酶基因变异与同型半胱氨酸代谢异常研究进展

潘征　潘兴寿

【关键词】 同型半胱氨酸;甲硫氨酸合成酶;亚甲基四氢叶酸还原酶;胱硫醚β合成酶;基因

中图分类号：R589.3 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2019.11.015

同型半胱氨酸（HCY）主要参与甲基（-CH3）供体循环中的甲基化与去甲基化过程，体内HCY水平升高与动脉粥样硬化关系密切，备受研究者关注[1]。研究表明HCY的代谢途径主要有四个方面[2]：（1）在亚甲基四氢叶酸还原酶（MTHFR）、S-腺苷同型半胱氨酸水解酶（SAHH）和甲硫氨酸腺苷转移酶（MAT）的参与下，与5-甲基四氢叶酸（MTHF）合成甲硫氨酸（MET）和四氢叶酸（THF）。（2）在甜菜碱同型半胱氨酸甲基转移酶（BHMT）参与下，HCY、胆碱、甜菜碱合成MET和二甲基甘氨酸。（3）在胱硫醚β合成酶（CBS）的参与下，HCY与丝氨酸缩合成胱硫醚，胱硫醚进一步断裂成半胱氨酸。（4）在丝氨酸羟甲基四氢叶酸还原酶（SHMT）的参与下，HCY与甲基四氢叶酸合成甘氨酸、丝氨酸。基因位点的碱基变异，导致其编码的氨基酸序列或结构发生变化，从而改变酶的活性，造成机体代谢物质紊乱[3]。机体HCY水平病理性变化与基因位点变异有关，近年来影响HCY代谢过程中相关代谢酶的研究取得许多进展，现综述如下。

1 甲硫氨酸腺苷转移酶

MAT又称为S-腺苷甲硫氨酸合成酶（SAMS），是甲基供体循环及其HCY代谢的重要限速酶，除了寄生虫外几乎生物体都有MAT[4]。在MAT的催化下，MET从ATP中获取腺苷变成SAM，获得S-腺苷的SAM带有一个活化的甲基，成為活性MET，是生物活动中甲基、氨丙基和硫基转移反应的辅酶，其通过各种转甲基作用生成多种含甲基的生理活性物质，如肾上腺素、肉碱、磷脂、胆碱及肌酸等多种含甲基的生理活性物质，在细胞代谢过程中成为重要的甲基供体[5]。SAM将甲基转移到DNA、RNA或蛋白质上使其产生甲基化，影响基因的表达、调控和功能。因此，SAM又被称为控制基因表达的重要开关[6]。人类的MAT有MAT1A、MAT2A和MAT2B三种亚型[7]。MAT1A位于染色体的10p22.3，基因全长17 865 bp，含9个外显子，编码396个氨基酸残基的酶蛋白。从53份组织和570份器官捐赠标本（donors）中，用基因型-组织表达（GTEx）和表达定量性状遗传位点（eQTL）测序显示，93.8%的MAT1A在肝组织表达[8]。至今已有rs1143694[C/T]等2671个位点可以改变MAT1A酶氨基酸序列的研究报道[9]。MAT2A基因位于2p11.2，基因全长6116 bp，含9个外显子，编码395个氨基酸残基。用GTEx和eQTL测序显示，MAT2A在组织中表达呈现多样性，表达量较高是甲状腺组织，占总表达量5.3%。至今已有rs72940560[C/T]等2671个位点可以改变MAT2A氨基酸序列的研究报道[10]。MAT2B基因位于5p11.2，基因全长13 775 bp，含7个外显子，编码361个氨基酸残基。用GTEx和eQTL测序显示，MAT2B在多种组织均有表达，表达量较高是EB病毒转化淋巴细胞，占总表达量的3.8%。至今已有rs299299[C/T]等4789个位点可以改变MAT2B酶氨基酸序列的研究报道[11]。MAT基因变异造成MAT酶的活性变化，从而影响HCY代谢循环，导致血浆中HCY处在高水平状态[12]。目前认为MAT基因位点的变异，参与基因转录、细胞增殖等并产生一些异常的中间代谢物质，成为动脉硬化、肝病、癌症、抑郁症、阿尔茨海默病、空泡性脊髓病和骨关节炎的诊断标识、疗效观察和药物靶标。在MAT活性区域的密码子突变，或有多个基因发生变异的患者，其临床表现更加突出[13]。

