儿童哮喘发病机制中基因与环境相互作用新进展

陈海霞，单玉霞，崔振泽，迟磊

1 遗传易感基因的作用

1.1 基因多态性 儿童支气管哮喘是多个基因传递的，已知的哮喘遗传学进展，主要来自全基因扫描及候选基因关联研究结果，目前已经陆续发现了多个染色体上存在数百个哮喘易感基因，涉及多条生物学通路：例如与肺功能、气道高反应性、气道平滑肌、免疫机制、气道炎症介质及气道重塑、气道损伤和修复、急性加重、吸烟和环境刺激因素以及肥胖等相关的基因，表现出儿童哮喘的不同临床表型。主要可以分为四大类相关基因：(1)影响IgE介导的气道炎症基因[8-10]，位于染色体5q23-31、11q12-13、12q15-24、13q14，主要为Th2分化与功能效应基因，如与CD14、白细胞介素-10(interleukin,IL-10)、IL-13、IL-4、白细胞介素-4受体(interleukin-4 receptor,IL-4R)等表达相关的基因等。(2)影响特异性的IgE反应的基因，例如位于染色体6p21[11]的人白细胞抗原(human leukocyte antigen，HLA)Ⅱ基因相关抗原递呈系统，与过敏相关特异性IgE反应之间有强关联性的HLA-DR、DQ、DP等等位基因，以及位于14q11、7p12、7q32的T细胞抗原识别受体(T cell receptor，TCR)基因等。(3)影响非特应质相关的气道高反应性基因，例如β2肾上腺素受体基因(β2adrenergic receptor gene，ADRB2)，定位于第5号染色体，5q31～32。(4)影响非IgE介导的气道炎症基因，如位于6号染色体上的肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor,TNF-α)基因[12]，γ干扰素、胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor，IGF-1)、核因子-κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)基因等。

随着候选基因研究方法不断完善，新发现的一些基因包括：聚角蛋白微丝蛋白基因(filaggrin，FLG)，低亲和力IgE受体(low affinity IgE Fc receptor,FCER2)基因，Ⅰ型肌醇多聚磷酸4磷酸酶基因，植物同源域指蛋白11基因等。其中，FLG基因位于人类染色体1q21.3，调节机体的第一道免疫防线，为上皮屏障，当基因突变引起皮肤屏障受损，易导致哮喘的发生；ADRB2位于染色体5q31～32[13]；IL-4R基因介导IL-6抑制作用的树突细胞的信号及转录激活因子3；FCER2基因是近年来新发现的哮喘易感基因[14]，位于第19号染色体的短臂19p13.3的区域，多表达在气道平滑肌细胞、单核细胞、树突状细胞、巨噬细胞以及嗜酸性粒细胞和淋巴细胞等，其功能是调节体内IgE的生成，进而影响B淋巴细胞生长、分化，以及抗原呈递与细胞粘附等过程[15]。定位克隆法发现了解整合素-金属蛋白酶(a disintegrin and metalloprotease,ADAM33)基因，转化生长因子β1、白细胞三烯C4、肌钙蛋白C，趋化因子配体(chemotactic cytokines ligand,CCL)，二肽基肽酶10，丝氨酸肽酶抑制因子(serine peptidase inhibitor kazal type 5,SPINK5)等。其中，ADAM33[16]位于20号染色体的短臂末端，表达于平滑肌细胞、成纤维细胞和肌纤维细胞，与气道重塑密切相关。

1.2 基因预测哮喘患病风险及严重程度 支气管哮喘的本质是由多种炎症细胞及炎症介质介导的一种气道慢性炎症，是复杂的多基因遗传病，了解候选基因、基因多态性、基因修饰改变等新进展，既可以进一步认识哮喘的发病机制，又为儿童支气管哮喘的早期诊断、早期干预以及指导治疗提供新的思路。例如ADAM33基因位点多态性与不同个体支气管哮喘易感性以及严重程度密切相关[17]。Fu等[18]对不同病情哮喘(轻度和重度)儿童的全血进行分析发现，ADRB25′-UTR的高甲基化水平与儿童支气管哮喘的严重程度呈正相关。Toll样受体基因多态性与哮喘个体的易感性和严重程度密切相关[19]。

