慢性胰腺炎遺傳致病機制的中西方差異

鄒文斌 廖專 李兆申

海軍軍醫大學附屬長海醫院消化內科，上海胰腺病研究所，上海 200433

【提要】 慢性胰腺炎(CP)是一種由遺傳、環境等因素引起的胰腺組織進行性慢性炎癥性疾病。目前研究認為遺傳因素在CP致病過程中起非常重要的作用，主要易感基因包括PRSS1、SPINK1、CTRC和CFTR，經典的致病通路是胰酶-抗胰酶系統失衡。近年來不斷有新的易感基因和致病機制被報道，在致病變異類型和機制方面東西方差異較大。遺傳易感性、遺傳與環境的相互作用影響CP的臨床起病、病程和結局，尤其是青少年和特發性CP患者應重視易感基因突變的篩查，對疾病預后評估和早期干預具有重要臨床指導意義。

慢性胰腺炎(CP)是一種由遺傳、環境等因素引起的胰腺組織進行性慢性炎癥性疾病，其病理特征為胰腺腺泡萎縮、破壞和間質纖維化[1]。臨床以反復發作的上腹部疼痛，胰腺內、外分泌功能不全為主要表現，可伴有胰管結石、胰管狹窄和胰管不規則擴張等。在全球范圍內，CP雖然屬于少見病，但其發病率及患病率在部分地區和國家存在上升趨勢。美國CP發病率為4.4/10萬，患病率為41.8/10萬[2]；法國在西方國家居高位，CP發病率為7.7/10萬，患病率為26.4/10萬[3]。而亞洲國家中，日本CP發病率為14/10萬，患病率為52.4/10萬[4]；印度CP的患病率最高，超過100/10萬[5]；我國10年前的流行病學資料顯示CP患病率約為13.5/10萬[6]，近年來呈較快增長趨勢。CP在男女性別分布上也存在差異，男性發生率高于女性2倍以上。目前認為不論在酒精性CP還是特發性CP患者中，遺傳因素均占重要作用，常見易感基因包括PRSS1、SPINK1、CTRC和CFTR等。筆者所在上海長海醫院牽頭一項大樣本研究發現,超過50%的CP患者攜帶4個主要易感基因的罕見致病突變，而健康對照的攜帶率僅為5.94%(OR=16.12)[10]。近年來不斷有新的易感基因和致病機制被報道，在CP致病變異類型和機制方面中西方差異較大。

一、CP主要易感基因

目前研究認為與CP明確相關的主要易感基因有絲氨酸蛋白酶1(serine protease 1，PRSS1)、絲氨酸肽酶抑制因子Kazal型1(serine protease inhibitor kazal-type 1，SPINK1)、糜蛋白酶C(chymotrypsin C，CTRC)和囊性纖維跨膜轉導調節子(cystic fibrosis transmembrane regulator，CFTR)，其中PRSS1、SPINK1 、CTRC均與胰酶依賴通路相關，包括胰酶自身激活、保護性胰酶降解或胰酶抑制因子受損。

1．PRSS1基因：PRSS1基因位于7號染色體長臂，編碼陽離子胰蛋白酶原，是人體胰液中最為常見的胰蛋白酶原亞型[12]。PRSS1突變屬于功能獲得型突變，與遺傳性CP密切相關，呈常染色體顯性遺傳。它可直接刺激胰蛋白酶原在胰腺內的自身激活，即CTRC非依賴性自身激活；也可間接通過CTRC-PRSS1軸發揮作用，即CTRC依賴性自身激活。多項研究證實，PRSS1錯義突變可導致胰蛋白酶濃度增高或自身激活增加，發生頻率排序為p.R122H>p.N29I>p.A16V-p.R122C>p.N29T>p.V39A[13-14]。我國最為常見的PRSS1錯義突變依次是p.G208A>p.R122H>p.R116C>p.N29I，其中p.G208A發生頻率近8%，總的致病突變頻率為12.9%(OR=7.0)[10]。

此外，拷貝數變異可通過基因劑量效應增加胰酶活性。早期在法國遺傳性胰腺炎和特發性CP患者研究中發現，7號染色體上出現一段包含人胰酶家族的、長為605 kb的三拷貝和雙拷貝重復[15-16]。筆者前期對我國75例青少年特發性CP患者研究中首次報道1例患者攜帶PRSS1基因5拷貝變異[17]。近期法國報道了4個不同起源位置的PRSS1雙拷貝重復變異[18]。

