呼吸系统疾病与候选基因多态性

呼吸系统疾病是危害人民健康和生命的主要疾病之一，且该系统疾病的发病率和死亡率都呈逐年上升的趋势。其中，支气管哮喘是呼吸系统疾病中最重要的疾病之一。支气管哮喘是机体对抗原性或非抗原性刺激引起的一种气管-支气管反应性过度增高的疾病，简称哮喘。目前的研究认为，本病是一种多基因疾病，其发病受遗传因素和环境因素的双重调节。哮喘的病因和发病机制尚未完全明了。按病因和发病机制的不同，本病大致可分为外源性和内源性两大类，两种类型的哮喘在发病过程中可相互影响而混合存在。哮喘的主要病理改变包括呼吸道慢性炎症和呼吸道壁结构的重建，从而导致呼吸道狭窄。其临床特征主要表现为发作性伴有哮鸣音的呼气性呼吸困难，长期反复发作，常常并发慢性支气管炎和肺气肿。本病发病受生活方式的影响，多发于西方发达国家，部分国家和地区儿童发病率可高达19.1%。哮喘的遗传学研究已成为相关领域研究的重点。人们对哮喘免疫病理学的认识和人类基因组计划的进展，加速了哮喘候选基因的克隆。对哮喘候选基因产物生理功能以及对这些候选基因遗传多态性的深入研究，一方面促进了人们对哮喘发病机制及其病理生理过程的认识，另一方面为寻找新的药物作用靶点、开发新的治疗哮喘的药物提供了新的思维，同时也极大地推动了药物基因组学和遗传药理学的发展以及临床个体化用药的进程。

除茶碱外，应用于呼吸系统的药物大多治疗窗较宽，因此大部分的研究集中于关注药物的药效学变化而不是药动学差异。虽然但至今尚无研究报道遗传药理学效应对间质性肺病的用药影响，但随着遗传药理学研究方法日益增多（例如，基因表达谱的应用），使得遗传因素预测药物效应成为可能。因此，本章我们主要描述呼吸系统药物靶点的遗传变异对伴气道堵塞的哮喘和慢性阻塞性肺病药物治疗疗效的影响。

哮喘是一种多基因疾病，其临床表型是遗传因素和环境因素共同作用的结果。连锁分析结果表明，哮喘与人类第5，6，7，11和12号染色体的特异性区段密切相关。应用候选基因相关性分析结果表明，多个基因与本病的发生或其严重程度有关（表6-1）。

表6-1　哮喘候选基因及染色体定位

1.β2肾上腺素受体多态性　β2肾上腺素受体是一种典型的G蛋白耦联受体，由413个氨基酸组成，具有7个跨膜结构域（transmembrane spanning domains），包括3个细胞外环，3个细胞内环，1个氨基端和1个羧基端。编码β2受体蛋白的基因位于人类第5号染色体长臂，包含1 242个碱基，基因结构中无内含子。目前已鉴定了β2受体基因编码区的9个位点发生的单碱基改变，但其中只有4个位点的突变导致所编的蛋白质氨基酸序列的改变。这4个氨基酸改变的位点分别位于16位，27位，34位和164位。即在16位由精氨酸（Arg）变成甘氨酸（Gly），27位的谷氨酰胺（Gln）变为谷氨酸（Glu），第164位的苏氨酸（Thr）变为异亮氨酸（Ile）和第34位的缬氨酸（Val）变为甲硫氨酸（Met）。

Arg16Gly多态性是由于β2受体基因编码区第46位发生单碱基突变（A→G）。人群中突变型等位基因Gly16的发生频率较高，Gly纯合子可达58%。因为Arg16Gly多态性发生在细胞膜外的氨基端，因此并不影响β2受体与G蛋白的结合以及下游的信号传导，但Gly16型受体可促进β2受体激动药所致的支气管平滑肌细胞β2受体下调（图6-1）。因为人体内始终存在β2受体激动药如儿茶酚胺类物质，因此，携带Gly16的个体，其支气管、血管等处平滑肌中胆碱能神经可能占优势，从而出现较高的反应性。研究表明，Arg16Gly多态性与哮喘的发病无关，但却与夜间哮喘的发生密切相关。携带Gly16型β2受体的哮喘患者夜间哮喘的发生率比携带Arg16型受体的患者高6倍，而且对组胺的反应程度明显增加。

