慢性阻塞性肺疾病的易感基因.pdf

慢性阻塞性肺疾病的易感基因杨文昊1,2?,周爱莲2?(1.广东医学院,广东 湛江 524000;2.深圳市第五人民医院呼吸内科,广东 深圳 518000)中图分类号:R563.3 文献标识码:A 文章编号:1006?2084(2010)23?3568?03 摘要:慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种具有气流受限特征的疾病,这种气流限制不完全可逆,呈进行性发展。COPD是一种多基因遗传的慢性疾病,是在易感基因基础上,各种外部因素相互作用的结果,现在除个别基因已明确外,大多数基因尚未定论。除了炎性机制外,目前认为还有其他两条途径对 COPD的发生发展具有重要作用,即肺内氧化/抗氧化失衡和蛋白酶/抗蛋白酶失衡,通过探讨基因多态性与慢性阻塞性肺疾病(COPD)易感性的关系,寻找 COPD的易感基因,为 COPD 高危人群的筛选、早期预防和治疗提供理论依据。关键词:慢性阻塞性肺疾病;易感性基因;基因多态性Predisposing G enes in Chronic Obstructive Pul m onary Disease YANG Wen?hao,ZHOU Ai?lian.(1.GuangdongM edical College,Zhanjiang 524000,China;2.D epart ment of Res p iratory M edicine,theF ifthsPeople!sH os p ital of Shenzhen,Shenzhen 518000,China)Abstract:Chronic obstructive pulmonary disease(COPD)is a disease characterized by airflow li m itationthat is not fully reversible.The airflow li m itation is usua lly progressive.It has been identified that COPD re?presents a complex disease w ith contributions from multiple genes and env iron mental risk factors.However,only a few of genetic risk factors of COPD are established.Other genetic risk factors of COPD are uncer?tained.Besides inflammatory mechanis m,it also has other t wo mechanisms:out of balance between ox idizingand anti?ox idizing and out of balance bet ween protease and anti?protease which do effort on the happening ofCOPD.This article discussed which polymorphisms in gene have relations on individual susceptibility to thedevelopment of COPD,and provide theoretical basis for selecting the high dangerous population to preventearlier and reduce the incidence ofCOPD.Key words:Chronic obstructive pul monary disease;Susceptible gene;Gene po lymorphis m 慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pul mona?ry diseases,COPD)是具有气流阻塞特征的慢性支气管炎和(或)肺气肿,气流阻塞进行性发展,但部分有可逆性,可伴有呼吸道的高反应性。吸烟是 COPD的主要危险因素,与呼吸道阻塞有明确的关系。但仅有 15%的慢性重度吸烟者发展成为有症状的COPD患者 1。另外,部分患者在儿童时期就发展成气流阻塞,COPD的发生有家族聚集现象等 2。所有这些都表明,在 COPD的发病中遗传因素起着重要的作用。这种遗传并不是单一基因作用,而是多个基因相互作用的结果。COPD的发病机制虽然尚未完全阐明,但炎症学说、蛋白酶/抗蛋白酶失衡学说、氧化/抗氧化失衡学说已被广泛接受。1 与蛋白酶?抗蛋白酶失衡有关的基因1.1?1?AT 基因?1?AT 基因是首先发现也是目前是惟一被肯定的 COPD相关基因。?1抗胰蛋白酶是由肝细胞和肺泡巨噬细胞分泌合成的急性反应蛋白,是丝氨酸蛋白酶的抑制因子。该酶的主要作用为抑制中性粒细胞弹力蛋白酶活性。在?1?AT 基因变异的个体中,一部分?1?AT 被固定在肝细胞的胞质网里,导致血浆?1抗蛋白酶低浓度,由于不能有效保护肺组织免受中性粒细胞弹力蛋白酶的破坏而加速了肺功能的下降。通常与?1?AT 等位基因 Z有关系。但是,这种纯合子在人群中所占比例极低。许多研究在寻找 COPD与杂合子基因型的关系。?1?AT 基因有正常 MM 型及异常 PI MS/PI MZ/PISS/PISZ/PIZZ,杂合子 MS 人群?1?AT水平约为正常的 80%;而 MZ 杂合子人群?1?AT水平约为正常的60%;SZ 杂合子人群极少见,其?1?AT 水平约为正常的40%。