NMDA受體基因單核苷酸多態(tài)性與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的關(guān)聯(lián)研究

田大為，胡向軍，宋　蕾，彭瑞云，賈宏博　綜述　王麗峰　審校

?

NMDA受體基因單核苷酸多態(tài)性與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的關(guān)聯(lián)研究

田大為1，2，胡向軍3，宋蕾4，彭瑞云3，賈宏博1綜述王麗峰3審校

1.100142北京，空軍航空醫(yī)學研究所；2.710032西安，第四軍醫(yī)大學航空航天醫(yī)學系航空航天生物動力學教研室;3.100850北京，軍事醫(yī)學科學院放射與輻射醫(yī)學研究所；4.100720北京，空后衛(wèi)生部門診部

【關(guān)鍵詞】NMDA受體基因；SNP；神經(jīng)系統(tǒng)疾病

神經(jīng)系統(tǒng)由其結(jié)構(gòu)單位-神經(jīng)元組成，這使得神經(jīng)系統(tǒng)構(gòu)成了人類組織器官中最為復雜的系統(tǒng)，其作用機制是受多種因素調(diào)節(jié)的復雜生理過程。神經(jīng)系統(tǒng)疾病是神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生的器質(zhì)性疾病，除受外界環(huán)境因素影響外，還受遺傳因素影響。已有大量的研究報道了神經(jīng)遞質(zhì)與神經(jīng)系統(tǒng)疾病之間的關(guān)系，其研究的深入可能為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的防診治提供客觀的預測和監(jiān)測指標。

谷氨酸( glutamate，Glu) 是中樞神經(jīng)系統(tǒng)重要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)之一，其中N-甲基-D-天門冬氨酸 (N-methyl-D-aspartate，NMDA)受體近年來逐漸受到重視，NMDA受體被普遍認為是學習記憶中的關(guān)鍵物質(zhì)且參與長時程增強(long-term potentiation，LTP)的形成和維持。

隨著人類基因組序列的繪制完成，生命科學領(lǐng)域的研究熱點正迅速轉(zhuǎn)向如何系統(tǒng)地研究和解讀基因結(jié)構(gòu)、功能與遺傳疾病之間的聯(lián)系。單核苷酸多態(tài)性( single nucleotidepolymorphism， SNP) ，作為基因組中最普遍的序列差異，在復雜性疾病與基因的關(guān)聯(lián)研究中發(fā)揮著重要作用，其意義的闡明有助于了解人類基因的功能，并為復雜性疾病的評估、預測、預防、診斷和治療的突破提供重要的參考依據(jù)。筆者就NMDA受體基因SNP與神經(jīng)系統(tǒng)疾病關(guān)聯(lián)的相關(guān)研究作一綜述。

1NMDA受體結(jié)構(gòu)和功能

神經(jīng)科學的研究表明，谷氨酸是人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)最重要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，參與神經(jīng)系統(tǒng)多種重要功能的調(diào)節(jié)[1]。根據(jù)跨膜信號轉(zhuǎn)導機制的不同，Glu受體可分成兩大類:促離子型谷氨酸受體( ionotropic glutamater -eceptor，iGluR) 和促代謝型谷氨酸受體(metabotropicglutamate receptor，mGluR)。在iGluRs家族內(nèi)，根據(jù)受體激動劑的不同，又分為NMDA受體與非NMDA受體。NMDA受體有復雜的分子結(jié)構(gòu)和獨特的分子特性，涉及腦的很多重要功能如記憶和學習密切相關(guān)的LTP和長時程抑制(long term depression，LTD)效應與NMDA受體關(guān)系密切[2,3]；大腦神經(jīng)元的數(shù)目及其連接的數(shù)目都受到NMDA受體活動的影響，其活動的異?？赡苡绊懮窠?jīng)元的可塑性，從而導致中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能紊亂。因此， NMDA受體已成為治療某些神經(jīng)精神性疾病的靶點。

1.1NMDA受體的功能區(qū)及分子構(gòu)型NMDA受體至少包含2種亞基，核心亞基(NR1)和強化亞基(NR2)。NR1和NR2中的任何一個亞單位都不能單獨構(gòu)成有功能的同寡聚體通道，NR2四個亞單位中的一個或幾個必須和NR1共同構(gòu)建成為異寡聚體，才可形成高活性的NMDA受體通道，提示NR1亞單位對NMDA受體通道功能是必須的[4]。

