兒童哮喘發(fā)病機(jī)制中基因與環(huán)境相互作用新進(jìn)展

陳海霞，單玉霞，崔振澤，遲磊

1 遺傳易感基因的作用

1.1 基因多態(tài)性 兒童支氣管哮喘是多個(gè)基因傳遞的，已知的哮喘遺傳學(xué)進(jìn)展，主要來自全基因掃描及候選基因關(guān)聯(lián)研究結(jié)果，目前已經(jīng)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)染色體上存在數(shù)百個(gè)哮喘易感基因，涉及多條生物學(xué)通路：例如與肺功能、氣道高反應(yīng)性、氣道平滑肌、免疫機(jī)制、氣道炎癥介質(zhì)及氣道重塑、氣道損傷和修復(fù)、急性加重、吸煙和環(huán)境刺激因素以及肥胖等相關(guān)的基因，表現(xiàn)出兒童哮喘的不同臨床表型。主要可以分為四大類相關(guān)基因：(1)影響IgE介導(dǎo)的氣道炎癥基因[8-10]，位于染色體5q23-31、11q12-13、12q15-24、13q14，主要為Th2分化與功能效應(yīng)基因，如與CD14、白細(xì)胞介素-10(interleukin,IL-10)、IL-13、IL-4、白細(xì)胞介素-4受體(interleukin-4 receptor,IL-4R)等表達(dá)相關(guān)的基因等。(2)影響特異性的IgE反應(yīng)的基因，例如位于染色體6p21[11]的人白細(xì)胞抗原(human leukocyte antigen，HLA)Ⅱ基因相關(guān)抗原遞呈系統(tǒng)，與過敏相關(guān)特異性IgE反應(yīng)之間有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性的HLA-DR、DQ、DP等等位基因，以及位于14q11、7p12、7q32的T細(xì)胞抗原識(shí)別受體(T cell receptor，TCR)基因等。(3)影響非特應(yīng)質(zhì)相關(guān)的氣道高反應(yīng)性基因，例如β2腎上腺素受體基因(β2adrenergic receptor gene，ADRB2)，定位于第5號(hào)染色體，5q31～32。(4)影響非IgE介導(dǎo)的氣道炎癥基因，如位于6號(hào)染色體上的腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor,TNF-α)基因[12]，γ干擾素、胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(insulin-like growth factor，IGF-1)、核因子-κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)基因等。

隨著候選基因研究方法不斷完善，新發(fā)現(xiàn)的一些基因包括：聚角蛋白微絲蛋白基因(filaggrin，F(xiàn)LG)，低親和力IgE受體(low affinity IgE Fc receptor,FCER2)基因，Ⅰ型肌醇多聚磷酸4磷酸酶基因，植物同源域指蛋白11基因等。其中，F(xiàn)LG基因位于人類染色體1q21.3，調(diào)節(jié)機(jī)體的第一道免疫防線，為上皮屏障，當(dāng)基因突變引起皮膚屏障受損，易導(dǎo)致哮喘的發(fā)生；ADRB2位于染色體5q31～32[13]；IL-4R基因介導(dǎo)IL-6抑制作用的樹突細(xì)胞的信號(hào)及轉(zhuǎn)錄激活因子3；FCER2基因是近年來新發(fā)現(xiàn)的哮喘易感基因[14]，位于第19號(hào)染色體的短臂19p13.3的區(qū)域，多表達(dá)在氣道平滑肌細(xì)胞、單核細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、巨噬細(xì)胞以及嗜酸性粒細(xì)胞和淋巴細(xì)胞等，其功能是調(diào)節(jié)體內(nèi)IgE的生成，進(jìn)而影響B(tài)淋巴細(xì)胞生長(zhǎng)、分化，以及抗原呈遞與細(xì)胞粘附等過程[15]。定位克隆法發(fā)現(xiàn)了解整合素-金屬蛋白酶(a disintegrin and metalloprotease,ADAM33)基因，轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1、白細(xì)胞三烯C4、肌鈣蛋白C，趨化因子配體(chemotactic cytokines ligand,CCL)，二肽基肽酶10，絲氨酸肽酶抑制因子(serine peptidase inhibitor kazal type 5,SPINK5)等。其中，ADAM33[16]位于20號(hào)染色體的短臂末端，表達(dá)于平滑肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和肌纖維細(xì)胞，與氣道重塑密切相關(guān)。

