家族性帕金森病致病基因的研究進展

郭 睿， 胡馨予綜述， 胡國華審校

帕金森病(Parkinson disease，PD)是1817年由英國醫生James Parkinson首先描述，是一種中老年人常見的神經變性疾病，主要病理特征為黑質多巴胺能神經元變性、缺失和路易小體形成，臨床表現為靜止性震顫、肌肉強直、運動遲緩、姿勢步態異常等，病因及發病機制十分復雜，目前尚未完全明確。PD大多數為散發性，約有10% ～15%的PD患者有家族史［1］。目前，已發現了16個與PD發病有關的致病基因(見表1)，多通過常染色體顯性或常染色體隱性遺傳的形式引起某些單基因形式突變。

研究家族性帕金森病患者不同的基因突變方式有可能從分子水平闡明帕金森病發病機制，為預防和延緩疾病進展及探索帕金森病新的治療方法提供思路。同時，目前已有研究表明一些致病基因，如LRRK2、Parkin等可能與散發性PD發病密切相關，故研究家族性帕金森病的致病基因對深入了解大多數散發性PD的發生機制也具有重要的意義。

本文從基因的生物學特性、遺傳方式、臨床特征等方面分別對該16個致病基因進行綜述。

表1 帕金森病的致病基因簡介

1 常染色體顯性遺傳性PD

常染色體顯性遺傳性PD的臨床特點及對左旋多巴治療的反應與普通散發性PD基本相同，但稍有區別的是，起病年齡相對較早(平均年齡在50歲以下)、病程相對較短、癡呆發生率高。其病理學改變為Lewy體PD。目前已明確7個基因與此類型PD連鎖。

1.1 PARK1(α-synuclein，SNCA) 1996年Polymeropoulos等在對一個意大利4代PD家系的研究中發現，其呈常染色體顯性遺傳，對該家系進行基因組掃描和連鎖分析，于1997年克隆了該致病基因為α-synuclein(SNCA)，并定位了致病基因的染色體位點(Ala53Thr)。這是人類第一個發現的與PD發病有關的基因，為PD的遺傳學研究揭開了序幕，并在很大程度上改變了人們對PD的傳統認識。SNCA是家族性和散發性PD病理生理機制的核心，是帕金森病和其他的共核蛋白病中路易小體和軸突的重要組成部分。目前已確定了含SNCA軌跡的3個錯義突變(A53T、A30P、E64 K)以及2倍重復體和3倍重復體。其中A53T位點突變最為多見，現已有13個PD家系被報道，其中12個來自意大利及希臘，分析這些PD家族可能存在共同的發病基礎，如共同的祖先或者共同的誘發基因突變的環境因素等。SNCA突變的PD患者對于左旋多巴有效，同時具有發病年齡較輕、病情進展較快、易出現癡呆、精神癥狀以及植物神經癥狀的特點。2倍重復體患者的臨床表現類似于特發性PD，3倍重復體的PD患者發病較早、病情惡化較快、癡呆重，并有家族性自主神經異常［2］。后續的多地區家系研究顯示，該基因可能僅構成少量以發病年齡早、外顯率高、常染色體顯性遺傳為特征的家族性PD的致病基因。目前研究表明該基因突變是罕見的，在帕金森病患者中占不到1%。

α-synuclein基因包含6個外顯子和若干個內顯子，產物是由140個氨基酸組成的蛋白質，各種數據顯示，SNCA很有可能是一種肽鏈分子裝配伴侶分子，調控蛋白質與蛋白質、蛋白質與脂質之間的相互作用，在腦內富集，主要參與突觸可塑性和多巴胺能神經元遞質的轉運。Polymeropoulos研究表明，PARK1基因突變破壞了α-synuclein原有的α螺旋結構，相互作用形成原纖維或纖維狀，易于形成β片層結構，β折疊參與蛋白質的自身聚集并形成淀粉樣結構，使α-synuclein不能正常降解，異常堆積的不溶性α-synuclein蛋白形成Lewy小體，從而引起神經元變性。由于原纖維引起的囊泡膜穿孔帶來的毒性，可導致多巴胺從突觸小泡中脫失。這也許可以解釋α-突觸核蛋白在黑質神經元的選擇性毒性。