1.3 基因指导个体化治疗 不同个体对某一药物的治疗反应是不同的，很大一部分是由遗传因素决定的，儿童支气管哮喘的遗传度可以高达60%～80%。根据诊断个体遗传学特点进行治疗方面的研究已经广泛开展，通过哮喘的“内-表型”相关生物标记以及遗传基因特点，预测针对性治疗反应，同时可以针对严重哮喘或者难治性哮喘相关基因炎症介质通路进行靶向治疗。

肺功能相关的基因主要由肺功能、气道重构等一组基因够成，如ADRB2、TNF-α是最明显的哮喘易患基因，其他的基因包括转化生长因子β1、白细胞三烯C4、肌钙蛋白C等，能够影响患者对治疗的反应，药物基因组学对这些易感基因进行系统的研究可以确定药理反应模式的基因变异[20]。

目前利用药物基因组学研究来探索单核苷酸多态性与哮喘药物治疗反应之间的联系成为研究的热点[21]，大多数都集中在三种常用哮喘治疗药物，糖皮质激素(吸入型及全身性)、β受体激动剂以及白三烯受体调节剂。2011年Koster等[22]在Allergy杂志报道了对哮喘儿童的研究显示，FCER2的rs28364072位点多态性可为激素难治的哮喘患儿提供有价值的药理学预测。2016年，Farzan等[23]研究报道，FCER2特定基因位点与哮喘发病时对糖皮质激素的治疗反应具有高度一致性。

2 环境因素引起基因改变增加哮喘易感性

2.1 环境因素引起基因改变 环境因素会引起一个等位基因的表达或沉默，而DNA序列不发生改变，从而参与基因表达的调控，影响哮喘的发生，增加了哮喘患病风险，即表观遗传学修饰。此概念是由Waddington首先提出，是联系哮喘的多基因遗传因素与环境易感性之间的纽带，更好的理解了环境对于基因表达的影响作用，也为解释哮喘的发病机制提供了新的研究方向[24]。

2.2 环境因素影响基因改变的表现形式

不过，科学家对交叉证明所需的其他证据充满信心。因为从火星快车号独自发现的结果来看，科学家已经非常兴奋地认为：火星岩层下的东西，除了可以被认定为是湖泊之外，再也想象不到会是什么其他的东西。看来，火星上存在湖泊，已经是铁板上钉钉子的事了！

2.2.1 DNA甲基化与去甲基化 DNA甲基化是目前研究最清楚、且最重要的环境因素引起基因修饰改变的形式[25]。变应性哮喘患者支气管黏膜中有多种基因发生特征性甲基化改变，如位于染色体17q21内ORMDL3基因为儿童哮喘关联基因，编码的蛋白质是内质网膜蛋白家族中的成员；0～4.5岁的儿童体内有10余个基因发生甲基化改变，与哮喘(血清类黏蛋白，即ORMDL家族)和血IgE的调节(RAD50，IL-13和IL-4)的关系密切[26]。Breton等[27]通过检测儿童支气管哮喘患儿的呼出气一氧化氮(fractional exhaled nitric oxide，FeNO)水平，发现精氨酸转移酶(arginase，ARG)中ARG2基因启动子区的甲基化水平与FeNO显著相关。TH1/TH2失衡，TH2亢进是儿童支气管哮喘重要的发病机制，其相关细胞因子基因甲基化或去甲基化也会影响哮喘的发生。Runyon等[28]对21对同卵双胞胎哮喘患者研究发现，干扰素基因的启动子区域(有6个CpG位点)的甲基化水平明显升高；IL-4启动子区的去甲基化程度升高，促进哮喘的发生[29]；哮喘的发生与IL-4R基因的甲基化水平有相关性[30]；IL-6的表达水平升高与其启动子区甲基化水平降低有相关性[31]，并且可以引起其他基因的表达从而引起哮喘表型的改变[32]。

