ABAT基因在人类疾病中的研究进展

赵光杰(综述)　王小钦(审校)

(复旦大学附属华山医院血液科　上海　200040)

ABAT基因在人类疾病中的研究进展

赵光杰(综述)王小钦△(审校)

(复旦大学附属华山医院血液科上海200040)

【摘要】ABAT基因是γ-氨基丁酸(γ-amino butyric acid,GABA)分解过程中关键酶γ-氨基丁酸转氨酶(γ-amino butyric acid transaminase,GABAT)的编码基因,不仅参与神经递质的代谢,而且对其他组织中的物质合成、细胞功能的发挥也起着不可或缺的作用。ABAT基因还参与许多疾病的发生和发展,包括精神系统、消化系统以及肿瘤性疾病。本文主要对ABAT基因在人类疾病中的研究进展作一综述。

【关键词】ABAT基因;γ-氨基丁酸;γ-氨基丁酸转氨酶

γ-氨基丁酸(γ-amino butyric acid,GABA)是中枢神经系统最重要的抑制性递质,抑制β-肾上腺素能神经递质肾上腺素和去甲肾上腺素的兴奋作用。ABAT基因编码的γ-氨基丁酸转氨酶(γ-amino butyric acid transaminase,GABAT)参与GABA的分解代谢,如果分解GABA的GABAT减少或不足,会导致GABA含量的升高,引起精神神经性症状如严重的精神运动迟缓、肌张力减退、亢进、嗜睡,难治性的癫发作和脑电图的异常[1]。已证实ABAT基因编码的GABAT参与许多神经精神性疾病的发生和发展,如阿尔海默茨病、癫、亨廷顿病等[2],但GABAT在其他系统疾病中的研究相对较少。近年来,越来越多的证据显示GABA代谢相关的基因——ABAT基因与许多精神神经系统疾病有着密切的联系,并在其他疾病中如消化系统疾病、肿瘤性疾病和血液系统疾病中也发挥着重要的作用。

ABAT基因简介ABAT基因定位于16号染色体的13区2带,全长56 kb,编码的蛋白为GABAT。ABAT基因共有3种共显性等位基因,分别为ABAT1、ABAT2、ABAT3,新加坡研究发现[3],这3种等位基因在华人中的频率分别为0.577 9、0.380 6和0.041 5。ABAT基因在不同的组织中表达水平是不一致的,相应的ABAT mRNA表达水平由高到低分别为肝脏、胰腺、脑、肾脏、心脏和胎盘,肺脏中很难检测到[4]。而且不同的组织中GABAT活性也不相同,脑和脊髓的活性最高,其次为外周组织,由高到低分别为肝脏、肾脏、肺、心、胃和外周血小板[2],ABAT基因表达水平与酶活性的不一致性提示可能存在不同组织酶活性调节的不同。

ABAT基因的功能主要是编码生成GABAT,参与GABA的分解代谢(图1)。此外,ABAT基因还参与线粒体核苷酸的补救合成途径,促进二磷酸脱氧核糖核苷转化为三磷酸脱氧核糖核苷;维持线粒体膜的功能和线粒体呼吸链复合物的活性[5]。

γ-amino butyric acid(GABA)synthesis is from glutamic acid in a singleenzymatic reaction by glutamic acid decarboxylase.GABAT encoded by ABAT gene participates in the catabolism of GABA,and yield ssuccinic acid semialdehyde;succinic acidsemialdehyde is rapidly oxidized to succinic acid by the mitochondrial enzyme succinic semialdehyde dehydrogenase,which is then fed back into the tricarboxylic acid cycle.

图1ABAT基因及其编码的γ-氨基丁酸转氨酶(GABAT)

的主要作用

Fig 1The main function ofABATgene and γ-amino

butyric acid transaminase(GABAT)

ABAT基因在精神神经性疾病中的研究进展

孤独症孤独症是一种高度遗传性的神经发育缺陷性疾病,与基因的缺陷有着密切的联系,Barnby等[6]利用病例对照研究发现ABAT基因和CRIN2A基因与孤独症密切相关。作者选择国际孤独症分子遗传学研究联合会收集的239个多发家系中的239例患者为病例组,欧洲动物细胞库(ECACC)收集的192例不具有孤独症表型的个体作为对照,首先通过全基因组筛查技术筛选出10个定位于16号染色体11～13区可能与孤独症相关的基因,再在239个多发家系中进行基因分型挑选出28个单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)位点,在239例患者和192例对照中进行基因频率的比较和关联分析显示ABAT、CRIN2A和CREBBP基因的SNP与疾病相关性强,而且ABAT基因中的一个SNP位点rs1731017与疾病密切相关,等位基因ABAT2增加该疾病的风险性(P<0.001)。这3个基因的12个SNPs又在另外一个包含91例孤独症的病例对照组(每组由1例孤独症患者和2个非患儿父母组成)中进行基因分型和验证,发现ABAT、CRIN2A基因的SNPs与孤独症发生仍相关。最后应用Logistic多因素回归分析,提示ABAT、CRIN2A基因的某些SNP可增加疾病的风险,而CREBBP基因不增加疾病风险。