1.2 PARK3(未知蛋白) 1998年首先發現，具體的致病基因及其編碼產物尚未明確。染色體定位于2pl3，為常染色體顯性遺傳。目前所有存在該位點突變的PD家系均來自德國北部和丹麥南部一個相對偏僻地區，不能除外這些PD家族可能存在共同的發病基礎，如共同的祖先或者共同的誘發基因突變的環境因素等。平均發病年齡58.5歲，臨床癥狀與散發性PD相似，姿勢性震顫是常見的臨床表現，許多患者同時伴有智力減退或癡呆。目前有研究表明，墨蝶呤還原酶(sepiapterin reductase，SPR)可能是其致病基因，與多巴胺的合成有關，但還有待進一步研究。

1.3 PARK4(α-synuclein) Farrer等于1999年定位了該基因位點，染色體定位于4q21，常染色體顯性遺傳。Singleton等研究發現α-突觸核蛋白基因的3倍重復體突變是引起PARK4的病因，故認為PARK4即PARK1。

1.4 PARK5(UCH-L1) 1998年Leroy等在對一個德國姐弟PD家系的研究中發現了位于4號外顯子的I93M突變點，染色體定位于4pl4，含10個外顯子，全長10kb，所編碼蛋白質含212個氨基酸，具有泛素C末端水解酶活性，以常染色體顯性遺傳方式遺傳。具有典型的PD臨床表現，同時在晚期逐漸出現嗅覺障礙和認知功能障礙。此類型突變在德國帕金森患者群中較常見，已在4個PD家系的7名成員中被發現。目前對其他不同種族的PD患者(如瑞典、中國、日本、土耳其、高加索、英國、美國、荷蘭多個種族家系)的500條染色體進行了此基因的篩查，均未發現此突變，提示該突變不是PD的常見病因。

泛素羧基水解酶L1(ubiquitin C-terminal hydrolase L1，UCH-L1)是路易小體和軸突的組成部分，做為單體，具有水解泛素鏈的作用;做為二聚體，具有E3連接酶的作用。I93M突變具有提高E3連接酶功能、減少泛素形成的作用，從而導致泛素殘余聚集形成泛素二聚體，最終引起神經元死亡而出現PD。UCH-L1基因的多態現象與散發性PD易患性減弱有關，3號外顯子區S18Y的多態性與帕金森病發病呈負相關，為保護性因素［3］，在保持正常的水解酶活性的同時，明顯降低了連接酶活性，促進了泛素循環，有利于細胞內泛素池的保持，增強了細胞降解蛋白的能力。

1.5 PARK8(LRRK2) 2002年Funayama等對日本PD家系進行連鎖分析，將該PD家系的致病基因定位，2004年兩個獨立的研究小組發現該致病基因為LRRK2，染色體定位于 12p11.2-q13.1，長 144kb，包括 51 個外顯子，編碼一個由2527個氨基酸組成的富含亮氨酸重復序列的激酶2(leucinerich repeat kinase 2，LRRK2)，屬于 ROCO蛋白家族，以常染色體顯性遺傳的方式遺傳。LRRK2突變攜帶者的臨床表現與典型的散發性PD十分相似，發病年齡在50～60歲之間，表現為靜止性震顫、動作緩慢、四肢僵直，同時對左旋多巴治療反應良好。病理改變多樣化，包括Lewy小體形成、Tau蛋白聚集等。