1.2 基因預(yù)測(cè)哮喘患病風(fēng)險(xiǎn)及嚴(yán)重程度 支氣管哮喘的本質(zhì)是由多種炎癥細(xì)胞及炎癥介質(zhì)介導(dǎo)的一種氣道慢性炎癥，是復(fù)雜的多基因遺傳病，了解候選基因、基因多態(tài)性、基因修飾改變等新進(jìn)展，既可以進(jìn)一步認(rèn)識(shí)哮喘的發(fā)病機(jī)制，又為兒童支氣管哮喘的早期診斷、早期干預(yù)以及指導(dǎo)治療提供新的思路。例如ADAM33基因位點(diǎn)多態(tài)性與不同個(gè)體支氣管哮喘易感性以及嚴(yán)重程度密切相關(guān)[17]。Fu等[18]對(duì)不同病情哮喘(輕度和重度)兒童的全血進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，ADRB25′-UTR的高甲基化水平與兒童支氣管哮喘的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。Toll樣受體基因多態(tài)性與哮喘個(gè)體的易感性和嚴(yán)重程度密切相關(guān)[19]。

1.3 基因指導(dǎo)個(gè)體化治療 不同個(gè)體對(duì)某一藥物的治療反應(yīng)是不同的，很大一部分是由遺傳因素決定的，兒童支氣管哮喘的遺傳度可以高達(dá)60%～80%。根據(jù)診斷個(gè)體遺傳學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行治療方面的研究已經(jīng)廣泛開展，通過哮喘的“內(nèi)-表型”相關(guān)生物標(biāo)記以及遺傳基因特點(diǎn)，預(yù)測(cè)針對(duì)性治療反應(yīng)，同時(shí)可以針對(duì)嚴(yán)重哮喘或者難治性哮喘相關(guān)基因炎癥介質(zhì)通路進(jìn)行靶向治療。

肺功能相關(guān)的基因主要由肺功能、氣道重構(gòu)等一組基因夠成，如ADRB2、TNF-α是最明顯的哮喘易患基因，其他的基因包括轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1、白細(xì)胞三烯C4、肌鈣蛋白C等，能夠影響患者對(duì)治療的反應(yīng)，藥物基因組學(xué)對(duì)這些易感基因進(jìn)行系統(tǒng)的研究可以確定藥理反應(yīng)模式的基因變異[20]。

目前利用藥物基因組學(xué)研究來探索單核苷酸多態(tài)性與哮喘藥物治療反應(yīng)之間的聯(lián)系成為研究的熱點(diǎn)[21]，大多數(shù)都集中在三種常用哮喘治療藥物，糖皮質(zhì)激素(吸入型及全身性)、β受體激動(dòng)劑以及白三烯受體調(diào)節(jié)劑。2011年Koster等[22]在Allergy雜志報(bào)道了對(duì)哮喘兒童的研究顯示，F(xiàn)CER2的rs28364072位點(diǎn)多態(tài)性可為激素難治的哮喘患兒提供有價(jià)值的藥理學(xué)預(yù)測(cè)。2016年，F(xiàn)arzan等[23]研究報(bào)道，F(xiàn)CER2特定基因位點(diǎn)與哮喘發(fā)病時(shí)對(duì)糖皮質(zhì)激素的治療反應(yīng)具有高度一致性。

2 環(huán)境因素引起基因改變?cè)黾酉赘行?/h2>

2.1 環(huán)境因素引起基因改變 環(huán)境因素會(huì)引起一個(gè)等位基因的表達(dá)或沉默，而DNA序列不發(fā)生改變，從而參與基因表達(dá)的調(diào)控，影響哮喘的發(fā)生，增加了哮喘患病風(fēng)險(xiǎn)，即表觀遺傳學(xué)修飾。此概念是由Waddington首先提出，是聯(lián)系哮喘的多基因遺傳因素與環(huán)境易感性之間的紐帶，更好的理解了環(huán)境對(duì)于基因表達(dá)的影響作用，也為解釋哮喘的發(fā)病機(jī)制提供了新的研究方向[24]。