2 甲硫氨酸合成酶（MS）

MS又称为钴胺素依赖甲硫氨酸合成酶（METH）或解聚素样金属蛋白酶（ADAMTS1），是叶酸和HCY代谢的关键酶，MS催化甲基从MTHF转移到HCY，产生THF和MET。对于维持HCY水平有重要作用，抑制MS的活性，MTHF和HCY的水平升高，THF水平降低，导致嘌呤和嘧啶的合成受阻，进而抑制DNA的合成，从而抑制细胞的分裂和生长[14]。MS基因位于q21.3，基因全长9663 bp，含9个外显子，编码947个氨基酸残基。用GTEx和eQTL测序显示，MS基因在组织中表达呈现多样性，表达量较高是卵巢组织，占总表达量1.2%。至今已有rs2738[A/C]等3287个位点可以改变MS酶氨基酸序列的研究报道[15]。MS有望成为治疗疾病药物的新靶点。目前正在研发的MS抑制剂根据其化学结构不同，可分为使钴胺素失活的含氮化合物、乙醇及其类似物，与钴胺素竞争性的钴胺素类似物，与MTHF竞争性的MTHF结构类似物和使钴胺素失活的N5位具有正电中心的叶酸类似物等。早就有人提出MS抗肿瘤化疗药靶点的设想，但迄今各种蛋氨酸合成酶抑制剂仍处于前期研究阶段[16]。

3 S-腺苷同型半胱氨酸水解酶

SAHH又称为腺苷同型半胱氨酸酶（AHCY），是甲基供体循环重要的限速酶，其主要催化SAH水解生成腺苷和HCY。SAHH有SAHH（AHCY）、SAHH2（AHCYL2）、SAHH3（AHCYL3） 三个亚型。SAHH基因位于20p11.2，基因全长23 081 bp，含10个外显子，编码425个氨基酸残基。用GTEx和eQTL测序显示，SAHH基因在组织中表达呈现多样性，表达量较高是睾丸组织组织，占总表达量4.4%。至今已有rs819146[C/T]等18 225个可以改变SAHH酶氨基酸序列的研究报道。SAHH2基因位于q11.2，基因全长39 050 bp，含17个外显子，编码24个氨基酸残基，用GTEx和eQTL测序显示，SAHH2在组织中表达呈现多样性，表达量较高是脑核组织，占总表达量4.7%。至今已有rs12987[A/T]等8452个可以改变SAHH2酶氨基酸序列的研究报道。SAHH3位于7p32.1，基因全长2 051 891 bp，含17个外显子，编码509个氨基酸残基，用GTEx和eQTL测序显示，SAHH3在组织中表达呈现多样性，表达量较高是横结肠组织，占总表达量8.4%。至今已有rs721691[A/G]等43 639个位点可以改变SAHH3酶氨基酸序列的研究报道。SAHH酶的活性直接关系到HCY在体内的水平，在SAHH缺乏者中，血浆肌酸激酶、MET、SAM和SAH含量会升高。抑制SAHH将导致细胞内SAH的堆积，从而对转甲基反应产生反馈性抑制作用。SAHH在调节细胞内SAH和HCY过程中扮演重要角色，可以作为药物设计的靶位点，作为抗寄生物，抗风湿，提高免疫力和肿瘤的增殖等作用的药物[17]。

4 亚甲基四氢叶酸还原酶

MTHFR是甲基供体循环及其HCY代谢的重要限速酶，在甲基传递和HCY代谢过程中起关键作用。人类的MTHFR位于1q36.22，基因全长20 318 bp，含12个外显子，编码704个氨基酸残基。用GTEx和eQTL测序显示，MTHFR基因在组织中表达呈现多样性，表达量较高是卵巢组织，占总表达量4.5%。至今已有rs868014[C/T]等6235个位点可以改变MTHFR酶氨基酸序列的研究报道。MTHFR基因變异造成MTHFR酶的活性变化，从而影响HCY代谢循环，导致血浆中HCY处在高水平状态。目前认为MTHFR基因变异可引起代谢途径障碍，血浆HCY升高，直接或间接导致血管内皮细胞损伤，促进血管平滑肌细胞增殖，影响低密度脂蛋白的氧化，增强血小板功能，促进血栓形成等动脉粥样病变。研究最多的是rs1801131（A1298C）和rs1801133（C667T），这两个位点与人类疾病的关联更为紧密，其变异会直接影响酶的活性，酶活性降低会影响甲基化和去甲基化的整个代谢过程，导致疾病发生，从而影响HCY的代谢过程，继而在人体内引起一系列与疾病相关的反应[18]。

