尿酸酶假基因研究進(jìn)展

段韻笛 陳建華

（中國藥科大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210038）

尿酸酶可介導(dǎo)生物體內(nèi)的尿酸降解。靈長類生物尿酸酶基因在進(jìn)化過程中由于無義突變而成為假基因，從而不能表達(dá)有功能的尿酸酶。尿酸酶活性的喪失可能為其進(jìn)化提供了選擇性優(yōu)勢，但是高于其他哺乳動物3-10 倍的血清尿酸水平使人類容易罹患高尿酸血癥和痛風(fēng)，并在一定程度上可伴隨糖尿病、高血壓和心血管疾病的發(fā)生。尿酸酶作為治療高尿酸血癥和痛風(fēng)的特異性藥物，受此類藥物在人類患者體內(nèi)的活性、穩(wěn)定性和免疫原性的限制，全球范圍內(nèi)上市藥物屈指可數(shù)，國內(nèi)尚未有批準(zhǔn)上市。因此，從進(jìn)化生物學(xué)的角度出發(fā)，研究假基因?qū)㈥U明導(dǎo)致尿酸酶失活的作用力，可為尿酸酶的“復(fù)活”奠定基礎(chǔ)，并為安全有效的尿酸酶治療劑的開發(fā)提供新的思路和方向。

1 尿酸酶

尿酸氧化酶（urate oxidase，UOX，E.C.1.7.3.3）又稱尿酸酶，是一種參與生物體內(nèi)嘌呤代謝過程的氧化酶，能夠催化尿酸氧化降解生成尿囊素。尿酸酶在自然界中分布廣泛，動物、植物、細(xì)菌和真菌中均有發(fā)現(xiàn)。尿酸酶是由四個結(jié)構(gòu)相同的單體組成的同源四聚體。

假基因（Pseudogenes）指基因組中與正常編碼蛋白基因序列相似的DNA 序列，但由于缺失、插入和無義突變失去閱讀框架，它不能表達(dá)一個有功能的產(chǎn)物。假基因可能是一個有功能的基因經(jīng)一次或多次突變而形成。假基因可分為加工型假基因（Processed pseudogene）、復(fù)制型假基因（Duplicated pseudogene）和單一型假基因（Unitary pseudogene）。人類基因組中約含有14749 個假基因，其中10668 個加工型假基因，3556 個為復(fù)制型假基因，228 個為單一假基因。人尿酸酶假基因定位于基因組的1 號染色體3 區(qū)1 帶1 亞帶（1p31.1），含有7 個外顯子，為單一型假基因。

2 尿酸酶失活的分子機(jī)制

尿酸酶失活的分子機(jī)制尚不明確。目前的研究結(jié)果表明尿酸酶編碼區(qū)發(fā)生的有害突變是尿酸酶失活的原因，在此過程中尿酸酶的活性呈現(xiàn)漸進(jìn)性下降。類人猿譜系中尿酸酶的失活歸因于4 個遺傳損傷。最早的突變是長臂猿尿酸酶所（轉(zhuǎn)下頁）獨有的，在第72 位密碼子發(fā)生13 bp 移碼缺失。其余3 個突變均存在于人尿酸酶假基因中。第一個是人類和大猿猴之間共有，大約一千三百萬年前（Mya）發(fā)生在2 號外顯子內(nèi)第33 位密碼子的無意義突變。其余的兩個失活事件發(fā)生在大約10 Mya，發(fā)生在5 號外顯子中第187 位密碼子的另一個無意義突變和2號內(nèi)含子中的剪接位點突變（位于外顯子2 和外顯子3 之間）。

在人肝細(xì)胞種檢測到了尿酸酶基因的轉(zhuǎn)錄體，cDNA 測序結(jié)果顯示在33 和187 位密碼子發(fā)生無義突變，即使消除這兩個突變也無法恢復(fù)人尿酸酶活性。意味著靈長類動物尿酸酶的失活是一個比較復(fù)雜的過程。

