代谢性疾病的遗传基础与分子诊治
2022-12-16周红文孟卓贤
周红文,孟卓贤
前言
代谢性疾病的遗传基础与分子诊治
周红文1,孟卓贤2
1. 南京医科大学第一附属医院内分泌科,南京 210029 2. 浙江大学医学院,杭州 310058
随着现代科技的发展,以肥胖、糖尿病、脂肪肝等为代表的代谢性疾病发病率日益增高,严重危害人类健康和生活质量,造成了巨大的社会经济负担。代谢相关的基础和临床研究越来越受到重视,成为了当前生命科学研究的热点领域。代谢性疾病是由遗传和环境因素共同作用引起的。近年来,随着基因组、转录组和代谢物组学等高通量测序技术和基因功能研究方法的快速发展和成熟,一系列新的代谢性疾病相关遗传突变在临床实践中被发现和研究,一些在组织细胞的代谢调控中起关键作用的新基因和新通路被挖掘和深入研究,大大加深了人们对代谢性疾病及其并发症的认识,为相关疾病的诊治方法提供了有力支持。《遗传》为此特别策划组织了“代谢性疾病的遗传基础与分子诊治”专刊,旨在梳理和总结国内外代谢性疾病相关基础和临床研究和诊疗方面的最新进展和成果,普及代谢相关技术方法,发掘新的研究方向和热点,促进基础研究和临床实践的对话交流,承前启后,继往开来,进一步推进我国代谢性疾病相关基础研究和临床转化的稳步发展,造福人类健康。
糖尿病是由胰岛素分泌不足和/或胰岛素作用缺陷引起的以高血糖为特征的一类代谢性疾病,已成为威胁全球人类健康的重大疾病之一。来自中国科学院上海生命科学信息中心和中国科学院上海营养与健康研究所的张丽雯等[1]在《糖尿病领域研发态势分析》一文中从论文、专利、药物、产业发展等方面分析了糖尿病领域国内外研发态势,为我国糖尿病领域研究及相关产业发展提供决策参考。我国在糖尿病研究和技术开发方面拥有一定的实力,稳步前进,未来需要采取措施加强研究成果转化与产品开发,以满足我国庞大的糖尿病诊疗与管理需求。
随着分子生物学理论和技术的飞速发展,人类基因组计划取得突破性成就,人们认识和诊断遗传性疾病具备更加有效的手段和方法。研究遗传性疾病的致病基因DNA序列、基因转录或蛋白翻译的异常及其潜在致病机理,使遗传性疾病的基因诊断走出实验室,转化为常规的临床诊断项目,成为临床医学实践的一个重要组成部分,为相关疾病的精准治疗提供依据。近年来,我国临床专家除了不断提升常见代谢性的诊治水平之外,也十分重视临床上罕见代谢性疾病的研究和精准诊治。一方面,临床专家对一些罕见遗传代谢性疾病的国内外研究进展进行了系统的总结。比如,南京医科大学的王心缘等[2]在《Prader-Willi综合征下丘脑功能障碍的遗传机制的研究进展》一文中以PWS“基因型–下丘脑功能障碍表型”之间的关联为重点,总结了15q11~q13区域基因与PWS患者过度摄食和肥胖、性腺发育不良、睡眠呼吸障碍、生长发育迟缓等表型相关的研究进展,旨在加深对PWS 遗传机制的理解,探讨潜在的PWS药物靶点的可能性。来自北京协和医院的肖诚等[3]在《基因突变相关脂肪萎缩综合征的研究进展》一文中总结了目前已报道的可引起脂肪萎缩综合征的突变位点,及该突变位点导致的代谢并发症、心血管异常、性腺轴紊乱、肌病、肾脏异常等多种临床表现,阐述了LMNA基因致病性突变位点可能的致病机制及疾病诊疗方法,以期为该疾病的基础研究和临床诊治提供参考。另一方面,在临床实践中,我国临床专家们也十分重视遗传突变引起的罕见代谢病的研究,发现了一系列新的突变位点和作用机制,涌现出了一批重要科研成果,为相关疾病的诊疗提供新的分子基础。