ZZ 纯 和 子 其?1?AT 水 平 约 为 正 常 的20%。de Serres等 3研究发现,PI MS杂合体与 COPD无关,PI MZ/PIZZ/PISZ与 COPD 有关,但不是所有的PIZZ都发展成 COPD 4。De meo等 5考虑调节基因可能在 AAT 缺陷者发病中起重要作用,研究显示,AAT可增加白细胞介素(interleukin,IL)10从单核细胞释放,限制由内毒素介导的肿瘤坏死因子(tumornecrosis factor,TNF)的释放 6,IL?10启动子区域基因多态性(rs1800871和 rs1800896)在 AAT缺陷者发展为 COPD中起重要调节作用。1.2 基质金属蛋白酶 基质金属蛋白酶(matrixmetalloproteinases,MMPs)是蛋白水解酶大家族一员,MMPs是降解细胞外基质(extracellular matrix,ECM)和基底膜必需的酶,几乎能降解 ECM 的所有成分。现在的研究表明,中性粒细胞弹性蛋白酶不能分解作为肺组织 ECM 主要成分的型胶原蛋白的 3股螺旋部分,而 MMPs不仅能分解弹性蛋白,而且能分解胶原、#、%、&、(、)以及明胶。ECM 降解是吸烟者肺气肿形成的重要环节。故目前认为中性粒细胞弹性蛋白酶在?1?抗胰蛋白酶缺乏的患者中起主要作用,而在与吸烟相关的 COPD中起主要作 用 的 是 MMPs。Ito 等 7研 究 表 明,MMP?9(-1562C/T)等位基因的多态性与 COPD患者特别是吸烟者肺上部组织气肿进展有关,原因可能为吸烟者 上部肺组 织更易发生 小叶中 央型肺 气肿。3568医学综述 2010年 12月第 16卷第 23期 M edical Recapitulate,Dec 2010,V o.l 16,No.23MMP?12能降解弹力蛋白,而降解的弹力蛋白片段起到正反馈作用,招募更多的巨噬细胞加剧 MMP?12的释放。MMP?12的 rs2276109G基因 G可降低一般及应激情况下该基因表达 8。H unninghake等 9研究显示,MMP?12(rs2276109G)能降低成年吸烟者发展为 COPD的风险,同时保护成年吸烟者的肺功能。2 影响炎症过程的基因研究显示,COPD患者诱导痰中 TNF?水平较正常吸烟者显著升高。TNF?通过激活核因子?B,后者进一步启动 IL?8的转录而放大呼吸道的炎性反应。人类 TNF?基因启动子-308区存在一个多态性位点,即在常见基因型中为 G(-308G/G),在少见型基因中被 A 取代为(-308A/G 或-308A/A)。Louis等 10发现,TNF?-308G/A突变杂合体的的TNF?产量比 TNF?-308G/G 野生纯合体高。这可以在肺组织中诱导过重的炎性反应,从而促使COPD的发生和疾病的发展。台湾一项研究示,TNF1基因多态性在对照组为 2.4%,而在 COPD患者为 19%,优势比为 11.1 11。然而,Stankovic等 12研究显示,在塞尔维亚人中携带有基因 TNF308G/A者发展为 COPD的风险降低,并且,与对照组相比,在肺癌患者中有 TNF308G/A表型的较少。细胞因子在 COPD 的发病机制中占有重要地位,Th1/Th2二者之间相互影响,相互制约处于动态平衡,才能维持机体正常的细胞免疫和体液免疫。Th0细胞可选择性分化为 Th1或 Th2细胞,在诸多细胞因子中,IL?12和 IL?4对 Th0分化起关键性调节作用,在 I L?12作用下有利于 Th0向 Th1细胞分化,而I L?4促进 Th0细胞分化为 Th2细胞。IL?12是由 p35和 p40两个亚基组成,各由 IL?12A和 I L?12B基因编码,p40亚基主要激活巨噬细胞和 B细胞。同那些无COPD的吸烟者和非吸烟者相比,IL?12表达增加可在 COPD患者的肺上皮细胞和肺呼出的冷凝物中观察到 13。国内钟定等 14的研究也显示,IL?4的表达在 COPD组明显低于哮喘组及正常对照组。这些研究表明,COPD可能为 Th1细胞亚群功能亢进,IL?12细胞因子占优势引起的。SNP16974A/C影响 IL?12的合成,可能在 COPD 的发病过 程起重要作用。I L?10 主要是由 T细胞和巨噬细胞产生的一种细胞因子,它可以通过抑制其他炎性因子的表达来抑制炎性反应。研究证实,高表达的 I L?10不仅降低了机体抵抗外来微生物的能力,而且可以经抑制 Th2细胞反应来诱导支气管出现非过敏性的炎性反应。同时,IL?10可通过上调 T 细胞和 B细胞上 Bcl?2蛋白的表达来加强其抗凋亡能力,这样就能使炎性反应的持续。实验研究亦表明,IL?10-1082G等位基因型的携带者表达量高于 A等位基因型。Seifart等 15的研究中证实,G等位基因的个体 C0PD易感性高于携带 A等位基因型的个体,也有学者发现携带有IL?10-1082A等位基因的群体为溃疡性结肠炎等疾患的易感人群 16。3 影响氧化/抗氧化失衡基因在人类所有组织中,肺脏是最直接暴露于有毒的自由基,烟草和污染的空气是自由基的主要来源,因此,氧化与抗氧化之间的平衡是呼吸道高反应性、肺功能过快下降及 COPD重要发展因素。超氧化物歧化酶是惟一在细胞外发挥清除超氧化阴离子的抗氧化酶,其作用是清除超氧阴离子生成的过氧化氢,使之在过氧化物酶和还原剂的作用下生成 H2O。受损的超氧化物自由基解毒功能下降,增加发生支气管高反应性(bronchial hyperreactivity,BHR)及 COPD的可能。