
炎症性肠病(IBD)主要与遗传易感性、环境、肠道菌群和免疫失调等因素相关。遗传因素在IBD发病机制中发挥着十分重要的作用。本文将对涉及细菌识别、IL23/Th17信号途径、自噬、上皮屏障的IBD易感基因的研究现状及进展进行阐述。
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遗传因素在炎症性肠病(inflammatory bowel disease,IBD)的发病机制中发挥着十分重要的作用。近年来,凭借着全基因组关联研究(genome-wide association studies,GWAS)、全外显子测序(whole-genome sequencing,WGS)、精细定位(fine-mapping)等技术的发展,IBD易感基因研究飞速发展,自第1个克罗恩病(Crohn′s disease,CD)易感基因NOD2/CARD15被发现以来,相继有240余个基因被证实与IBD的易感性相关。这些易感基因不仅影响IBD患病风险,也与临床亚型、药物治疗反应相关。本文将对IBD易感基因研究现状及进展进行阐述,以提高我们对IBD病因和发病机制的认识,为该病的精准化、个体化诊治提供参考。
2001年,研究人员首次发现了位于IBD1位点的NOD2/CARD15基因,3个单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms,SNPs)位点fs1007insC、R702W、G908R被证实与CD的患病风险密切相关,这一发现成为了IBD易感基因研究的重大突破[1,2,3]。2004年,肠道上皮屏障相关基因DLG5和OCTN被证实与IBD发病相关[4,5]。随着国际人类基因组单体型图计划的开展和全基因组关联研究的发展,IBD易感基因研究进入飞速发展的时期。2005年,日本学者首次运用全基因组关联研究证实TNFSF15单核苷酸多态性会增加CD患病风险。2006年,Duerr等[6]发现IL23R与IBD发病密切相关。2007年,研究人员证实ATG16L1、IRGM是IBD易感基因,提示自噬可能参与IBD的发病机制。2007至2009年间,包括PTPN2、IL12B、STAT3、ICOSLG、ECM1等在内的70余个易感基因被证实与IBD相关。2012年,一项包括75 000个样本的荟萃分析新发现了71个IBD易感位点,使得IBD易感位点增至163个,其中110个遗传位点与两种疾病亚型都相关,而另外53个位点则具有疾病特异性[7]。2015年,一项大规模跨种族关联研究新发现了38个疾病易感位点,外显子测序和精细定位技术的快速发展使得IBD易感基因数量增加至240余个,其中既有CD和UC特异性的易感基因,也有二者共享的易感基因。这些易感基因相关的功能研究、临床转化研究也在如火如荼地进行中。下面我们重点介绍几组IBD易感基因及其相关的功能研究。
NOD2/CARD15是第一个被发现的CD易感基因,不仅负责编码细胞内模式识别受体,介导NF-κB途径的激活,诱导自噬,也负责分泌抗菌肽,参与Th17细胞介导的免疫防御和肠道黏膜屏障的建立。携有NOD2/CARD15杂合突变的患者发生CD的风险较一般人群增加2 ~ 4倍,而携有纯合突变的患者的发病风险则上升至20 ~ 40倍[8]。NOD2/CARD15不仅可以影响疾病的易感性,还与疾病表型相关,一项针对儿童CD患者的研究显示,携有fs1007insC的患者发生独立回肠病变的概率较携有野生基因型的患者高4.73倍,且术后发生并发症的风险较一般人群增加近10倍[9]。虽然NOD2/CARD15基因被证实与CD易感性相关,但仍有一部分携有该突变基因型的人群未发病,由此可见,共存的其他遗传因素或环境因素对疾病易感性的影响不容忽视[10]。近期的一项研究就表明,环境因素(吸烟)会影响NOD2/CARD15基因表达(fs1007insC),两者之间的相互作用促进了CD发生[11]。因此,未来需要更多的、更大样本量的流行病学和功能学研究去探究基因-基因和基因-环境之间的相互作用对疾病易感性的影响,为疾病的诊断、治疗奠定一定的基础。
TLR4基因编码Toll样受体4,通过识别病原体相关分子模式,激活炎性因子,启动免疫反应。针对白种人的研究显示,携有TLR4 D299G和T399I的患者发生IBD的风险较携有野生基因型的患者更高(OR:1.28 ~ 1.46)[12]。而针对亚洲人群的研究则未发现上述TLR4单核苷酸多态性与疾病易感性的相关性,在不同种族中进一步探讨TLR4其他单核苷酸多态性与疾病易感性的关系将有助于全面揭示IBD复杂的遗传机制。
全基因组关联研究表明,IL23/Th17信号途径相关基因(IL23R、JAK2、TYK2、STAT3、CCR6、TNFSF15)与IBD易感性密切相关。IL23R基因编码IL23受体(IL23R),IL23作用于Th17细胞上的IL23受体,激活JAK2、TYK2、STAT3等,释放IL17A、IL22、IL21、CCL20等细胞因子和趋化因子,进而导致持续而剧烈的炎症反应[13]。