近年研究證明，人的NR1基因跨度約29.6 kb，含20個外顯子，與鼠腦NR1基因類似，有8種序列不同的轉(zhuǎn)錄體，其5’側(cè)翼啟動子區(qū)有兩個完整的果蠅even -skipping蛋白識別序列。大鼠的NR1基因總長度為26.6 kb，含20個外顯子。小鼠基因的NR1總長度為26.7 kb，含20個外顯子。

人類NR2A基因定位于16p13.2，長約429.35 kb，含14個外顯子；大鼠NR2A基因定位于10q11，長約416.55 kb，含14個外顯子；小鼠NR2A基因定位于16A1; 16 3.4 cm，長約414.82 kb，含12個外顯子。

人類的NR2B總長度為418.6 kb，含13個外顯子。大鼠的NR2B基因的總長度為461.2 kb，含13個外顯子，是一種分子量約180 kda的跨膜糖蛋白，脫糖化后分子量為160 kDa左右，其基因有45個氨基酸序列，由1456個氨基酸組成，氨基酸殘基數(shù)為1482，特定氨基酸殘基1362-1406。小鼠的NR2B基因總長度為443.7 kb，含15個外顯子。

1.2NMDA受體的調(diào)控

1.2.1基因轉(zhuǎn)錄對NMDA受體表達的影響NMDA受體亞基轉(zhuǎn)錄時可有多個起始位點，各個位點周圍的堿基可以影響基因的表達。Bai[5]通過對大鼠NR1上游3 kb進行測序和啟動子功能試驗，發(fā)現(xiàn)從轉(zhuǎn)錄起始位點到上游356 bp的區(qū)域為NR1啟動子的核心區(qū)域，并且有SP-1、AP-2、GSG等多個轉(zhuǎn)錄結(jié)合元件結(jié)合在核心啟動子區(qū)，在上游3 kb的范圍內(nèi)還有多個轉(zhuǎn)錄結(jié)合位點與AP-1、Repeats、CTF、CRE、MEF2-C等轉(zhuǎn)錄元件結(jié)合。NR2B主要起始位點周圍的150個堿基可影響NR2B的表達，NR2B啟動子缺乏TATA和CAAT盒，C/G含量>60%，因此，NR2B基因具有典型的管家基因特性。Klein等[6]對人NR2B基因啟動區(qū)進行測序并進行功能實驗，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄起始位點到上游541bp的區(qū)域為NR2B啟動子的重要調(diào)控區(qū)域，并且含有4個SP1和一個CREB轉(zhuǎn)錄結(jié)合元件。Sasner和Buonnano等[7,8]研究發(fā)現(xiàn)大鼠NR2B啟動子上有一段長約800個堿基對的序列決定了NR2B表達的神經(jīng)元依賴性，在NR2B基因上游356bp范圍為核心啟動子區(qū)，具有4個轉(zhuǎn)錄因子SP1和一個CREB的結(jié)合位點，表明NR2B基因本身就是突觸后神經(jīng)元Ca2+通路上的靶基因之一。Miyatake等[9]對小鼠NR2B基因啟動區(qū)進行測序并結(jié)合軟件分析，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄起始位點到上游420 bp的區(qū)域為NR2B啟動子區(qū)的重要調(diào)控區(qū)域，該區(qū)域包括SP1、GATA-2、CREB等轉(zhuǎn)錄結(jié)合位點。

1.2.2翻譯對NMDA受體表達的影響NR2A的5′非翻譯區(qū)含有282個堿基。Wood等[10]在離體研究時發(fā)現(xiàn)，NR2A的mRNA擁有不同的5′非翻譯區(qū)，如果移去大多數(shù)的282bp的mRNA的5′非翻譯區(qū)可使NR1、NR2A介導的電生理反應放大100倍，如僅移去其上游的AUG則只增加其對受體的翻譯。

NR2B含有一個超過其他NMDA亞單位的長5′-UTR，含有1199個堿基對[6]。在含ATG起始編碼的4號外顯子上有3個分散的未翻譯的外顯子分布在20 kb的區(qū)域內(nèi)。在剪接過程中可形成兩個不同的剪接變體，分別含有或缺失2號外顯子，其中以不含2號外顯子的形式居多。在5′-UTR中還有多個ATG編碼，形成9個短的UOFs，主要分布于3號外顯子上，與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控有關(guān)。