2.2.2 其他基因修饰调控方式 基因修饰调控还包括T细胞分化的表观遗传学调控异常、组蛋白的修饰、染色质的重塑以及非编码RNA(miRNA)的调控等，各种修饰相互影响、互相调控，构成一个复杂的表观遗传学调控的网络体系，在儿童支气管哮喘的发病机制中扮演重要角色。

2.3 影响哮喘基因改变的环境因素

2.3.1 病原微生物的暴露 呼吸道感染为儿童支气管哮喘的危险因素[33]，如呼吸道合胞病毒感染后削弱了哮喘的免疫耐受，增加血FOXP3mRNA调节T细胞，il17a，mu5ac，gob5mRNA和IL-17A水平[34]。鼻病毒引起的喘息为儿童支气管哮喘发生的危险因素[35]，有研究发现，特殊基因表达，如IL-4Rars1801275GG、MAP3K1-rs702689AA，对人鼻病毒具有易感性[36]，17q21变异体与生命早期人鼻病毒相关喘息相关[35]。

生命早期抗生素使用、肠道微生物定植模式改变，使过敏相关儿童支气管哮喘发病率上升。通过降低干扰素基因基因去甲基化，农场环境暴露具有保护作用[37]，母孕期接触农场牛奶，增加后代FOXP3基因去甲基化，生命早期就暴露于接触农场环境，与哮喘候选基因血清类黏蛋白1样蛋白、信号转导和转录激活因子基因的低甲基化，以及RAD50、IL-13基因的高甲基化显著相关。

2.3.2 变应原暴露 有特应性皮炎的患儿，单核细胞和树突细胞中IgE高亲和力受体表达过度，位于1q21.3的FLG基因缺陷会导致皮肤屏障功能受损，有研究发现，与FcεRI-1G基因甲基化水平降低，从而导致对室内变应原致敏，与哮喘发病的严重程度呈正相关关系[38]。

2.3.3 烟草烟雾 吸烟与呼吸功能损害、短期喘息及哮喘风险增加密切相关，烟雾暴露能够引起相关基因位点的DNA甲基化，继而导致机体免疫功能改变[39]。妊娠后3个月吸烟与1岁期间的哮喘相关，可以发生特异性的DNA甲基化，Kohli等[40]发现，暴露于二手烟环境的儿童，效应T细胞中的γ干扰素和调节性T细胞中的Foxp3出现超甲基化。

有研究表明，在高水平多环芳香烃接触母体的儿童中，81%具有酰基辅酶A合成链家庭成员3(acyl-CoA synthetase long-chain family member3，ACSL3)基因启动子发生甲基化，而母体接触低水平多环芳香烃的儿童中，仅有大约23%的ACSL3基因启动子发生甲基化[25]。在胎儿ACSL3甲基化和出生后5岁前哮喘患病率也存在关联性。Perera等[41]报道发现，如果母孕期暴露于高浓度多环芳香烃，与检测到的脐带血白细胞中ACSL3基因启动子区甲基化水平正相关，继而增加儿童患哮喘的风险。

2.3.4 空气污染 空气污染物中的颗粒物是可以引发哮喘的重要危险因素[42]，可以加重氧化应激，导致DNA损害和低甲基化，低甲基化是6岁前持续性哮喘的危险因素，环境污染重的地区，FOXP3基因DNA低甲基化的水平升高，引起调节T细胞的功能异常，继而导致了儿童支气管哮喘的发生。Bind等[43]研究发现，空气污染物可以改变机体一些特异基因(如Toll样受体2的甲基化，导致纤维蛋白原和其他一些炎症标记物的改变，促进哮喘的发生。