比如,南京医科大学第一附属医院的叶静雅等[4]在《基因复合杂合突变导致先天性全身性脂肪萎缩的分子机制研究》一文中针对1例先天性全身性脂肪萎缩(congenital generalized lipodystrophy, CGL)患者及其家系进行临床及致病基因突变位点的分子机制研究,同时综述国内外既往文献中报道的基因突变位点,丰富了CGL的临床表型谱和致病基因突变谱,有助于提高临床医生对CGL的临床诊治和致病机制的理解。来自山东第一医科大学附属山东省立医院的王姗姗等[5]在《特发性低促性腺激素性性腺功能减退症与基因变异研究》一文中分析了1例特发性低促性腺激素性性腺功能减退症(idiopathic hypogonadotropic hypogonadism, IHH)散发病例的临床资料,扩展了IHH致病基因谱,为探究IHH的致病机制提供了新的方向,并为该类疾病的临床精准诊疗提供了借鉴和参考。来自复旦大学附属中山医院的沈艳婷等[6]在《一例基因复合杂合突变导致Bardet-Biedl综合征的诊断和基因检测分析》一文中报告了基因的两个新的突变位点(c.188delC,p.T63fs和c.1993_1995del,p.665_665del),为Bardet- Biedl综合征的研究提供了新的遗传资源,同时该病例还展示了患者从出生到成人期间的整个疾病发展过程,能够帮助临床医生更好地理解该疾病。来自华中科技大学同济医学院附属协和医院内分泌科的余佳瑜等[7]在《一例以皮肤色素沉着为唯一临床表型的X-连锁肾上腺脑白质营养不良症的诊疗和基因检测分析》一文中报道了1例以皮肤色素沉着为唯一临床表现的X-ALD病例,对患者及其家系进行全外显子组基因测序,明确患者基因1号外显子发生c.521A>C半合子变异,并建议对仅有皮肤色素沉着继而出现肾上腺皮质功能减退的男性患儿都应尽早进行基因检测,以及时确诊X-ALD,避免漏诊、误诊。
糖代谢异常的发生是遗传和环境因素共同作用的结果。近年来,对于遗传性因素导致的糖代谢紊乱引起了人们的关注。北京协和医院的贾觉睿智等[8]的《二例基因突变致先天性高胰岛素性低血糖症的诊疗和基因检测分析》、南京医科大学第一附属医院的蒋琬姿等[9]的《一例基因复合杂合突变导致糖原累积症V型的诊断和基因检测分析》、南京医科大学第一附属医院内分泌科的沈敏等[10]的《一例胰腺纤维钙化性糖尿病的诊疗和基因检测分析》和南京医科大学附属常州第二人民医院的杨慧杰等[11]的《一例基因复合杂合突变所致的Alstrom综合征的诊疗和基因检测分析》等四个研究分别介绍了葡萄糖激酶型高胰岛素血症(GCK-CHI)、糖原累积症V型、胰腺纤维钙化性糖尿病(fibrocalculous pancreatic diabetes, FCPD)和Alstrom综合征引起不同类型的糖代谢障碍的案例,强调了基因检测在糖代谢异常性疾病诊断中的重要性,有助于提高临床医生对该类疾病的鉴别诊断能力,为遗传相关疾病的精准治疗提供了科学根据与手段,为遗传因素导致的糖代谢异常性疾病后续致病机制的深入研究与药物干预靶点的筛选充实了临床资料。
