尋找控制體重的基因

編譯 米斛

肥胖是一種常見的身體機(jī)能失調(diào)，其主要負(fù)面作用是導(dǎo)致肥胖者罹患疾病和死亡。遺傳因素在很大程度上決定了一個(gè)人能獲取多少能量，其中又有多少轉(zhuǎn)化為脂肪，而這又與肥胖發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)。在一項(xiàng)針對早期發(fā)生的重度肥胖患者的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，有20多個(gè)基因會(huì)對身體質(zhì)量指數(shù)（BMI）產(chǎn)生較大影響，并且在大人群中進(jìn)行的全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)基因會(huì)導(dǎo)致肥胖，盡管相比那20多個(gè)基因，這些基因?qū)Ψ逝职l(fā)生所起的作用稍小。在這項(xiàng)調(diào)查的報(bào)吿中，阿克巴里（Akbari）等人寫道：通過全基因組測序發(fā)現(xiàn)，影響B(tài)MI的罕見基因突變存在于超過600 000來自英國、美國、墨西哥的人中。作者發(fā)現(xiàn)，在一些基因中罕見的非同義突變與BMI相關(guān)，進(jìn)而深入探討了與人類肥胖相關(guān)的基因組。

調(diào)控食欲的基因突變對人的體重有強(qiáng)大影響，也因此不同人的體重有顯著差異

當(dāng)2003年“第一版”人類基因組發(fā)布時(shí)，有人樂觀地認(rèn)為這項(xiàng)研究將像地圖一樣告知我們許多疾病更優(yōu)的治療方法。常見突變的全基因組關(guān)聯(lián)分析劃時(shí)代地改變了我們對許多常見疾病和遺傳特征的基因組結(jié)構(gòu)的理解，但在了解突變關(guān)聯(lián)之后，搞清準(zhǔn)確的致病機(jī)制則更具挑戰(zhàn)性。大多數(shù)與疾病相關(guān)的基因多態(tài)性存在于基因組的非編碼區(qū)，因此我們很難識別致病基因，并且即使成功識別一個(gè)或多個(gè)致病基因，建立模型描述致病基因的工作方式和確切的對表型的影響也是十分困難的。進(jìn)一步來說，許多致病基因在非編碼區(qū)的變異會(huì)影響疾病易感性，這些突變也能產(chǎn)生多種效果，有些效果則在發(fā)育的過程中起到作用。通過藥物控制這些基因產(chǎn)物的可能性在這些因素的影響下降低了。

相比位于內(nèi)顯子的突變，我們較少發(fā)現(xiàn)通過破壞基因中的蛋白編碼元件（外顯子）導(dǎo)致疾病或讓個(gè)體對疾病易感。直到現(xiàn)在，這些研究仍然依賴于發(fā)病率相對較高但仍十分罕見的極端表型。盡管如此，這些突變?nèi)詾槲覀兲峁┝撕芏嘈畔?，因?yàn)樗麄冎鲃?dòng)標(biāo)識出了致病基因，而我們能夠迅速建立機(jī)制模型來描述這個(gè)基因?qū)δ艿挠绊懛绞?。阿克巴里等人闡述了大規(guī)模尋找這些基因的效果。盡管BMI并不是一個(gè)完美的用于測量肥胖的指標(biāo)，但在大人群中BMI和軀體脂肪測算的結(jié)果有較好的相關(guān)性。這是一個(gè)容易測量且穩(wěn)定的表型，反映出一個(gè)人一生中累積的能量出入的不平衡。

作者發(fā)現(xiàn)，在16個(gè)基因中，外顯子中罕見的非同義突變在全基因組水平上與BMI相關(guān)。其中4個(gè)基因，黑素腎上腺皮質(zhì)激素（MC4R），前蛋白轉(zhuǎn)化酶枯草溶菌素1（PCSK1），G蛋白偶聯(lián)受體151（GPR151），胃抑制性多肽受體（GIPR）均在之前就被報(bào)道過。這些基因全部在中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)高表達(dá)并影響食欲。GIPR和GPR151都編碼G蛋白偶聯(lián)受體，而這兩個(gè)基因中發(fā)生的無功能雜合突變則與大人群研究中相對較低的BMI相關(guān)。PCSK1和瘦素是最先被發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)直接與人類肥胖相關(guān)的基因。通過更廣泛地研究直接被瘦素調(diào)控的信號通路中的關(guān)鍵元素，作者發(fā)現(xiàn)瘦素、阿黑皮素原的雜合突變以及PCSK1直接和較高的BMI相關(guān)，盡管并不是所有基因都有外顯子水平的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。但是，瘦素受體的雜合突變與較高的BMI不相關(guān)。