Siedlinski等 17研究发现,SOD3Arg213G ly是第一秒用力呼气量降低的保护因素,特别是在从不吸烟者中。超氧化物歧化酶 2(superoxide dis?mutase,SOD2)的 C5774TSNP是普通人群特别是吸烟者发生 BHR、COPD的危险因素。在体外培养的来源于哮喘患者的支气管上皮细胞发现 SOD2功能障碍及钝化 18,这显示 SOD2在维护肺脏中氧化与抗氧化动态平衡中的重要性,活性氧能减弱上皮细胞纤毛运动及增加气管平滑肌对组织胺的伸缩性 19,这些可能导致 BHR的发生,而 BHR是 COPD发生的危险 因 素。研 究 发 现 突 变的 纯 合 子SOD2SNP(C5774T),定位于内含子 20,是 COPD、BHR发生的危险因素,虽然其在内含子的作用尚不清楚,但可以肯定的是它们影响剪切,使内含子 3中出现另外的外显子,这导致在成熟蛋白质中出现不同氨基酸的排序。支气管收缩反应可能受超氧阴离子调节 21。Juul等 22发现,SOD3Arg213Gly杂合突变相对野生型是 COPD保护因素,发生机制可能是因为突变的SOD3蛋白可降低酶解作用 23及对在 ECM 的硫酸类肝素区低亲和力 24,从而使血浆中出现相对高浓度的 SOD3,这样可以增强抗氧化作用。4 其他基因Bcl?2属凋亡抑制基因,阻遏细胞凋亡,延长细胞寿命。最近许多免疫组化研究显示,在患者肺组织肺泡壁细胞更新增强 25,而且在连续用血管内皮生长因子受体阻断剂处理的大鼠中可发现内皮细胞被诱导凋亡并进而导致肺气肿 26。在支气管内激活的 caspase?3可引起肺泡细胞凋亡及肺气肿 27,虽然凋亡与肺气肿联系的分子机制尚不清楚,但这些研究表明肺脏细胞凋亡与 COPD的发病有密切联系。Bcl?2表达主要与有活性的未分化细胞有关,因为这3569医学综述 2010年 12月第 16卷第 23期 M edicalR ecapitulate,Dec 2010,Vo.l 16,No.23些细胞最终要经历细胞分化,所以需要保护以免凋亡 28。如 T 细胞中的 CD8+CTL 细胞。近期研究发现,肺气肿与 CD8+CTL细胞介导有关,且该细胞的数量与吸烟者呼吸道受限呈负相关 29。因其能被活化的 caspase、Fas、穿孔素诱导凋亡,Bcl?2可能通过影响 CD8+CTL细胞的成活来改变 COPD患者的肺泡结构减少。Bcl?2不仅表达在淋巴细胞,而且在呼吸道上化生的黏液细胞亦有表达,可能与黏液细胞长期存在及 COPD患者过度的黏液分泌有关 30,31,过度分泌的黏液可导致呼吸道气流受限,从而影响第一秒用力呼气量。这种 Bcl?2表达可能由于该基因多态性致其未相应下调所致。研究发现 Bcl?2的 SNP位点 rs1564483(T?C)和 rs3943258(C?T)与 COPD患者肺功能下降相关 32。COPD是一种可预防性疾病,因此在一级预防和早期诊断方面应加以重视。有很多学者在探索COPD基因易感性,以便对 COPD过程早期诊断,寻求有效的治疗手段以降低耗费,减轻患者疾苦。COPD的发生、发展和严重性与许多基因有关,同时还受环境因素的影响。每个基因的多态性在 COPD的危险性方面都有一定作用,但都很微弱。因此,同时研究多个基因的多态性在寻求 COPD易感性方面是重要的,但其中仍有很多环节有待于今后深入研究。参考文献 1 F letcher C,Peto R.The natural history of chronic airflow obstruc?tion J.BrM ed J,1977,1(6077):1645?1648.2 GivelberR J,Couropm itree NN,GottliebD J,et al.Segregation anal?ysis ofpul monary function among fam ilies in the Fram ingham Study J.Am JR espirCrit Care M ed,1998,157(5 Pt 1):1445?1451 3 de Serres FJ,Blanco I,Fernandez?Bustillo E.Esti mating the riskfor a lpha?1 antitrypsin deficiency among COPD patients:evidencesupporting targeted screening J.COPD,2006,3(3):133?139.4 Silver man EK,ChapmanHA,Drazen J M,et al.Genetic epidem iolo?gy of severe,early?onset chronic obstructive pul monary disease.Risk to relatives fora irflow obstruction and chronic bronchitis J.Am J RespirCrit CareM ed,1998,157(6 Pt 1):1770?1778.5 Demeo DL,CampbellEJ,BarkerAF,etal.I L10 polymorphis ms areassociated w ith airflow obstruction in severe alpha1?antitrypsin de?ficiency J.Am JR espirCellMol Bio,l 2008,38(1):114?120.6 Janciauskiene SM,N ita I M,StevensT.A lpha1?antitrypsin,old