下丘脑–垂体–肾上腺轴和下丘脑–垂体–性腺轴是神经内分泌系统的重要组成部分,在机体应激反应和多种生命活动的调控中发挥着重要作用。遗传因素导致该系统的损伤会引起一系列神经内分泌和代谢功能紊乱。深圳市罗湖区人民医院的孙致连等[12]的《一例家族性醛固酮增多症Ⅱ型合并基因突变的诊疗及基因检测分析》、南方医科大学珠江医院的宋青青等[13]的《一例基因突变导致11β-羟化酶缺乏症的诊疗和基因检测分析》和华中科技大学的王思琪等[14]的《一例基因缺失所致的Waardenburg综合征2型合并低促性腺激素性性腺功能减退症的诊断和基因检测分析》等三个研究分别报道了家族性醛固酮增多症Ⅱ型、先天性肾上腺皮质增生症和Waardenburg综合征的案例,探究了遗传因素导致的肾上腺或性腺功能紊乱的发病机制,介绍了病因和临床表现之间的关联,并建议对于临床难以明确病因的原发性醛固酮增多症或者低促性腺激素性性腺功能减退症应尽早进行基因测序,从而便于鉴别诊断,精准治疗,改善预后。此外,来自南京医科大学附属儿童医院的吴丹丹等[15]在《一例基因复合杂合突变导致颅骨下颌骨皮肤发育不全B型的遗传学分析》一文中报道了国内首例颅骨下颌骨皮肤发育不全B型(mandibuloacral dysplasia type B, MADB)患者全外显子组家系测序结果,案例的报道扩充了MADB的临床表型,提高了临床医师对MADB疾病的认识,为基因突变与相关疾病之间因果关系的理解提供了基础。
临床实践中发现新的遗传突变,建立了该突变与临床症状和预后的相关性,需要进一步通过基础研究对其潜在的因果关系进行深入研究。利用模式动物、原代组织和培养细胞等多种模型,在整体、细胞和分子水平解析代谢性疾病的发病机制,有助于发现新的干预靶点,开发新的诊疗方法。近年来,代谢性疾病相关基础研究取得了突飞猛进的发展,系统地总结相关领域的最新研究进展,对进一步有针对性地深入研究至关重要。全身多个组织器官,如胰岛、肌肉、肝脏、脂肪,参与了代谢性疾病的发生发展。已知在2型糖尿病发病过程中,胰岛β细胞经历从代偿到失代偿的动态变化。来自浙江大学医学院的吕承安等[16]在题为《2型糖尿病进程中胰岛β细胞功能变化的分子机制》的综述中系统阐述了代谢应激反应,如内质网应激、氧化应激和炎症在2型糖尿病胰岛β细胞功能调控和损伤中的作用和机制,为2型糖尿病的精准诊断和临床干预提供理论依据。肝脏作为人体内一个重要的代谢器官,在调节全身葡萄糖和脂质代谢等许多生理过程中起关键作用。近年来的大量研究表明,肝脏可以合成和分泌多种生物信号分子以自分泌和或旁分泌的方式调节机体的代谢过程。靶向干预肝脏分泌因子的表达和功能可能是代谢性疾病的预防、诊断和治疗的重要手段。然而,目前肝脏分泌因子与代谢稳态之间的互作机制仍不明确。来自中国药科大学生命科学与技术学院的梁佳琦等[17]在《肝脏分泌因子与代谢性疾病》一文中对不同肝脏分泌因子与代谢性疾病的关系展开论述,以期为治疗代谢性疾病提供新的策略和参考。棕色和米色脂肪组织的激活可以增加葡萄糖、脂肪酸等底物的消耗,调节全身的能量平衡,改善肥胖病、2型糖尿病等代谢性疾病。研究产热脂肪组织的调控机制,将为代谢性疾病的防治提供新策略。已有的研究表明表观遗传修饰在脂肪组织的分化和产热等方面发挥重要的调控作用。来自浙江大学医学院附属杭州市第一人民医院的赵清雯等[18]在《表观遗传修饰对脂肪组织产热的调控进展》一文中从DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA等方面,综述了表观遗传修饰在脂肪组织的分化和产热等方面的调控作用,为深入研究脂肪组织的激活提供新思路。非酒精性脂肪肝病(non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD)与肥胖症和2型糖尿病密切相关,是代谢综合征的重要组成部分。