阿爾茨海默病KIBRA基因多態(tài)性及其相關(guān)影像遺傳學(xué)研究

張寧男楠 張 璋

阿爾茨海默病KIBRA基因多態(tài)性及其相關(guān)影像遺傳學(xué)研究

張寧男楠 張 璋*

遺傳因素在阿爾茨海默?。ˋD）發(fā)生中具有重要作用。近年來的研究顯示，腎腦表達(dá)蛋白（KIBRA）基因多態(tài)性能夠增加AD風(fēng)險(xiǎn)，在AD的重要腦區(qū)（如海馬）出現(xiàn)高表達(dá)，與晚發(fā)型AD有顯著相關(guān)性。形態(tài)學(xué)MRI研究顯示KIBRA基因多態(tài)性與海馬關(guān)系密切，但該基因多態(tài)性的多種功能成像研究存在不一致性，其神經(jīng)機(jī)制尚不明確。應(yīng)用影像遺傳學(xué)方法，探索KIBRA基因多態(tài)性對(duì)AD大腦功能及對(duì)行為的潛在作用將有助于了解遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)AD的影響，為早期診斷AD提供依據(jù)，進(jìn)而對(duì)疾病早期有效干預(yù)以及相關(guān)藥物的研發(fā)提供重要線索。

KIBRA基因；阿爾茨海默病；多態(tài)性；海馬；影像遺傳學(xué)

環(huán)境遺傳學(xué)家認(rèn)為阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）的發(fā)生是由遺傳、環(huán)境和免疫等多種因素綜合所致[1]。在AD的發(fā)病危險(xiǎn)因素中，60%～80%與基因異常相關(guān)[2]。據(jù)報(bào)道，健康老年人群中，AD相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)基因攜帶者的疾病發(fā)病率是非攜帶者的2～4倍。在未出現(xiàn)臨床表現(xiàn)或認(rèn)知障礙之前，AD相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)基因即開始對(duì)大腦功能進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前公認(rèn)的能增加罹患AD風(fēng)險(xiǎn)的基因是載脂蛋白E ε4（apolipoprotein E ε4，ApoE ε4）基因。但是，ApoE ε4并不具有充分特異性，全基因組關(guān)聯(lián)研究認(rèn)為AD存在多基因低頻變異的特征。近年來研究證實(shí)，腎腦表達(dá)蛋白 （kidney and brain expressed protein，KIBRA）基因與人類記憶有關(guān)，且發(fā)現(xiàn)在健康人記憶相關(guān)腦區(qū)表達(dá)較高[3-6]。AD中，KIBRA基因多態(tài)性能夠增加AD的風(fēng)險(xiǎn)[7-9]，成像遺傳學(xué)研究顯示KIBRA基因多態(tài)性會(huì)影響海馬區(qū)及記憶相關(guān)腦區(qū)的腦功能[4-5,7]。本文就KIBRA基因多態(tài)性及其相關(guān)影像遺傳學(xué)研究進(jìn)行綜述。

1 KIBRA基因及其作用機(jī)制

1.1 KIBRA基因 KIBRA基因是腎細(xì)胞質(zhì)中的一種蛋白質(zhì)，編碼突觸后骨架蛋白，在腎臟和腦中表達(dá)占優(yōu)勢(shì)，是單轉(zhuǎn)導(dǎo)物家族的新成員[3,10]。KIBRA的命名取英文kidney的前2個(gè)字母和brain的前3個(gè)字母，將其大寫并組合在一起，故稱為KIBRA[10]。KIBRA基因由3個(gè)區(qū)組成：WW區(qū)（包含2個(gè)賴氨酸殘基）、C2區(qū)和1個(gè)富含羧氨酸端的谷氨酸延伸區(qū)[10]。