2.2 環(huán)境因素影響基因改變的表現(xiàn)形式

不過，科學(xué)家對(duì)交叉證明所需的其他證據(jù)充滿信心。因?yàn)閺幕鹦强燔囂?hào)獨(dú)自發(fā)現(xiàn)的結(jié)果來看，科學(xué)家已經(jīng)非常興奮地認(rèn)為：火星巖層下的東西，除了可以被認(rèn)定為是湖泊之外，再也想象不到會(huì)是什么其他的東西?？磥?，火星上存在湖泊，已經(jīng)是鐵板上釘釘子的事了！

2.2.1 DNA甲基化與去甲基化 DNA甲基化是目前研究最清楚、且最重要的環(huán)境因素引起基因修飾改變的形式[25]。變應(yīng)性哮喘患者支氣管黏膜中有多種基因發(fā)生特征性甲基化改變，如位于染色體17q21內(nèi)ORMDL3基因?yàn)閮和P(guān)聯(lián)基因，編碼的蛋白質(zhì)是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜蛋白家族中的成員；0～4.5歲的兒童體內(nèi)有10余個(gè)基因發(fā)生甲基化改變，與哮喘(血清類黏蛋白，即ORMDL家族)和血IgE的調(diào)節(jié)(RAD50，IL-13和IL-4)的關(guān)系密切[26]。Breton等[27]通過檢測(cè)兒童支氣管哮喘患兒的呼出氣一氧化氮(fractional exhaled nitric oxide，F(xiàn)eNO)水平，發(fā)現(xiàn)精氨酸轉(zhuǎn)移酶(arginase，ARG)中ARG2基因啟動(dòng)子區(qū)的甲基化水平與FeNO顯著相關(guān)。TH1/TH2失衡，TH2亢進(jìn)是兒童支氣管哮喘重要的發(fā)病機(jī)制，其相關(guān)細(xì)胞因子基因甲基化或去甲基化也會(huì)影響哮喘的發(fā)生。Runyon等[28]對(duì)21對(duì)同卵雙胞胎哮喘患者研究發(fā)現(xiàn)，干擾素基因的啟動(dòng)子區(qū)域(有6個(gè)CpG位點(diǎn))的甲基化水平明顯升高；IL-4啟動(dòng)子區(qū)的去甲基化程度升高，促進(jìn)哮喘的發(fā)生[29]；哮喘的發(fā)生與IL-4R基因的甲基化水平有相關(guān)性[30]；IL-6的表達(dá)水平升高與其啟動(dòng)子區(qū)甲基化水平降低有相關(guān)性[31]，并且可以引起其他基因的表達(dá)從而引起哮喘表型的改變[32]。

2.2.2 其他基因修飾調(diào)控方式 基因修飾調(diào)控還包括T細(xì)胞分化的表觀遺傳學(xué)調(diào)控異常、組蛋白的修飾、染色質(zhì)的重塑以及非編碼RNA(miRNA)的調(diào)控等，各種修飾相互影響、互相調(diào)控，構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的表觀遺傳學(xué)調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)體系，在兒童支氣管哮喘的發(fā)病機(jī)制中扮演重要角色。

2.3 影響哮喘基因改變的環(huán)境因素

2.3.1 病原微生物的暴露 呼吸道感染為兒童支氣管哮喘的危險(xiǎn)因素[33]，如呼吸道合胞病毒感染后削弱了哮喘的免疫耐受，增加血FOXP3mRNA調(diào)節(jié)T細(xì)胞，il17a，mu5ac，gob5mRNA和IL-17A水平[34]。鼻病毒引起的喘息為兒童支氣管哮喘發(fā)生的危險(xiǎn)因素[35]，有研究發(fā)現(xiàn)，特殊基因表達(dá)，如IL-4Rars1801275GG、MAP3K1-rs702689AA，對(duì)人鼻病毒具有易感性[36]，17q21變異體與生命早期人鼻病毒相關(guān)喘息相關(guān)[35]。

生命早期抗生素使用、腸道微生物定植模式改變，使過敏相關(guān)兒童支氣管哮喘發(fā)病率上升。通過降低干擾素基因基因去甲基化，農(nóng)場(chǎng)環(huán)境暴露具有保護(hù)作用[37]，母孕期接觸農(nóng)場(chǎng)牛奶，增加后代FOXP3基因去甲基化，生命早期就暴露于接觸農(nóng)場(chǎng)環(huán)境，與哮喘候選基因血清類黏蛋白1樣蛋白、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子基因的低甲基化，以及RAD50、IL-13基因的高甲基化顯著相關(guān)。