由于NAFLD发病机制的复杂性,目前尚无针对性的药物治疗。溶质载体(solute carrier, SLC)转运蛋白与多种代谢性疾病有关,在肝脏中具有丰富表达,参与多种营养物质和代谢产物的转运,调节营养供应、代谢转换、能量平衡和氧化应激等,调控肝脏生理功能。尤为重要的是,其中部分SLC转运体已经成为药物开发的新靶标。来自中国药科大学的汤志全等[19]《溶质载体SLC家族在非酒精性脂肪性肝病中的研究进展》一文中重点阐述SLC在营养物质和肝脏代谢产物转运中的作用及其与NAFLD的相关性,并揭示SLC作为NAFLD新药研发潜在靶标的可能性,以期为治疗NAFLD提供新的选择。
代谢相关基础研究离不开重要实验技术平台的搭建、新技术的推广应用和组织细胞特异性工具小鼠模型的构建。葡萄糖钳夹技术是评估胰岛素敏感性及胰岛功能的金标准,主要包括高胰岛素正糖钳夹、高糖钳夹、高胰岛素低糖钳夹等类型。来自南京医科大学第一附属医院的龚颖芸等[20]在《小鼠葡萄糖钳夹技术方法的建立与操作》一文中阐述了小鼠葡萄糖钳夹技术方法的建立及具体操作过程,包括器械耗材的准备、手术操作、钳夹过程及注意事项,为实验室搭建各类小鼠葡萄糖钳夹技术平台提供了重要参考。在全基因组水平解析蛋白质和 DNA互作图谱,不仅可以明确转录因子的DNA结合区域,而且可以利用针对特定组蛋白修饰的抗体分析不同组蛋白修饰发生的位置,全面了解局部染色质的开放状态和转录活性,是表观遗传学和转录调控研究的重要技术方法。相较于传统的染色质免疫沉淀高通量测序(ChIP-seq)技术,最新的CUT&Tag技术具有信噪比高、可重复性好、实验周期短、细胞投入量低等优点,已经在干细胞、免疫和代谢相关研究中体现了绝对的优势。来自浙江大学医学院的张子寅等[21]在《CUT&Tag技术在代谢组织细胞的实验操作》一文中对在代谢组织细胞中进行CUT&Tag实验的具体操作步骤进行了详细描述,不仅提供实验相关试剂的具体配置方法,而且以小鼠原代胰岛细胞为例介绍了实验的具体流程、质控要点和结果展示方法,希望为代谢领域尤其是数量较少的组织细胞样本的转录调控和表观遗传学相关研究提供帮助。脂肪组织是发挥能量储存与内分泌功能的重要代谢组织。脂肪细胞的发育、稳态与病理生理功能是重要的研究方向。目前通常用脂联素(Adiponectin)基因启动的Cre(Adipoq-Cre)工具小鼠研究成熟脂肪细胞的生理功能,但缺乏瘦素(Leptin)基因启动的Cre(Lep-Cre)工具小鼠以追踪Leptin阳性脂肪细胞的发育与稳态。为此,来自陆军军医大学第一附属医院心血管内科和代谢生物钟与心血管病中心的曾帆等[22]在《瘦素基因启动的新型脂肪细胞表达 Cre 工具小鼠的构建》一文中通过CRISPR-Cas9 技术编辑小鼠基因,实现内源基因启动的Cre表达(Lep-Cre),从而为深入研究Leptin阳性亚型脂肪细胞的发育与功能提供新工具。
总之,现代生物医学研究技术的迅速发展对生物医学研究的范式产生了深远的影响,大大加速了代谢性疾病的基础和临床研究,为代谢性疾病特别是罕见病的新药研发和临床诊疗带来了新的希望。同时,细胞能量代谢也是细胞最基本的生命活动,对机体多种生理功能和疾病的发生发展都至关重要。因此,代谢性疾病相关研究的快速发展和突破也将有力推动其他生物医学领域的基础研究和临床转化,为人类生命健康保驾护航。
限于期刊容量,本期(2022年第10期)率先推出本次专刊的14篇文章,以飨读者。其他文章将在《遗传》第11和12期陆续刊出,欢迎读者关注!
