家族性帕金森病致病基因的研究进展

郭 睿， 胡馨予综述， 胡国华审校

帕金森病(Parkinson disease，PD)是1817年由英国医生James Parkinson首先描述，是一种中老年人常见的神经变性疾病，主要病理特征为黑质多巴胺能神经元变性、缺失和路易小体形成，临床表现为静止性震颤、肌肉强直、运动迟缓、姿势步态异常等，病因及发病机制十分复杂，目前尚未完全明确。PD大多数为散发性，约有10% ～15%的PD患者有家族史［1］。目前，已发现了16个与PD发病有关的致病基因(见表1)，多通过常染色体显性或常染色体隐性遗传的形式引起某些单基因形式突变。

研究家族性帕金森病患者不同的基因突变方式有可能从分子水平阐明帕金森病发病机制，为预防和延缓疾病进展及探索帕金森病新的治疗方法提供思路。同时，目前已有研究表明一些致病基因，如LRRK2、Parkin等可能与散发性PD发病密切相关，故研究家族性帕金森病的致病基因对深入了解大多数散发性PD的发生机制也具有重要的意义。

本文从基因的生物学特性、遗传方式、临床特征等方面分别对该16个致病基因进行综述。

表1 帕金森病的致病基因简介

1 常染色体显性遗传性PD

常染色体显性遗传性PD的临床特点及对左旋多巴治疗的反应与普通散发性PD基本相同，但稍有区别的是，起病年龄相对较早(平均年龄在50岁以下)、病程相对较短、痴呆发生率高。其病理学改变为Lewy体PD。目前已明确7个基因与此类型PD连锁。

1.1 PARK1(α-synuclein，SNCA) 1996年Polymeropoulos等在对一个意大利4代PD家系的研究中发现，其呈常染色体显性遗传，对该家系进行基因组扫描和连锁分析，于1997年克隆了该致病基因为α-synuclein(SNCA)，并定位了致病基因的染色体位点(Ala53Thr)。这是人类第一个发现的与PD发病有关的基因，为PD的遗传学研究揭开了序幕，并在很大程度上改变了人们对PD的传统认识。SNCA是家族性和散发性PD病理生理机制的核心，是帕金森病和其他的共核蛋白病中路易小体和轴突的重要组成部分。目前已确定了含SNCA轨迹的3个错义突变(A53T、A30P、E64 K)以及2倍重复体和3倍重复体。其中A53T位点突变最为多见，现已有13个PD家系被报道，其中12个来自意大利及希腊，分析这些PD家族可能存在共同的发病基础，如共同的祖先或者共同的诱发基因突变的环境因素等。SNCA突变的PD患者对于左旋多巴有效，同时具有发病年龄较轻、病情进展较快、易出现痴呆、精神症状以及植物神经症状的特点。2倍重复体患者的临床表现类似于特发性PD，3倍重复体的PD患者发病较早、病情恶化较快、痴呆重，并有家族性自主神经异常［2］。后续的多地区家系研究显示，该基因可能仅构成少量以发病年龄早、外显率高、常染色体显性遗传为特征的家族性PD的致病基因。目前研究表明该基因突变是罕见的，在帕金森病患者中占不到1%。

α-synuclein基因包含6个外显子和若干个内显子，产物是由140个氨基酸组成的蛋白质，各种数据显示，SNCA很有可能是一种肽链分子装配伴侣分子，调控蛋白质与蛋白质、蛋白质与脂质之间的相互作用，在脑内富集，主要参与突触可塑性和多巴胺能神经元递质的转运。Polymeropoulos研究表明，PARK1基因突变破坏了α-synuclein原有的α螺旋结构，相互作用形成原纤维或纤维状，易于形成β片层结构，β折叠参与蛋白质的自身聚集并形成淀粉样结构，使α-synuclein不能正常降解，异常堆积的不溶性α-synuclein蛋白形成Lewy小体，从而引起神经元变性。由于原纤维引起的囊泡膜穿孔带来的毒性，可导致多巴胺从突触小泡中脱失。这也许可以解释α-突触核蛋白在黑质神经元的选择性毒性。

1.2 PARK3(未知蛋白) 1998年首先发现，具体的致病基因及其编码产物尚未明确。染色体定位于2pl3，为常染色体显性遗传。目前所有存在该位点突变的PD家系均来自德国北部和丹麦南部一个相对偏僻地区，不能除外这些PD家族可能存在共同的发病基础，如共同的祖先或者共同的诱发基因突变的环境因素等。平均发病年龄58.5岁，临床症状与散发性PD相似，姿势性震颤是常见的临床表现，许多患者同时伴有智力减退或痴呆。目前有研究表明，墨蝶呤还原酶(sepiapterin reductase，SPR)可能是其致病基因，与多巴胺的合成有关，但还有待进一步研究。