dog,new tricks.A lpha1?antitrypsin exerts in v itro anti?inflammatory ac?tivity in hu man monocytes by elevating cAMP J.J Biol Chem,2007,282(12):8573?8582.7 Ito I,Nagai S,Handa T,et al.M atrix metalloproteinase?9 promoterpo lymorphis m associated with upper lung dom inant emphysema.Am J RespirCrit CareM ed,2005,172(11):1378?1382.8 Wu L,Tani moto A,Murata Y,et al.M atrix metalloproteinase?12gene expression in hu man vascular smooth muscle cells J.GenesCells,2003,8(3):225?234.9 Hunninghake GM,ChoMH,T esfaigziY,et al.MMP12,lung func?tion,and COPD in high?risk populations J.N Engl JM ed,2009,361(27):2599?2608.10 Louis E,Franchi mont D,P iron A,et al.Tumour necrosis factor(TNF)gene polymorphism influences TNF?alpha production in li?popolysaccharide(LPS)?sti mulated whole blood cell culture inhealthy humans J.Clin Exp I mmuno,l 1998,113(3):401?406.11 Huang SL,Su CH,Chang SC.Tumor necrosis factor?alpha genepolymorphis m in chronic bronchitis J.AmJ R espir Crit CareM ed,1997,156(5):1436?1439.12 Stankovic MM,Nestorov ic AR,Tomovic AM,et al.TNF?alpha?308promotor polymorphism in patients with chronic obstructive pul mo?nary disease and lung cancer J.N eoplasma,2009,56(4):348?352.13 GessnerC,Scheibe R,W otzelM,et al.Exhaled breath condensatecytokine patterns in chronic obstructive pul monary disease.R espirM ed,2005,99(10):1229?1240.14 钟定,董临江,梁庆祥,等.哮喘和慢性阻塞性肺疾病患者肺灌洗液 Th亚群及 B7分子的差异 J.中华结核和呼吸杂志,2001,24(7):421?424.15 Seifart C,Dempfle A,Plagens A,et al.TNF?alpha?,TNF?beta?,I L?6?,and IL?1?promoter polymorphis ms in patients with chronicobstructive pul monary disease J.T issue Antigens,2005,65(1):93?100.16 T edde A,Laura PA,BagnoliS,et al.Interleukin?10 promoter poly?morphis ms influence susceptibility to ulcerative colitis in a gender?specific manner J.Scand J G astroentero,l2008,43(6):712?718.17 SiedlinskiM,van DCC,Post ma DS,et al.Superoxide dis mutases,lung function and bronchial responsiveness in a general population J.EurRespir J,2009,33(5):986?992.18 ComhairSA,XuW,Ghosh S,et al.Superox ide dis mutase inactiva?tion in pathophysio logy of asth matic airway remodeling and reactivi?ty J.Am J Patho,l 2005,166(3):663?674.19 Henricks PA,N ijkamp FP.Reactive oxygen species asmediators inasthma J.Pul m Phar macol Ther,2001,14(6):409?420.20 T suchiya M,Thompson DF,Suzuki Y J,et al.Superox ide for medfrom cigarette s moke i mpairs polymorphonuclear leukocyte