ORMDL3基因与儿童哮喘的研究进展
2012/06/20
重庆医科大学附属儿童医院呼吸内科 400014
摘要：支气管哮喘是儿童时期最常见的呼吸道慢性疾病之一，也是一种由环境因素和遗传因素相互作用而形成的多基因遗传病，具有明显的遗传倾向。而ORMDL3基因是目前研究与哮喘相关证据最充分的基因，遗传变异所调控的ORMDL3基因表达水平决定儿童哮喘的易感性。ORMDL3基因单核苷酸多态性与儿童哮喘的发生以及严重程度均有一定的相关性，该相关性已在多个人群中得到证实。理解ORMDL3基因单核苷酸多态性与儿童哮喘的相关性，将有助于从新的角度研究支气管哮喘的发病机制，为哮喘诊疗提供新思路。
ABSTRACT: Childhood bronchial asthma is the most common chronic respiratory diseases. Asthma is one kind of Polygenic diseases with significant genetic predisposition, which caused by the interaction of environmental factors and genetic factors. The association between ORMDL3 gene and childhood asthma has been supported by the most adequate evidence at present, and genetic variants regulating ORMDL3 expression are determinants of susceptibility to childhood asthma. The relevance between ORMDL3 single nucleotide polymorphisms and the pathogenesis and severity of childhood asthma has been confirmed in multiple ethnic groups. The association between ORMDL3 single nucleotide polymorphism and asthma in children may provide a new approach to investigate the pathogenesis and the treatment of childhood bronchial asthma.
[关键词] ORMDL3基因; 儿童; 哮喘;
支气管哮喘是儿童时期最常见的呼吸道慢性疾病之一，它是由多种细胞参与的气道慢性炎症，引起气道高反应性，导致可逆性气道阻塞性疾病。哮喘也是一种由环境因素和遗传因素相互作用而形成的多基因遗传病，具有明显的遗传倾向，其中遗传度占36%-79%[1-3]。目前已发现许多与哮喘发病相关的基因，到2005年底，共发现了118个哮喘基因[4]，2006～2007年，共报道了53个哮喘基因[5]。
目前已发现主要的哮喘基因有ADAM33基因、微丝蛋白基因、肌球蛋白轻链激酶基因、白介素l3基因、人类白细胞抗原DI1基因以及ORMDL3基因等，其中ORMDL3基因是目前研究与哮喘相关证据最充分的基因[4]。Mofatt等[6]通过全基因组关联研究，绘制出SNPs（single nucleotide polymorphisms）与儿童哮喘的关系图谱，在英国、德国两组独立的样本中发现染色体17q21内多个SNPs与儿童哮喘强烈、重复相关，并使用EB（Epstein-barr）病毒转化的淋巴母细胞进行全基因表达，发现其中与哮喘相关的SNPs又和ORMDL3基因的转录水平持续强烈相关（P < 10-22），其研究结果还显示遗传变异所调控的ORMDL3基因表达水平决定儿童哮喘的易感性。ORMDL3基因是作为一个新的哮喘相关基因，本文将对ORMDL3基因的SNPs与儿童哮喘相关性研究进展做一综述。
ORMDL3基因
2002年Lars等[7]在描述色素性视网膜炎相关基因时发现了一个新基因ORMDL1，该基因属于新的基因家族ORMDL，全名为ORM1-like genes。该基因家族在成人和胎儿组织中普遍有表达，同时在酵母、植物、果蝇和脊椎动物中均有表达。此基因家族在酿酒酵母和拟南芥中有两个成员，在脊椎动物中有三个成员。因此，人类ORMDL基因家族包括ORMDL1 ORMDL2和ORMDL3三个成员。
ORMDL基因家族在从酵母到哺乳动物的真核细胞中的序列保守性很强，人类ORMDL同源物可以使酵母突变体恢复功能。人类ORMDL1 ORMDL2和ORMDL3分别位于染色体2q, 12q和17q。其中ORMDL3基因位于染色体17q12- q21.1。有3个外显子，2个内含子，141～602位为编码序列。
