哮喘的分子遗传学
中华结核和呼吸感染 2000年第6期第23卷 综 述
作者：郭雪君
单位：郭雪君(上海第二医科大学附属瑞金医院肺科 200025)
尽管目前已广泛认为哮喘是一种气道慢性炎症性疾病，但对其确切的发病机制，特别是气道炎症的“始动”机制了解甚少。目前大多数学者认为，哮喘是一种具有多基因遗传倾向的疾病。有人提出哮喘的发病模式为：吸入的抗原在易感个体的支气管内引发非特异性T淋巴细胞/嗜酸细胞介导的炎症反应，从而导致哮喘。提示至少在二个水平存在遗传基因调控。一个是决定炎症反应的性质；一个是决定气道易感性。许多遗传因素可影响炎症反应的调控。一个(或多个)决定对抗原起反应的辅助T淋巴细胞(Th2)基因，这可能是由人类白细胞抗原(HLA)单倍型、T细胞抗原受体(TCR)结构或其它目前尚未了解的因素决定。一个(或多个)决定IgE及嗜酸细胞水平的基因；一个(或多个)控制炎症消退的基因。气道易感性仍是一个模糊的概念，仅支气管高反应性(BHR)是其一个可能的表型，这种易感性亦可能由一个(或多个)基因调控［1］。近年哮喘的分子遗传学成为国际上的研究热点，也是以后哮喘研究的主要方向之一。一、哮喘基因定位的策略和方法哮喘为复杂性状疾病。复杂性状(疾病)的特征为：(1)外显不全；(2)遗传异质化；(3)多基因遗传；(4)协同作用。这就导致在一个群体中发现的遗传连锁或相关，而在另一个不同的群体中则不能发现［2］。1.确定致病基因的方法［3，4］：(1)候选基因法：即先选定一个基因，在其内部或附近确定遗传标记，以此标记研究该基因与哮喘的关系。包括：①待测基因的选择；②确定基因多态性；③等位基因相关研究，即在受累和未受累个体间比较每个等位基因频率，如一个等位基因在受累个体中出现的频率明显高于未受累者，则该等位基因被认为可能与疾病有关；④转递不平衡检测；⑤功能检测。(2)位置克隆法：包括两个步骤：①选择平均分布于基因组上的300个遗传标志进行基因组扫描及连锁分析，当一个疾病与一个特异性的标志等位基因在家系中恒定遗传，该标志则与疾病有联系，因而可以推测致病基因位于该标志的附近区域。②精细定位和致病基因的确定。2.遗传分析方法［5］：(1)连锁分析：在遗传过程中，两个基因或遗传标志被一起分配到子代而不发生交换，称为连锁(linkage)。两个基因位点发生交换的可能性反映了这两个基因的遗传距离。常用的连锁分析有两类：①参数连锁分析：因需要提出一个遗传模式，而哮喘的遗传模式不清楚，因此很难参用参数连锁分析。②非参数连锁分析或等位基因共享法：不依赖于假定的遗传模式。受累同胞配对分析(ASP)是常用的等位基因共享方法。ASP是通过比较配子之间是否非随机地“共享”某一位点上相同的等位基因，推测出疾病的易感基因是否与该位点连锁。(2)相关分析：用于散发患者中评价某一候选基因与疾病的关系。相关的可能性由某一遗传标记特定等位基因在患病者中出现率较之正常对照组中的出现率来确定。二、CSGA的全基因组扫描哮喘遗传学协作研究组(CSGA)研究了三个种族共140个家系，采用360个常染色体上短小串联重复多态性遗传标记进行全基因组扫描。将哮喘候选基因粗略定位于5P15、5q23～31、6P23、11P15、12q14～24.2、13q21.3、14q11.2～13、17P11.1～q11.2、19q1.3、21q21和2q33。该项研究中，未提供位于11q13上标记的连锁证据。这些区域无一显示有与一个以上种族人群均存在连锁的证据，表明特异性哮喘易感基因的相对重要性，同时也表明，环境因素或调节基因在疾病表达方面，可在不同种族中存在差异。该项研究还提示哮喘和特应症具有不同的分子遗传基础［6，7］。三、HLA与变态反应性疾病HLA分子是由位于6P上的两个高度多态性基因家族编码，HLA-A、-B，和-C基因位点编码HLA-Ⅰ类分子，HLA-DP，DQ和-DR位点编码HLA-Ⅱ类分子。HLA-Ⅱ类分子的高度多态性决定了哪一种抗原衍化多肽可通过T细胞受体与T细胞结合，并将抗原多肽传递给T细胞，已发现HLA-Ⅱ类基因与特异性IgE反应之间存在不同相关(正或负相关)。HLA与一些常见吸入性抗原明显的相关仅见于高度纯化的单纯性抗原，而非那些较为复杂的常见抗原。目前，最强的相关性可能存在于对豚草花粉抗原Amb av的IgE反应与HLA-DR2/DW2之间。