情感障碍性疾病一项由12个家庭的83名单相/双相情感障碍的患者参与的前瞻性高风险性研究(慕尼黑易感性研究,Munich Vulnerability Study),旨在发现情感障碍性疾病分子生物学方面的易感指标[7]。其中有69名患者同意接受脑电图检查、基因分型、精神病学调查和体感诱发电位采集程序,随后在编码5-羟色胺能系统、GABA能系统和P物质系统重要物质的基因中筛选出与情感障碍性疾病相关的25个候选基因,在这些候选基因中发现176个SNPs,进一步分析发现只有ABAT基因3′-UTR区域的4个SNP位点即rs2270288、rs3743798、rs3743801和rs7205816与疾病的关联性最强,提示ABAT基因的单核苷酸变异可作为情感障碍性疾病的一种易感指标。

常染色体隐性线粒体耗竭综合征Tsuji等[8]报道了1例GABAT缺乏的患者,除了发现GABAT的缺乏引起脑内GABA含量的升高,引起严重的精神运动性阻滞、反射亢进、肌张力减退等症状外,还发现编码GABAT的基因ABAT一个外显子的缺失和一个错义突变(275G>A),而在210例对照中并未发现上述缺失和突变。该研究仅报道了ABAT基因的突变引起相应的精神神经症状,而未研究ABAT基因的其他作用。

随后Besse等[5]在类似的新病例中发现了ABAT基因的新功能,即参与线粒体核苷酸的补救合成途径,SUCLG1、SUCLG2、SUCLA2和NDPK作为GABAT蛋白的相互作用因子调节线粒体核苷酸代谢,ABAT基因的突变可以引起常染色体隐性线粒体耗竭综合征。在这项研究中,对其中1例患者进行外显子测序发现ABAT基因的纯合错义突变(613C>T),而在61 486例正常对照中未发现该基因突变;另外1例患者进行Sanger测序发现ABAT基因的纯合突变,并证实是隐性遗传的——其父母是杂合子(携带者)。ABAT基因的错义突变可以使这些患者肌成纤维细胞线粒体DNA水平下降,线粒体呼吸链复合物活性以及线粒体膜功能下降,引起神经代谢性疾病包括常染色体隐性遗传的线粒体耗竭综合征。作者进一步在人类正常的胚胎成纤维细胞系中将ABAT基因敲除,发现可以引起GABAT的不足、GABA含量的升高、线粒体拷贝数的下降和线粒体膜功能的减退,给予GABAT的抑制剂氨己烯酸也出现了上述情况,从而证实了本研究的结论。

上述Besse的研究还发现2名进行测序患者的成纤维细胞与正常对照相比,ABAT基因的mRNA水平和蛋白水平没有差异,而在脑内ABAT基因的突变可以引起GABAT缺乏、GABA含量升高,引发精神神经症状,这两种不同的结论可能的原因是该基因的突变可能没有影响其转录和翻译水平,但影响了蛋白结构,从而影响其功能的发挥,不同组织中GABAT结构改变后又出现了不同的降解机制。

ABAT基因在消化系统疾病中的研究进展ABAT基因异常与胃食管反流性疾病(gastroesophageal reflux disease,GERD)相关。研究发现神经递质GABA参与控制食管下端括约肌的收缩[9],给予GABAB受体抑制剂能够控制一过性食管括约肌的松弛,并证实GABA通过GABAB受体起作用[10]。而最新的研究表明ABAT基因和GABAT参与GERD的发病,ABAT基因的变异是GERD的危险因素[11]。该研究一共使用3个队列来确定GERD的易感基因。在澳大利亚收集的第一个研究队列中,对36个已证实明确存在GERD家族史家庭的患者进行全基因组微卫星基因分型和连锁分析,鉴定出5个相关的区域,有2个家庭的16号染色体上都存在相同的2个相关区域,随后在219例GERD患者的队列(每组由1名患者和2名非患儿父母组成)中进行基因分型,发现ABAT基因有一个SNP位点即rs1641021与该疾病具有较显著的联系(P=0.002 7)。为了进一步明确ABAT基因与疾病的联系,又在瑞典收集的队列(含256例患者和485例对照组成的病例对照)中进行验证,可是并未验证出上述的结果,他们推测可能是由于队列种族的关系。最后,作者进行了动物实验,以狗为研究对象,给予GABAT抑制剂氨己烯酸能够减少一过性食管括约肌松弛的频率,验证了GABAT参与GERD的发病。这些研究结果表明GABA、GABAT、ABAT基因均参与GERD的发病,但缺乏ABAT'基因相关的确切机制,这也是下一步可以深入研究的。