1.3 PARK4(α-synuclein) Farrer等于1999年定位了该基因位点，染色体定位于4q21，常染色体显性遗传。Singleton等研究发现α-突触核蛋白基因的3倍重复体突变是引起PARK4的病因，故认为PARK4即PARK1。

1.4 PARK5(UCH-L1) 1998年Leroy等在对一个德国姐弟PD家系的研究中发现了位于4号外显子的I93M突变点，染色体定位于4pl4，含10个外显子，全长10kb，所编码蛋白质含212个氨基酸，具有泛素C末端水解酶活性，以常染色体显性遗传方式遗传。具有典型的PD临床表现，同时在晚期逐渐出现嗅觉障碍和认知功能障碍。此类型突变在德国帕金森患者群中较常见，已在4个PD家系的7名成员中被发现。目前对其他不同种族的PD患者(如瑞典、中国、日本、土耳其、高加索、英国、美国、荷兰多个种族家系)的500条染色体进行了此基因的筛查，均未发现此突变，提示该突变不是PD的常见病因。

泛素羧基水解酶L1(ubiquitin C-terminal hydrolase L1，UCH-L1)是路易小体和轴突的组成部分，做为单体，具有水解泛素链的作用;做为二聚体，具有E3连接酶的作用。I93M突变具有提高E3连接酶功能、减少泛素形成的作用，从而导致泛素残余聚集形成泛素二聚体，最终引起神经元死亡而出现PD。UCH-L1基因的多态现象与散发性PD易患性减弱有关，3号外显子区S18Y的多态性与帕金森病发病呈负相关，为保护性因素［3］，在保持正常的水解酶活性的同时，明显降低了连接酶活性，促进了泛素循环，有利于细胞内泛素池的保持，增强了细胞降解蛋白的能力。

1.5 PARK8(LRRK2) 2002年Funayama等对日本PD家系进行连锁分析，将该PD家系的致病基因定位，2004年两个独立的研究小组发现该致病基因为LRRK2，染色体定位于 12p11.2-q13.1，长 144kb，包括 51 个外显子，编码一个由2527个氨基酸组成的富含亮氨酸重复序列的激酶2(leucinerich repeat kinase 2，LRRK2)，属于 ROCO蛋白家族，以常染色体显性遗传的方式遗传。LRRK2突变携带者的临床表现与典型的散发性PD十分相似，发病年龄在50～60岁之间，表现为静止性震颤、动作缓慢、四肢僵直，同时对左旋多巴治疗反应良好。病理改变多样化，包括Lewy小体形成、Tau蛋白聚集等。

LRRK2蛋白广泛表达于包括中枢神经系统的各种组织，生理功能目前尚不明确。ROCO蛋白可参与细胞骨架重排及细胞凋亡，从而推测LRRK2蛋白功能为与底物结合、蛋白质磷酸化、蛋白质相互作用等［4］。LRRK2基因突变是最常见的家族性帕金森病致病基因，约占家族性帕金森病的15%;也见于散发性帕金森病患者中，约占3.5% ～6.1%。现已有50多个不同的LRRK2突变位点被报道过，其中多为错义突变和某些位点替换导致的连接障碍。但是，应当特别指出，已被证实的具有致病作用的突变位点只有7个。这与LRRK2基因突变的低外显率、拟表型、迟发型等特点有关，影响了分离分析［5］。

LRRK2基因是由多种蛋白质相互作用、催化的大分子蛋白，有可能在细胞内信号通路中发挥作用［6］，其底物磷酸化被认为与激酶活性的增加有关，这就可以解释其体外神经毒性的原因。虽然目前尚未发现LRRK2基因与α-突触核蛋白或tau蛋白有相互作用，但通过对LRRK2突变患者的路易小体或神经原纤维缠结的病理特征的研究，发现其可能与α-突触核蛋白或tau蛋白有共同的作用［7］。

1.6 PARK10(未知蛋白) 染色体定位于1p32，遗传类型为常染色体显性遗传，是迟发型PD的易感基因。通过对来自冰岛的PD家系大规模基因组筛查后发现，其临床症状与散发性PD患者相似，平均发病年龄为65.8岁。目前其致病基因及相关功能蛋白尚不明确。但有研究表明，HIVEP3(human immunodeficiency virud enhancer-binding protein 3 gene，人免疫缺陷病毒增强子结合蛋白3基因)是在PARK10位点区域发现的与PD危险因素相关的致病基因［8］，故对HIVEP3的进一步检测很有意义。另有研究报道的RNF11(RING-Finger Protein 11)很可能是PARK10的功能蛋白，发现该蛋白在PD发展过程中起了重要的作用［9］，对于PARK10的功能蛋白还有待于进一步研究。2009年通过对挪威PD患者与对照组PARK10基因超过1000个单核苷酸多态性的研究发现，UPS24也是PARK10位点区域与PD发生相关的致病基因，但仍有待于进一步的筛选［10］。