5 丝氨酸羟甲基四氢叶酸还原酶

SHMT是叶酸代谢的关键酶之一，具有可逆性地催化丝氨酸及THF转化为甘氨酸和5，10-亚甲基四氢叶酸，为嘌呤、胸苷酸、MET等合成提供甲基。SHMT有SHMT1和SHMT2两个亚基。SHMT1基因位于17q11.2，基因全长35 615 bp，含12个外显子，编码484个氨基酸残基。用GTEx和eQTL测序显示，SHMT1基因总的表达量较高是肝组织，占总表达量22.4%。至今已有rs1979277[A/G]等10 320个位点可以改变SHMT1酶氨基酸序列的研究报道[19]。SHMT2基因位于12p13.3，基因全长5605 bp，含12个外显子，编码484个氨基酸残基。用GTEx和eQTL测序显示，SHMT2在EB病毒转化的淋巴细胞的表达量较高，占总表达量11.2%。至今已有rs2229716[A/G]等2072个位点可以改变SHMT2酶氨基酸序列的研究报道。当体内叶酸缺乏或MTHFR活性降低时，5-甲基四氢叶酸生成减少，导致血浆HCY转化率降低，HCY在体内堆积，损伤管壁内皮细胞，影响凝血与抗凝之间的平衡，并促进脂质沉积导致动脉粥样硬化，引起血管管壁结构和功能紊乱。同时叶酸缺乏也可导致DNA、蛋白质、脂质甲基化不足，染色体不稳定，影响机体合成代谢，共同促进血管疾病的发生和进展[20]。

6 胱硫醚β合成酶

CBS是同型半胱氨酸代谢过程中的关键酶，约有50%的HCY通过CBS和胱硫醚γ裂解酶生成半胱氨酸进入排硫循环。另外50%的HCY则通过再甲基化形成MET。CBS基因位于21p22.3，基因全长23 188 bp，含17个外显子，编码551个氨基酸残基。用GTEx和eQTL测序显示，CBS表达量较高是肝组织，占总表达量14.0%。至今已有rs12613[A/G]等5558个位点可以改变CBS酶氨基酸序列的研究报道。CBS基因变异可以影响CBS活性，例如CBS T833C位点的突变使其编码的异亮氨酸代替了苏氨酸，导致酶蛋白分子中磷酸吡哆醛（PLP）结合位点的构象变化，从而影响CBS与PLP结合。G919A突变使甘氨酸代替了丝氨酸，影响CBS的活性;第4外显子中的碱基丢失引起CBS活性完全丧失。CBS基因研究或许成为高调节HCY 血症及相关的血管疾病的药物治疗提供靶向[21]。

7 甜菜碱同型半胱氨酸甲基转移酶

BHMT也被称为甜菜碱同型半胱氨酸S-甲基转移酶（Betaine-homocysteine S-methyltransferase），是催化将甲基从甜菜碱转移到HCY的反应，分别产生二甲基甘氨酸、 HCY和MET。BHMT基因有两个亚型BHMT和BHMT2。BHMT基因位于5p14.1，基因全长20 512 bp，含8个外显子，编码406个氨基酸残基。用GTEx和eQTL测序显示，BHMT基因总的表达量较高是肝组织，占总表达量72.6%。至今已有rs492842[A/G]等5131个位点可以改变BHMT酶氨基酸序列的研究报道。BHMT2位于5p14.1，基因全长19 750 bp，含8个外显子，编码363个氨基酸残基。用GTEx和eQTL测序显示，BHMT2基因表达量较高是肝组织，占总表达量27.2%。至今已有rs56774046[A/G]等4968个位点可以改变BHMT2酶氨基酸序列的研究报道。BHMT是催化HCY重新甲基化的代谢酶，其对HCY的转化能力与MS相当，无特殊辅酶依赖性，且反应产物可促进MS甲基化途径的进行，这些特性将成为研究治疗HCY水平异常增高的新靶点[22]。

甲基化反应是在细胞代谢过程中氢原子被甲基（-CH3）基团取代的过程。甲基不能在生物体内以游离形式存在，必须以四氢叶酸为载体，甲基与氮原子或硫原子结合生成甲基供体，为满足磷脂、肾上腺素、RNA和DNA等生物合成需要提供甲基;胆碱、MET、甜菜碱等合成活性甲基基团为细胞代谢提供甲基。外源性叶酸进入甲基供需循环过程，必须经过HCY代谢。HCY水平的相对稳定是维持生命代谢的重要保障，影响HCY途径相关的代谢酶的基因变异，可影响HCY合成与消耗，深入甲基循环相关基因研究，对一些疾病的发生和发展机制的认识及控制靶点的切入等都有重要意义。

综上所述，导致HCY水平变异机制比想象中还要复杂得多，HCY水平只能作为疾病的观察指标，而不宜作为控制疾病的靶指标。

参 考 文 献

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（收稿日期：2019-08-03 修回日期：2019-08-22）

（編辑：潘明志）

基金项目：国家自然科学基金（81060028）;广西科学研究与技术开发计划项目重大专项基金（桂科重1598005-9）;广西卫生厅自筹经费科研课题（Z2014607）;广西中青年教师基础能力提升项目（2018KY0450）

作者简介：潘征，男，副主任医师，医学学士，研究方向：高血压与动脉硬化。E-mail：13977685871@139.com

通信作者：潘兴寿。E-mail：1491857657@qq.com

[本文引用格式]潘征，潘兴寿.酶基因变异与同型半胱氨酸代谢异常研究进展[J].右江医学，2019，47（11）：867-870.