APOL1基因多态性与非糖尿病肾病相关性的研究进展

谷晓玲(综述)，刘 建(审校)

(1.泸州医学院,四川 泸州 646000； 2.泸州医学院附属医院肾内科，四川 泸州 646000)

据报道，有3300～23000个蛋白编码基因的单基因突变会引起人类疾病[1-2]。在过去的研究中，采用以家庭为基础的连锁研究，确定了常染色体显性遗传的多囊肾病，令人印象深刻的还有以孟德尔形式遗传的基因变异所致的局灶节段型肾小球硬化(focal segmental glomerulosclerosis，FSGS)[3]。近年来利用群体遗传学原理和全基因组关联研究发现，特定人群中的多基因非孟德尔形式单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms，SNPs)与非糖尿病肾病具有相关性[4]。该文将着重介绍载脂蛋白L1(apolipoprotein L1，APOL1)的SNPs与非裔血统人群中非糖尿病肾病相关性的研究进展。

1 SNPs

在人类遗传学中，人群被描述为一组共享全基因或特异遗传位点的人[5]。SNPs主要是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的DNA 序列多态性。SNPs是由于复制的不精确性造成的，导致替代，然后传送到子孙后代。在给定的基因位点不同的变异称为等位基因变异。大多数这种变异不引起可检测到的表型变化，也不易患病，它们通常可以用来作为特定的遗传标记，与特定的涉及疾病表型的功能变异常在物理上接近，因此在这种情况下可以考虑作为疾病标记[6]。在人类基因组，识别的SNPs迄今超过1500万至32亿[7]。其他引起基因多态性的过程是重组，即减数分裂中染色体互换的过程。重组改变不同的SNPs之间的关联水平。当一个等位基因变异功能性地引起疾病易患时，连锁不平衡在致病变异邻近的基因形成表型与SNPs有统计学的相关性，虽然这些SNPs本身不是功能性的，但是它们通过连锁不平衡效应，充当了实际致病变异的物理接近标记。

2 APOL1

人类APOL1基因产物是APOL1，存在于血清的高密度脂蛋白微粒上。这个蛋白的结构可分成三个不同的结构和功能区域：①阴离子孔隙形成域，被认为参与溶酶体渗透和细胞死亡。②由pH敏感的发夹桥接两个α螺旋组成的膜定位区域，它在中性pH时，可促进其与血浆中高密度脂蛋白微粒相结合，在酸性pH时，与细胞内的细胞器定位相关。③有亮氨酸拉链的C末端两性分子的α螺旋，用于蛋白质-蛋白质相互作用。最有名和最广泛的关于APOL1的研究是它的溶锥虫效应。载脂蛋白有一个信号肽，使它可以作为循环蛋白表达。蛋白质的这种特性可使人类避免布氏锥虫指名亚种(T.b brucei)的感染。T.b brucei感染许多哺乳动物，但不能感染人类，因为人的血清中含有一个复杂的锥虫裂解因子，包括APOL1、结合珠蛋白相关蛋白、APOA1，可对抗T.b brucei。血红蛋白、结合珠蛋白相关蛋白一起作为共同因子促进溶锥虫的APOL1绑定到锥虫表面，并促进分解因子的内化。APOL1导致了寄生虫的溶酶体膜阴离子孔的形成，引起溶酶体肿胀和机体死亡。与T.b brucei同属于布氏锥虫的另外两个亚种：布氏罗德西亚锥虫和布氏冈比亚锥虫，都获得感染人类的能力，引起非洲昏睡病[8-9]。在布氏罗得西亚锥虫感染的情况下，APOL1溶锥虫的效应被血清抗性相关蛋白(serum resistance associated protein,SRA)克服，SRA结合到它的C末端区域，中和它的溶解活性[10]。