1.7 PARK11(GIGYF2) 染色体定位于2q36-37，以常染色体显性遗传的方式遗传，是一种迟发型常染色体显性遗传家族性PD的致病基因［11］。目前PARK11的具体功能尚不明确，还有待于深入研究。通过对意大利和法国2个独立的PD家系共16例样本的研究，GIGYF2突变(Grb10-Interacting GYF Protein-2，又名TNRC15)为PARK11位点相关家族性帕金森病的基因，是家族性PD的发病原因之一，其突变率达到6.4%［12］，并且已分离出 3种 GIGYF2突变，分别为Asn56Ser、Thr12Ala、Asp606Glu，其作用为参与酪氨酸激酶受体信号传导的调控。

2 常染色体隐性遗传性PD

常染色体隐性遗传性PD常发生于隔离群体的近亲婚配家庭中。常染色体隐性遗传早发型帕金森综合征(autosomal recessive early-onset parkinsonism，AREP)目前已发现5种基因型，其临床特征主要有发病年龄早(一般小于40岁)，临床表现为运动迟缓、肌张力增高、病情进展缓慢，常伴有局灶性肌张力障碍、症状晨轻暮重等表现，对多巴制剂反应良好，但容易出现严重的左旋多巴诱导的运动障碍和症状波动。病理上表现为黑质致密部高度选择性的DA能神经元变性及胶质细胞增生，但并不形成Lewy小体。

2.1 PARK2(Parkin) 1997年Matsumine等研究了日本的一个常染色体隐性遗传青少年型PD(AR-JP)家系，将该家系的致病基因定位。1998年Kitada等克隆了该家系的致病基因为Parkin。染色体定位于6q25.2-27，全长500kb，含12个外显子，编码蛋白含465个氨基酸，以常染色体隐性遗传的方式遗传。Parkin蛋白聚集于突触，在细胞膜结合，其产物蛋白具泛素E3连接酶活性，在细胞泛素蛋白降解途径中作为一个泛素连接酶，对神经细胞有保护作用。目前已发现120余个不同的PARK2基因突变位点，主要为错义突变(超过50个氨基酸替换)和多样的独立外显子或外显子组突变(缺失、二倍重复体、三倍重复体)。Parkin基因(PRKN，PARK2)是第一个确定的常染色体隐性遗传形式的PD基因，是AREP最常见的致病基因。病理特征为黑质致密部及蓝斑处选择性神经元的变性，伴有胶质细胞反应性增生，无Lewy小体生成，表明其与典型PD的病理过程存在明显不同。PET检查显示尾壳核多巴摄取能力明显下降。

Parkin蛋白是泛素蛋白水解酶复合体通路(ubiquitin proteasome pathway，UPP)中的一种E3泛素连接酶，其直接功能是将泛素连接酶转化成特异性底物提呈给26S蛋白酶体降解，因此对维持多巴胺能神经元的正常功能起着十分重要的作用。Parkin基因已发现100多种不同的突变，包括点突变、小片段缺失或插入突变、外显子重排(外显子缺失和重复突变)等，其中约50%是外显子重排改变［13］。Parkin基因突变导致Parkin蛋白缺失、功能障碍、酶活性减弱或消失，泛素化过程受到干扰，造成细胞内异常蛋白的累积，最终导致多巴胺能神经元细胞死亡。Parkin基因的杂合突变可能增加对早发型PD的易感性。同时也有研究表明，Parkin可以通过线粒体DNA的转录及复制参与和影响线粒体功能。总之，Parkin的发现和其在Lewy小体形成中的重要角色已经将家族性PD和散发性PD紧密联系在一起。

2.2 PARK6(PINK1) 2001年Valente等对意大利一个家系进行连锁分析，将该家系致病基因定位，2004年克隆了该致病基因为PINK1基因。这种基因的发现再次强调了线粒体功能障碍和氧化应激在PD发病机制中的重要地位。染色体定位于1p35-36，含8个外显子，全长1.8kb，编码一个含581个氨基酸的PINK1蛋白，该蛋白为线粒体蛋白激酶，对细胞可能有保护作用，以常染色体隐性遗传的方式遗传。PINK1基因已发现了50余个错义突变点，可以引起转录移码、减少蛋白质变异。近来有研究表明，位于PINK1第6、7、8外显子、一个50kb长的缺失被发现，同时该突变也被认为是以早期进展为特征的PD最常见的原因。PINK1蛋白的生理功能尚不清楚，推测PINK1可以作为线粒体的激酶，保护细胞氧化应激、减轻细胞凋亡、保护神经元［14］。PINK1基因突变引起线粒体呼吸链功能衰竭及氧化应激反应，线粒体保护作用丧失、神经元变性，从而导致PD发生。