LRRK2蛋白廣泛表達于包括中樞神經系統的各種組織，生理功能目前尚不明確。ROCO蛋白可參與細胞骨架重排及細胞凋亡，從而推測LRRK2蛋白功能為與底物結合、蛋白質磷酸化、蛋白質相互作用等［4］。LRRK2基因突變是最常見的家族性帕金森病致病基因，約占家族性帕金森病的15%;也見于散發性帕金森病患者中，約占3.5% ～6.1%?，F已有50多個不同的LRRK2突變位點被報道過，其中多為錯義突變和某些位點替換導致的連接障礙。但是，應當特別指出，已被證實的具有致病作用的突變位點只有7個。這與LRRK2基因突變的低外顯率、擬表型、遲發型等特點有關，影響了分離分析［5］。

LRRK2基因是由多種蛋白質相互作用、催化的大分子蛋白，有可能在細胞內信號通路中發揮作用［6］，其底物磷酸化被認為與激酶活性的增加有關，這就可以解釋其體外神經毒性的原因。雖然目前尚未發現LRRK2基因與α-突觸核蛋白或tau蛋白有相互作用，但通過對LRRK2突變患者的路易小體或神經原纖維纏結的病理特征的研究，發現其可能與α-突觸核蛋白或tau蛋白有共同的作用［7］。

1.6 PARK10(未知蛋白) 染色體定位于1p32，遺傳類型為常染色體顯性遺傳，是遲發型PD的易感基因。通過對來自冰島的PD家系大規模基因組篩查后發現，其臨床癥狀與散發性PD患者相似，平均發病年齡為65.8歲。目前其致病基因及相關功能蛋白尚不明確。但有研究表明，HIVEP3(human immunodeficiency virud enhancer-binding protein 3 gene，人免疫缺陷病毒增強子結合蛋白3基因)是在PARK10位點區域發現的與PD危險因素相關的致病基因［8］，故對HIVEP3的進一步檢測很有意義。另有研究報道的RNF11(RING-Finger Protein 11)很可能是PARK10的功能蛋白，發現該蛋白在PD發展過程中起了重要的作用［9］，對于PARK10的功能蛋白還有待于進一步研究。2009年通過對挪威PD患者與對照組PARK10基因超過1000個單核苷酸多態性的研究發現，UPS24也是PARK10位點區域與PD發生相關的致病基因，但仍有待于進一步的篩選［10］。

1.7 PARK11(GIGYF2) 染色體定位于2q36-37，以常染色體顯性遺傳的方式遺傳，是一種遲發型常染色體顯性遺傳家族性PD的致病基因［11］。目前PARK11的具體功能尚不明確，還有待于深入研究。通過對意大利和法國2個獨立的PD家系共16例樣本的研究，GIGYF2突變(Grb10-Interacting GYF Protein-2，又名TNRC15)為PARK11位點相關家族性帕金森病的基因，是家族性PD的發病原因之一，其突變率達到6.4%［12］，并且已分離出 3種 GIGYF2突變，分別為Asn56Ser、Thr12Ala、Asp606Glu，其作用為參與酪氨酸激酶受體信號傳導的調控。

2 常染色體隱性遺傳性PD

常染色體隱性遺傳性PD常發生于隔離群體的近親婚配家庭中。常染色體隱性遺傳早發型帕金森綜合征(autosomal recessive early-onset parkinsonism，AREP)目前已發現5種基因型，其臨床特征主要有發病年齡早(一般小于40歲)，臨床表現為運動遲緩、肌張力增高、病情進展緩慢，常伴有局灶性肌張力障礙、癥狀晨輕暮重等表現，對多巴制劑反應良好，但容易出現嚴重的左旋多巴誘導的運動障礙和癥狀波動。病理上表現為黑質致密部高度選擇性的DA能神經元變性及膠質細胞增生，但并不形成Lewy小體。