ABAT基因在肿瘤疾病中的研究进展

乳腺癌Krijgsman等[12]的研究队列包含三阴性乳癌、雌激素受体阳性(estrogenreceptorpositive,ER+)和HER2阳性乳癌的200例患者,利用基因芯片筛选出80个基因,其中28个基因构成三阴性乳癌分子类型、58个基因(包含ABAT基因)构成ER+乳癌分子类型、4个基因构成HER2阳性乳癌分子类型。然后进一步在784例乳癌患者中验证了该基因分类的准确性与重复性。在另外一组接受多西他赛/氟尿嘧啶联合多柔比星及环磷酰胺新辅助化疗的133例患者中,三阴性乳癌分子类型患者有56%达到病理学完全反应(pathologicalcompleteresponse,pCR),ER+的低危患者达3%,高危患者达11%,HER2阳性患者达50%。说明该分子生物学分类可以作为化疗反应的预测指标,为乳癌患者是选择化疗还是内分泌治疗提供了依据。作者还在ER+的患者中发现有38个基因(包括ABAT基因)在毗邻转录起始位点处有雌激素受体作用的位点,推测内分泌治疗可能通过这些作用位点调节基因的表达水平。

Budczies等[13]通过研究证实ER-乳腺癌患者β-丙氨酸升高,GABAT表达减少,β-丙氨酸水平与GABAT含量负相关,ABAT基因的低表达与乳腺癌较差的预后密切相关。他们首先选取一个包含271例乳腺癌患者(其中204例ER+和67例ER-)的队列进行气相色谱代谢组学分析,结果显示β-丙氨酸可作为GABAT的底物,能够被催化形成丙二酸半醛,丙二酸半醛随后参与辅酶A的乙酰化,GABAT含量与β-丙氨酸水平负相关,而且与ER+乳腺癌相比,而ER-乳腺癌β-丙氨酸含量是升高的。然后对164 例石蜡包埋的乳腺癌切片进行免疫组化染色,发现GABAT在41%的ER+患者中高表达,而ER-组仅为2%。用另外156例乳腺癌组织进行全基因组表达谱芯片分析证实GABAT水平与ABAT基因mRNA水平呈正相关。他们还在一项包含2 896例ER+和ER-的乳腺癌大队列中发现ABAT基因的低表达与较差的预后相关,进一步揭示了ABAT基因可能参与疾病的发生发展。

最近又有研究表明ABAT基因的低表达与乳腺癌较差的预后相关[14]。这项研究从65例ER+炎性乳腺癌(inflammatorybreastcancer,IBC)和非炎性乳腺癌(noninflammatorybreastcancer,nIBC)患者中应用基因芯片技术筛选出能够区分IBC(22例)和nIBC(43例)的6个基因(ABAT、ADAMDEC1、CLEC7A、ETS1、ITK1和STC2),其中ABAT基因和STC2基因低表达,其他4个基因高表达,分析显示这6个基因与雌激素治疗耐药相关。随后又在一个包含136名乳腺癌患者的队列中验证这6个基因是否能够正确区分IBC和nIBC,采用基因评分方法(每个基因给予1分)和ROC曲线进行分析,发现只有基因评分、ABAT和STC2能够有效地区分这两种疾病,准确性为64%。将这3个指标应用到517例未接受任何辅助治疗的ER+、淋巴结阴性患者,发现不具有临床的预后价值,而在250例给予辅助性他莫西芬治疗的ER+患者中,ABAT基因的低表达与较差的无转移生存(metastasis-freesurvival,MFS)相关(P=0.001)。再将这3个指标应用到411例(327例接受它莫西芬一线治疗,84例接受芳香酶抑制剂治疗)进展期乳腺癌患者中,来验证是否与无进展生存(progression-freesurvival,PFS)相关,结果显示高基因评分和ABAT、STC2的低表达均与PFS相关,提示这3个指标可以预测进展期乳腺癌的治疗结局。而对110例原发性ER-乳腺癌的分析显示ABAT、STC2蛋白水平与一线他莫西芬治疗后的PFS无关。

这些研究提示，ABAT基因对乳腺癌的发病、治疗和预后起着重要的作用,一方面ABAT基因可通过相应的蛋白表达水平来影响疾病的预后,如预测ER+乳腺癌接受他莫西芬治疗患者的治疗结局,另一方面可以作为药物治疗的靶点。

