阿尔茨海默病KIBRA基因多态性及其相关影像遗传学研究

张宁男楠 张 璋

阿尔茨海默病KIBRA基因多态性及其相关影像遗传学研究

张宁男楠 张 璋*

遗传因素在阿尔茨海默病（AD）发生中具有重要作用。近年来的研究显示，肾脑表达蛋白（KIBRA）基因多态性能够增加AD风险，在AD的重要脑区（如海马）出现高表达，与晚发型AD有显著相关性。形态学MRI研究显示KIBRA基因多态性与海马关系密切，但该基因多态性的多种功能成像研究存在不一致性，其神经机制尚不明确。应用影像遗传学方法，探索KIBRA基因多态性对AD大脑功能及对行为的潜在作用将有助于了解遗传风险因素对AD的影响，为早期诊断AD提供依据，进而对疾病早期有效干预以及相关药物的研发提供重要线索。

KIBRA基因；阿尔茨海默病；多态性；海马；影像遗传学

环境遗传学家认为阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）的发生是由遗传、环境和免疫等多种因素综合所致[1]。在AD的发病危险因素中，60%～80%与基因异常相关[2]。据报道，健康老年人群中，AD相关风险基因携带者的疾病发病率是非携带者的2～4倍。在未出现临床表现或认知障碍之前，AD相关风险基因即开始对大脑功能进行调节。目前公认的能增加罹患AD风险的基因是载脂蛋白E ε4（apolipoprotein E ε4，ApoE ε4）基因。但是，ApoE ε4并不具有充分特异性，全基因组关联研究认为AD存在多基因低频变异的特征。近年来研究证实，肾脑表达蛋白 （kidney and brain expressed protein，KIBRA）基因与人类记忆有关，且发现在健康人记忆相关脑区表达较高[3-6]。AD中，KIBRA基因多态性能够增加AD的风险[7-9]，成像遗传学研究显示KIBRA基因多态性会影响海马区及记忆相关脑区的脑功能[4-5,7]。本文就KIBRA基因多态性及其相关影像遗传学研究进行综述。

1 KIBRA基因及其作用机制

1.1 KIBRA基因 KIBRA基因是肾细胞质中的一种蛋白质，编码突触后骨架蛋白，在肾脏和脑中表达占优势，是单转导物家族的新成员[3,10]。KIBRA的命名取英文kidney的前2个字母和brain的前3个字母，将其大写并组合在一起，故称为KIBRA[10]。KIBRA基因由3个区组成：WW区（包含2个赖氨酸残基）、C2区和1个富含羧氨酸端的谷氨酸延伸区[10]。

2003年，Kremerskothen等[10]首次描述了KIBRA基因的特征。KIBRA的编码为WWC1，位于染色体5q35.1，含有1113个氨基酸，分子质量约为125.3ku。从N端到C端有许多蛋白结合区。WW区位于第6～86氨基酸间，其中包括35～40氨基酸间的2个色氨酸残端。一般认为，WW区调控包括富含脯氨酸序列在内的各种蛋白质间的相关作用。核定位信号位于361～376氨基酸之间。C2区由位于655～783氨基酸间的2条4股β-折叠构成。该区的130个残基以钙依赖性方式与磷脂结合。研究发现，C2区的蛋白质功能涵盖从信号转导至囊泡交通。钙结合可诱导静电势改变，即加强了与磷脂结合。富含谷氨酸区位于845～873氨基酸间。第953～996氨基酸之间为蛋白激酶C（protein kinase C ζ，PKC ζ）结合区，此区包含2个被激酶磷酸化的丝氨酸残基。PKC ζ的异构体 PKM ζ（protein kinase M ζ，PKM ζ）能与KIBRA结合，影响海马的长时程记忆保持。KIBRA作为PKC ζ的底物，对突触可塑性和记忆形成起重要作用[11]。最后，介导膜蛋白聚集的Ⅲ型PDZ结合序列（包括4个氨基酸）位于第1 110～1 113氨基酸之间[12]。

KIBRA RNA在全脑中均可表达，但在记忆相关脑区（如海马和颞叶等）表达达到高峰[4]，小脑和丘脑亦有表达[13]。动物实验显示，随着动物由幼年成长至成年，KIBRA在其脑内表达逐渐减低[13]。作为神经元细胞骨架的一部分，KIBRA参与记忆形成和脑的发育[13]。细胞研究显示，在突触后结构的亚神经元细胞水平，KIBRA显示树突染色且伴有增殖。在亚细胞分级分离实验中，部分突触后密度片段显著增殖[13]。对细胞核位置的研究显示，细胞核位置不同，其功能亦不尽相同。