2003年，Kremerskothen等[10]首次描述了KIBRA基因的特征。KIBRA的編碼為WWC1，位于染色體5q35.1，含有1113個(gè)氨基酸，分子質(zhì)量約為125.3ku。從N端到C端有許多蛋白結(jié)合區(qū)。WW區(qū)位于第6～86氨基酸間，其中包括35～40氨基酸間的2個(gè)色氨酸殘端。一般認(rèn)為，WW區(qū)調(diào)控包括富含脯氨酸序列在內(nèi)的各種蛋白質(zhì)間的相關(guān)作用。核定位信號(hào)位于361～376氨基酸之間。C2區(qū)由位于655～783氨基酸間的2條4股β-折疊構(gòu)成。該區(qū)的130個(gè)殘基以鈣依賴性方式與磷脂結(jié)合。研究發(fā)現(xiàn)，C2區(qū)的蛋白質(zhì)功能涵蓋從信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)至囊泡交通。鈣結(jié)合可誘導(dǎo)靜電勢(shì)改變，即加強(qiáng)了與磷脂結(jié)合。富含谷氨酸區(qū)位于845～873氨基酸間。第953～996氨基酸之間為蛋白激酶C（protein kinase C ζ，PKC ζ）結(jié)合區(qū)，此區(qū)包含2個(gè)被激酶磷酸化的絲氨酸殘基。PKC ζ的異構(gòu)體 PKM ζ（protein kinase M ζ，PKM ζ）能與KIBRA結(jié)合，影響海馬的長(zhǎng)時(shí)程記憶保持。KIBRA作為PKC ζ的底物，對(duì)突觸可塑性和記憶形成起重要作用[11]。最后，介導(dǎo)膜蛋白聚集的Ⅲ型PDZ結(jié)合序列（包括4個(gè)氨基酸）位于第1 110～1 113氨基酸之間[12]。

KIBRA RNA在全腦中均可表達(dá)，但在記憶相關(guān)腦區(qū)（如海馬和顳葉等）表達(dá)達(dá)到高峰[4]，小腦和丘腦亦有表達(dá)[13]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，隨著動(dòng)物由幼年成長(zhǎng)至成年，KIBRA在其腦內(nèi)表達(dá)逐漸減低[13]。作為神經(jīng)元細(xì)胞骨架的一部分，KIBRA參與記憶形成和腦的發(fā)育[13]。細(xì)胞研究顯示，在突觸后結(jié)構(gòu)的亞神經(jīng)元細(xì)胞水平，KIBRA顯示樹突染色且伴有增殖。在亞細(xì)胞分級(jí)分離實(shí)驗(yàn)中，部分突觸后密度片段顯著增殖[13]。對(duì)細(xì)胞核位置的研究顯示，細(xì)胞核位置不同，其功能亦不盡相同。

1.2 KIBRA的作用機(jī)制 KIBRA參與許多細(xì)胞功能，如細(xì)胞極性和移動(dòng)、囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)、轉(zhuǎn)錄物調(diào)節(jié)及突觸發(fā)生。KIBRA通過與其有交互作用的結(jié)合伴侶（binding partners） 共同發(fā)揮作用。2008年，Corneveaux等[7]對(duì)KIBRA與AD的關(guān)聯(lián)研究表明，在AD病人主要腦區(qū)，KIBRA和它的結(jié)合伴侶[動(dòng)力蛋白輕鏈 （dynein light chain 1,DYNLL1）、PKC ζ、分選連接蛋白4（sorting nexin-4,SNX4）和KIAA0513]的表達(dá)均有顯著變化：KIBRA mRNA在海馬區(qū)、顳中回和后扣帶增加2.4～3.0倍，而在相同的腦區(qū)PKCζ mRNA降低了1/2～1/3，在原發(fā)性視皮質(zhì)區(qū)無明顯變化（為AD病理改變的罕見腦區(qū)）。在AD同一腦區(qū)存在KIBRA的高表達(dá)、結(jié)合伴侶的低表達(dá)，表明 KIBRA與結(jié)合伴侶存在著相互作用[7,14]。KIBRA與PKM ζ存在交互作用，兩者均位于以記憶為主要功能的腦區(qū)——海馬區(qū)和齒狀回[14]；PKC ζ在突觸可塑性上扮演著重要角色[15]，且與記憶的形成和維持長(zhǎng)程記憶增強(qiáng)有關(guān)[5]。KIBRA與樹突和突觸極蛋白存在交互作用[10,12]，后兩者在突觸可塑性、信號(hào)傳遞和細(xì)胞骨架構(gòu)成中起重要作用[12]。

此外，KIBRA具有一定的調(diào)節(jié)作用。KIBRA作為Salvador/Warts/Hippo（SWH）信號(hào)網(wǎng)的調(diào)節(jié)器，對(duì)特定組織區(qū)域SWH網(wǎng)絡(luò)具有調(diào)節(jié)作用[16]。KIBRA參與內(nèi)吞作用的回收過程，改變作為AD病理特征之一的β淀粉樣蛋白的再吸收，影響斑塊形成[17]。KIBRA是α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸（AMPA）受體的一部分，參與調(diào)節(jié)AMPA受體膜的運(yùn)輸[15]，使AMPA信號(hào)傳遞紊亂，從而影響遞質(zhì)在囊泡膜的運(yùn)輸、細(xì)胞極性和遷移以及轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)[14-15]。

