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田大为, 胡向军, 宋蕾, 彭瑞云, 贾宏博, 王丽峰. NMDA受体基因单核苷酸多态性与神经系统疾病的关联研究[J]. 武警医学, 2016,27(7): 750-754
[J]. Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces, 2016,27(7): 750-754  

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NMDA受体基因单核苷酸多态性与神经系统疾病的关联研究
田大为1,2, 胡向军3, 宋蕾4, 彭瑞云3, 贾宏博1, 王丽峰3
1.100142 北京,空军航空医学研究所
2.710032 西安,第四军医大学航空航天医学系航空航天生物动力学教研室
3.100850 北京,军事医学科学院放射与辐射医学研究所
4.100720 北京,空后卫生部门诊部
贾宏博, E-mail:jiahongbo@163.com

作者简介:田大为,博士研究生,助理研究员。

基金资助: 全军后勤科研“十二五”重大资助项目(AKJ11J003)
摘要

关键词: NMDA受体基因; SNP; 神经系统疾病
Abstract
Keyword:

神经系统由其结构单位-神经元组成, 这使得神经系统构成了人类组织器官中最为复杂的系统, 其作用机制是受多种因素调节的复杂生理过程。神经系统疾病是神经系统发生的器质性疾病, 除受外界环境因素影响外, 还受遗传因素影响。已有大量的研究报道了神经递质与神经系统疾病之间的关系, 其研究的深入可能为神经系统疾病的防诊治提供客观的预测和监测指标。

谷氨酸( glutamate, Glu) 是中枢神经系统重要的兴奋性神经递质之一, 其中N-甲基-D-天门冬氨酸 (N-methyl-D-aspartate, NMDA)受体近年来逐渐受到重视, NMDA受体被普遍认为是学习记忆中的关键物质且参与长时程增强(long-term potentiation, LTP)的形成和维持。

随着人类基因组序列的绘制完成, 生命科学领域的研究热点正迅速转向如何系统地研究和解读基因结构、功能与遗传疾病之间的联系。单核苷酸多态性( single nucleotidepolymorphism, SNP) , 作为基因组中最普遍的序列差异, 在复杂性疾病与基因的关联研究中发挥着重要作用, 其意义的阐明有助于了解人类基因的功能, 并为复杂性疾病的评估、预测、预防、诊断和治疗的突破提供重要的参考依据。笔者就NMDA受体基因SNP与神经系统疾病关联的相关研究作一综述。

1 NMDA受体结构和功能

神经科学的研究表明, 谷氨酸是人类中枢神经系统内最重要的兴奋性神经递质, 参与神经系统多种重要功能的调节[1]。根据跨膜信号转导机制的不同, Glu受体可分成两大类:促离子型谷氨酸受体( ionotropic glutamater -eceptor, iGluR) 和促代谢型谷氨酸受体(metabotropicglutamate receptor, mGluR)。在iGluRs家族内, 根据受体激动剂的不同, 又分为NMDA受体与非NMDA受体。NMDA受体有复杂的分子结构和独特的分子特性, 涉及脑的很多重要功能如记忆和学习密切相关的LTP和长时程抑制(long term depression, LTD)效应与NMDA受体关系密切[2, 3]; 大脑神经元的数目及其连接的数目都受到NMDA受体活动的影响, 其活动的异常可能影响神经元的可塑性, 从而导致中枢神经系统的功能紊乱。因此, NMDA受体已成为治疗某些神经精神性疾病的靶点。

1.1 NMDA受体的功能区及分子构型

NMDA受体至少包含2种亚基, 核心亚基(NR1)和强化亚基(NR2)。NR1和NR2中的任何一个亚单位都不能单独构成有功能的同寡聚体通道, NR2四个亚单位中的一个或几个必须和NR1共同构建成为异寡聚体, 才可形成高活性的NMDA受体通道, 提示NR1亚单位对NMDA受体通道功能是必须的[4]。

近年研究证明, 人的NR1基因跨度约29.6 kb, 含20个外显子, 与鼠脑NR1基因类似, 有8种序列不同的转录体, 其5’ 侧翼启动子区有两个完整的果蝇even -skipping蛋白识别序列。大鼠的NR1基因总长度为26.6 kb, 含20个外显子。小鼠基因的NR1总长度为26.7 kb, 含20个外显子。

人类NR2A基因定位于16p13.2, 长约429.35 kb, 含14个外显子; 大鼠NR2A基因定位于10q11, 长约416.55 kb, 含14个外显子; 小鼠NR2A基因定位于16A1; 16 3.4 cm, 长约414.82 kb, 含12个外显子。