2.3 PARK7(DJ-1) 2001年Van Duijn等对荷兰AREP家系进行连锁分析，将致病基因定位。2003年Bonifati等克隆了致病基因DJ-1，是第二位最常见的帕金森病隐性遗传致病基因。染色体定位于1p36，长24kb，含8个外显子，编码含189个氨基酸的DJ-1蛋白，功能为伴侣分子，作为氧化应激的传感器，在需求增加的情况下提供神经保护作用，以常染色体隐性遗传的方式遗传，病理改变情况尚未见报道。

DJ-1蛋白具有多种生物学功能，但在多巴胺能神经元变性过程中的具体作用尚不清楚，可能参与氧化应激过程，并通过神经元胶质细胞相互作用参与PD病理生理过程，有证据表明帕金森病的神经元损伤与内质网应激有关，而DJ-1细胞对抗线粒体损伤反应有保护作用［15］。到目前为止，已发现的DJ-1突变有11种，包括点突变和大片段缺失突变。突变型的DJ-1蛋白不能形成二聚体而以极不稳定的单体形式存在，经UPP通路快速被降解，丧失活性;此外，突变型DJ-1蛋白抗氧化应激作用明显减弱。

2.4 PARK9(ATP13A2) 2001年Hampshire等对一个Kufor Rakeb综合征家系进行全基因组扫描及连锁分析，将该家系的致病基因，2006年Ramirez等克隆了该家系致病基因，染色体定位于1p36，长26kb，含有29个外显子，编码5型溶酶体ATP酶中的ATP13A2，以常染色体隐性遗传的方式遗传。其临床特点是以锥体变性和认知功能障碍为主要临床表现、青少年发病、对左旋多巴反应良好的非典型帕金森病。病程进展快，主要表现为进行性核上性麻痹、痴呆、皮质脊髓束退化引起的痉挛、锥体征，但震颤罕见。头部MRI扫描显示苍白球萎缩，晚期则全脑萎缩。研究报道ATP13A2 mRNA在帕金森病患者的中脑高表达［16］，是一种大型的溶酶体P型三磷酸腺苷酶，与清除SNCA聚集的溶酶体降解途径有关。目前已有3个不同的突变点被报道［17］。

2.5 PARK15(FBXO7) FBXO7(PARK15)作用于泛素-蛋白酶体蛋白降解途径，是F-box家族蛋白的一种，定位于22q12-q13，已在非典型的家族性PD中得到确定。目前尚无更多的研究报道。

3 性染色体遗传性PD

PARK12(未知蛋白)，染色体定位于 Xq21-q25，研究表明其遗传类型为伴性遗传(XL)，目前临床研究报道较少。

4 其他遗传类型遗传性PD

4.1 PARK13(OMI/HTRA2) 染色体定位于2p12，目前考虑与迟发性PD有关，具有线粒体丝氨酸蛋白酶活性。2005年Strauss等［18］在原发性PD患者大脑的Lewy小体内检测到了HTRA2(High temperature requirement A2，HTRA2)分子，同时观察到编码HTRA2的基因发生突变(Gly399Ser和Ala141Ser)时引起了线粒体功能障碍，并导致与PD特征相同的神经变性［19］。目前，有研究报道，另发现了一个新的可能的HTRA2基因突变位点A141S，但尚无定论。

4.2 PARK14(PLA2G6) 染色体定位于22q13.1，目前考虑与迟发性PD有关，发生于非典型PD家族，罕见，其致病基因为PLA2G6，目前相关报道较少。

4.3 PARK16(不明) 染色体定位于1q32，遗传方式及致病基因暂不明确，目前相关报道极少。

4.4 其他相关基因 葡糖脑苷酯酶基因(GBA)的突变是一种隐性溶酶体贮积失调症Gaucher病的原因。超过200个基因突变位点已被描述。Gaucher病和PD的临床表现没有明显重叠。但研究发现GBA基因突变的PD患者患病率显著升高。PD和Gaucher病二者本质的关联暂时不得而知，但比起高外显率的致病基因，这些变异至少有可能作为PD发生的危险因素［20］。GBA突变携带者发生PD的致病机制可能与毒蛋白的错误处理有关，GBA活动的相对减少和葡糖脑苷酯酶积累使其加剧［21］。此外，最近有研究表明，Gaucher病和PD的病理生理特点相同。

总之，家族性帕金森病致病基因的陆续发现，对于深入了解帕金森病的病因、发病机制、建立早期诊断、开展基因治疗等具有重要意义。而继续寻找新的家族性PD的致病基因和破解其蛋白功能产物，并理清与散发性PD的千丝万缕的联系，仍将是今后PD研究工作的一个重要方向，它充满挑战，也孕育着希望。

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