2 AD的KIBRA基因多態(tài)性的臨床研究

國(guó)內(nèi)外研究表明，KIBRA基因與晚發(fā)型AD具有較好的相關(guān)性[6，18-19]。 Beecham 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，KIBRA T等位基因與晚發(fā)型AD危險(xiǎn)存在相關(guān)性。Rodriguez-Rodriguez等[8]對(duì)391例單發(fā)AD和428名認(rèn)知功能正常者進(jìn)行了研究。按四分位數(shù)將AD和認(rèn)知功能正常者均分為組1（≤75歲）、組2（76～81歲）、組3（82～86歲）和組4（>86歲）。結(jié)果顯示，與CC基因型比較，KIBRA rs17070145 T等位基因攜帶者（CT和TT基因型）與極晚發(fā)AD組（組4）相關(guān)（OR=2.89，95%CI:1.13～7.42，P=0.03）；隨著年齡增加，KIBRA T等位基因攜帶者中的AD危險(xiǎn)不斷增加。

隨后在一份大樣本研究中，Corneveaux等[7]利用神經(jīng)元基因表達(dá)、腦成像技術(shù)及其基因相關(guān)試驗(yàn)，研究了KIBRA基因與AD的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)在AD受累的海馬區(qū)、后扣帶回和顳葉皮質(zhì)區(qū)，KIBRA表達(dá)顯著增高，4種結(jié)合伴侶中有3種表達(dá)減低。此外，該研究對(duì)有尸檢神經(jīng)病理學(xué)證實(shí)的702例AD死者及無尸檢的1 026例AD病人死亡前后對(duì)比分析，結(jié)果表明KIBRA rs17070145 T等位基因的非攜帶者（CC基因型）可增加晚發(fā)型AD的危險(xiǎn)。Burgess等[9]對(duì)2 571例晚發(fā)型AD病人和2 842名正常對(duì)照進(jìn)行了rs 17070145和其他14種單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphisms，SNPs）對(duì)照研究，認(rèn)為非裔美國(guó)人T等位基因與減低的晚發(fā)型AD危險(xiǎn)性相關(guān)；對(duì)T等位基因（>8 000名）的Meta分析提示，該等位基因可能具有保護(hù)作用（P=0.07）。

但是，Hayashi等[6]對(duì)346例AD病人和375名認(rèn)知功能正常的對(duì)照進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)KIBRA C等位基因攜帶者比非攜帶者認(rèn)知功能明顯降低，認(rèn)為KIBRA基因與AD的情景記憶損害有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，但對(duì)AD的神經(jīng)病理無直接作用，提示KIBRA基因多態(tài)性與AD發(fā)病可能無直接相關(guān)性。

這些結(jié)果提示，KIBRA與AD之間存在潛在的聯(lián)系，在與AD相關(guān)的腦區(qū)表達(dá)增高；該基因多態(tài)性對(duì)AD具有潛在危險(xiǎn)性，有增加晚發(fā)型AD的危險(xiǎn)。晚發(fā)型AD與早發(fā)型AD的基因背景不同，晚發(fā)型AD可能因強(qiáng)化KIBRA基因的作用導(dǎo)致AD的晚期發(fā)生。但KIBRA基因多態(tài)性影響AD的神經(jīng)作用機(jī)制尚不完全清楚。

3 KIBRA基因多態(tài)性的影像遺傳學(xué)研究

影像遺傳學(xué)是將多模態(tài)神經(jīng)影像和遺傳學(xué)方法相結(jié)合的學(xué)科，能夠提供腦功能特征，比單純行為學(xué)評(píng)價(jià)更能直接反映基因功能，有助于探索和評(píng)估基因多態(tài)性對(duì)大腦功能及行為的潛在作用。目前，對(duì)KIBRA基因多態(tài)性的影像遺傳學(xué)研究多集中在AD的任務(wù)態(tài)功能MRI（functional MRI，fMRI）研究、腦形態(tài)學(xué)MRI研究和FDG-PET研究。