2.1 PARK2(Parkin) 1997年Matsumine等研究了日本的一個常染色體隱性遺傳青少年型PD(AR-JP)家系，將該家系的致病基因定位。1998年Kitada等克隆了該家系的致病基因為Parkin。染色體定位于6q25.2-27，全長500kb，含12個外顯子，編碼蛋白含465個氨基酸，以常染色體隱性遺傳的方式遺傳。Parkin蛋白聚集于突觸，在細胞膜結合，其產物蛋白具泛素E3連接酶活性，在細胞泛素蛋白降解途徑中作為一個泛素連接酶，對神經細胞有保護作用。目前已發現120余個不同的PARK2基因突變位點，主要為錯義突變(超過50個氨基酸替換)和多樣的獨立外顯子或外顯子組突變(缺失、二倍重復體、三倍重復體)。Parkin基因(PRKN，PARK2)是第一個確定的常染色體隱性遺傳形式的PD基因，是AREP最常見的致病基因。病理特征為黑質致密部及藍斑處選擇性神經元的變性，伴有膠質細胞反應性增生，無Lewy小體生成，表明其與典型PD的病理過程存在明顯不同。PET檢查顯示尾殼核多巴攝取能力明顯下降。

Parkin蛋白是泛素蛋白水解酶復合體通路(ubiquitin proteasome pathway，UPP)中的一種E3泛素連接酶，其直接功能是將泛素連接酶轉化成特異性底物提呈給26S蛋白酶體降解，因此對維持多巴胺能神經元的正常功能起著十分重要的作用。Parkin基因已發現100多種不同的突變，包括點突變、小片段缺失或插入突變、外顯子重排(外顯子缺失和重復突變)等，其中約50%是外顯子重排改變［13］。Parkin基因突變導致Parkin蛋白缺失、功能障礙、酶活性減弱或消失，泛素化過程受到干擾，造成細胞內異常蛋白的累積，最終導致多巴胺能神經元細胞死亡。Parkin基因的雜合突變可能增加對早發型PD的易感性。同時也有研究表明，Parkin可以通過線粒體DNA的轉錄及復制參與和影響線粒體功能?？傊?，Parkin的發現和其在Lewy小體形成中的重要角色已經將家族性PD和散發性PD緊密聯系在一起。

2.2 PARK6(PINK1) 2001年Valente等對意大利一個家系進行連鎖分析，將該家系致病基因定位，2004年克隆了該致病基因為PINK1基因。這種基因的發現再次強調了線粒體功能障礙和氧化應激在PD發病機制中的重要地位。染色體定位于1p35-36，含8個外顯子，全長1.8kb，編碼一個含581個氨基酸的PINK1蛋白，該蛋白為線粒體蛋白激酶，對細胞可能有保護作用，以常染色體隱性遺傳的方式遺傳。PINK1基因已發現了50余個錯義突變點，可以引起轉錄移碼、減少蛋白質變異。近來有研究表明，位于PINK1第6、7、8外顯子、一個50kb長的缺失被發現，同時該突變也被認為是以早期進展為特征的PD最常見的原因。PINK1蛋白的生理功能尚不清楚，推測PINK1可以作為線粒體的激酶，保護細胞氧化應激、減輕細胞凋亡、保護神經元［14］。PINK1基因突變引起線粒體呼吸鏈功能衰竭及氧化應激反應，線粒體保護作用喪失、神經元變性，從而導致PD發生。

2.3 PARK7(DJ-1) 2001年Van Duijn等對荷蘭AREP家系進行連鎖分析，將致病基因定位。2003年Bonifati等克隆了致病基因DJ-1，是第二位最常見的帕金森病隱性遺傳致病基因。染色體定位于1p36，長24kb，含8個外顯子，編碼含189個氨基酸的DJ-1蛋白，功能為伴侶分子，作為氧化應激的傳感器，在需求增加的情況下提供神經保護作用，以常染色體隱性遺傳的方式遺傳，病理改變情況尚未見報道。

DJ-1蛋白具有多種生物學功能，但在多巴胺能神經元變性過程中的具體作用尚不清楚，可能參與氧化應激過程，并通過神經元膠質細胞相互作用參與PD病理生理過程，有證據表明帕金森病的神經元損傷與內質網應激有關，而DJ-1細胞對抗線粒體損傷反應有保護作用［15］。到目前為止，已發現的DJ-1突變有11種，包括點突變和大片段缺失突變。突變型的DJ-1蛋白不能形成二聚體而以極不穩定的單體形式存在，經UPP通路快速被降解，喪失活性;此外，突變型DJ-1蛋白抗氧化應激作用明顯減弱。