美国研究团队纳入1138名非犹太欧洲人,进行全基因组关联研究,首次发现IL23R基因(Arg381Gln)可显著降低IBD的发病风险(OR:0.26)[6]。Momozawa等[14]对候选基因进行重测序,发现位于IL23R基因的3个罕见的编码突变R86Q、G149R、V362I与IBD易感性密切相关。随后有包括芬兰、英格兰、中国在内的多个国家证实了上述单核苷酸多态性对IBD的保护作用,针对日本IBD患者的研究却发现两者没有必然联系,遗传背景的差异值得我们进行深入的研究。此外,携有不同IL23R单核苷酸多态性的患者对生物制剂的治疗反应也存在一定的差异。因此,在指导药物治疗方面,IL23R单核苷酸多态性检测将有助于医生制定个体化的治疗方案。
TNFSF15属于肿瘤坏死因子(TNF)超家族的一员,编码TLIA,介导Th1、Th17细胞的活化以及NK-κB途径的激活。多项跨种族研究表明,TNFSF15基因突变(rs6478108、rs6478109、rs7848647)会增加IBD的易感性,而近期来自英国的一项研究则表明,TNFSF15 rs6478109是一种保护性突变,影响单核细胞中TNFSF15的表达水平和淋巴细胞的协同刺激活性,而与激活的T淋巴细胞中的TNFSF15的表达水平无关[15]。由此看来,探究不同类型细胞中易感基因的表达水平及功能,进一步阐释易感基因在疾病发病机制中作用,将是今后易感基因研究领域的一大热点。
自噬是一个依赖溶酶体途径的对胞质蛋白和细胞器进行降解的过程,在天然免疫和获得性免疫中均发挥着重要作用。自噬相关易感基因的发现开拓了CD发病机制的一个全新研究方向。
ATG16L1不仅参与ATG12-ATG5-ATG16L1自噬复合体的构成,也介导含有抗菌肽分泌颗粒的胞吐作用。ATG16L1 rs2241880编码错义突变,致使N末端的第300位苏氨酸转变为丙氨酸(T300A),使CD患病风险增高。前期研究表明,ATG16L1 WD40重复区不参与经典的自噬途径。而近期的一项研究显示,ATG16L1 T300A可改变WD40重复区与氨基酸基序的结合能力,导致TMEM59介导的非经典的自噬作用受损[16]。组织学研究显示,CD患者结肠组织中ATG16L1 mRNA水平较健康对照者低,携有ATG16L1纯合突变的患者的潘式细胞形态异常,颗粒形成减少,颗粒胞吐途径受损[9]。近期,Murthy等[17]还发现ATG16L1 T300A能显著增加ATG16L1对caspase-3的敏感性,导致ATG16L1被caspase-3加速降解,降低自噬效能。动物实验研究显示,携有该突变基因的小鼠表现为清除病原微生物的能力降低,炎症反应增强。此外,ATG16L1基因突变不仅影响疾病易感性,也影响体内菌群。相比于携有野生基因型的患者,携有ATG16L1 T300A纯合突变的患者的肠道炎症反应组织中拟杆菌属、梭杆菌属、大肠杆菌丰度增加,而毛螺菌科丰度及单核细胞抵御黏附侵袭性大肠杆菌的能力降低[18]。这一发现为益生菌治疗IBD提供了重要的理论基础。
IRGM基因编码GTP结合蛋白,调控自噬体的形成,参与人体天然免疫反应。针对英国、德国、新西兰等白种人的研究显示,IRGM单核苷酸多态性rs13361189、rs4958847、rs10065172会显著增加CD的患病风险[19]。值得注意的是,上述单核苷酸多态性并不改变IRGM基因的一级结构,而是通过影响基因的表达水平,进而调控自噬过程。IRGM基因上游缺失的20 Kb片段被认为是CD的致病位点,rs13361189与其具有显著的连锁不平衡关系,通过下调IRGM的表达水平,进而导致自噬缺陷,使得病原微生物更易在胞内存活,引发过度的炎症反应[19,20]。此外,Brest等[21]还发现IRGM rs10065172可通过改变miR-196的结合位点,进而影响IRGM介导的自噬作用。动物实验表明,IRGM基因敲除的小鼠,其潘式细胞的结构和功能被破坏,肠上皮细胞自噬功能受损。需要注意的是,NOD2/CARD15、ATG16L1、IRGM基因均参与了自噬过程,探究三者基因-基因之间的相互作用将有助于革新我们对疾病遗传机制的认识。
除此之外,研究显示,其他IBD风险基因ULK1、LRRK2、MTMR3也参与了自噬过程。患者携有的自噬相关风险等位基因越多,其发展成CD的风险就越高(OR:1.17)[20]。需要注意的是,在疾病诊断方面,单个遗传标记的敏感性、特异性相对较低,参照多个遗传标记、血清学标记、组织学标记、粪便标志物以及临床、内镜、影像学指标将有助于提高诊断的准确性,但也存在医疗成本高的问题,因此需要进一步完善相关的成本-效益分析。
