(388-389 Asn-Tyr del)稱為G2[16-18]。由于rs73885319、rs60910145和rs71785313非常接近，G1和G2兩個等位基因是互斥的，所以它們之間的重組是不可能的，也就是說它們從未一起出現(xiàn)在同一條染色體上。在控制G1和G2信號后，Genovese等[18]沒有發(fā)現(xiàn)其他重大關聯(lián)，相反，控制MYH9的多種變異后，并沒有消除APOL1信號。在這個區(qū)域，連鎖不平衡模式顯示，G1、G2和MYH9的變異有較強的連鎖不平衡，特別是MYH9 E-1單倍型，在以前的研究中認為其是腎臟疾病最好的預測，存在于含有G1和G2的大多數(shù)單倍型中，這就解釋了MYH9和腎臟疾病的相關性[12，19]。APOL1的S342G 變異被認為修改了APOL1基因產(chǎn)物C末端結(jié)構域的結(jié)合位點[20]。6 bp刪除也位于C末端，在生化分析中，類似的缺失實際上已經(jīng)被證實了能抑制SRA結(jié)合到APOL1(G1變異沒有這種效應)[10]。SRA結(jié)合的缺失有望恢復APOL1殺滅布氏羅得西亞錐蟲活性，從而賦予了在流行區(qū)域或在過去病原體爆發(fā)期間自適應的優(yōu)勢，但是增加了腎臟疾病的風險，這對于易患基因的地理分布是一個很好的解釋[18]。而在埃塞俄比亞，幾乎沒有發(fā)現(xiàn)APOL1易患基因[21]，而非糖尿病腎病的患病率也非常低，表明腎臟疾病的高流行率與APOL1易患基因分布具有一致性。

4 APOL1基因多態(tài)性與非糖尿病腎病相關性研究

Genovese等[18]將FSGS但沒有家族史的205例非裔美國人和180例正常非裔美國人進行對照，結(jié)果顯示G1單倍型在FSGS病例中頻率為52%，對照組為18%，G2單倍型在FSGS病例組頻率為23%，對照組為15%。FSGS和易患基因相關性的OR為10.5(95%CI6.0～18.4)。當比較0個易患基因組和有1個易患基因組時，觀察到FSGS風險無差異(G1或G2，P=0.81，OR=1.04，95%CI0.63～2.13)。比較有0或1個易患基因組和有2個易患基因組的FSGS，OR為10.5(95%CI6.0～18.4)，表明由G1和G2引起的腎臟疾病符合隱性遺傳模式。

在高血壓所致的終末期腎臟疾病(hypertension attributed ESRD，HA-ESRD)的病例對照研究中也得出了類似的結(jié)果：在對1030例HA-ESRD非裔美國患者和與之地理相匹配的1025名來自美國東南部的健康對照組的研究發(fā)現(xiàn)[18]，G1標記的SNPs rs73885319(S342G，P=1.1×10-39)與疾病的發(fā)生有極強的相關性；控制 rs73885319后，G2缺失rs71785313(P=8.8×10-18)也顯示了很強的相關性。G1-G2和HA-ESRD相關的OR為7.3(95%CI5.6～9.5),聯(lián)合的G1-G2P=10-63。這個P值在相同的研究人群中比MYH9強35個數(shù)量級，沒有重疊OR(OR=2.38； 95%CI1.93～2.95；P=1.22×10-15隱性,MYH9 E1單倍型)。

非裔美國人群的G1和G2等位基因的頻率大約為12%，在不同病因的ESRD中顯著升高，HA-ESRD占47%，F(xiàn)SGS占66%[16，22]，而最顯著的HIVAN占67%[22]。G1/G2復合雜合狀態(tài)，HIVAN風險OR高達29[23]。如果假定在美國沒有接受抗反轉(zhuǎn)錄病毒治療的非洲美國人的HIVAN的終身風險是10%，那么有0、1和2個APOL1易患基因的HIVAN終身風險是2.5%，4.0%和50%[22]。最近Fine等[24]研究表明，APOL1的基因變異和感染HIV非HIVAN的腎臟疾病相關，在一系列大量的非HIVAN，HIV感染者的腎臟疾病腎活檢中，兩個APOL1易患等位基因的存在與86%的FSGS和高血壓腎病相關，有1個或0個APOL1易患基因變異的患者，40%有免疫復合物腎小球腎炎，而只有12%有FSGS。