人类的NR2B总长度为418.6 kb, 含13个外显子。大鼠的NR2B基因的总长度为461.2 kb, 含13个外显子, 是一种分子量约180 kda的跨膜糖蛋白, 脱糖化后分子量为160 kDa左右, 其基因有45个氨基酸序列, 由1456个氨基酸组成, 氨基酸残基数为1482, 特定氨基酸残基1362-1406。小鼠的NR2B基因总长度为443.7 kb, 含15个外显子。

1.2 NMDA受体的调控

1.2.1 基因转录对NMDA受体表达的影响 NMDA受体亚基转录时可有多个起始位点, 各个位点周围的碱基可以影响基因的表达。Bai[5]通过对大鼠NR1上游3 kb进行测序和启动子功能试验, 发现从转录起始位点到上游356 bp的区域为NR1启动子的核心区域, 并且有SP-1、AP-2、GSG等多个转录结合元件结合在核心启动子区, 在上游3 kb的范围内还有多个转录结合位点与AP-1、Repeats、CTF、CRE、MEF2-C等转录元件结合。NR2B主要起始位点周围的150个碱基可影响NR2B的表达, NR2B启动子缺乏TATA和CAAT盒, C/G含量> 60%, 因此, NR2B基因具有典型的管家基因特性。Klein等[6]对人NR2B基因启动区进行测序并进行功能实验, 发现转录起始位点到上游541bp的区域为NR2B启动子的重要调控区域, 并且含有4个SP1和一个CREB转录结合元件。Sasner和Buonnano等[7, 8]研究发现大鼠NR2B启动子上有一段长约800个碱基对的序列决定了NR2B表达的神经元依赖性, 在NR2B基因上游356bp范围为核心启动子区, 具有4个转录因子SP1和一个CREB的结合位点, 表明NR2B基因本身就是突触后神经元Ca2+通路上的靶基因之一。Miyatake等[9]对小鼠NR2B基因启动区进行测序并结合软件分析, 发现转录起始位点到上游420 bp的区域为NR2B启动子区的重要调控区域, 该区域包括SP1、GATA-2、CREB等转录结合位点。

1.2.2 翻译对NMDA受体表达的影响 NR2A的5'非翻译区含有282个碱基。Wood等[10]在离体研究时发现, NR2A的mRNA拥有不同的5'非翻译区, 如果移去大多数的282bp的mRNA的5'非翻译区可使NR1、NR2A介导的电生理反应放大100倍, 如仅移去其上游的AUG则只增加其对受体的翻译。

NR2B含有一个超过其他NMDA亚单位的长5'-UTR, 含有1199个碱基对[6]。在含ATG起始编码的4号外显子上有3个分散的未翻译的外显子分布在20 kb的区域内。在剪接过程中可形成两个不同的剪接变体, 分别含有或缺失2号外显子, 其中以不含2号外显子的形式居多。在5'-UTR中还有多个ATG编码, 形成9个短的UOFs, 主要分布于3号外显子上, 与转录后调控有关。

2 NMDA受体基因SNP与神经系统疾病的关联

SNP是DNA多态性的一种, 为DNA序列中单碱基的差异。绝大多数复杂性状疾病都是由遗传因素与环境因素相互作用的多基因病, 就是这些SNP造成人群和个体在各种表现型上的差异, 表现在体质特征、运动能力、疾病易感性, 以及心智等各个方面。根据SNP在NMDA受体基因中的位置, SNP可分为受体基因编码区SNP(coding SNP, cSNP)、受体基因内含子区SNP和受体基因调控区SNP(regulatory SNP, rSNP)。其中cSNP根据是否改变编码的氨基酸又可分为同义cSNP(synonymouscSNP)和非同义cSNP(non— synonymous cSNP)。

非同义cSNP, 由于其改变编码的氨基酸, 对NMDA受体基因功能的影响较直观, 近来有研究表明, 非同义cSNP可通过影响NMDA受体基因产物, 引起细胞信号通路方面的改变[11]。同义cSNP由于其不改变编码的氨基酸, 过去一直认为它不会改变NMDA受体基因的功能。近来, 随着这方面研究的日益深入, 人们发现同义cSNP也可影响NMDA受体基因的功能, 同义cSNP通过引起核糖体通过mRNA特定区域时速度的加快或变慢, 影响翻译动力学, 最终使蛋白质的结构和功能发生改变[12]。内含子区SNP与基因功能的关系方面, 通过关联分析和生化、细胞水平分析, 近来研究表明:NR2B基因rs1806201基因型频率和单倍体与酒精中毒的关系密切[13]。在调控区rSNP影响NMDA受体基因功能的研究方面, 通过关联分析表明, 基因调控区的rSNP可通过影响启动子元件来调节NMDA受体基因的功能[14]。

