酶基因變異與同型半胱氨酸代謝異常研究進展

潘征　潘興壽

【關(guān)鍵詞】 同型半胱氨酸;甲硫氨酸合成酶;亞甲基四氫葉酸還原酶;胱硫醚β合成酶;基因

中圖分類號：R589.3 文獻標志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2019.11.015

同型半胱氨酸（HCY）主要參與甲基（-CH3）供體循環(huán)中的甲基化與去甲基化過程，體內(nèi)HCY水平升高與動脈粥樣硬化關(guān)系密切，備受研究者關(guān)注[1]。研究表明HCY的代謝途徑主要有四個方面[2]：（1）在亞甲基四氫葉酸還原酶（MTHFR）、S-腺苷同型半胱氨酸水解酶（SAHH）和甲硫氨酸腺苷轉(zhuǎn)移酶（MAT）的參與下，與5-甲基四氫葉酸（MTHF）合成甲硫氨酸（MET）和四氫葉酸（THF）。（2）在甜菜堿同型半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（BHMT）參與下，HCY、膽堿、甜菜堿合成MET和二甲基甘氨酸。（3）在胱硫醚β合成酶（CBS）的參與下，HCY與絲氨酸縮合成胱硫醚，胱硫醚進一步斷裂成半胱氨酸。（4）在絲氨酸羥甲基四氫葉酸還原酶（SHMT）的參與下，HCY與甲基四氫葉酸合成甘氨酸、絲氨酸?；蛭稽c的堿基變異，導致其編碼的氨基酸序列或結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變酶的活性，造成機體代謝物質(zhì)紊亂[3]。機體HCY水平病理性變化與基因位點變異有關(guān)，近年來影響HCY代謝過程中相關(guān)代謝酶的研究取得許多進展，現(xiàn)綜述如下。

1 甲硫氨酸腺苷轉(zhuǎn)移酶

MAT又稱為S-腺苷甲硫氨酸合成酶（SAMS），是甲基供體循環(huán)及其HCY代謝的重要限速酶，除了寄生蟲外幾乎生物體都有MAT[4]。在MAT的催化下，MET從ATP中獲取腺苷變成SAM，獲得S-腺苷的SAM帶有一個活化的甲基，成為活性MET，是生物活動中甲基、氨丙基和硫基轉(zhuǎn)移反應的輔酶，其通過各種轉(zhuǎn)甲基作用生成多種含甲基的生理活性物質(zhì)，如腎上腺素、肉堿、磷脂、膽堿及肌酸等多種含甲基的生理活性物質(zhì)，在細胞代謝過程中成為重要的甲基供體[5]。SAM將甲基轉(zhuǎn)移到DNA、RNA或蛋白質(zhì)上使其產(chǎn)生甲基化，影響基因的表達、調(diào)控和功能。因此，SAM又被稱為控制基因表達的重要開關(guān)[6]。人類的MAT有MAT1A、MAT2A和MAT2B三種亞型[7]。MAT1A位于染色體的10p22.3，基因全長17 865 bp，含9個外顯子，編碼396個氨基酸殘基的酶蛋白。從53份組織和570份器官捐贈標本（donors）中，用基因型-組織表達（GTEx）和表達定量性狀遺傳位點（eQTL）測序顯示，93.8%的MAT1A在肝組織表達[8]。至今已有rs1143694[C/T]等2671個位點可以改變MAT1A酶氨基酸序列的研究報道[9]。MAT2A基因位于2p11.2，基因全長6116 bp，含9個外顯子，編碼395個氨基酸殘基。用GTEx和eQTL測序顯示，MAT2A在組織中表達呈現(xiàn)多樣性，表達量較高是甲狀腺組織，占總表達量5.3%。至今已有rs72940560[C/T]等2671個位點可以改變MAT2A氨基酸序列的研究報道[10]。MAT2B基因位于5p11.2，基因全長13 775 bp，含7個外顯子，編碼361個氨基酸殘基。用GTEx和eQTL測序顯示，MAT2B在多種組織均有表達，表達量較高是EB病毒轉(zhuǎn)化淋巴細胞，占總表達量的3.8%。至今已有rs299299[C/T]等4789個位點可以改變MAT2B酶氨基酸序列的研究報道[11]。MAT基因變異造成MAT酶的活性變化，從而影響HCY代謝循環(huán)，導致血漿中HCY處在高水平狀態(tài)[12]。目前認為MAT基因位點的變異，參與基因轉(zhuǎn)錄、細胞增殖等并產(chǎn)生一些異常的中間代謝物質(zhì)，成為動脈硬化、肝病、癌癥、抑郁癥、阿爾茨海默病、空泡性脊髓病和骨關(guān)節(jié)炎的診斷標識、療效觀察和藥物靶標。在MAT活性區(qū)域的密碼子突變，或有多個基因發(fā)生變異的患者，其臨床表現(xiàn)更加突出[13]。