Gln27Glu多态性是由于β2受体基因编码序列第79位发生单碱基突变（A→G）所致。这种多态性在人群中的也很普遍。Glu27纯合子的发生率约为28%。与Arg16Gly多态性一样，Gln27Glu多态性也是发生在β2受体细胞膜外的氨基端的多态性。因此，这种多态性也不影响β2受体激动药与受体的结合以及受体与G蛋白的偶合。Glu27可抑制β2受体激动药所致的支气管平滑肌细胞β2受体脱敏和受体的下调（图6-1），其具体作用机制目前尚不明确。Glu27型受体抵制激动药所致的β2受体下调可能通过改变β2受体的降解而得以实现。研究表明，Glu27纯合子患者对甲基胆碱（methacholine）的反应性显著下降，而在家族性哮喘患者中，Gln27型受体与血浆IgE水平的升高有关，且携带这种类型受体的儿童发病率增加，其具体机制不详。单体型研究结果表明，Gly16/Gln27单体型在中度哮喘患者中比轻度哮喘患者中更常见，且这种单体型较容易出现支气管的高反应性。

图6-1　β2受体基因遗传多态性对人类支气管平滑肌细胞β2受体下调的影响引自Liggett（1997）

2.细胞因子（Cytokines）基因多态性　哮喘的发生与人类染色体的5q31–33和第12号染色体有关，染色体的这些位点主要编码多种与炎症有关的细胞因子，如2型T辅助细胞（TH2）分泌的细胞因子（包括IL-3，IL-4，IL-5，IL-9和IL-13）和干扰素γ等。哮喘患者支气管—肺泡洗出液和呼吸道组织中TH2细胞因子的含量增加。这些细胞因子功能上互相交错，通过各种机制参与哮喘的炎症和呼吸道阻塞的病理过程。

（1）IL-4（interleukins 4，IL4）启动子及α受体多态性：　IL-4通过促进Ig E的分泌，上调效应细胞Ig E受体的表达；诱导黏液素基因表达，促进黏液的分泌；促进TH0淋巴细胞向TH2淋巴细胞分化等多种病理机制，参与哮喘的炎症过程。人类IL-4基因定位于5q31-33的细胞因子簇内。该基因的启动子区的-603位和-588位碱基间存在一个反式回文结构（GGAGAA），该序列可被转录因子NFAT-1识别。当IL-4基因转录起始位点上游第-590位碱基发生C到T的突变时，可在NFAT-1识别序列的邻近区域产生一个新的可被类似ets识别的序列TTCC，后者可稳定NFAT-1识别序列。因此，IL-4基因的C-590A多态性可导致体内IL-4活性增加。在家族性哮喘患者中，C-590A多态性被认为与总IgE升高有关。IL-4受体α亚单位（IL-4Rα）参与IL-4复合物的形成，同时又是IL-13 受体的α链，参与IL-4和IL-13的信号传导过程。人类IL-4Rα基因位于16p。目前已经鉴定了该基因编码序列的十多种单核苷酸多态性。最近的研究发现这些突变的等位基因可通过改变IL-4和IL-13的信号传导而参与哮喘的发生和发展（图6-2）。

图6-2　白种人哮喘患者中1s最大呼气量（FEV1）人口密度分布与IL-4启动子遗传多态性关系 　［引自Burcharcl（1999）］

（2）IL-10基因多态性：IL-10可抑制多种细胞因子和其他与免疫反应有关的分子的合成，同时促进细胞和体液免疫。哮喘患者支气管肺泡洗液中IL-10下降。IL-10基因定位于人类第1号染色体上。IL-10基因转录起始部位上游的-571可发生单碱基突变（C-571A）。病例对照研究结果表明，IL-10基因的这种多态性与总IgE有关。A型等位基因携带者IL-10基因启动子的强度降低，与野生型纯合子相比较，在IFN-α的刺激下外周血单核细胞IL-10的合成显著降低，从而使突变纯合子容易出现炎症所致的哮喘持续状态。IL-10基因多态性是影响哮喘并发呼吸道炎症以及炎症严重程度的重要分子遗传学机制。