2.4 PARK9(ATP13A2) 2001年Hampshire等對一個Kufor Rakeb綜合征家系進行全基因組掃描及連鎖分析，將該家系的致病基因，2006年Ramirez等克隆了該家系致病基因，染色體定位于1p36，長26kb，含有29個外顯子，編碼5型溶酶體ATP酶中的ATP13A2，以常染色體隱性遺傳的方式遺傳。其臨床特點是以錐體變性和認知功能障礙為主要臨床表現、青少年發病、對左旋多巴反應良好的非典型帕金森病。病程進展快，主要表現為進行性核上性麻痹、癡呆、皮質脊髓束退化引起的痙攣、錐體征，但震顫罕見。頭部MRI掃描顯示蒼白球萎縮，晚期則全腦萎縮。研究報道ATP13A2 mRNA在帕金森病患者的中腦高表達［16］，是一種大型的溶酶體P型三磷酸腺苷酶，與清除SNCA聚集的溶酶體降解途徑有關。目前已有3個不同的突變點被報道［17］。

2.5 PARK15(FBXO7) FBXO7(PARK15)作用于泛素-蛋白酶體蛋白降解途徑，是F-box家族蛋白的一種，定位于22q12-q13，已在非典型的家族性PD中得到確定。目前尚無更多的研究報道。

3 性染色體遺傳性PD

PARK12(未知蛋白)，染色體定位于 Xq21-q25，研究表明其遺傳類型為伴性遺傳(XL)，目前臨床研究報道較少。

4 其他遺傳類型遺傳性PD

4.1 PARK13(OMI/HTRA2) 染色體定位于2p12，目前考慮與遲發性PD有關，具有線粒體絲氨酸蛋白酶活性。2005年Strauss等［18］在原發性PD患者大腦的Lewy小體內檢測到了HTRA2(High temperature requirement A2，HTRA2)分子，同時觀察到編碼HTRA2的基因發生突變(Gly399Ser和Ala141Ser)時引起了線粒體功能障礙，并導致與PD特征相同的神經變性［19］。目前，有研究報道，另發現了一個新的可能的HTRA2基因突變位點A141S，但尚無定論。

4.2 PARK14(PLA2G6) 染色體定位于22q13.1，目前考慮與遲發性PD有關，發生于非典型PD家族，罕見，其致病基因為PLA2G6，目前相關報道較少。

4.3 PARK16(不明) 染色體定位于1q32，遺傳方式及致病基因暫不明確，目前相關報道極少。

4.4 其他相關基因 葡糖腦苷酯酶基因(GBA)的突變是一種隱性溶酶體貯積失調癥Gaucher病的原因。超過200個基因突變位點已被描述。Gaucher病和PD的臨床表現沒有明顯重疊。但研究發現GBA基因突變的PD患者患病率顯著升高。PD和Gaucher病二者本質的關聯暫時不得而知，但比起高外顯率的致病基因，這些變異至少有可能作為PD發生的危險因素［20］。GBA突變攜帶者發生PD的致病機制可能與毒蛋白的錯誤處理有關，GBA活動的相對減少和葡糖腦苷酯酶積累使其加?。?1］。此外，最近有研究表明，Gaucher病和PD的病理生理特點相同。

總之，家族性帕金森病致病基因的陸續發現，對于深入了解帕金森病的病因、發病機制、建立早期診斷、開展基因治療等具有重要意義。而繼續尋找新的家族性PD的致病基因和破解其蛋白功能產物，并理清與散發性PD的千絲萬縷的聯系，仍將是今后PD研究工作的一個重要方向，它充滿挑戰，也孕育著希望。

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