已知HLA-DQ W2与尘螨过敏中国人群中的儿童哮喘相关，同时是阿司匹林哮喘的一个标志物。另外，在某些HLA等位基因在那些对特殊抗原不产生IgE反应者中更常见，这些HLA等位基因又称为保护性等位基因。以后的研究目标是要建立HLA对相关IgE反应遗传作用的确切特性和相应的意义。为了达到这一目标，首先必需将以非亲缘关系特应征个体的群体研究，转向以家系为基础的群体分析［8，9］。四、细胞受体(TCR)遗传学与哮喘绝大部分T细胞是由α链和β链构成的α β-TCR，2%～4%由γ链和δ链组成的γ δ-TCR。α和δ链编码基因均来自14 q，而β和γ链编码基因分别来自7q和7P。TCR具有高度多样性，构成T细胞抗原受体谱，并可在抗原和HLA双重影响下可选择性地发生寡克隆扩增，称为抗原对TCR受体谱中特定成分的限制性取用。TCR的多样性赋予机体对多种抗原产生免疫应答的巨大潜力。1994年Moffatt等［10］首次报道了TCR α/δ复合体与特异性IgE反应存在遗传连锁。在那些表现对室内尘螨(HDM)和花粉特异性IgE反应的同胞对中，有明显的TCRVα微卫星等位基因共享。提示TCR α基因位点主要影响特应性IgE反应。最近哮喘遗传学协作研究(CSGA)的全基因组扫描将14q11.2-13定为哮喘易感基因。令人感兴趣的是TCR α/β基因恰恰也定位于该区域。Yurovsky等［11］在对特应性哮喘患者豚草抗原激发试验前后，外周血及肺内TCR受体谱的研究中，发现抗原激发后大多数TCRV基因家族有多克隆扩增。这与炎症过程中多克隆T细胞(以CD+ 4为主)向肺内大量聚集相一致。然而某些V基因家族在激发后则出现寡克隆扩增趋势。在对Vβ21结合区DNA测序后证实，在豚草抗原激发后，其由多克隆表达转向寡克隆表达，表明抗原激发后有肺内多克隆T细胞聚集和单克隆T细胞活化。另外，尚有少量研究表明，哮喘患者也存在某些TCR γ δ基因的限制性取用。五、5q上的哮喘候选基因5q31～33区域内含有多个与哮喘发病相关的候选基因。这些基因对IgE调节以及对哮喘的炎症发生发展很重要，包括细胞因子簇［白细胞介素3(IL-3)、IL-4、IL-9、IL-13、粒-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)］、β2肾上腺素能受体、淋巴细胞糖皮质激素受体(GRL)、白三烯C4合成酶(LTC4S)等。因此5q31～33又被称为“细胞因子基因簇”，这使得5q成为一个非常令人感兴趣的候选区，并与血清总IgE、BHR均有连锁关系。在IL-4启动子区已发现存在一个多态性(核苷酸替换)，可使IL-4基因在体外的表达增强，并与特应性哮喘患者的高IgE水平相关。研究发现瑞士人中LTC 4S基因启动子上游444核苷酸存在突变，且在阿司匹林诱发哮喘(AIA)和阿司匹林耐受哮喘(ATA)中的突变率明显高于正常人。但就目前资料而言，尚没有一个有关5q的研究具备足够的能力对致病基因进行准确定位，很可能在这一区域存在不止一个重要的基因位点。据估计，与特应征连锁的这一区域跨越约6 Mb，且可能存在多达300个基因［12］。六、β2受体多态性与哮喘［13］1.β2受体多态性：已发现β2受体编码基因中有9个不同的点突变。其中4个变异体可改变其编码的氨基酸，分别为16号位精氨酸被替换成甘氨酸(Arg16→Gly16)、27号位的谷氨酰胺被替换成谷氨酸(Gln27→Glu27)、34号位缬氨酸替换成蛋氨酸(Met34)、164号位的苏氨酸被替换成异亮氨酸(Thr164→Ile164)。哮喘人群中β2受体等位基因出现的频率与正常人比较差异无显著性，表明β2受体遗传改变不是引起哮喘的主要原因。2.β2受体多态性的体外表型：研究表明，Gly16型受体表现为在接触激动剂过程中，可增加受体的退化，而受体的Glu27型则对抗这种退化过程。这些β2受体变异体对β2激动剂的结合力保持不变，而受体的Ile164变异体与β2激动剂的亲合力下降。3.β2受体多态性的临床意义：研究表明，重症哮喘、夜间哮喘和激素依赖型哮喘患者有高频率的Gly16。研究尚提示β2受体的Glu27型多态性对BHR具有保护作用。七、11q上的哮喘候选基因［14，15］牛津大学的Cookson等最早发现特应征与11q13上的标志D11S 97有很强的连锁。