1.2 KIBRA的作用机制 KIBRA参与许多细胞功能，如细胞极性和移动、囊泡转运、转录物调节及突触发生。KIBRA通过与其有交互作用的结合伴侣（binding partners） 共同发挥作用。2008年，Corneveaux等[7]对KIBRA与AD的关联研究表明，在AD病人主要脑区，KIBRA和它的结合伴侣[动力蛋白轻链 （dynein light chain 1,DYNLL1）、PKC ζ、分选连接蛋白4（sorting nexin-4,SNX4）和KIAA0513]的表达均有显著变化：KIBRA mRNA在海马区、颞中回和后扣带增加2.4～3.0倍，而在相同的脑区PKCζ mRNA降低了1/2～1/3，在原发性视皮质区无明显变化（为AD病理改变的罕见脑区）。在AD同一脑区存在KIBRA的高表达、结合伴侣的低表达，表明 KIBRA与结合伴侣存在着相互作用[7,14]。KIBRA与PKM ζ存在交互作用，两者均位于以记忆为主要功能的脑区——海马区和齿状回[14]；PKC ζ在突触可塑性上扮演着重要角色[15]，且与记忆的形成和维持长程记忆增强有关[5]。KIBRA与树突和突触极蛋白存在交互作用[10,12]，后两者在突触可塑性、信号传递和细胞骨架构成中起重要作用[12]。

此外，KIBRA具有一定的调节作用。KIBRA作为Salvador/Warts/Hippo（SWH）信号网的调节器，对特定组织区域SWH网络具有调节作用[16]。KIBRA参与内吞作用的回收过程，改变作为AD病理特征之一的β淀粉样蛋白的再吸收，影响斑块形成[17]。KIBRA是α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸（AMPA）受体的一部分，参与调节AMPA受体膜的运输[15]，使AMPA信号传递紊乱，从而影响递质在囊泡膜的运输、细胞极性和迁移以及转导调节[14-15]。

2 AD的KIBRA基因多态性的临床研究

国内外研究表明，KIBRA基因与晚发型AD具有较好的相关性[6，18-19]。 Beecham 等[18]研究发现，KIBRA T等位基因与晚发型AD危险存在相关性。Rodriguez-Rodriguez等[8]对391例单发AD和428名认知功能正常者进行了研究。按四分位数将AD和认知功能正常者均分为组1（≤75岁）、组2（76～81岁）、组3（82～86岁）和组4（>86岁）。结果显示，与CC基因型比较，KIBRA rs17070145 T等位基因携带者（CT和TT基因型）与极晚发AD组（组4）相关（OR=2.89，95%CI:1.13～7.42，P=0.03）；随着年龄增加，KIBRA T等位基因携带者中的AD危险不断增加。

随后在一份大样本研究中，Corneveaux等[7]利用神经元基因表达、脑成像技术及其基因相关试验，研究了KIBRA基因与AD的相关性，发现在AD受累的海马区、后扣带回和颞叶皮质区，KIBRA表达显著增高，4种结合伴侣中有3种表达减低。此外，该研究对有尸检神经病理学证实的702例AD死者及无尸检的1 026例AD病人死亡前后对比分析，结果表明KIBRA rs17070145 T等位基因的非携带者（CC基因型）可增加晚发型AD的危险。Burgess等[9]对2 571例晚发型AD病人和2 842名正常对照进行了rs 17070145和其他14种单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms，SNPs）对照研究，认为非裔美国人T等位基因与减低的晚发型AD危险性相关；对T等位基因（>8 000名）的Meta分析提示，该等位基因可能具有保护作用（P=0.07）。

但是，Hayashi等[6]对346例AD病人和375名认知功能正常的对照进行比较，发现KIBRA C等位基因携带者比非携带者认知功能明显降低，认为KIBRA基因与AD的情景记忆损害有很强的关联性，但对AD的神经病理无直接作用，提示KIBRA基因多态性与AD发病可能无直接相关性。

这些结果提示，KIBRA与AD之间存在潜在的联系，在与AD相关的脑区表达增高；该基因多态性对AD具有潜在危险性，有增加晚发型AD的危险。晚发型AD与早发型AD的基因背景不同，晚发型AD可能因强化KIBRA基因的作用导致AD的晚期发生。但KIBRA基因多态性影响AD的神经作用机制尚不完全清楚。