3 APOL1基因作为非糖尿病肾病易患基因的证据

通过混合连锁不平衡绘图鉴定出了位于染色体22q12.3包含30个基因的区域与终末期肾病有强相关性[11-12]，包括非肌肉肌球蛋白重链9(nonmuscle myosin heavy chain 9，MYH9)基因。MYH9基因被挑选出来进行研究，这种选择的部分原因是以前的研究表明MYH9常染色体显性突变引起巨型血小板综合征组疾病，许多该疾病的患者随着疾病进展可出现肾小球疾病并导致肾衰竭[13]。根据连锁不平衡和不同遗传模型下的统计关联强度，十大强相关性的SNPs被归类为三个集群(称为E、S和F)[14-15]。当密集的测序没能在MYH9鉴定出确切功能效应的突变时，研究人员开始寻找MYH9以外的变异[14]。寻找MYH9以外变异的另一个刺激因素是观察到在埃塞俄比亚人群中，尽管没有人类免疫缺陷病毒相关性肾病(HIV associated nephropathy，HIVAN)患者，但该人群的MYH9基因中却有高频率的E和S群变异。

在随后的研究发现了邻近的APOL1基因变异，与疾病有更强的相关性，占大部分或全部分配给MYH9基因E单倍型SNPs的风险[16-17]。APOL1的易患等位基因变异包含了两个错义突变的单倍型，几乎完美的相互连锁不平衡：rs73885319(Ser342Gly)和rs60910145(Ile384Met)称为G1；第二个信号是APOL1中邻近G1的6个碱基对的缺失，即rs71785313(388-389 Asn-Tyr del)称为G2[16-18]。由于rs73885319、rs60910145和rs71785313非常接近，G1和G2两个等位基因是互斥的，所以它们之间的重组是不可能的，也就是说它们从未一起出现在同一条染色体上。在控制G1和G2信号后，Genovese等[18]没有发现其他重大关联，相反，控制MYH9的多种变异后，并没有消除APOL1信号。在这个区域，连锁不平衡模式显示，G1、G2和MYH9的变异有较强的连锁不平衡，特别是MYH9 E-1单倍型，在以前的研究中认为其是肾脏疾病最好的预测，存在于含有G1和G2的大多数单倍型中，这就解释了MYH9和肾脏疾病的相关性[12，19]。APOL1的S342G 变异被认为修改了APOL1基因产物C末端结构域的结合位点[20]。6 bp删除也位于C末端，在生化分析中，类似的缺失实际上已经被证实了能抑制SRA结合到APOL1(G1变异没有这种效应)[10]。SRA结合的缺失有望恢复APOL1杀灭布氏罗得西亚锥虫活性，从而赋予了在流行区域或在过去病原体爆发期间自适应的优势，但是增加了肾脏疾病的风险，这对于易患基因的地理分布是一个很好的解释[18]。而在埃塞俄比亚，几乎没有发现APOL1易患基因[21]，而非糖尿病肾病的患病率也非常低，表明肾脏疾病的高流行率与APOL1易患基因分布具有一致性。

4 APOL1基因多态性与非糖尿病肾病相关性研究

Genovese等[18]将FSGS但没有家族史的205例非裔美国人和180例正常非裔美国人进行对照，结果显示G1单倍型在FSGS病例中频率为52%，对照组为18%，G2单倍型在FSGS病例组频率为23%，对照组为15%。FSGS和易患基因相关性的OR为10.5(95%CI6.0～18.4)。当比较0个易患基因组和有1个易患基因组时，观察到FSGS风险无差异(G1或G2，P=0.81，OR=1.04，95%CI0.63～2.13)。比较有0或1个易患基因组和有2个易患基因组的FSGS，OR为10.5(95%CI6.0～18.4)，表明由G1和G2引起的肾脏疾病符合隐性遗传模式。

在高血压所致的终末期肾脏疾病(hypertension attributed ESRD，HA-ESRD)的病例对照研究中也得出了类似的结果：在对1030例HA-ESRD非裔美国患者和与之地理相匹配的1025名来自美国东南部的健康对照组的研究发现[18]，G1标记的SNPs rs73885319(S342G，P=1.1×10-39)与疾病的发生有极强的相关性；控制 rs73885319后，G2缺失rs71785313(P=8.8×10-18)也显示了很强的相关性。G1-G2和HA-ESRD相关的OR为7.3(95%CI5.6～9.5),联合的G1-G2P=10-63。这个P值在相同的研究人群中比MYH9强35个数量级，没有重叠OR(OR=2.38； 95%CI1.93～2.95；P=1.22×10-15隐性,MYH9 E1单倍型)。