2NMDA受體基因SNP與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的關(guān)聯(lián)

SNP是DNA多態(tài)性的一種，為DNA序列中單堿基的差異。絕大多數(shù)復雜性狀疾病都是由遺傳因素與環(huán)境因素相互作用的多基因病，就是這些SNP造成人群和個體在各種表現(xiàn)型上的差異，表現(xiàn)在體質(zhì)特征、運動能力、疾病易感性，以及心智等各個方面。根據(jù)SNP在NMDA受體基因中的位置，SNP可分為受體基因編碼區(qū)SNP(coding SNP，cSNP)、受體基因內(nèi)含子區(qū)SNP和受體基因調(diào)控區(qū)SNP(regulatory SNP，rSNP)。其中cSNP根據(jù)是否改變編碼的氨基酸又可分為同義cSNP(synonymouscSNP)和非同義cSNP(non—synonymous cSNP)。

非同義cSNP，由于其改變編碼的氨基酸，對NMDA受體基因功能的影響較直觀，近來有研究表明，非同義cSNP可通過影響NMDA受體基因產(chǎn)物，引起細胞信號通路方面的改變[11]。同義cSNP由于其不改變編碼的氨基酸，過去一直認為它不會改變NMDA受體基因的功能。近來，隨著這方面研究的日益深入，人們發(fā)現(xiàn)同義cSNP也可影響NMDA受體基因的功能，同義cSNP通過引起核糖體通過mRNA特定區(qū)域時速度的加快或變慢，影響翻譯動力學，最終使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變[12]。內(nèi)含子區(qū)SNP與基因功能的關(guān)系方面，通過關(guān)聯(lián)分析和生化、細胞水平分析，近來研究表明:NR2B基因rs1806201基因型頻率和單倍體與酒精中毒的關(guān)系密切[13]。在調(diào)控區(qū)rSNP影響NMDA受體基因功能的研究方面，通過關(guān)聯(lián)分析表明，基因調(diào)控區(qū)的rSNP可通過影響啟動子元件來調(diào)節(jié)NMDA受體基因的功能[14]。

目前，已有研究就不同人群NMDAR不同亞型受體基因多態(tài)性與精神分裂癥、阿爾茨海默病、酒精中毒癥、雙相性精神障礙等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的關(guān)聯(lián)進行了探討，部分研究發(fā)現(xiàn)了NMDA受體基因與上述疾病存在關(guān)聯(lián)性[15]。

2.1SNP與阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD)的關(guān)聯(lián)性Jiang和Jia[14]在中國北方漢族群體中檢測了362名AD患者NR2B基因位于啟動子區(qū)4個SNP，分別為-200T/G(rs1019385)，-421C/A(rs3764028)，-1447T/C(ENS105578和-1497G/A(rs12368476)，發(fā)現(xiàn)-421CC基因型比CA和AA基因型患AD的概率高，對比-421A、NR2B啟動子區(qū)-421C等位基因轉(zhuǎn)錄活性降低34.69～39.79%。研究顯示-421C等位基因型能夠引起NR2B轉(zhuǎn)錄活性降低、NR2B蛋白表達下降，提示-421(rs3764028)與AD相關(guān)聯(lián)。

Zhao等[16]研究了2455名AD患者NR1和NR2A受體中的5個SNP，通過分析單個變異體和多重基因座單倍型發(fā)現(xiàn)位于5′非翻譯區(qū)rs11146020與AD相關(guān)聯(lián)，未發(fā)現(xiàn)NR2A SNP與AD 相關(guān)聯(lián)。

Seripa等[17]研究了222例高加索AD患者NR2B 3個SNP:rs1019385(200T/G，在5′末端G置換T)， rs1806201(2664 G / A，在外顯子13 A轉(zhuǎn)換G)， rs890(5072 T/G，在3′末端G置換T)，未發(fā)現(xiàn)與AD相關(guān)聯(lián)。

Liou等[18]研究了275例長期接受抗精神病藥物治療的AD患者(其中患遲發(fā)性運動障礙TD患者142例，未患遲發(fā)性運動障礙TD患者133例)NR2B 3個SNP-200G/T， 366G /C和2664T/C，并未發(fā)現(xiàn)患者的基因型和等位基因頻率和TD密切相關(guān)。