3 KIBRA基因多态性的影像遗传学研究

影像遗传学是将多模态神经影像和遗传学方法相结合的学科，能够提供脑功能特征，比单纯行为学评价更能直接反映基因功能，有助于探索和评估基因多态性对大脑功能及行为的潜在作用。目前，对KIBRA基因多态性的影像遗传学研究多集中在AD的任务态功能MRI（functional MRI，fMRI）研究、脑形态学MRI研究和FDG-PET研究。

Papassotiropoulos等[4]对健康青年人的研究发现，情景记忆能力相对较差的KIBRA CC基因型携带者在执行情景记忆任务时，海马、内侧前额叶和顶下小叶等脑区激活反而增多，提示KIBRA CC基因型携带者脑内可能存在某种功能代偿作用。Kauppi等[5]认为T等位基因携带者具有较强的情景记忆能力，且在执行回忆任务时海马区激活增多，T等位基因携带者具有更强的海马功能。此外，Papassotiropoulos等[4]还比较了健康青年人KIBRA不同基因型的全脑灰质、白质体积，研究发现不同基因型间无显著性差异，提示KIBRA不同基因型人群间的脑功能改变与脑形态学无关。鉴于KIBRA基因在海马区的高表达，Plaombo等[20]分析了KIBRA基因多态性与海马体积的相关性，结果发现与CC等位基因携带者相比，T等位基因携带者海马体积较大，尤其体现在海马安蒙角、齿状回等海马亚区。近年来，一项较大样本（288例）的健康年轻人KIBRA基因多态性的影像遗传学研究中，Wang等[21]对健康年轻人KIBRA基因多态性与脑结构和脑功能 （脑网络）间联系进行了相关研究，发现与TT基因型携带者相比，C等位基因携带者默认网络中的后扣带、内侧前额叶和执行网络中的右侧岛叶、双侧尾状核、双侧背侧前扣带的同步一致性增加；C等位基因携带者内侧前额叶和双侧背侧前扣带灰质体积减小。研究推测，C等位基因携带者可能存在局部脑区灰质体积缺陷；脑网络一致性的增加可能是为了保证相对正常的认知表现而对其结构缺陷的一种代偿。除了KIBRA的fMRI影像遗传学研究之外，Corneveaux等[7]应用FDG-PET对老年AD病人受累的脑区楔前叶和后扣带回进行测定，研究表明该区KIBRA CC基因型携带者的葡萄糖代谢率显著降低，提示KIBRA基因多态性可能存在与年龄相关的脑功能改变。

4 小结

综上所述，KIBRA作为细胞质中的蛋白质，具有重要的分子生物学功能。KIBRA基因主要与其结合伴侣共同发挥作用。在AD的重要脑区（如海马区等），KIBRA基因出现高表达，与晚发型AD有显著相关性。形态学MRI验证了KIBRA基因多态性与海马关系密切，但基因多态性的多种功能成像研究存在不一致性，其神经机制尚不明确。影像遗传学作为一门交叉学科，为探索KIBRA基因多态性对AD脑功能及其行为学影响提供了重要帮助。

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（收稿2014-06-10）

KIBRA gene polymorphism in Alzheimer’s disease

ZHANG Ningnannan,ZHANG Zhang.Department of Radiology,Tianjin Medical University General Hospital,Tianjin 300052,China

Genetic factor plays an important role in Alzheimer’s disease(AD).Recent studies demonstrated that the single nucleotide polymorphism in the kidney and brain (KIBRA)expressed protein gene linked to increased AD risk.The KIBRA gene,which related to late AD,has highly expressed in hippocampus in AD.However,functional MRI findings on the KIBRA genetic polymorphisms were inconsistent.The mechanisms of KIBRA gene polymorphism in AD were still unclear. The explore of KIBRA gene on AD brain functions together with the behavioral performance will fundamentally be the groundwork for early diagnostic of AD,and would provide important clues for early diagnosis and intervention for AD.

KIBRA gene;Alzheimer’s disease;Polymorphism;Hippocampus;Imaging genetics

10.3874/j.issn.1674-1897.2015.01.Z0102

300052天津，天津医科大学总医院医学影像科

张璋，E-mail:filea1249@gmail.com

*审校者

国家自然科学基金（81301202）