ORMDL3基因表达产物
ORMDL基因家族在成人的心脏、大脑、胎盘、肺、肝脏、骨骼肌、肾脏和胰腺等组织中表达。分别两两比较ORMDL1 ORMDL2和ORMDL3的表达产物，它们氨基酸的一致性约为80%。 ORMDL3基因编码个由153个氨基酸组成的位于内质网膜的跨膜蛋白(NP_644809 )。 ORMDL3基因表达水平相对较高的部位主要位于胎儿的肺、肝脏、肾脏、脾脏和胸腺及其成人的胰腺、肝脏，表达水平相对较低的部位主要为胎儿的大脑、心脏和骨骼肌中以及成人的肺和胎盘[7]。ORMDL3基因编码蛋白的功能目前尚不清楚，有待进一步研究。
ORMD3基因与哮喘相关机制简介
近期研究显示，神经鞘脂类和它们的生物合成中间体如神经酰胺和神经鞘氨醇，参与重要细胞过程，包括细胞生长、膜运输和炎症等。用酵母细胞所进行的一项功能性基因组研究表明，Orm蛋白在体内神经鞘脂类代谢平衡中发挥调节功能，Orm蛋白可以与鞘脂类合成最重要的限速酶丝氨酸软脂酰转移酶形成一个保守的复合物，该复合物对鞘脂类合成起负调节作用。当鞘脂类合成紊乱时，Orm蛋白的磷酸化作用可以减轻Orm蛋白的抑制作用；Orm蛋白磷酸化作用位点的基因表达改变以及该位点的突变可以引起鞘磷脂的代谢失调。其研究显示Orm蛋白为鞘脂类代谢维持动态平衡的最关键的调节物质，同时也提示鞘磷脂代谢失调可能有助于儿童哮喘发生[8]。研究还显示，ORMD3可以改变内质网诱导的Ca2+ 动态平衡和促使未折叠蛋白反应（UPR），人内质网跨膜ORMDL3蛋白的表达不齐可以增加细胞质内静止的Ca2+ 水平，并且可以降低内质网介导的Ca2+ 信号，但该结果可以由肌浆-内质网Ca2+泵（SERCA）的共同表达而恢复。ORMD3基因的表达增加可以使UPR转导分子与目的基因的活化作用增强，同时siRNA介导的内源性ORMD3基因敲除可促进内质网Ca2+ 的释放和减弱UPR。该研究解释了ORMD3基因参与促炎症反应的分子机制[9]。
ORMD3基因SNPs与儿童哮喘研究进展
哮喘是一种多基因遗传病，且发病机制复杂，因此其候选基因的发现与鉴定具有一定难度。但近几十年由于分子生物学技术的飞速发展，现在对候选基因进行更深入的分析以及确定其是否为哮喘相关基因可以采用高通量测序来进行定点候选基因的克隆、基因单核苷酸多态性分型分析和连锁不平衡（linkage disequilibrium, LD）基因定位等方法[10]。尤其近几年，在病例对照研究中开展的全基因组关联研究，更使哮喘基因的确立方法发生了质的飞跃[1]。最早报道ORMDL3基因与哮喘相关的是英国的Moffatt等[6]，2007年其通过对994儿童期发病的哮喘患者和1,243非哮喘患者的DNA内31.7万多的SNPs进行分析发现，与哮喘相关的SNPs与ORMDL3基因的转录水平强烈并稳固的相关，且调节ORMDL3基因表达水平的遗传变异决定儿童哮喘的易感性。自此以后，关于ORMDL3基因单核苷酸多态性与儿童哮喘相关性的研究层出不穷。
目前研究最多的ORMDL3基因的SNP为rs7216389，其在不同人群的研究见表（1）。2008年Hirota等[11]针对545名日本儿童变应性哮喘患者和738名健康儿童的研究发现，rs7216389儿童变应性哮喘显著相关。同年，Tavendale等[12]通过对苏格兰3岁到22岁的1054名哮喘患者进行候选基因的3个单核苷酸多态性分析，提示一个位于ORMDL3基因表达调控区域的C/T多态性(即rs7216389)与儿童哮喘的危险性显著相关；该相关性提示ORMDL3基因表达调控区域的常见的遗传变异可以增加哮喘的易感性。Sleiman等[13]也通过检测807名哮喘患儿和2583名未患哮喘的儿童（北欧人种），以及1456哮喘儿童和1973对照（非裔美国人）的9个在Moffatt等研究中与哮喘相关的SNPs，发现rs8067378和与ORMDL3基因表达水平相关的rs7216389与哮喘的关联性最强，该结果与Moffatt等的研究一致。2009年Galanter等[14]，对美国的264名非裔美国哮喘患者和176名健康对照检测ORMDL3基因内或者其周围的SNPs，发现rs7216389与早发性哮喘相关，其研究支持由ORMDL3基因内的多态性引起早发性哮喘的风险最强。2009年Wu等[15]的基于五篇已发表文献中九个人群的rs7216389频率的Meta分析显示rs7216389的优势比为1.44；该研究为ORMDL3基因以及其附近的GSDML基因可能促成儿童哮喘提供证据。上述研究均提示与ORMDL3表达水平相关的SNP rs7216389和儿童期哮喘发生的危险性显著相关。
表 1 SNP rs7216389在不同人群中的研究
Table 1 studies on SNP rs7216389 in different ethnic groups