activeoxygen generation activ ity J.Arch Biochem Biophys,1992,299(1):30?37.21 Postma DS,Renkema TE,Noordhoek J A,et al.A ssociation betweennonspecific bronchial hyperreactivity and superox ide anion produc?tion by polymorphonuclear leukocytes in chronic air?flow obstruc?tion J.Am Rev Respir Dis,1988,137(1):57?61.22 JuulK,Tybjaerg?Hansen A,M arklund S,et al.G enetically in?creased antioxidative protection and decreased chronic obstructivepul monary disease J.Am J Respir Crit Care M ed,2006,173(8):858?864.23 Bow lerRP,N icksM,O lsen DA,et al.Furin proteo lytically proces?ses the heparin?binding region of extracellular superoxide dismutase J.J Bio lChe m,2002,277(19):16505?16511.24 Sandstrom J,N ilsson P,K arlsson K,et al.10?fold increase in hu?man plasma extracellular superoxide dis mutase content caused by amutation in heparin?binding domain J.J Biol Chem,1994,269(29):19163?19166.25 YokohoriN,Aoshiba K,NagaiA.Increased levels of cell death andproliferation in alveolarwall cells in patients with pul monary em?physema J.Chest,2004,125(2):626?632.26 Kasahara Y,TuderRM,Taraseviciene?StewartL,et al.Inhibition ofVEGF receptors causes lung cell apoptosis and emphysema J.JC lin Invest,2000,106(11):1311?1319.27 Aoshiba K,Yokohori N,Nagai A.A lveolar wall apoptosis causeslung destruction and emphysematous changes J.Am JRespirCellM ol Bio,l 2003,28(5):555?562.28 Lu QL,Poulsom R,W ong L,et al.Bcl?2 expression in adult andembryonic non?haematopoietic tissues J.J Patho,l 1993,169(4):431?437.29 O!Shaughnessy TC,AnsariTW,Barnes NC,et al.Inflammation inbronchial biopsies of subjects with chronic bronchitis:inverse rela?tionship of CD8+T lymphocytes w ith FEV1 J.Am J R espir CritCareM ed,1997,155(3):852?857.30 T esfaigzi J,Hotchkiss J A,H arkema JR.Expression of the Bcl?2protein in nasa l epithelia ofF344/N rats duringmucous cellmeta?plasia and remodeling J.Am J R espir CellM ol Bio,l 1998,18(6):794?799.31 Harris JFFischerM J,Hotchkiss JR,et al.Bcl?2 susta ins increasedmucous and epithelial cell numbers in metaplastic air way epitheli?um J.Am J Respir Crit Care M ed,2005,171(7):764?772.32 SataM,Takabatake N,Inoue S,et al.Intronic single?nucleotidepolymorphis ms in Bcl?2 are associatedwith chronic obstructive pul?monary disease severity J.Respirology,2007,12(1):34?41.收稿日期:2010?06?12 修回日期:2010?10?123570医学综述 2010年 12月第 16卷第 23期 M edical Recapitulate,Dec 2010,V o.l 16,No.23