2.3.2 變應(yīng)原暴露 有特應(yīng)性皮炎的患兒，單核細(xì)胞和樹突細(xì)胞中IgE高親和力受體表達(dá)過度，位于1q21.3的FLG基因缺陷會(huì)導(dǎo)致皮膚屏障功能受損，有研究發(fā)現(xiàn)，與FcεRI-1G基因甲基化水平降低，從而導(dǎo)致對(duì)室內(nèi)變應(yīng)原致敏，與哮喘發(fā)病的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)關(guān)系[38]。

2.3.3 煙草煙霧 吸煙與呼吸功能損害、短期喘息及哮喘風(fēng)險(xiǎn)增加密切相關(guān)，煙霧暴露能夠引起相關(guān)基因位點(diǎn)的DNA甲基化，繼而導(dǎo)致機(jī)體免疫功能改變[39]。妊娠后3個(gè)月吸煙與1歲期間的哮喘相關(guān)，可以發(fā)生特異性的DNA甲基化，Kohli等[40]發(fā)現(xiàn)，暴露于二手煙環(huán)境的兒童，效應(yīng)T細(xì)胞中的γ干擾素和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞中的Foxp3出現(xiàn)超甲基化。

有研究表明，在高水平多環(huán)芳香烴接觸母體的兒童中，81%具有?；o酶A合成鏈家庭成員3(acyl-CoA synthetase long-chain family member3，ACSL3)基因啟動(dòng)子發(fā)生甲基化，而母體接觸低水平多環(huán)芳香烴的兒童中，僅有大約23%的ACSL3基因啟動(dòng)子發(fā)生甲基化[25]。在胎兒ACSL3甲基化和出生后5歲前哮喘患病率也存在關(guān)聯(lián)性。Perera等[41]報(bào)道發(fā)現(xiàn)，如果母孕期暴露于高濃度多環(huán)芳香烴，與檢測(cè)到的臍帶血白細(xì)胞中ACSL3基因啟動(dòng)子區(qū)甲基化水平正相關(guān)，繼而增加兒童患哮喘的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.4 空氣污染 空氣污染物中的顆粒物是可以引發(fā)哮喘的重要危險(xiǎn)因素[42]，可以加重氧化應(yīng)激，導(dǎo)致DNA損害和低甲基化，低甲基化是6歲前持續(xù)性哮喘的危險(xiǎn)因素，環(huán)境污染重的地區(qū)，F(xiàn)OXP3基因DNA低甲基化的水平升高，引起調(diào)節(jié)T細(xì)胞的功能異常，繼而導(dǎo)致了兒童支氣管哮喘的發(fā)生。Bind等[43]研究發(fā)現(xiàn)，空氣污染物可以改變機(jī)體一些特異基因(如Toll樣受體2的甲基化，導(dǎo)致纖維蛋白原和其他一些炎癥標(biāo)記物的改變，促進(jìn)哮喘的發(fā)生。

兒童支氣管哮喘的發(fā)生與暴露于交通相關(guān)PM2.5有關(guān)[44]，可能會(huì)下調(diào)誘導(dǎo)型一氧化氮合酶的啟動(dòng)子基因區(qū)甲基化水平，導(dǎo)致氣道炎癥發(fā)生。黑炭與硫酸鹽暴露與哮喘中一些基因位點(diǎn)(如HLA-DPA1、feerlg、IL-10及CCL11,DNA甲基化模式改變有顯著相關(guān)性。有哮喘患者隊(duì)列研究，如Baccarelli等[45]及Madrigano等[46]發(fā)現(xiàn)，如果持續(xù)暴露于碳黑和硫酸鹽顆粒，即可引起Alu和LINE-1兩種類型的重復(fù)序列甲基化改變。

目前發(fā)現(xiàn)的與哮喘發(fā)病機(jī)制中的一些重要基因(誘生型一氧化氮合酶、FOXP3、干擾素基因、IL-4、IL-13、轉(zhuǎn)錄激活因子6等)相關(guān)，其中一氧化氮合酶2啟動(dòng)子單倍型以及短期顆粒物(PM2.5)的暴露與誘生型一氧化氮合酶啟動(dòng)子甲基化水平下調(diào)有關(guān)。氣道上皮細(xì)胞過度表達(dá)誘生型一氧化氮合酶，繼而引起一氧化氮產(chǎn)生量增加，為支氣管哮喘的一個(gè)重要特征[47]。

