胆固醇代谢紊乱的遗传学研究进展

王立，徐颜美，程竹君，熊招平，邓立彬,4

1.南昌大学第二临床医学院，南昌 330000；2.南昌大学第二附属医院，南昌 330000；3.南昌大学转化医学研究院，南昌 330000；4.南昌大学基础医学院，南昌 330000

高胆固醇血症(Hypercholesterolemia,HC)是一 种以血浆总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇明显增高为特征的复杂性状，临床表现为：脂质沉积形成角膜弓、皮肤肌腱黄色瘤；血管舒张功能下降、动脉内膜增厚等。高胆固醇血症作为动脉粥样硬化性疾病(如心肌梗死、脑卒中等)的重要独立危险因素[1]，已成为冠心病和脂代谢研究的热点。人体胆固醇来源于两条途径：内源性生物合成与肠道吸收，其中内源性合成占80%。胆固醇的内源性合成过程复杂，约有 30步酶促反应，受遗传和环境因素的协同影响。肝脏在胆固醇合成中起主导作用，是胆固醇代谢的核心器官；其与外围组织间的胆固醇运输主要依靠多种载脂蛋白，至今已从血浆中分离出20余种，主要归属于载脂蛋白A(Apolipoprotein A,APOA)、载脂蛋白 B(Apolipoprotein B,APOB)、载脂蛋白C(Apolipoprotein C,APOC)、载脂蛋白 D(Apolipoprotein D,APOD)及载脂蛋白 E(Apolipoprotein E,APOE)5大类。而这类蛋白的生物合成亦受到复杂的调控过程影响。因此，胆固醇代谢紊乱的致病机制复杂，人群高胆固醇血症具有高度的遗传异质性，牵涉到许多基因[2]。本文综述了胆固醇代谢紊乱易感基因的研究进展，并探讨基因协同作用所致胆固醇代谢紊乱的功能背景，以期为胆固醇代谢紊乱的预防与诊疗提供参考。

1 与家族性胆固醇代谢紊乱的致病基因

在全基因组关联研究(Genome wide association study,GWAS)策略出现之前，基于家系的连锁分析(Linkage analysis)和基于散发患者的候选基因关联研究(Association study)是筛查胆固醇代谢紊乱易感基因的主要方法。1973年，Brown和Goldstein首次确定家族性高胆固醇血症(Familial hypercholesterilemia,FH)由LDLR基因突变导致。后继研究提示，FH是一种高遗传异质性疾病，并非全部患者都由LDLR基因缺陷所致，其他基因的突变也可导致严重的FH样表型。目前已报道了13个与家族性胆固醇代谢紊乱有关的致病基因，包括低密度脂蛋白受体基因(LDLR)、三磷酸腺苷结合盒转运蛋白G5和G8(ABCG5/G8)、载脂蛋白 B(APOB)、枯草溶菌素 9(PCSK9)、低密度脂蛋白受体衔接蛋白1(LDLRAP1)、卵磷脂-胆固醇酰基转移酶(LCAT)、载脂蛋白A1(APOA1)、腺苷三磷酸结合盒转运体A1(ABCA1)、线粒体胆固醇27-羟化酶(CYP27A1)、脱氢胆固醇还原酶(DHCR24)、胆固醇酯转移蛋白(CETP)、载脂蛋白C3抗体(APOC3)[3～12]。本文根据OMIM数据库所提供的病症将易感基因分为5类：与低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)升高关联的基因(LDLR、APOB、PCSK9、LDLRAP1)；与总胆固醇(TC)升高关联的基因(ABCG5/8、CYP27A1、LCAT)；与总胆固醇降低关联的基因(DHCR24)；与高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)升高有关联的基因(CETP、APOC3)和与高密度脂蛋白胆固醇降低有关联的基因(APOA1、ABCA1)(详见表1)。

表1 家族性胆固醇紊乱的遗传学研究

在功能学方面，通过连锁分析所获得的基因LDLR、LDLRAP1、ABCG5/8和LCAT已构建了相应的动物模型(详细参见 http://www.omim.org/)，并证实了其在胆固醇代谢紊乱中的致病作用。这些基因多数参与了肝脏和周围组织的胆固醇运输过程，如LDLR基因编码一种由 836个氨基酸组成的受体蛋白，介导细胞膜对脂蛋白的吞饮作用；LDLRAP1基因编码一种胞浆蛋白，可以和LDL受体的胞浆尾区相互作用，若该基因发生突变将导致LDL受体功能障碍，进而造成胆固醇转运异常。而另一些未有实验模型的基因亦与胆固醇的转运有关，如APOA1、APOB和APOC3基因分别编码载脂蛋白A1、载脂蛋白B和载脂蛋白C3，是构成高密度脂蛋白、低密度脂蛋白、极低密度脂蛋白和乳糜微粒的主要成分。综上所述，脂质转运相关蛋白编码区突变所致的结构异常是家族性胆固醇代谢紊乱的重要致病机制。

目前，针对这5类家族性血浆胆固醇水平异常的遗传学研究虽然取得了重要的进展，解析了多种致病机制，为胆固醇代谢紊乱的防治提供了重要线索。但已知OMIM数据库记录的13个致病基因的突变仅能解释小部分家系病例的遗传学发病机制。研究显示，仍有大约20%～35%临床诊断为FH的患者检测不到LDLR基因突变[13,14]；而散发性 HC人群中目前已报道的致病基因突变位点的检出率更低，患者表现出对临床常用的他汀类药物的降脂疗效差异较大，故推测胆固醇代谢调节中存在其他罕见的突变位点和病理机制尚未被发现与阐明。该现象也提示胆固醇代谢紊乱的易感基因/突变谱还有待扩展；同时，由于这类研究多仅限于家系，无人群普适性，因此后期研究亟需针对大量人群样本的全基因组筛查策略系统发现新的胆固醇代谢紊乱的遗传因素。