肠上皮屏障具有抵御病原微生物、防止毒素内移、维持菌群平衡等作用。HNF4A、LAMB1、CDH1及GNA12基因被证实与UC患者肠上皮屏障完整性破坏有关。其中,HNF4A基因编码肝细胞核因子4α(hepatocyte nuclear factor 4α,HNF4α),后者参与黏附连接、紧密连接和桥粒的构建。在葡聚糖硫酸钠的诱导下,HNF4A基因敲除的小鼠较普通小鼠的结肠炎表现更严重,肠道通透性显著增加。LAMB1基因编码层粘连蛋白β1链,负责细胞与基底膜的锚定。有研究显示,UC患者肠道的LAMB1表达减少,LAMB1 rs886774使得UC的患病风险显著增加[22]。此外,意大利研究提示,MYO9B基因(rs1545620)是CD和UC的易感基因(OR:1.5 ~ 1.7),其负责肠上皮细胞中肌红蛋白的重构以及紧密连接的构建,通过增加肠黏膜的通透性,促进疾病的发生[23]。而来自德国、加拿大的研究数据则否认了rs1545620与UC发病风险的相关性,地域、种族差异使得易感基因研究变得更加复杂[24,25]。我国针对MYO9B单核苷酸多态性与炎症性肠病易感性的研究相对较少,仍需进一步研究探讨两者在汉族人群中的关系。
虽然全基因组关联研究在很大程度上促进了IBD易感基因研究的飞速发展,但已发现的易感基因却仅能解释小部分遗传变异。近年来,基于基因通路的全基因组关联研究、基因集富集分析、蛋白质相互作用网络分析在进一步揭示疾病的遗传机制方面发挥着不可忽视的作用。除了T细胞受体信号通路以外,Li等[26]运用上述研究方法新发现生长因子信号通路相关基因也参与了IBD发病机制。此外,外显子测序和精细定位技术发挥其在鉴定罕见基因突变和低频基因突变方面的优势,定位了包括IL10RA、ADAM17、FOXP3、XIAP、IL17REL、FERMT1、SKIV2L等基因在内的多个致病性突变,进一步阐明了单基因介导的IBD患者(多为极早发病型或早发型)的特殊遗传背景,为疾病的治疗奠定了一定的理论基础。
自2001年以来,研究人员已发现了240余个IBD易感基因,其中,相当部分的易感基因也重叠于其他自身免疫性疾病中。例如PTPN22、CCR6、PRDM1基因不仅参与IBD的发病机制,也与类风湿性关节炎密切相关。它们共享一些信号通路如NF-κB途径、TNF-α信号通路的激活有助于解释易感基因的重叠性。由此,研究人员开发针对相同信号通路的靶向药物,成功运用于多种免疫性疾病的治疗。值得注意的是,大多数易感基因对疾病易感性的影响是同向的,而PTPN22(R620W)在降低IBD发病风险的同时,却增加了系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎、Ⅰ型糖尿病的易感性,潜在的发生机制值得我们进行更为深入的研究[27]。对这些同向重叠基因的深入研究,有助于探索这些疾病中共享的分子信号通路,为将来研发或应用精准针对共享信号通路中治疗靶点的药物提供科学依据。
我国IBD易感基因研究虽然起步较晚,但一直在稳步前进。过去我们主要进行跟踪研究,探讨欧美人群的IBD易感基因是否也会影响我国人群的IBD发病风险。近年来,随着科学技术的发展,研究人员力量的不断强化,我国IBD基因学研究团队在汉族人群中相继证实了多个IBD易感基因,也发现了一些西方人群中证实的IBD易感基因与汉族人群IBD疾病易感性不相关,为深入认识我国IBD患者的遗传背景做出了较大的贡献。在治疗药物监测方面,我国IBD研究团队在汉族人群中也新发现了数个单核苷酸多态性位点,为预测药物不良反应、精准用药、精准监测奠定了一定的基础。但我国多数IBD易感基因研究存在样本量较小、地域较局限的问题,因此,进行更大规模的、多中心的研究势在必行。此外,虽然我国研究团队新发现了数个IBD易感基因,但仍需要进行相关的跨种族研究以验证易感基因在不同种族人群中的作用。再者,我国是一个多民族国家,建立一个包括汉族和其他民族在内的全国性的IBD易感基因数据库将有助于阐释我国复杂的疾病遗传基础,为疾病的诊治提供帮助。
IBD易感基因众多,定位真正有致病性的遗传序列变异,阐释易感基因/位点在不同类型的细胞中的生物学效应将是今后研究的重点之一。由于IBD遗传背景存在种族差异,探索我国IBD易感基因谱已成为一个重要的现实问题,这在很大程度上需要IBD团队、数据分析团队的密切合作。此外,寻找更多的参与IBD和其他免疫性疾病的易感基因、信号通路,借鉴其他免疫性疾病的治疗手段,将进一步改善IBD的治疗现状。炎症性疾病作为一种多因素参与的复杂性疾病,非编码区的调控变异、基因-基因相互作用、基因-环境相互作用、表观遗传作用在一定程度上影响了IBD易感性,加之中国IBD发病率逐年攀升,除了探究遗传易感性的影响之外,未来我们需要投入大量的精力去阐释上述因素在IBD发病机制中的作用。
所有作者均声明不存在利益冲突





