非裔美国人群的G1和G2等位基因的频率大约为12%，在不同病因的ESRD中显著升高，HA-ESRD占47%，FSGS占66%[16，22]，而最显著的HIVAN占67%[22]。G1/G2复合杂合状态，HIVAN风险OR高达29[23]。如果假定在美国没有接受抗反转录病毒治疗的非洲美国人的HIVAN的终身风险是10%，那么有0、1和2个APOL1易患基因的HIVAN终身风险是2.5%，4.0%和50%[22]。最近Fine等[24]研究表明，APOL1的基因变异和感染HIV非HIVAN的肾脏疾病相关，在一系列大量的非HIVAN，HIV感染者的肾脏疾病肾活检中，两个APOL1易患等位基因的存在与86%的FSGS和高血压肾病相关，有1个或0个APOL1易患基因变异的患者，40%有免疫复合物肾小球肾炎，而只有12%有FSGS。

以上研究表明，APOL1基因变异与FSGS、HA-ESRD、HIVAN以及非HIVAN的HIV感染患者的肾脏疾病具有相关性，并且这种相关性均具有统计学意义。

5 APOL1变异导致肾脏损伤可能的机制

通过Northern blot分析发现，编码APOL1的mRNA大量表达于胎盘、肺、肝脏，而在心脏和胰腺表达很弱[25]。人类血管组织原位杂交揭示，APOL1表达在内皮细胞，也可能在巨噬细胞[25]。Madhavan等[26]报道，APOL1基因产物表达于足细胞和正常肾脏近端小管，而在HIVAN和FSGS患者活检中发现，基因产物在足细胞染色和小管染色减少，并观察到肾动脉的突出表达。未来的研究应该描述，循环的APOL1，肾脏细胞表达的APOL1，特别是足细胞表达的APOL1，哪种APOL1或均作用于肾脏疾病的易患性。

关于哪种APOL1变异导致肾脏损伤的机制仍不清楚，可能与以下因素相关：①表达于足细胞或其他肾脏细胞的 APOL1变异可能导致细胞关键功能的损伤或失去。APOL1分享了与Bcl-2家族蛋白质结构和功能的相似性，Bcl-2家族蛋白质参与细胞凋亡，可能是由于肾毒性影响，包括APOL1触发程序性细胞死亡导致肾小球硬化的作用。APOL1在自我吞噬方面也发挥重要作用，缺乏关键自噬蛋白的小鼠肾小球更易受损伤，这可能有助于解释人类慢性肾脏病与这个基因的相关性[27]。②循环的APOL1在慢性肾脏病的发病机制中可能发挥重要作用。由于G1和G2的变异，形成功能失调的高密度脂蛋白颗粒，可能导致有动脉硬化的肾脏血管内皮炎症。在无糖尿病非裔美国人群中，这种血管的变化常常伴随着FSGS和局灶球性肾小球硬化。③游离的APOL1可能表达于血浆中，因此APOL1在通过肾小球滤过屏障时可能被足细胞摄取。

6 展 望

随着近几年人类基因测序的显著进步和人类变异数据库的不断扩展，使科学家可以着重研究常见疾病与非孟德尔群集遗传模式的相关性。通过对肾脏疾病高流行率的非裔美国人群的研究，确定了染色体22q12.3区域的APOL1基因变异与肾脏疾病易患性相关。除非鉴定出APOL1基因变异直接显示引起肾脏疾病，否则肾脏疾病仍然有可能是由其他原因引起的，如其他未被发现的紧密连锁。致病基因的发现可进一步深化对肾脏疾病的认识，为肾脏疾病提供新的治疗手段，并为个体化用药提供依据。

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