2 甲硫氨酸合成酶（MS）

MS又稱為鈷胺素依賴甲硫氨酸合成酶（METH）或解聚素樣金屬蛋白酶（ADAMTS1），是葉酸和HCY代謝的關(guān)鍵酶，MS催化甲基從MTHF轉(zhuǎn)移到HCY，產(chǎn)生THF和MET。對于維持HCY水平有重要作用，抑制MS的活性，MTHF和HCY的水平升高，THF水平降低，導致嘌呤和嘧啶的合成受阻，進而抑制DNA的合成，從而抑制細胞的分裂和生長[14]。MS基因位于q21.3，基因全長9663 bp，含9個外顯子，編碼947個氨基酸殘基。用GTEx和eQTL測序顯示，MS基因在組織中表達呈現(xiàn)多樣性，表達量較高是卵巢組織，占總表達量1.2%。至今已有rs2738[A/C]等3287個位點可以改變MS酶氨基酸序列的研究報道[15]。MS有望成為治療疾病藥物的新靶點。目前正在研發(fā)的MS抑制劑根據(jù)其化學結(jié)構(gòu)不同，可分為使鈷胺素失活的含氮化合物、乙醇及其類似物，與鈷胺素競爭性的鈷胺素類似物，與MTHF競爭性的MTHF結(jié)構(gòu)類似物和使鈷胺素失活的N5位具有正電中心的葉酸類似物等。早就有人提出MS抗腫瘤化療藥靶點的設(shè)想，但迄今各種蛋氨酸合成酶抑制劑仍處于前期研究階段[16]。

3 S-腺苷同型半胱氨酸水解酶

SAHH又稱為腺苷同型半胱氨酸酶（AHCY），是甲基供體循環(huán)重要的限速酶，其主要催化SAH水解生成腺苷和HCY。SAHH有SAHH（AHCY）、SAHH2（AHCYL2）、SAHH3（AHCYL3） 三個亞型。SAHH基因位于20p11.2，基因全長23 081 bp，含10個外顯子，編碼425個氨基酸殘基。用GTEx和eQTL測序顯示，SAHH基因在組織中表達呈現(xiàn)多樣性，表達量較高是睪丸組織組織，占總表達量4.4%。至今已有rs819146[C/T]等18 225個可以改變SAHH酶氨基酸序列的研究報道。SAHH2基因位于q11.2，基因全長39 050 bp，含17個外顯子，編碼24個氨基酸殘基，用GTEx和eQTL測序顯示，SAHH2在組織中表達呈現(xiàn)多樣性，表達量較高是腦核組織，占總表達量4.7%。至今已有rs12987[A/T]等8452個可以改變SAHH2酶氨基酸序列的研究報道。SAHH3位于7p32.1，基因全長2 051 891 bp，含17個外顯子，編碼509個氨基酸殘基，用GTEx和eQTL測序顯示，SAHH3在組織中表達呈現(xiàn)多樣性，表達量較高是橫結(jié)腸組織，占總表達量8.4%。至今已有rs721691[A/G]等43 639個位點可以改變SAHH3酶氨基酸序列的研究報道。SAHH酶的活性直接關(guān)系到HCY在體內(nèi)的水平，在SAHH缺乏者中，血漿肌酸激酶、MET、SAM和SAH含量會升高。抑制SAHH將導致細胞內(nèi)SAH的堆積，從而對轉(zhuǎn)甲基反應產(chǎn)生反饋性抑制作用。SAHH在調(diào)節(jié)細胞內(nèi)SAH和HCY過程中扮演重要角色，可以作為藥物設(shè)計的靶位點，作為抗寄生物，抗風濕，提高免疫力和腫瘤的增殖等作用的藥物[17]。