2.4 環(huán)境因素對(duì)基因的改變可以子代遺傳 環(huán)境因素參與基因表達(dá)的調(diào)控，而且基因表達(dá)結(jié)果仍可遺傳給下一代，增加了哮喘患病風(fēng)險(xiǎn)[6]，甲基化水平與遺傳相關(guān)，同時(shí)受環(huán)境、年齡、疾病等因素影響，進(jìn)行子代遺傳的同時(shí)，又可以維持機(jī)體基本表型遺傳的穩(wěn)定性，兒童支氣管哮喘受母親的易感因素影響顯著，約為受父親影響概率的4倍[48]。研究證明，很多基因受表觀遺傳機(jī)制調(diào)節(jié)，例如參與病原體感染的免疫反應(yīng)基因及過敏相關(guān)的炎癥反應(yīng)基因[49]。遺傳易感個(gè)體，在暴露于致病環(huán)境因素促進(jìn)甲基化改變，可導(dǎo)致哮喘發(fā)生發(fā)展[50]，如CpG二核苷酸5′端的胞嘧啶甲基化為甲基胞嘧啶，改變哮喘易感性，并產(chǎn)生可遺傳性改變。

3 基因與環(huán)境相互作用指導(dǎo)哮喘管理

基因遺傳因素與環(huán)境因素是兒童支氣管哮喘的兩大危險(xiǎn)因素，兩者相互作用可增加哮喘的易感性，基因改變的表達(dá)結(jié)果又可以子代遺傳。因此，對(duì)于易感人群尤其要重點(diǎn)關(guān)注，回避不良環(huán)境因素，特別是母孕期，嚴(yán)格掌握生命早期抗生素使用指征，回避室、內(nèi)外變應(yīng)原，以及煙草、煙霧暴露，減少哮喘的發(fā)生以及反復(fù)發(fā)作。

研究發(fā)現(xiàn)，外界環(huán)境污染物會(huì)影響高危人群DNA甲基化水平的改變，通過對(duì)胎兒臍帶血白細(xì)胞基因組DNA甲基化狀態(tài)的檢測(cè)能夠預(yù)測(cè)兒童支氣管哮喘患病的風(fēng)險(xiǎn)性?；ㄉ南┧?2-脂肪氧化酶DNA甲基化為預(yù)測(cè)哮喘危險(xiǎn)性的生物標(biāo)志[51]。哮喘內(nèi)型是哮喘個(gè)體化治療的基礎(chǔ)，Gunawardhana等[52]研究成年支氣管哮喘患者進(jìn)行全基因組分析，發(fā)現(xiàn)各種類型的支氣管哮喘常見有9個(gè)基因(RBP1，TBX5，AK5，NRG1，SYNM，KCNQ4，PYY2，F(xiàn)AM19A4，ME1)的高甲基化狀態(tài)，與基因相關(guān)的內(nèi)型更具有特異性聯(lián)系，兒童期早期預(yù)測(cè)，可以優(yōu)化個(gè)體性治療方案，為兒童支氣管哮喘的基因診斷以及基因治療開辟新的道路，進(jìn)而減輕家庭以及社會(huì)負(fù)擔(dān)[53]。2016年Nguyen等[54]研究發(fā)現(xiàn)，突變的C等位基因可能通過導(dǎo)致炎癥介質(zhì)水平升高，而表現(xiàn)FeNO水平升高，通過測(cè)定呼出氣一氧化氮水平，監(jiān)測(cè)FCER2突變的基因型，預(yù)測(cè)患病風(fēng)險(xiǎn)，早期防治。

了解基因與環(huán)境因素的相互作用，從基因水平來篩選哮喘易感人群，避免環(huán)境觸發(fā)因素，可以為兒童支氣管哮喘的早期診斷、干預(yù)提供新的思路，為更有效的基因治療開辟新的道路。通過基因重組、靶向治療、定點(diǎn)突變技術(shù)制定變應(yīng)原多肽疫苗等在管理兒童支氣管哮喘，臨床選擇有效的治療方案，減輕家庭以及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)中具有更重要的意義[53]。未來將需要更多能夠反映兒童支氣管哮喘肺功能及炎癥指標(biāo)的無創(chuàng)生物標(biāo)志物，更有針對(duì)性的防治疾病。