骨髓增生异常综合征Zhao等[15]研究了骨髓增生异常综合征(myelodysplasticsyndromes,MDS)患者CpG岛甲基化表型(CpGislandmethylatorphnotype,CIMP),发现ABAT基因的甲基化参与MDS的发病并与预后有关。对4例MDS患者和4例正常对照应用甲基化芯片和全基因组表达谱芯片进行关联分析,筛选出差异最大的338个高甲基化低表达的基因,经过多次筛选和验证,最后构建了由6个基因组成的CIMP,6个基因为ABAT、DAPP1、FADD、LRRFIP1、PLBD1和SMPD3,并在211例MDS的大样本中进一步验证,其中ABAT基因的甲基化阳性率为97%,其mNRA表达量是下降的,最后进行COX回归多因素分析表明CIMP阳性是MDS独立的不良预后因素。ABAT基因低表达是MDS不良预后因素,其低表达的主要原因是基因高甲基化,因为在MDS细胞株中应用去甲基化药物培养,ABATmRNA水平可以恢复。

ABAT基因参与肿瘤发生发展的可能机制ABAT基因的突变率是很低的,近年来有关ABAT基因突变的零星报道只探讨了该基因在神经系统中的作用,因此大部分的研究都集中在GABA及其受体方面,GABA与其A或B受体结合,通过各种信号通路参与肿瘤的增殖和凋亡,如胃癌、乳腺癌、胰腺癌等(图2)[16-18]。在血液系统中,外周血单个核细胞表面表达GABAA受体[19],骨髓中单个核细胞高表达GABAA受体并参与急性淋巴细胞白血病的发展[20]。我们的研究发现ABAT基因出现高甲基化,使mRNA表达下调,出现GABAT的不足,使GABA含量升高,通过上述机制参与肿瘤细胞的增殖和凋亡。ABAT基因突变或异常甲基化使GABA含量增加,是可能的致病机制之一,但是否还有其他机制,例如其他的表观遗传修饰异常,或线粒体能量代谢异常,值得深入研究。

There are mainly two types of GABA receptors:the ion channel receptor families GABAAmediate excitatory functions of GABA;GABABreceptors composed of GABABR1and GABABR2are coupled to adenylyl cyclase.GABA binds to GABAAR of cell membrane and activates the MAPK pathway,the activated MAPK pathway promotes the cell proliferation.On the one hand,GABA can activate GABABR1and promote cell apoptosis through activating JNK/c-Jun,or upregulating Bax/Bcl-2 and caspase-3;on the other hand,GABA can activate GABABR2and promote cell proliferation via cAMP/PKA pathway,it can aslo downregulate EGFR and inhibit Ras/Raf,then promote cell apoptosis.Annotation:GABAAR:GABA A receptor,GABABR1:GABA B receptor 1 subunit,GABABR2:GABA B receptor 2 subunit.

图2GABA及其受体参与肿瘤发生的可能机制

Fig 2The possible mechanism of GABA and its receptors in tumors

结语和展望ABAT基因不仅参与精神神经性疾病、消化系统疾病的发生,而且在肿瘤性疾病的发生发展也起着重要的作用。目前很多研究都集中在GABA及其受体对肿瘤细胞增殖、迁移和侵袭的影响上,对于GABA分解代谢的酶以及编码该酶的ABAT基因研究相对较少,大部分只是探讨ABAT基因与疾病发生的关系,而缺乏机制的研究。在这些人类疾病中,ABAT基因表现出的可能致病机制是通过ABAT基因突变或甲基化,影响或不影响相应基因表达实现的,也就是说ABAT基因可以在基因水平和蛋白水平上调控疾病的发生,但如何实现这种调控还不清楚,需要进一步研究揭示。

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The research progress of ABAT gene in human diseases

ZHAO Guang-jie, WANG Xiao-qin△

(DepartmentofHematology,HuashanHospital,FudanUniversity,Shanghai200040,China)

【Abstract】γ-amino butyric acid transaminase(GABAT) encoded by ABAT gene is the key enzyme in the process of decomposing γ-amino butyric acid(GABA).ABAT gene not only participates in the neurotransmitter metabolism,but also plays an indispensable role in material synthesis and cell function in other organizations.ABAT gene is involved in the initiation and progression of many diseases,including the nervous system diseases,digestive system diseases and tumors.This article mainly reviews the research progress of ABAT gene in human diseases.

【Key words】ABAT gene;γ-amino butyric acid;γ-amino butyric acid transaminase

【中图分类号】Q786

【文献标识码】B

doi:10.3969/j.issn.1672-8467.2016.03.019

(收稿日期:2015-07-28;编辑:王蔚)

国家自然科学基金面上项目(81270583);上海市第四轮公共卫生三年行动计划重点学科建设项目(15GWZK0801)

△Corresponding authorE-mail:Wangxiaoqin @shmu.edu.cn.

*This work was supported by the General Program of National Natural Science Foundation of China (81270583) and the Key Discipline Construction of the Fourth Round of Three-year Public Health of Shanghai,China (15GWZK0801).