同时研究也显示，rs7216389的T等位基因增加哮喘的危险因素，Tavendale等[12] 的研究提示在哮喘患者当中rs7216389的T等位基因与哮喘状况的恶化相关(P =0.008)；进而可能与儿童哮喘以及青年人哮喘控制不佳有关。Wu等[15]通过对美国墨西哥城的615名4到17岁的哮喘儿童ORMDL3 和GSDML基因上的2个SNPs位点进行分析发现，rs4378650的C等位基因或者rs7216389的T等位基因增加了哮喘的危险因素（分别为P = 0.003，P = 0.009），且两个SNPs位点的连锁不平衡性明显。2010年冰岛的Halapi等[16]发现rs7216389-T与哮喘的早发相关，特别是儿童早期（年龄： 0-5岁，OR=1.51， P=6.89*10-9）以及青春期（年龄：14-17岁，OR=1.71，P=5.47*10-9）；其研究还提示尽管rs7216389与ORMDL3和GSDMB基因的表达相关，但是rs7216389-T对于哮喘发生的作用可能不仅仅是通过控制ORMDL3和GSDMB基因的表达。rs7216389的T等位基因增加了哮喘的危险因素的机制还有待进一步研究。
研究显示rs7216389与变应性不具有显著相关性，Hirota等[11]的研究显示rs7216389与血清IgE水平不具有显著相关性。Wu等[15]研究中rs4378650的C等位基因或者rs7216389的T等位基因与变应性程度没有明显相关。Leung等[17]通过对315名哮喘儿童和192名非过敏对照儿童的研究发现，变应性仅与rs11650680相关（P = 0.0004），与rs7216389不具有显著相关性。
虽然rs7216389与儿童哮喘相关性研究证据较多，但除了rs7216389外还有许多SNPs与儿童哮喘相关。在Sleiman等[13]的研究中除了rs7216389外还有6个在其研究人群中与哮喘具有显著相关性。Galanter等[14]检测ORMDL3基因内或者其周围的SNPs，发现rs4378650(p<0.001)、rs8076131(p=0.04)、rs9910635(p=0.002)、rs11650580 (p=0.003)都和早发性哮喘相关。2008年Galanter等[18]分别在墨西哥人、波多黎各人和非裔美国人中检测ORMDL3基因内和其附近的SNPs，发现在墨西哥人和非裔美国人群中ORMDL3基因内的rs4378650 和 rs12603332与哮喘显著性相关（分别为P =0.028，P=0.021），该研究进一步证实了ORMDL3基因位点为不同种族人群哮喘的一个危险因素。2010年英国的Moffatt MF等[19]在一项全基因组关联性研究中，对10,365名临床诊断哮喘患者和16,110名健康者进行基因型分型时发现位于染色体17q21的ORMDL3/GSDMB基因与儿童期发病的疾病有明确地关联性(rs2305480, P=6×10−23)。并通过其研究得出位于ORMDL3/GSDMB基因的变异仅与儿童期发病的哮喘相关。
表 2 与儿童哮喘相关的其他ORMDL3基因内及其附近SNPs
Table 2 studies on other SNPs in or around ORDML3 which were associated with
childhood asthma
目前ORMDL3基因SNPs与中国儿童哮喘相关性研究资料较少。2009年香港的Leung TF等[17]发现在中国人群中儿童哮喘和变应性与染色体17q21具有相关性，但是这种相关性可能还与除了ORMDL3基因以外的基因相关。2010年孙婧等[20]选取中国哮喘病儿童178例，同期健康体检或外科非炎症儿童患者129例，进行ORMDL3基因的rs7216389位点的基因型测定，结果显示哮喘儿童T等位基因频率高于对照组。可见儿童哮喘与ORMDL3基因的单核苷酸多态性有一定的相关。
综上所述，哮喘发病机制复杂，其中遗传因素与环境因素相互作用，但遗传因素在哮喘的发病机制中发挥着重要的作用，对儿童哮喘候选基因的进一步研究可为疾病的早期诊断方法和个性化治疗方案提供一定的依据，进而早期对哮喘儿童进行干预，减轻哮喘发作的严重程度或减少哮喘发病。ORMDL3基因单核苷酸多态性与儿童哮喘的发生以及严重程度均有一定的相关性，但此相关性研究在中国人群开展较少。因此随着基因芯片等分析技术及复杂因素快速分析能力的发展，在中国人群中研究ORMDL3基因单核苷酸多态性及其表达水平与哮喘易感性的相关程度将成为一个新的研究热点，同时ORMDL3基因编码的蛋白的结构和功能研究也将为哮喘的发病机制以及治疗提供依据。
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