在例如肥胖或高血壓等持續(xù)存在的疾病中，外顯子大規(guī)模測序也能幫助我們發(fā)現(xiàn)一些具有保護(hù)作用的等位基因。

我們已經(jīng)明確了MC4R無功能突變對脂肪含量升高起到很大的作用。這是最常見的與肥胖相關(guān)的基因突變。阿克巴里等人展示了關(guān)于MC4R的一些罕見突變對肥胖發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的影響，提示MC4R的單一等位基因不足性是導(dǎo)致肥胖的推手，而這一突變在墨西哥的出現(xiàn)頻率是英國的7倍。受這一基因變異影響的人數(shù)和這些人BMI被影響的程度很有可能被作者在一定程度上低估了，尤其是在英國的人群中。他們使用了十分嚴(yán)格的生物信息學(xué)標(biāo)準(zhǔn)來評估一個(gè)突變是否可能破壞該基因原先的生化功能，但他們并未通過實(shí)驗(yàn)明確所有變異對功能的影響。他們可能因此排除了許多影響功能并會(huì)導(dǎo)致BMI升高的變異。除此之外，這項(xiàng)研究中所使用的英國生物樣本庫的數(shù)據(jù)比英國總?cè)巳焊萁】?。一?xiàng)近期的報(bào)告表明，在同期出生的未經(jīng)選擇的英國人群，尤其是年輕人中，MC4R無功能突變對BMI的影響可能比阿克巴里等人認(rèn)為的要高。

阿克巴里等人發(fā)現(xiàn)的另外12個(gè)基因在此前并未與BMI聯(lián)系在一起。這些基因大多數(shù)在下丘腦中高表達(dá)，印證了先前所認(rèn)為的：大多數(shù)與肥胖易感性有關(guān)聯(lián)的基因與控制食欲和能量代謝平衡的那部分中樞神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)。在這些基因中，GPR75是一個(gè)G蛋白偶聯(lián)受體，其天然配體是C趨化因子C-C模體趨化因子5（CCL5）或者類花生酸20-羥-二十烷四烯酸（20-HETE）。作者稱，每10 000個(gè)個(gè)體中有4個(gè)GPR75基因發(fā)生的雜合變異是一種無功能突變，攜帶這個(gè)突變的人群比普通人的BMI平均低1.9 kg/㎡。通過研究敲除了GPR75的小鼠，作者發(fā)現(xiàn)這種小鼠比野生型小鼠在同樣吃高脂食物的條件下體重增長更少。Gpr75-/+雜合子小鼠比同窩出生的野生型小鼠體重增長低25%，而Gpr75-/-純合子小鼠比同窩出生的野生型小鼠體重增長低44%，所以這一現(xiàn)象是等位基因數(shù)量依賴的。

盡管尚不清楚這些小鼠體重偏低的原因是能量攝入還是能量使用，或是兩者均有，這項(xiàng)研究明確了GPR75參與能量代謝平衡的調(diào)控，并且抑制GPR75會(huì)導(dǎo)致體重減輕。CALCR是降鈣素原和淀粉纖維素的受體，CALCR的突變和人群中的肥胖傾向以及肥胖發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)。這是一個(gè)值得注意的現(xiàn)象，因?yàn)榈矸劾w維素類似物可以通過大腦中表達(dá)的CALCR降低嚙齒類動(dòng)物和人類的體重。

阿克巴里等人所做研究的主旨不僅僅在于肥胖和體重控制。外顯子大規(guī)模測序提升了我們深入探究罕見等位基因中功能缺失的等位基因出現(xiàn)頻率范圍的能力，因?yàn)樗@過了全基因組關(guān)聯(lián)分析中必然存在的矛盾：辨識致病基因和決定不同致病因素之間的因果關(guān)系。在例如肥胖或高血壓等持續(xù)存在的疾病中，外顯子大規(guī)模測序也能幫助我們發(fā)現(xiàn)一些具有保護(hù)作用的等位基因。

人類外顯子大規(guī)模測序很可能會(huì)成為將來研究各種哺乳動(dòng)物生物學(xué)機(jī)制越發(fā)重要的切入點(diǎn)。許多生理學(xué)機(jī)制在哺乳動(dòng)物中具有普遍性。在以前，科研工作信息流的方向一般是單向的，即先在動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)生理學(xué)機(jī)制，然后在人類中進(jìn)行確認(rèn)。而目前信息流的方向正逐漸從單向變?yōu)殡p向。通過組織特異性和即時(shí)控制的基因調(diào)控來仔細(xì)分析動(dòng)物體內(nèi)的生理機(jī)制仍將是研究工作中十分強(qiáng)大的工具。但是當(dāng)我們研究疾病時(shí)，疾病的致病機(jī)制相比生理機(jī)制具有更強(qiáng)的物種特異性。所以如果一個(gè)人想要尋找一個(gè)可以用于治療人類疾病的靶基因，他需要專門尋找智人種的基因。使用全基因組關(guān)聯(lián)分析尋找致病基因本身的挑戰(zhàn)性以及這項(xiàng)技術(shù)迄今為止不多的科研產(chǎn)出已經(jīng)產(chǎn)生了一些懷疑的聲音，他們質(zhì)疑人類遺傳學(xué)是否能點(diǎn)亮生物學(xué)點(diǎn)發(fā)展的道路。

阿克巴里的研究清楚地說明了，如果能夠發(fā)現(xiàn)足夠多人類身上罕見的對功能有影響的等位基因，并且能夠得到相關(guān)表型的信息，那么我們就能高效地獲得新的強(qiáng)大的生物學(xué)進(jìn)展，并且這些進(jìn)展具有轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品的潛力。

資料來源 Science