2．SPINK1基因：SPINK1基因位于5號染色體，編碼絲氨酸蛋白酶抑制劑Kazal 1型，也被稱為胰腺分泌胰蛋白酶抑制因子，是由胰腺腺泡細胞分泌的6.2kDa的蛋白質，其可以有效地抑制胰蛋白酶，通過延遲胰蛋白酶原的自身激活使蛋白酶以無活性的形式從胰腺轉移到十二指腸。SPINK1表達水平降低或導管液體流量減少可能會損害這種保護機制，并增加過早胰腺內胰蛋白酶原自身激活的風險。

p.N34S是歐美人群SPINK1基因突變中研究最為常見和重要的突變。該突變與4個內含子變異形成單倍體，表現為c.56-37T>C，c.87+268A>G，c.195-606G>A和 c.195-66_65insTTTT。最新一項薈萃分析顯示，p.N34S可增加白種人CP患病風險9倍，且對特發性CP的作用強于酒精性CP[19]。盡管人們不斷研究p.N34S突變相關單倍體型與疾病有關的功能作用，但發現其對胰蛋白酶的抑制或SPINK1的細胞折疊和分泌均沒有影響[20]，基本的分子機制尚不明確。近期筆者課題組在SPINK1基因上游增強子區域中鑒定出一個功能性SNP(rs142703147:C>A)，其作用是破壞PTF1L結合位點，該SNP與p.N34S存在強的連鎖不平衡，是潛在的致病位點[21]。

在亞洲人群中，最為常見的致病性SPINK1突變為c.194 + 2T> C。該突變為剪接致病性突變，可引起外顯子3的異常跳躍，導致SPINK1 mRNA表達顯著降低[22]。我國c.194+2T>C的發生率高達35%以上，尤其是特發性CP患者中比例更高，增加CP患病風險40倍以上[10]。此外，筆者在外顯子[23]和內含子區均發現新的致病性突變，并建立mRNA剪接分析模型，闡明多個內含子突變的功能和臨床意義[24-25]。

3．CTRC基因：CTRC基因位于1號染色體，編碼糜蛋白酶C，可特異性降解所有人胰蛋白酶和胰蛋白酶原亞型，是防止胰酶自身激活的第二道防線[26]。中西方最常見的致病突變均為c.180C>T，該突變為同義突變，不引起氨基酸改變，與c.493+52G>A存在關聯。根據ExAC數據庫，c.180C>T可引起通過改變mRNA前體剪接而導致轉錄水平下降。我國該突變的發生率為1.7%，可增加CP患病風險6.8倍[10]。基于CTRC生化活性分析和CTRC突變的功能屬性，目前存在3種解釋CTRC突變導致CP的發生機制：(1)酶原受損或胰酶降解[27]；(2)A型羧肽酶活化受損[27]；(3)內質網應激誘導[28]。

4．CFTR基因：CFTR基因位于7號染色體長臂，編碼囊性纖維化跨膜傳導調節子。與PRSS1、SPINK1 、CTRC基因不同的是，CFTR主要在胰腺導管和中心腺泡細胞中表達，參與稀釋和堿化富含蛋白的腺泡分泌物，從而阻止蛋白栓形成的功能[29]。既往認為該基因主要導致囊性纖維化，近期多項研究提示該基因與CP密切相關，但仍存爭議[30]。當CFTR發生基因突變后，缺陷CFTR蛋白不能在內質網中正常加工，大多數不能運送到細胞膜或者結構異常蛋白達到細胞膜，喪失了CFTR離子通道蛋白的功能，導致胰腺導管細胞無法正常轉運氯離子。

目前研究顯示CFTR功能丟失性突變(>1 800個)中約40%為錯義突變[31]。根據不同的致病機制， CFTR突變分為5類，Ⅰ～Ⅲ類對功能和表型影響最為嚴重，Ⅳ和Ⅴ類影響較輕[32]。其中，ΔF508屬于Ⅱ類突變，一項薈萃分析證實該突變與CP致病相關(OR=3.2)，且在印度人群中作用更強[33]。有研究認為，引起胰腺炎發生危險性增加的主要是輕度CFTR基因型，而不是重度CFTR基因型[34]。德國一項大樣本研究發現，CFTR致病突變對CP患病風險影響較小(OR=2.7)，同一基因或者不同基因的復合雜合突變發生率較低(1.4%)，說明該基因對CP發生的作用較弱[35]。CFTR突變在我國CP患者中發生率同樣較低(5.7%)，但在突變類型上與西方存在差異，總體突變累積增加患病風險3.7倍[10]。

三、CP新基因

CP是一種多基因參與的復雜疾病，除已知基因外，近年來全球各大研究中心分別報道了多個新的易感基因，主要集中在腺泡細胞特異表達的相關基因。

1．羧肽酶A1(carboxypeptidase A1，CPA1)基因：CPA1基因位于7q32.2，大約長8 kb，包含10個外顯子，編碼羧肽酶A1(OMIM 114850)。羧肽酶是一種胰腺金屬蛋白酶，可水解食物多肽鏈的C-端肽鍵[36]。CPA1在人胰液中存在3種等位形式：A型羧肽酶(包括CPA1和CPA2)，可作用于經糜蛋白酶和彈性蛋白酶活化后的芳香族和脂肪族氨基酸殘基；B型羧肽酶，可水解由胰蛋白酶裂解產生的Lys和Arg殘基C-端。CPA1前體由胰酶和CTRC通過剪切、降解前肽區從而被活化[37]。CPA1前體是胰液中僅次于胰蛋白酶原的第二大組成部分，占總蛋白含量的10%以上[38]。Witt等[39]首次證實CPA1可增加胰腺炎發生風險，可能與錯誤折疊誘導的內質網應激相關。筆者對1 112例漢族特發性CP患者和1 580例對照組進行CPA1基因靶向二代測序，檢測所有新發現變異的CPA1活性和分泌情況，共發現18種罕見的CPA1突變，按以往20% CPA1活性標準進行定義，該基因突變與CP無明顯相關性；但如果將標準提高至30%以上，CPA1與中國人群CP致病相關[40]。