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王心缘, 孙睿, 高原青. Prader-Willi综合征下丘脑功能障碍的遗传机制的研究进展. 遗传, 2022, 44(10): 899–912
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叶静雅, 黄爱洁, 付真真, 龚颖芸, 杨洪远, 周红文.基因复合杂合突变导致先天性全身性脂肪萎缩的分子机制研究. 遗传, 2022, 44(10): 926–936.
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王姗姗, 赵琬怡, 吴慧潇, 舒梦, 袁嘉欣, 方丽, 徐潮. 特发性低促性腺激素性性腺功能减退症与基因变异研究. 遗传, 2022, 44(10): 937–949.
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沈艳婷, 凌雁, 陆志强, 李晓牧, 卞华, 颜红梅, 夏明锋, 常新霞, 蒋晶晶, 张晶, 高鑫. 一例基因复合杂合突变导致Bardet-Biedl综合征的诊断和基因检测分析. 遗传, 2022, 44(10): 975–982.
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余佳瑜, 陈婷, 王智华, 郑涓, 曾天舒. 一例以皮肤色素沉着为唯一临床表现的 X-连锁肾上腺脑白质营养不良的诊疗和基因检测分析. 遗传, 2022, 44(10): 983–989.
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贾觉睿智, 肖诚, 刘艺文, 李冉, 张化冰, 于淼. 二例基因突变致先天性高胰岛素性低血糖症的诊疗和基因检测分析. 遗传, 2022, doi: 10.16288/j.yczz.22-226.
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蒋琬姿, 徐昳文, 王依文, 朱肖诚, 龚颖芸, 周红文, 付真真. 一例基因复合杂合突变导致糖原累积症V型的诊断和基因检测分析. 遗传, 2022, doi: 10.16288/j. yczz.22-223.
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沈敏, 顾愹, 应长江, 张梅, 杨涛, 陈阳. 一例胰腺纤维钙化性糖尿病的诊疗和基因检测分析. 遗传, 2022, doi: 10.16288/j.yczz.22-210.
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杨慧杰, 李德, 白卉泠, 张铭, 黄俊, 袁小青. 一例基因复合杂合突变所致的Alstrom综合征的诊疗和基因检测分析. 遗传, 2022, doi: 10.16288/j.yczz. 22-217.
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孙致连, 何俊莹, 程筱玲, 谭晓霞, 吴伟华. 一例家族性醛固酮增多症Ⅱ型合并基因突变的诊疗和基因检测分析. 遗传, 2022, doi: 10.16288/j.yczz.22-197.
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宋青青, 张素素, 张振, 孙嘉, 杨锐, 李佶桐, 陈宏. 一例基因突变导致11β-羟化酶缺乏症的诊疗和基因检测分析. 遗传, 2022, doi: 10.16288/j.yczz.22-115.
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王思琪, 陈阳, 罗宽宏, 史宁杰, 肖康丽, 崔振海, 曾天舒, 黎慧清. 一例基因缺失所致的Waardenburg综合征2型合并低促性腺激素性性腺功能减退症的诊断和基因检测分析. 遗传, 2022, doi: 10.16288/j.yczz. 22-161.
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吴丹丹, 李荣, 李晓南, 刘倩琦, 窦莉华. 一例基因复合杂合突变导致颅骨下颌骨皮肤发育不全B型的诊断和基因检测分析. 遗传, 2022, doi: 10. 16288/j.yczz.22-117.
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2022-10-04
周红文,博士,主任医师/教授,研究方向:肥胖及糖脂代谢疾病。E-mail: drhongwenzhou@njmu.edu.cn
孟卓贤,博士,研究员,研究方向:糖尿病的发病机制和治疗。E-mail: zxmeng@zju.edu.cn
10.16288/j.yczz.22-312