4 亞甲基四氫葉酸還原酶

MTHFR是甲基供體循環(huán)及其HCY代謝的重要限速酶，在甲基傳遞和HCY代謝過程中起關(guān)鍵作用。人類的MTHFR位于1q36.22，基因全長20 318 bp，含12個外顯子，編碼704個氨基酸殘基。用GTEx和eQTL測序顯示，MTHFR基因在組織中表達呈現(xiàn)多樣性，表達量較高是卵巢組織，占總表達量4.5%。至今已有rs868014[C/T]等6235個位點可以改變MTHFR酶氨基酸序列的研究報道。MTHFR基因變異造成MTHFR酶的活性變化，從而影響HCY代謝循環(huán)，導致血漿中HCY處在高水平狀態(tài)。目前認為MTHFR基因變異可引起代謝途徑障礙，血漿HCY升高，直接或間接導致血管內(nèi)皮細胞損傷，促進血管平滑肌細胞增殖，影響低密度脂蛋白的氧化，增強血小板功能，促進血栓形成等動脈粥樣病變。研究最多的是rs1801131（A1298C）和rs1801133（C667T），這兩個位點與人類疾病的關(guān)聯(lián)更為緊密，其變異會直接影響酶的活性，酶活性降低會影響甲基化和去甲基化的整個代謝過程，導致疾病發(fā)生，從而影響HCY的代謝過程，繼而在人體內(nèi)引起一系列與疾病相關(guān)的反應[18]。

5 絲氨酸羥甲基四氫葉酸還原酶

SHMT是葉酸代謝的關(guān)鍵酶之一，具有可逆性地催化絲氨酸及THF轉(zhuǎn)化為甘氨酸和5，10-亞甲基四氫葉酸，為嘌呤、胸苷酸、MET等合成提供甲基。SHMT有SHMT1和SHMT2兩個亞基。SHMT1基因位于17q11.2，基因全長35 615 bp，含12個外顯子，編碼484個氨基酸殘基。用GTEx和eQTL測序顯示，SHMT1基因總的表達量較高是肝組織，占總表達量22.4%。至今已有rs1979277[A/G]等10 320個位點可以改變SHMT1酶氨基酸序列的研究報道[19]。SHMT2基因位于12p13.3，基因全長5605 bp，含12個外顯子，編碼484個氨基酸殘基。用GTEx和eQTL測序顯示，SHMT2在EB病毒轉(zhuǎn)化的淋巴細胞的表達量較高，占總表達量11.2%。至今已有rs2229716[A/G]等2072個位點可以改變SHMT2酶氨基酸序列的研究報道。當體內(nèi)葉酸缺乏或MTHFR活性降低時，5-甲基四氫葉酸生成減少，導致血漿HCY轉(zhuǎn)化率降低，HCY在體內(nèi)堆積，損傷管壁內(nèi)皮細胞，影響凝血與抗凝之間的平衡，并促進脂質(zhì)沉積導致動脈粥樣硬化，引起血管管壁結(jié)構(gòu)和功能紊亂。同時葉酸缺乏也可導致DNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)甲基化不足，染色體不穩(wěn)定，影響機體合成代謝，共同促進血管疾病的發(fā)生和進展[20]。

6 胱硫醚β合成酶

CBS是同型半胱氨酸代謝過程中的關(guān)鍵酶，約有50%的HCY通過CBS和胱硫醚γ裂解酶生成半胱氨酸進入排硫循環(huán)。另外50%的HCY則通過再甲基化形成MET。CBS基因位于21p22.3，基因全長23 188 bp，含17個外顯子，編碼551個氨基酸殘基。用GTEx和eQTL測序顯示，CBS表達量較高是肝組織，占總表達量14.0%。至今已有rs12613[A/G]等5558個位點可以改變CBS酶氨基酸序列的研究報道。CBS基因變異可以影響CBS活性，例如CBS T833C位點的突變使其編碼的異亮氨酸代替了蘇氨酸，導致酶蛋白分子中磷酸吡哆醛（PLP）結(jié)合位點的構(gòu)象變化，從而影響CBS與PLP結(jié)合。G919A突變使甘氨酸代替了絲氨酸，影響CBS的活性;第4外顯子中的堿基丟失引起CBS活性完全喪失。CBS基因研究或許成為高調(diào)節(jié)HCY 血癥及相關(guān)的血管疾病的藥物治療提供靶向[21]。