2 基于胆固醇数量性状的易感基因研究

针对散发高胆固醇血症患者，早期利用候选基因关联策略验证了多数家族性胆固醇代谢紊乱致病基因的易感作用，同时还发现了与胆固醇内源性合成相关的基因，如SREBP-2(固醇调节元件结合蛋白-2)和CYP7A1(胆固醇7-a-羟化酶)，也与散发人群胆固醇代谢紊乱有关，印证了高胆固醇血症遗传病因的异质性。但这类研究的开展必须依赖间接线索，预先设定少量候选基因，难以在基因组范围无偏筛查复杂性状的易感基因，因此限制了该方法在复杂疾病研究领域的应用。

近年来，GWAS策略已被广泛应用到胆固醇代谢紊乱的遗传学研究中。截止2013年12月，全球已发表25项针对血脂异常或相关数量性状的GWAS筛查，共鉴定出174个易感基因(表2)。GWAS所提供的易感基因中重复性印证了 15个传统方法确定的遗传性胆固醇代谢紊乱易感基因，包括ABCA1、ABCG5/G8、APOA1、APOB、APOC3、CETP、CYP27A1、CYP7A1、DHCR24、SREBP-2、LCAT、LDLR、LDLRAP1和PCSK9。其中与总胆固醇有关的基因包括ABCG5/8、CYP27A1、DHCR24和LCAT；与高密度脂蛋白胆固醇有关的基因包括ABCA1、APOA1、APOC3和CETP；与低密度脂蛋白胆固醇有关的基因包括APOB、LDLR9、LDLRAP1和PCSK。后续的群体遗传分析表明，易感基因对散发性 HC患者的表型仅具有微效作用，只有多个易感基因协同作用时才明显影响人群胆固醇表型[15,16]。因此，复杂性状(如散发胆固醇代谢紊乱)的多基因病因需采用“基因集合(或通径)”框架进行解释。而在致病机制方面，已鉴定的胆固醇代谢关联位点中仅不到1/3可能与蛋白质的编码异常有关；其余阳性信号定位于基因编码区之外，可能与基因调控有关[16]。这些结果明确提示，关联位点所对应的基因表达量异常，而非蛋白结构性改变是散发HC的主要病因。

在基因功能方面，GWAS提供的大量易感基为“从头”(de nove)探讨胆固醇代谢紊乱发生的分子机制提供了机会。根据现有的基因诠释数据，KEGG通路分析发现了15个富集易感基因功能的通路，其中“PPAR信号通路”最显著，提示胆固醇合成的调控过程与胆固醇的数量性状紧密联系(表3)。而多数富集通路亦存在许多家族性胆固醇代谢异常的致病基因，如 PPAR信号通路、脂类消化与吸收和胆汁分泌这 3个生物学过程在胆固醇代谢紊乱发生中的作用得到了传统的遗传分析和GWAS筛查的印证。

GWAS发现的血脂数量性状易感基因极大地扩展了人们对血脂异常遗传因素的认识，功能诠释也提示这些易感基因与血浆胆固醇水平调节有关的生

物学过程(如PPAR信号通路、脂类消化与吸收、胆汁分泌)紧密关联。近年来利用转基因动物模型，通过基因敲除和过表达在胆固醇的吸收和调控机制研究方面取得了重要的进展。如PPAR(Peroxisome proliferator activated receptor)作为受体蛋白存在于细胞核内，可被脂肪酸及其衍生物激活，作为转录调节的感受器在脂类物质生物合成和新陈代谢的调节过程中起着关键性的作用，其功能又受到 PPAR信号通路中富集基因的影响[17,18]。同时，机体内胆固醇的代谢去路主要转变为胆汁酸及转化为类固醇激素，故胆汁淤积会导致胆固醇和磷脂质在血浆中积聚，进而沉积于外周组织引起胆固醇代谢紊乱[19,20]。因此，这些分析将为后续的胆固醇代谢紊乱功能研究提供重要的线索和靶标。

表2 胆固醇代谢紊乱及其相关性状的GWAS研究总结

表3 胆固醇代谢紊乱及其相关性状的易感基因的功能分析

3 易感基因突变筛查与功能研究在高胆固醇血症预防与诊疗中的意义

目前，我国高血脂的年发病率约为 563/10万，患病率约为7681/10万[21,22]。鉴于其患病率高且目前尚无有效的根治方法，因此早期诊断和早期治疗显得尤为重要。胆固醇代谢紊乱由多基因与环境因素相互作用造成，因此从遗传学角度对血脂异常进行研究具有重大意义。近年来，GWAS对于复杂疾病的研究有效地发现和筛选出的一系列与胆固醇数量性状相关的易感基因，为广泛深入并系统地研究其发病机制提供了坚实的基础。故后续对基因在表达调控、信号转导、代谢通路等方面进行研究，将利于揭示其代谢紊乱的生理机制，促进其分子病因的发现。因此，胆固醇代谢紊乱易感基因突变筛查与功能研究将为探讨、诠释、完善胆固醇代谢紊乱的分子机制及寻找新的药物靶点提供有益的价值。

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