以上研究表明，APOL1基因變異與FSGS、HA-ESRD、HIVAN以及非HIVAN的HIV感染患者的腎臟疾病具有相關性，并且這種相關性均具有統(tǒng)計學意義。

5 APOL1變異導致腎臟損傷可能的機制

通過Northern blot分析發(fā)現(xiàn)，編碼APOL1的mRNA大量表達于胎盤、肺、肝臟，而在心臟和胰腺表達很弱[25]。人類血管組織原位雜交揭示，APOL1表達在內(nèi)皮細胞，也可能在巨噬細胞[25]。Madhavan等[26]報道，APOL1基因產(chǎn)物表達于足細胞和正常腎臟近端小管，而在HIVAN和FSGS患者活檢中發(fā)現(xiàn)，基因產(chǎn)物在足細胞染色和小管染色減少，并觀察到腎動脈的突出表達。未來的研究應該描述，循環(huán)的APOL1，腎臟細胞表達的APOL1，特別是足細胞表達的APOL1，哪種APOL1或均作用于腎臟疾病的易患性。

關于哪種APOL1變異導致腎臟損傷的機制仍不清楚，可能與以下因素相關：①表達于足細胞或其他腎臟細胞的 APOL1變異可能導致細胞關鍵功能的損傷或失去。APOL1分享了與Bcl-2家族蛋白質(zhì)結(jié)構和功能的相似性，Bcl-2家族蛋白質(zhì)參與細胞凋亡，可能是由于腎毒性影響，包括APOL1觸發(fā)程序性細胞死亡導致腎小球硬化的作用。APOL1在自我吞噬方面也發(fā)揮重要作用，缺乏關鍵自噬蛋白的小鼠腎小球更易受損傷，這可能有助于解釋人類慢性腎臟病與這個基因的相關性[27]。②循環(huán)的APOL1在慢性腎臟病的發(fā)病機制中可能發(fā)揮重要作用。由于G1和G2的變異，形成功能失調(diào)的高密度脂蛋白顆粒，可能導致有動脈硬化的腎臟血管內(nèi)皮炎癥。在無糖尿病非裔美國人群中，這種血管的變化常常伴隨著FSGS和局灶球性腎小球硬化。③游離的APOL1可能表達于血漿中，因此APOL1在通過腎小球濾過屏障時可能被足細胞攝取。

6 展 望

隨著近幾年人類基因測序的顯著進步和人類變異數(shù)據(jù)庫的不斷擴展，使科學家可以著重研究常見疾病與非孟德爾群集遺傳模式的相關性。通過對腎臟疾病高流行率的非裔美國人群的研究，確定了染色體22q12.3區(qū)域的APOL1基因變異與腎臟疾病易患性相關。除非鑒定出APOL1基因變異直接顯示引起腎臟疾病，否則腎臟疾病仍然有可能是由其他原因引起的，如其他未被發(fā)現(xiàn)的緊密連鎖。致病基因的發(fā)現(xiàn)可進一步深化對腎臟疾病的認識，為腎臟疾病提供新的治療手段，并為個體化用藥提供依據(jù)。

[1] Online Mendelian Inheritance in Man.OMIM.McKusick-Nathans Institute of Genetic Medicine,Johns Hopkins University,Baltimore,MD.Available at:http://omim.org/.Accessed May,23,2012.

[2] Altshuler D,Daly MJ,Lander ES.Genetic mapping in human disease[J].Science，2008,322(5903):881-888.

[3] Harris PC,Torres VE.Polycystic kidney disease[J].Annu Rev Med，2009,60(1):321-337.

[4] D′Agati VD,Kaskel FJ,Falk RJ.Focal segmental glomerulosclerosis[J].N Engl J Med，2011,365(25):2398-2411.

[5] Behar DM,Yunusbayev B,Metspalu M,etal.The genomewide structure of the Jewish people[J].Nature,2010,466(7303):238-242.

[6] Goldstein DB.Common genetic variation and human traits[J].N Engl J Med,2009,360(17):1696-1698.

[7] Oetting WS.Exome and genome analysis as a tool for disease identification and treatment:the 2011 Human Genome Variation Society scientific meeting[J].Hum Mutat,2012,33(3):586-590.