目前, 已有研究就不同人群NMDAR不同亚型受体基因多态性与精神分裂症、阿尔茨海默病、酒精中毒症、双相性精神障碍等神经系统疾病的关联进行了探讨, 部分研究发现了NMDA受体基因与上述疾病存在关联性[15]。

2.1 SNP与阿尔茨海默病(Alzheimer disease, AD)的关联性

Jiang和Jia[14]在中国北方汉族群体中检测了362名AD患者NR2B基因位于启动子区4个SNP, 分别为-200T/G(rs1019385), -421C/A(rs3764028), -1447T/C(ENS105578和-1497G/A(rs12368476), 发现-421CC基因型比CA和AA基因型患AD的概率高, 对比-421A、NR2B启动子区-421C等位基因转录活性降低34.69~39.79%。研究显示-421C等位基因型能够引起NR2B转录活性降低、NR2B蛋白表达下降, 提示-421(rs3764028)与AD相关联。

Zhao等[16]研究了2455名AD患者NR1和NR2A受体中的5个SNP, 通过分析单个变异体和多重基因座单倍型发现位于5'非翻译区rs11146020与AD相关联, 未发现NR2A SNP与AD 相关联。

Seripa等[17]研究了222例高加索AD患者NR2B 3个SNP:rs1019385(200T/G, 在5'末端G置换T), rs1806201(2664 G / A, 在外显子13 A转换G), rs890(5072 T/G, 在3'末端G置换T), 未发现与AD相关联。

Liou等[18]研究了275例长期接受抗精神病药物治疗的AD患者(其中患迟发性运动障碍TD患者142例, 未患迟发性运动障碍TD患者133例)NR2B 3个SNP-200G/T, 366G /C和2664T/C, 并未发现患者的基因型和等位基因频率和TD密切相关。

2.2 SNP与精神分裂症(schizophrenia, SP)的关联

Ohtsuki等[19]在日本人群中研究发现NR2B 的最后一个外显子3'端和366C/G位点存在多态性并与SP存在关联, 推测NR2B 或其连锁不平衡位点可能成为致病基因。

Qin 等[20]在中国人群的研究中检测了NR1和NR2B基因中5个SNP, 发现G1001C与T4197C、T5988C在多态性方面重要的遗传学相互作用, 并且发现了上述位点单倍型与SP存在阳性关联。

Begni等[11]在意大利人群中研究证实, NR1基因位点上1001G/C 多态性与SP关联, C等位基因可能改变转录因子NF-к B的共同序列。病例组C等位基因及其纯合子与杂合子基因型频率明显高于对照组, 因此NR1可能是SP敏感的候选基因之一。

Zhao 等[16]在中国汉族群体中检测了5个横跨NR1的SNP, 发现位于5'端非翻译区rs11146020 (1001G/C) 的C等位基因在患者组中高频表达, 提示rs11146020是SP候选SNP位点。

2.3 SNP与其他神经系统疾病的关联 Kim等[13]检测了206名酒精中毒的韩国患者NR2B3个SNP:(rs1806201, rs1805247, and rs1805502), 其中rs1806201基因型频率和单倍体分析显示患病组和对照组差异明显, 为酒精中毒症的候选SNP位点。

Szczepankiewicz 等[21]研究了419例双相性精神障碍(BDNF)患者NR2B3个SNP:-200G/T, 366C/G and rs890G/T, 未发现与BDNF相关联。

Dorval等[22]通过对NR2B 205个核心家族中9个SNP进行检测, 发现rs2284411和ADHD密切相关。

以上文献提示, NMDA受体基因多态性与神经系统疾病密切相关, 以下SNP位点可以考虑作为候选位点(表1)。

表1 NMDA受体基因部分SNP位点遗传多态性数据

综上所述, SNP做为DNA序列变异的主要形式, 是决定人类复杂疾病易感性和药物反应性个体差异的核心信息。目前, 复杂性多基因疾病, 是由遗传和环境等众多因素共同作用所致, 其中多因素共同作用影响了疾病的表现型, 从而隐藏了多态性的作用。另外, 同一基因多态性在不同种族或不同数量人群中, 得出的结论可能不同甚至完全相反, 遗传异质性的问题值得我们关注。

随着基因组流行病学的发展, NMDA受体基因在中枢神经系统疾病发生发展中的作用日益受到人们的重视。NMDA受体基因多态性除与上述疾病有关外, 还可能与其他环境刺激因素引起的复杂疾病有关。因此, 研究NMDA受体基因多态性与复杂疾病的关系可从基因水平的角度来阐述疾病的发病机制, 为疾病的预防和治疗提供新的途径。

The authors have declared that no competing interests exist.

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