2.2SNP與精神分裂癥(schizophrenia，SP)的關(guān)聯(lián)Ohtsuki等[19]在日本人群中研究發(fā)現(xiàn)NR2B 的最后一個外顯子3′端和366C/G位點存在多態(tài)性并與SP存在關(guān)聯(lián)，推測NR2B 或其連鎖不平衡位點可能成為致病基因。

Qin 等[20]在中國人群的研究中檢測了NR1和NR2B基因中5個SNP，發(fā)現(xiàn)G1001C與T4197C、T5988C在多態(tài)性方面重要的遺傳學相互作用，并且發(fā)現(xiàn)了上述位點單倍型與SP存在陽性關(guān)聯(lián)。

Begni等[11]在意大利人群中研究證實，NR1基因位點上1001G/C 多態(tài)性與SP關(guān)聯(lián)，C等位基因可能改變轉(zhuǎn)錄因子NF-кB的共同序列。病例組C等位基因及其純合子與雜合子基因型頻率明顯高于對照組，因此NR1可能是SP敏感的候選基因之一。

Zhao 等[16]在中國漢族群體中檢測了5個橫跨NR1的SNP，發(fā)現(xiàn)位于5′端非翻譯區(qū)rs11146020 (1001G/C) 的C等位基因在患者組中高頻表達，提示rs11146020是SP候選SNP位點。

2.3SNP與其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病的關(guān)聯(lián)Kim等[13]檢測了206名酒精中毒的韓國患者NR2B3個SNP:(rs1806201， rs1805247， and rs1805502)，其中rs1806201基因型頻率和單倍體分析顯示患病組和對照組差異明顯，為酒精中毒癥的候選SNP位點。

Szczepankiewicz 等[21]研究了419例雙相性精神障礙(BDNF)患者NR2B3個SNP:-200G/T， 366C/G and rs890G/T，未發(fā)現(xiàn)與BDNF相關(guān)聯(lián)。

表1　NMDA受體基因部分SNP位點遺傳多態(tài)性數(shù)據(jù)

Dorval等[22]通過對NR2B 205個核心家族中9個SNP進行檢測，發(fā)現(xiàn)rs2284411和ADHD密切相關(guān)。

以上文獻提示，NMDA受體基因多態(tài)性與神經(jīng)系統(tǒng)疾病密切相關(guān)，以下SNP位點可以考慮作為候選位點(表1)。

綜上所述，SNP做為DNA序列變異的主要形式，是決定人類復雜疾病易感性和藥物反應性個體差異的核心信息。目前，復雜性多基因疾病，是由遺傳和環(huán)境等眾多因素共同作用所致，其中多因素共同作用影響了疾病的表現(xiàn)型，從而隱藏了多態(tài)性的作用。另外，同一基因多態(tài)性在不同種族或不同數(shù)量人群中，得出的結(jié)論可能不同甚至完全相反，遺傳異質(zhì)性的問題值得我們關(guān)注。

隨著基因組流行病學的發(fā)展，NMDA受體基因在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生發(fā)展中的作用日益受到人們的重視。NMDA受體基因多態(tài)性除與上述疾病有關(guān)外，還可能與其他環(huán)境刺激因素引起的復雜疾病有關(guān)。因此，研究NMDA受體基因多態(tài)性與復雜疾病的關(guān)系可從基因水平的角度來闡述疾病的發(fā)病機制，為疾病的預防和治療提供新的途徑。

【參考文獻】

[1]Konradi C, Heckers S. Molecular aspects of glutamate dysregulation: implications for schizophrenia and its treatment[J]. Pharmacol Ther, 2003, 97(2): 153-179.

[2]Shimizu E, Tang Y P, Rampon C,etal. NMDA receptor-dependent synaptic reinforcement as a crucial process for memory consolidation[J]. Science, 2000, 290(5494): 1170-1174.

[3]Wilson M A, Tonegawa S. Synaptic plasticity, place cells and spatial memory: study with second generation knockouts[J]. Trends Neurosci, 1997, 20(3): 102-106.

[4]Luo J, Bosy T Z, Wang Y,etal. Ontogeny of NMDA R1 subunit protein expression in five regions of rat brain[J]. Brain Res Dev Brain Res, 1996, 92(1): 10-17.

[5]Bai G K J. Functional analysis of the proximal 5’-flanking region of the N-methyl-D-aspartate receptor subunit gene, NMDAR1[J]. J Biol Chem,1995,270:7737-7744.