3 尿酸酶失活的進(jìn)化意義

古代的突變會隨著進(jìn)化的時間而降低尿酸酶的活性，而這種逐漸的降低與生理功能和（潛在的）適應(yīng)能力相關(guān)。

血漿中的尿酸鹽是一種重要的水溶性抗氧化劑，能夠與多種氧化劑反應(yīng)，包括過氧化氫，羥基自由基，過亞硝酸鹽和一氧化氮。它清除自由基的能力可以保護(hù)人類免受癌癥的困擾和延長壽命。尿酸有效補(bǔ)償了古靈長類體內(nèi)維生素C（Vc）合成途徑的缺失。始新世早期，氣候溫暖，古靈長類可從豐富的果實性食物獲得Vc，L- 古洛諾內(nèi)酯氧化酶（GLO）假基因化使其自身合成VC的途徑受到抑制。進(jìn)入始新世后期，氣候變冷，古靈長類從食物中獲得的VC減少，尿酸酶失活上調(diào)體內(nèi)的尿酸水平，有利于維持抗氧化狀態(tài)。

果糖存在下，尿酸可促進(jìn)哺乳動物機(jī)體脂肪的積累。中新世早期（約15-20 Ma），全球降溫使果實性食物減少，生活在歐洲的類人猿面臨饑餓的風(fēng)險，歐洲和亞洲的古靈長類生物隨著雨林退回到赤道帶，尿酸酶的丟失可能幫助這些節(jié)食生物“跟隨果實”回到非洲，同時尿酸酶在此時期完全失活使其體內(nèi)的尿酸水平升高，促進(jìn)果糖轉(zhuǎn)化為脂肪儲存在體內(nèi)，有利于度過這一地質(zhì)窗口期。

尿酸與古靈長類的智力發(fā)育有關(guān)。尿酸與咖啡因具有相似的結(jié)構(gòu)，具有潛在的刺激大腦皮層應(yīng)激反應(yīng)的作用，因此尿酸酶的失活可促進(jìn)古靈長類的智力進(jìn)化，增強(qiáng)認(rèn)知能力。

動物實驗證實尿酸具有調(diào)節(jié)血壓的作用，古靈長類進(jìn)行低鈉和低嘌呤飲食，尿酸水平的升高可以急性（通過刺激腎素血管緊張素系統(tǒng)）和長期（通過腎微血管和間質(zhì)性疾病的產(chǎn)生引起鹽敏感性）的方式提高血壓，滿足直立行走所需的較高血壓，因此尿酸酶失活可促進(jìn)古靈長類直立行走能力的形成。

此外，尿酸還有刺激覓食的能力。

4 尿酸酶類藥物研究進(jìn)展

人尿酸酶基因在進(jìn)化過程中發(fā)生突變從而不能表達(dá)有功能的尿酸酶，這一假基因化為人的進(jìn)化提供了優(yōu)勢，但是人體內(nèi)血清尿酸水平顯著升高會導(dǎo)致高尿酸血癥和痛風(fēng)的發(fā)生，某些情況下還會引發(fā)高血壓、心血管疾病和代謝綜合征，嚴(yán)重影響著人們的健康。

臨床上用于治療高尿酸血癥和痛風(fēng)的藥物屈指可數(shù)。傳統(tǒng)的高尿酸血癥治療藥物為化學(xué)藥物，通過抑制尿酸生成和腎的尿酸重吸收來降低血尿酸水平，但是不能促進(jìn)尿酸分解，也不能溶解已形成的痛風(fēng)石，因此尿酸酶類藥物成為目前的研究重點，用于治療其他藥物無效的難治性痛風(fēng)患者。

最初的尿酸酶藥物Uricozyme 和Rasburicase 來源于微生物，與人尿酸酶同源性低，易產(chǎn)生免疫反應(yīng)，限制了臨床應(yīng)用。哺乳動物來源的豬- 狒狒嵌合尿酸酶Pegloticase 不僅具有較高的活性，而且也增加了與人的親緣性，特別是PEG 修飾技術(shù)的應(yīng)用，使其半衰期增加至10.5-19.9 天。但是PEG 修飾會影響酶活，臨床使用過程中患者體內(nèi)出現(xiàn)了抗PEG 抗體，降低了藥物的作用。

因此，深入的研究靈長類尿酸酶失活機(jī)制，復(fù)活人尿酸酶或者尋找與人尿酸酶親緣性更高的哺乳動物嵌合尿酸酶是目前研究的重要方向?；谠诶ハx細(xì)胞（Spodoptera frugiperda）和非洲綠猴腎細(xì)胞（CV-1）中表達(dá)大鼠尿酸酶cDNA 并獲得有功能尿酸酶的研究，未來使用基因編輯技術(shù)在人細(xì)胞中表達(dá)復(fù)活人尿酸酶，通過基因水平改造細(xì)胞來修復(fù)嘌呤代謝異常的方法，可能成為一種治療的新思路和方向。