随后将图位(map position)限定在IgE高亲合力受体β亚单位(FcεRI-β)附近。对FcεRI-β编码基因的测序，发现该基因在6号外显子中有181和183位上的亮氨酸的替换(Ile181→Leu181；Ile183→Leu183)。当其通过母系遗传时，则高度易感特应征。在7号外显子中发现237位上苷氨酸的置换(Glu237→Gly237或E237G)，同样与哮喘相关，但无母系遗传的优势。11q区内D11S527和BHR之间以及D11S 534和IgE对数之间均存在很强的等位基因相关。在英国人群中，Leu181替换的发生率为15%。在澳大利亚人和日本人中，E 237G与哮喘均有很强的相关，且在澳大利亚人群E237G尚与BHR相关。有关由牛津研究小组报道的特应征与11q存在连锁关系一直存在争议。某些研究曾证实这些连锁，而许多研究却无法证实。这些相互矛盾研究的原因被解释为：特应征定义的不同；查证方法的倾向性；遗传异质性以及环境因素的差异。八、12q上的哮喘候选基因在12q12～24.1跨越约35 cM区域内含有一些候选基因，包括γ干扰素(IFNγ)、NO合成酶结构式基因(NOS-1)、肥大细胞生长因子(MGF)、胰岛素样生长因子(IGF-1)、干细胞因子(SCF)、核因子Yβ亚单位(NFYβ)、白三烯A4脱氢酶(LTAH)、B细胞易位基因1(BTG 1)和转录子6的信号转导蛋白和激活蛋白(STAT 6)等基因［16］。在基因组扫描粗略定位研究中，仅12q在不只一个种群的研究中有阳性连锁。尽管在跨越12q大部分区域均有阳性连锁和相关，但最强的相关是D12S379。最近，Bames等［17］对12q13.12-23.3进行哮喘基因精细定位研究，发现与哮喘临床表型最强的连锁是位于编码IFNγ基因附近区域。与IgE、特应征、哮喘连锁的候选基因和染色体定位见表1。目前国内在有关中国人群中哮喘易感基因遗传多态性及哮喘相关基因定位方面已作出可喜的成绩，并获得中国人群特有的相关遗传资料。但总体上看尚属跟踪性，且部分研究的家系数量偏小、哮喘表型不全。值得注意的是已发现的哮喘相关基因亦可能存在假阳性结果。
表1 与IgE、特应征、哮喘连锁的候选基因和染色体定位［18］
| 染色体定位 |
候选基因 |
功能 |
| 2q23 |
CD28 |
T细胞分化 |
| 5q31.1～33 |
IL-3，4，5，9，13 |
B细胞同种型转换；细胞因子上调嗜酸细胞、 |
| |
CSF2 |
嗜碱细胞，肥大细胞和IgE的功能 |
| |
ADRB2△ |
膜结合的G蛋白偶联受体 |
| |
GRL |
炎症调节中的重要受体 |
| 6p21.3 |
HLAD |
抗原递呈 |
| |
TNF-α |
介导炎症反应 |
| 11q13 |
FcεRI-β |
嗜碱细胞、肥大细胞和树突细胞上的信号传导 |
| |
FGF3▲ |
促进细胞分化 |
| 12q14.3～24.1 |
IFNG |
抑制IL-4激活 |
| |
SCF |
诱导IL-4 |
| |
NFYB |
上调IL-4和HLAD基因的转录 |
| |
STAT6 |
调控细胞因子所必须的转录因子 |
| 14q11.2～13 |
FCRα/δ |
与多肽-MHC复合体相互作用 |
| |
I-κB** |
激活免疫调节基因 |
CSF2(克隆刺激因子2)；△ADRB2(β2受体)；▲FGF3(肥大细胞生长因子)；I-κB(核因子κB抑制子)对哮喘易感基因的了解将对哮喘的治疗途径和方法产生重大影响：1.对哮喘基因的了解可揭示哮喘的致病途径，从而提出新的治疗方法。2.具有不同遗传变异的个体可能会对不同的治疗方法有效。因此，了解一个个体的基因型将有助于我们制定相应的最佳治疗方案。3.遗传筛查将有助于我们确定易感哮喘的高危者，并可能作为对这类人群在幼年即进行干预的指标。4.如一个关键性哮喘基因被确定，则可在此基础上设计出基因治疗［14］。
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(收稿日期：1999-11-19)
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