7 甜菜堿同型半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶

BHMT也被稱為甜菜堿同型半胱氨酸S-甲基轉(zhuǎn)移酶（Betaine-homocysteine S-methyltransferase），是催化將甲基從甜菜堿轉(zhuǎn)移到HCY的反應，分別產(chǎn)生二甲基甘氨酸、 HCY和MET。BHMT基因有兩個亞型BHMT和BHMT2。BHMT基因位于5p14.1，基因全長20 512 bp，含8個外顯子，編碼406個氨基酸殘基。用GTEx和eQTL測序顯示，BHMT基因總的表達量較高是肝組織，占總表達量72.6%。至今已有rs492842[A/G]等5131個位點可以改變BHMT酶氨基酸序列的研究報道。BHMT2位于5p14.1，基因全長19 750 bp，含8個外顯子，編碼363個氨基酸殘基。用GTEx和eQTL測序顯示，BHMT2基因表達量較高是肝組織，占總表達量27.2%。至今已有rs56774046[A/G]等4968個位點可以改變BHMT2酶氨基酸序列的研究報道。BHMT是催化HCY重新甲基化的代謝酶，其對HCY的轉(zhuǎn)化能力與MS相當，無特殊輔酶依賴性，且反應產(chǎn)物可促進MS甲基化途徑的進行，這些特性將成為研究治療HCY水平異常增高的新靶點[22]。

甲基化反應是在細胞代謝過程中氫原子被甲基（-CH3）基團取代的過程。甲基不能在生物體內(nèi)以游離形式存在，必須以四氫葉酸為載體，甲基與氮原子或硫原子結(jié)合生成甲基供體，為滿足磷脂、腎上腺素、RNA和DNA等生物合成需要提供甲基;膽堿、MET、甜菜堿等合成活性甲基基團為細胞代謝提供甲基。外源性葉酸進入甲基供需循環(huán)過程，必須經(jīng)過HCY代謝。HCY水平的相對穩(wěn)定是維持生命代謝的重要保障，影響HCY途徑相關(guān)的代謝酶的基因變異，可影響HCY合成與消耗，深入甲基循環(huán)相關(guān)基因研究，對一些疾病的發(fā)生和發(fā)展機制的認識及控制靶點的切入等都有重要意義。

綜上所述，導致HCY水平變異機制比想象中還要復雜得多，HCY水平只能作為疾病的觀察指標，而不宜作為控制疾病的靶指標。

參 考 文 獻

[1]Gregory Iii JF.90th Anniversary Commentary：Moderate Folate Depletion Increases Plasma Homocysteine and Decreases Lymphocyte DNA Methylation in Postmenopausal Women[J].J Nutr，2018，148（10）：1671-1673.

[2]Kailing LL，Bertinetti D，Herberg FW，et al.A coupled photometric assay for characterization of S-adenosyl-l-homocysteine hydrolases in the physiological hydrolytic direction[J].N Biotechnol，2017，39（1）：11-17.

[3]Rabaneda LG，Geribaldi-Doldán N，Murillo-Carretero M，et al.Altered regulation of the Spry2/Dyrk1A/PP2A triad by homocysteine impairs neural progenitor cell proliferation[J].Biochim Biophys Acta，2016，1863（12）：3015-3026.

[4]Dos Santos LM，da Silva TM，Azambuja JH，et al.Methionine and methionine sulfoxide treatment induces M1/classical macrophage polarization and modulates oxidative stress and purinergic signaling parameters[J].Mol Cell Biochem，2017，424（1-2）：69-78.

[5]Liang Y，Zou CH，Li JD，et al.Reserch Progress of Medicinal Secondary Metabolites and Gene Cloning of Dendrobium officinale[J].Medicinal Plant，2019，10（3）：16-18，23.

[6]Pretzel J，Gehr M，Eisenkolb M，et al.Characterization and redox regulation of Plasmodium falciparum methionine adenosyltransferase[J].J Biochem，2016，160（6）：355-367.

[7]梁燁，鄒才華，李近都，等.石斛藥用次生代謝產(chǎn)物及其基因克隆研究進展[J].中華中醫(yī)藥雜志，2018，33（12）：5511-5514.

[8]Torres L，Avila MA，Carretero MV，et al.Liver-specific methionine adenosyltransferase MAT1A gene expression is associated with a specific pattern of promoter methylation and histone acetylation：implications for MAT1A silencing during transformation[J].FASEB J，2000，14（1）：95-102.