[6]Klein M, Pieri I, Uhlmann F,etal. Cloning and characterization of promoter and 5’-UTR of the NMDA receptor subunit epsilon 2: evidence for alternative splicing of 5’-non-coding exon[J]. Gene, 1998, 208(2):259-269.

[7]Sasner M, Buonanno A. Distinct N-methyl-D-aspartate receptor 2B subunit gene sequences confer neural and developmental specific expression[J]. J Biol Chem, 1996, 271(35): 21316-21322.

[8]Durand G M, Bennett M V, Zukin R S. Splice variants of the N-methyl-D-aspartate receptor NR1 identify domains involved in regulation by polyamines and protein kinase C[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1993, 90(14): 6731-6735.

[9]Miyatake R, Furukawa A, Suwaki H. Identification of a novel variant of the human NR2B gene promoter region and its possible association with schizophrenia[J]. Mol Psychiatry, 2002, 7(10): 1101-1106.

[10]Wood M W, VanDongen H M, VanDongen A M. The 5’-untranslated region of the N-methyl-D-aspartate receptor NR2A subunit controls efficiency of translation[J]. J Biol Chem, 1996, 271(14): 8115-8120.

[11]Begni S, Moraschi S, Bignotti S,etal. Association between the G1001C polymorphism in the GRIN1 gene promoter region and schizophrenia[J]. Biol Psychiatry, 2003, 53(7): 617-619.

[12]Alonso P, Gratacos M, Segalas C,etal. Association between the NMDA glutamate receptor GRIN2B gene and obsessive-compulsive disorder[J]. J Psychiatry Neurosci, 2012, 37(4): 273-281.

[13]Kim J H. Association study of polymorphisms in N-methyl-D-aspartate receptor 2B subunits (GRIN2B) gene with Korean alcoholism[J].Neurosci Res,2006,56:220-223.

[14]Jiang H, Jia J. Association between NR2B subunit gene (GRIN2B) promoter polymorphisms and sporadic Alzheimer's disease in the North Chinese population[J]. Neurosci Lett, 2009, 450(3): 356-360.

[15]Shastry B S. SNP alleles in human disease and evolution[J]. J Hum Genet, 2002, 47(11): 561-566.

[16]Zhao X, Li H, Shi Y,etal. Significant association between the genetic variations in the 5' end of the N-methyl-D-aspartate receptor subunit gene GRIN1 and schizophrenia[J]. Biol Psychiatry, 2006, 59(8): 747-753.

[17]Seripa D, Matera M G, Franceschi M,etal. Association analysis of GRIN2B, encoding N-methyl-D-aspartate receptor 2B subunit, and Alzheimer's disease[J]. Dement Geriatr Cogn Disord, 2008, 25(3): 287-292.

[18]Liou Y J, Wang Y C, Chen J Y,etal. Association analysis of polymorphisms in the N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor subunit 2B (GRIN2B) gene and tardive dyskinesia in schizophrenia[J]. Psychiatry Res, 2007, 153(3): 271-275.

[19]Ohtsuki T, Sakurai K, Dou H,etal. Mutation analysis of the NMDAR2B (GRIN2B) gene in schizophrenia[J]. Mol Psychiatry, 2001,6(2):211-216.

[20]Qin S, Zhao X, Pan Y,etal. An association study of the N-methyl-D-aspartate receptor NR1 subunit gene (GRIN1) and NR2B subunit gene (GRIN2B) in schizophrenia with universal DNA microarray[J]. Eur J Hum Genet, 2005, 13(7): 807-814.

[21]Szczepankiewicz A, Skibinska M, Suwalska A,etal. No association of three GRIN2B polymorphisms with lithium response in bipolar patients[J]. Pharmacol Rep, 2009, 61(3): 448-452.

[22]Dorval K M, Wigg K G, Crosbie J,etal. Association of the glutamate receptor subunit gene GRIN2B with attention-deficit/hyperactivity disorder[J]. Genes Brain Behav, 2007,6(5):444-452.

(2015-12-08收稿2016-03-15修回)

(責任編輯梁秋野)

基金項目：全軍后勤科研“十二五”重大資助項目(AKJ11J003)；全軍后勤科研“十二五”重大資助項目(AKJ11J002)

作者簡介：田大為，博士研究生，助理研究員。 通訊作者：賈宏博， E-mail：jiahongbo@163.com

【中國圖書分類號】R34