儿童支气管哮喘的发生与暴露于交通相关PM2.5有关[44]，可能会下调诱导型一氧化氮合酶的启动子基因区甲基化水平，导致气道炎症发生。黑炭与硫酸盐暴露与哮喘中一些基因位点(如HLA-DPA1、feerlg、IL-10及CCL11,DNA甲基化模式改变有显著相关性。有哮喘患者队列研究，如Baccarelli等[45]及Madrigano等[46]发现，如果持续暴露于碳黑和硫酸盐颗粒，即可引起Alu和LINE-1两种类型的重复序列甲基化改变。

目前发现的与哮喘发病机制中的一些重要基因(诱生型一氧化氮合酶、FOXP3、干扰素基因、IL-4、IL-13、转录激活因子6等)相关，其中一氧化氮合酶2启动子单倍型以及短期颗粒物(PM2.5)的暴露与诱生型一氧化氮合酶启动子甲基化水平下调有关。气道上皮细胞过度表达诱生型一氧化氮合酶，继而引起一氧化氮产生量增加，为支气管哮喘的一个重要特征[47]。

2.4 环境因素对基因的改变可以子代遗传 环境因素参与基因表达的调控，而且基因表达结果仍可遗传给下一代，增加了哮喘患病风险[6]，甲基化水平与遗传相关，同时受环境、年龄、疾病等因素影响，进行子代遗传的同时，又可以维持机体基本表型遗传的稳定性，儿童支气管哮喘受母亲的易感因素影响显著，约为受父亲影响概率的4倍[48]。研究证明，很多基因受表观遗传机制调节，例如参与病原体感染的免疫反应基因及过敏相关的炎症反应基因[49]。遗传易感个体，在暴露于致病环境因素促进甲基化改变，可导致哮喘发生发展[50]，如CpG二核苷酸5′端的胞嘧啶甲基化为甲基胞嘧啶，改变哮喘易感性，并产生可遗传性改变。

3 基因与环境相互作用指导哮喘管理

基因遗传因素与环境因素是儿童支气管哮喘的两大危险因素，两者相互作用可增加哮喘的易感性，基因改变的表达结果又可以子代遗传。因此，对于易感人群尤其要重点关注，回避不良环境因素，特别是母孕期，严格掌握生命早期抗生素使用指征，回避室、内外变应原，以及烟草、烟雾暴露，减少哮喘的发生以及反复发作。

研究发现，外界环境污染物会影响高危人群DNA甲基化水平的改变，通过对胎儿脐带血白细胞基因组DNA甲基化状态的检测能够预测儿童支气管哮喘患病的风险性。花生四烯酸12-脂肪氧化酶DNA甲基化为预测哮喘危险性的生物标志[51]。哮喘内型是哮喘个体化治疗的基础，Gunawardhana等[52]研究成年支气管哮喘患者进行全基因组分析，发现各种类型的支气管哮喘常见有9个基因(RBP1，TBX5，AK5，NRG1，SYNM，KCNQ4，PYY2，FAM19A4，ME1)的高甲基化状态，与基因相关的内型更具有特异性联系，儿童期早期预测，可以优化个体性治疗方案，为儿童支气管哮喘的基因诊断以及基因治疗开辟新的道路，进而减轻家庭以及社会负担[53]。2016年Nguyen等[54]研究发现，突变的C等位基因可能通过导致炎症介质水平升高，而表现FeNO水平升高，通过测定呼出气一氧化氮水平，监测FCER2突变的基因型，预测患病风险，早期防治。

了解基因与环境因素的相互作用，从基因水平来筛选哮喘易感人群，避免环境触发因素，可以为儿童支气管哮喘的早期诊断、干预提供新的思路，为更有效的基因治疗开辟新的道路。通过基因重组、靶向治疗、定点突变技术制定变应原多肽疫苗等在管理儿童支气管哮喘，临床选择有效的治疗方案，减轻家庭以及社会、经济负担中具有更重要的意义[53]。未来将需要更多能够反映儿童支气管哮喘肺功能及炎症指标的无创生物标志物，更有针对性的防治疾病。