[9]Hong S，Zhai B，Pissios P.Nicotinamide N-Methyltransferase Interacts with Enzymes of the Methionine Cycle and Regulates Methyl Donor Metabolism[J].Biochemistry，2018，57（40）：5775-5779.

[10]Pendleton KE，Park SK，Hunter OV，et al.Balance between MAT2A intron detention and splicing is determined cotranscriptionally[J].RNA，2018，24（6）：778-786.

[11]Peng H，Dara L，Li TW，et al.MAT2B-GIT1 interplay activates MEK1/ERK 1 and 2 to induce growth in human liver and colon cancer[J].Hepatology，2013，57（6）：2299-2313.

[12]李鴻翔，梁燁，李天資，等.原發(fā)性高血壓危險因素的易感基因及其非編碼RNA研究進展[J].中西醫(yī)結(jié)合心腦血管病雜志，2014，12（7）：879-881.

[13]LeGros L，Halim AB，Chamberlin ME，et al.Regulation of the human MAT2B gene encoding the regulatory beta subunit of methionine adenosyltransferase， MAT II[J].J Biol Chem， 2001，276（27）：24918-24924.

[14]Hoover DM，Jarrett JT，Sands RH，et al.Interaction of Escherichia coli cobalamin-dependent methionine synthase and its physiological partner flavodoxin：binding of flavodoxin leads to axial ligand dissociation from the cobalamin cofactor[J].Biochemistry，1997，36（1）：127-138.

[15]Ho YY，Matteini AM，Beamer B，et al.Exploring biologically relevant pathways in frailty[J].J Gerontol A Biol Sci Med Sci，2011，66（9）：975-979.

[16]Blanton SH，Henry RR，Yuan Q，et al.Folate pathway and nonsyndromic cleft lip and palate[J].Birth Defects Res A Clin Mol Teratol，2011，91（1）：50-60.

[17]Jonnalagadda M，Norton H，Ozarkar S，et al.Association of genetic variants with skin pigmentation phenotype among populations of west Maharashtra，India[J].Am J Hum Biol，2016，28（5）：610-618.

[18]Stajnko A，lejkovec Z，Mazej D，et al.Arsenic metabolites;selenium;and AS3MT，MTHFR，AQP4，AQP9，SELENOP，INMT，and MT2A polymorphisms in Croatian-Slovenian population from PHIME-CROME study[J].Environ Res，2019，170：301-319.

[19]K Rebekah P，Tella S，Buragadda S，et al.Interaction between Maternal and Paternal SHMT1 C1420T Predisposes to Neural Tube Defects in the Fetus：Evidence from Case-Control and Family-Based Triad Approaches[J].Birth Defects Res，2017，109（13）：1020-1029.

[20]Tani H，Ohnishi S，Shitara H，et al.Mice deficient in the Shmt2 gene have mitochondrial respiration defects and are embryonic lethal[J].Sci Rep，2018，8（1）：425.

[21]Krajaejun T，Kittichotirat W，Patumcharoenpol P，et al.Data on whole genome sequencing of the oomycete Pythium insidiosum strain CBS 101555 from a horse with pythiosis in Brazil[J].BMC Res Notes，2018，11（1）：880.

[22]Clifford AJ，Chen K，McWade L，et al.Gender and single nucleotide polymorphisms in MTHFR， BHMT，SPTLC1，CRBP2，CETP，and SCARB1 are significant predictors of plasma homocysteine normalized by RBC folate in healthy adults[J].J Nutr，2012，142（9）：1764-1771.

（收稿日期：2019-08-03 修回日期：2019-08-22）

（編輯：潘明志）

基金項目：國家自然科學基金（81060028）;廣西科學研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目重大專項基金（桂科重1598005-9）;廣西衛(wèi)生廳自籌經(jīng)費科研課題（Z2014607）;廣西中青年教師基礎(chǔ)能力提升項目（2018KY0450）

作者簡介：潘征，男，副主任醫(yī)師，醫(yī)學學士，研究方向：高血壓與動脈硬化。E-mail：13977685871@139.com

通信作者：潘興壽。E-mail：1491857657@qq.com

[本文引用格式]潘征，潘興壽.酶基因變異與同型半胱氨酸代謝異常研究進展[J].右江醫(yī)學，2019，47（11）：867-870.