Papassotiropoulos等[4]對(duì)健康青年人的研究發(fā)現(xiàn)，情景記憶能力相對(duì)較差的KIBRA CC基因型攜帶者在執(zhí)行情景記憶任務(wù)時(shí)，海馬、內(nèi)側(cè)前額葉和頂下小葉等腦區(qū)激活反而增多，提示KIBRA CC基因型攜帶者腦內(nèi)可能存在某種功能代償作用。Kauppi等[5]認(rèn)為T等位基因攜帶者具有較強(qiáng)的情景記憶能力，且在執(zhí)行回憶任務(wù)時(shí)海馬區(qū)激活增多，T等位基因攜帶者具有更強(qiáng)的海馬功能。此外，Papassotiropoulos等[4]還比較了健康青年人KIBRA不同基因型的全腦灰質(zhì)、白質(zhì)體積，研究發(fā)現(xiàn)不同基因型間無顯著性差異，提示KIBRA不同基因型人群間的腦功能改變與腦形態(tài)學(xué)無關(guān)。鑒于KIBRA基因在海馬區(qū)的高表達(dá)，Plaombo等[20]分析了KIBRA基因多態(tài)性與海馬體積的相關(guān)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與CC等位基因攜帶者相比，T等位基因攜帶者海馬體積較大，尤其體現(xiàn)在海馬安蒙角、齒狀回等海馬亞區(qū)。近年來，一項(xiàng)較大樣本（288例）的健康年輕人KIBRA基因多態(tài)性的影像遺傳學(xué)研究中，Wang等[21]對(duì)健康年輕人KIBRA基因多態(tài)性與腦結(jié)構(gòu)和腦功能 （腦網(wǎng)絡(luò)）間聯(lián)系進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)與TT基因型攜帶者相比，C等位基因攜帶者默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中的后扣帶、內(nèi)側(cè)前額葉和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)中的右側(cè)島葉、雙側(cè)尾狀核、雙側(cè)背側(cè)前扣帶的同步一致性增加；C等位基因攜帶者內(nèi)側(cè)前額葉和雙側(cè)背側(cè)前扣帶灰質(zhì)體積減小。研究推測(cè)，C等位基因攜帶者可能存在局部腦區(qū)灰質(zhì)體積缺陷；腦網(wǎng)絡(luò)一致性的增加可能是為了保證相對(duì)正常的認(rèn)知表現(xiàn)而對(duì)其結(jié)構(gòu)缺陷的一種代償。除了KIBRA的fMRI影像遺傳學(xué)研究之外，Corneveaux等[7]應(yīng)用FDG-PET對(duì)老年AD病人受累的腦區(qū)楔前葉和后扣帶回進(jìn)行測(cè)定，研究表明該區(qū)KIBRA CC基因型攜帶者的葡萄糖代謝率顯著降低，提示KIBRA基因多態(tài)性可能存在與年齡相關(guān)的腦功能改變。

4 小結(jié)

綜上所述，KIBRA作為細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)，具有重要的分子生物學(xué)功能。KIBRA基因主要與其結(jié)合伴侶共同發(fā)揮作用。在AD的重要腦區(qū)（如海馬區(qū)等），KIBRA基因出現(xiàn)高表達(dá)，與晚發(fā)型AD有顯著相關(guān)性。形態(tài)學(xué)MRI驗(yàn)證了KIBRA基因多態(tài)性與海馬關(guān)系密切，但基因多態(tài)性的多種功能成像研究存在不一致性，其神經(jīng)機(jī)制尚不明確。影像遺傳學(xué)作為一門交叉學(xué)科，為探索KIBRA基因多態(tài)性對(duì)AD腦功能及其行為學(xué)影響提供了重要幫助。

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（收稿2014-06-10）

KIBRA gene polymorphism in Alzheimer’s disease

ZHANG Ningnannan,ZHANG Zhang.Department of Radiology,Tianjin Medical University General Hospital,Tianjin 300052,China

Genetic factor plays an important role in Alzheimer’s disease(AD).Recent studies demonstrated that the single nucleotide polymorphism in the kidney and brain (KIBRA)expressed protein gene linked to increased AD risk.The KIBRA gene,which related to late AD,has highly expressed in hippocampus in AD.However,functional MRI findings on the KIBRA genetic polymorphisms were inconsistent.The mechanisms of KIBRA gene polymorphism in AD were still unclear. The explore of KIBRA gene on AD brain functions together with the behavioral performance will fundamentally be the groundwork for early diagnostic of AD,and would provide important clues for early diagnosis and intervention for AD.

KIBRA gene;Alzheimer’s disease;Polymorphism;Hippocampus;Imaging genetics

10.3874/j.issn.1674-1897.2015.01.Z0102

300052天津，天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科

張璋，E-mail:filea1249@gmail.com

*審校者

國(guó)家自然科學(xué)基金（81301202）