2．羧基酯脂肪酶(carboxyl esterlipase，CEL)基因：CEL基因位于9號染色體，編碼羧基酯脂肪酶，是一種主要在胰腺腺泡細胞中表達的糖蛋白，在十二指腸內經膽鹽激活，參與膽固醇和脂溶性維生素的水解和吸收[41]。Fjeld和Chen等[42]首次在歐洲人群中發現CEL雜合變異與CP致病相關，該變異是CEL基因與鄰近CELP形成一個雜合等位基因，導致脂肪酶活性下降、分泌功能受損、胞內酶蓄積并引起自噬。筆者所在上海長海醫院團隊牽頭[43]開展的多中心(中國、日本、印度)研究發現，亞洲人群中并未發現歐洲人群中的CEL-HYB1等位基因，而是存在一種新的類型(CEL-HYB2)，該變異在CP患者中的平均攜帶率為1.7%，與對照組無明顯差異，細胞實驗證實該變異發生NMD降解，提示其可能是一個種族特異的疾病危險因子。

3．糜蛋白酶B(chymotrypsin B，CTRB)基因：CTRB基因位于16q23.1，該位置含有兩個相反方向且高度相似的糜蛋白酶編碼基因：CTRB1和CTRB2，兩個基因核苷酸序列具有97%一致性。糜蛋白酶B是一種胰腺腺泡細胞分泌的陰離子絲氨酸蛋白酶，起初以無活性的前體蛋白的形式存在，到達小腸后，被胰蛋白酶水解激活以產生功能酶。相較于CTRB1，CTRB2對PRSS2有更強的保護性降解的效果。

近期歐洲一項全基因組關聯研究發現[44]，CTRB1-CTRB2基因倒置變異增加患CP的風險，其主要標記SNP位點rs8055167的OR為1.35。體內外實驗表明，該倒置變異改變了CTRB1和CTRB2亞型的表達比率，造成CTRB1 mRNA表達增加和CTRB2 mRNA表達減少，從而減弱對保護性胰蛋白酶降解而增加胰腺炎的風險。筆者所在團隊在中國人群中進行了大樣本驗證[45]，對1041例特發性CP和978例健康對照組中檢測rs8055167、rs8048956以及倒置變異，結果均未發現差異有顯著統計學差異，其分布在中國人群中幾乎都是固定的，歐洲和中國人群在CP遺傳風險因素方面顯然存在顯著的種族差異。未來探索新基因需要從中國特有的人種資源來進行測序篩選，而不應只參照西方發現的致病基因。

四、基因型與臨床表型關聯分析

筆者課題組以SPINK1基因c.194+2T>C突變為主要檢測點進行小樣本研究，初步發現攜帶該突變的患者具有更為嚴重的臨床病程，如較早發生糖尿病或脂肪瀉，并影響內鏡治療效果[46-47]。為進一步證實該研究結論，最近課題組對1 061例漢族CP患者和1 196例對照組進行了4個CP主要易感基因的靶向測序，為評估基因-環境相互作用，將患者分為特發性CP(715例)、酒精性CP(206例)和吸煙相關CP(140例)，使用Kaplan-Meier模型評估罕見致病突變對CP發病年齡和臨床結果的潛在影響，發現535例(50.42%)CP患者存在SPINK1、PRSS1、CTRC和或CFTR基因的罕見致病基因型，僅71例(5.94%)對照組中存在致病基因型(OR=16.12，P<0.001)。與突變陰性的ICP患者相比，突變陽性患者在疾病起病，診斷胰腺結石、糖尿病和脂肪瀉時更早。致病基因型在不同亞組CP中的分布頻率也存在差異(特發性CP占57.1%，酒精性CP占39.8%，吸煙性CP占32.1%)，并影響所有亞組的疾病起病年齡和臨床預后。同時也發現不同基因亞型對臨床病程的影響不同，以PRSS1基因p.R122H和SPINK1基因c.194+2T>C純合子突變影響最為嚴重，其次是c.194+2T>C雜合突變，PRSS1基因p.G208A突變最輕微。

綜上所述，目前研究認為遺傳因素在CP致病過程中其非常重要的作用，主要易感基因包括PRSS1、SPINK1、CTRC和CFTR，胰酶是CP致病的核心因素，包括胰酶自身激活、保護性胰酶降解或者胰酶抑制因子受損。近年來，不斷有新的易感基因被報道，在遺傳背景方面東西方差異較大。不同致病突變類型對臨床病程的影響不同，尤其是青少年和特發性CP患者，應重視易感基因突變的篩查，為疾病預后評估和早期干預有重要臨床指導意義。

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