[8] Luke? J,Raper J.Prophylactic antiparasitic transgenesis for human parasitic disease?[J].Mol Ther,2010,18(10):1745-1747.

[9] Brun R,Blum J,Chappuis F,etal.Human African trypanosomiasis[J].Lancet,2010,375(9709):148-159.

[10] Lecordier L,Vanhollebeke B,Poelvoorde P,etal.C-terminal mutants of apolipoprotein L-Ⅰ efficiently kill both Trypanosoma brucei brucei and Trypanosoma brucei rhodesiense[J].PLoS Pathog,2009,5(12):e1000685.

[11] Shlush LI,Bercovici S,Wasser WG,etal.Admixture mapping of end stage kidney disease genetic susceptibility using estimated mutual information ancestry informative markers[J].BMC Med Genomics,2010,3(1):47.

[12] Kopp JB,Smith MW,Nelson GW,etal.MYH9 is a majoreffect risk gene for focal segmental glomerulosclerosis[J].Nat Genet,2008,40(10):1175-1184.

[13] Kopp JB.Glomerular pathology in autosomal dominant MYH9 spectrum disorders:what are the clues telling us about disease mechanism?[J].Kidney Int,2010,78(2):130-133.

[14] Nelson GW,Freedman BI,Bowden DW,etal.Dense mapping of MYH9 localizes the strongest kidney disease associations to the region of introns 13 to 15[J].Hum Mol Genet,2010,19(9):1805-1815.

[15] Behar DM,Rosset S,Tzur S,etal.African ancestry allelic variation at the MYH9 gene contributes to increased susceptibility to non-diabetic end-stage kidney disease in Hispanic Americans[J].Hum Mol Genet,2010,19(9):1816-1827.

[16] Pollak MR,Genovese G,Friedman DJ.APOL1 and kidney disease[J].Curr Opin Nephrol Hypertens,2012,21(2):179-182.

[17] Freedman BI,Langefeld CD,Turner J,etal.Association of APOL1 variants with mild kidney disease in the first-degree relatives of African American patients with non-diabetic endstage renal disease[J].Kidney Int,2012,82(7):805-811.

[18] Genovese G,Friedman DJ,Ross MD,etal.Association of trypanolytic ApoL1 variants with kidney disease in African Americans[J].Science,2010,329(5993):841-845.

[19] Kao WH,Klag MJ,Meoni LA,etal.MYH9 is associated with nondiabetic end-stage renal disease in African Americans[J].Nat Genet Oct,2008,40(10):1185-1192.

[20] Tzur S,Rosset S,Shemer R,etal.Missense mutations in the APOL1 gene are highly associated with end stage kidney disease risk previously attributed to the MYH9 gene[J].Hum Genet,2010,128(3):345-350.

[21] Behar DM,Kedem E,Rosset S,etal.Absence of APOL1 risk variants protects against HIV-associated nephropathy in the Ethiopian population[J].Am J Nephrol,2011,34(5):452-459.

[22] Kopp JB,Nelson GW,Sampath K,etal.APOL1 genetic variants in focal segmental glomerulosclerosis and HIV-associated nephropathy[J].J Am Soc Nephrol,2011,22(11):2129-2137.

[23] Freedman BI,Spray BJ,Tuttle AB,etal.The familial risk of end-stage renal disease in African Americans[J].Am J Kidney Dis,1993,21(4):387-393.

[24] Fine DM,Wasser WG,Estrella MM,etal.APOL1 risk variants predict histopathology and progression to ESRD in HIV-related kidney disease[J].J Am Soc Nephrol,2011,34(5):452-459.

[25] Monajemi H,Fontijin RD,Pannekoek H,etal.The apolipoprotein L gene cluster has emerged recently in evolution and is expressed in human vascular tissue[J].Genomics,2002,79(4):539-546.

[26] Madhavan SM,O′Toole JF,Konieczkowski M,etal.APOL1 localization in normal kidney and nondiabetic kidney disease[J].J Am Soc Nephrol,2011,22(11):2119-2128.

[27] Hartleben B,Godel M,Meyer-Schwesinger C,etal.Autophagy influences glomerular disease susceptibility and maintains podocyte homeostasis in aging mice[J].J Clin Invest,2010，120(4):1084-1096.