MUC5B启动子rs35705950基因多态性与特发性肺纤维化研究进展
时间：2023-04-18 16:50:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
蒋国良 邹丽君 韩媛媛 孟婕
1中南大学湘雅医院呼吸与危重症医学科,长沙 410008;2中南大学湘雅三医院呼吸与危重症医学科 器官纤维化湖南省重点实验室,长沙 410013
特发性肺纤维化 (idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)是一种病因不明的慢性、进行性、致死性间质性肺疾病。环境因素与遗传因素共同参与了IPF的发病。随着基因测序技术的不断发展,全基因组关联研究在探索与IPF 发病相关的遗传因素方面起到了积极的作用。目前采用全基因组关联研究发现ELMOD2基因、端粒酶基因、表面活性蛋白基因、MUC5B 基因均与IPF 遗传易感性相关。其中MUC5B启动子rs35705950基因多态性被认为是IPF 最强的风险因素。
IPF是特发性间质性肺炎最常见的类型,其病因尚不明确,老年男性多见,组织病理和/或影像表现为普通型间质性肺炎,临床表现为逐渐加重的呼吸困难,确诊后中位生存期为3～5 年。在流行病学方面,Nalysnyk 等[1]回顾性分析了自1990年到2011年IPF 全球流行病学数据,发现美国IPF发病率为6.8/10万～8.8/10万,患病率为14/10万～27.9/10 万;欧洲IPF 发病率为0.22/10 万～7.4/10万,患病率为1.25/10 万～23.4/10 万,并且呈现上升的趋势。Natsuizaka等[2]发现日本北海道地区IPF 的累积发病率和患病率分别为2.23/10 万和10/10 万。中国目前尚缺乏相关流行病学数据。依据目前的数据,各地区IPF发病率和患病率有所不同,这可能与环境以及种族等因素有关[2]。
研究表明,环境因素与遗传因素共同参与了IPF 的发病。家族性肺纤维化约占总IPF 患者的2%～20%,常表现为常染色体显性遗传[3]。家族性肺纤维化诊断标准为一个家庭中有2名或2名以上家庭成员发生IPF。目前针对家族性肺纤维化患者的全基因组关联研究显示ELMOD2基因[4]、端粒酶基因[5]、表面活性蛋白基因[6]、MUC5B基因[7]与家族性肺纤维化相关。
MUC5B是气道分泌的一种黏蛋白成分,人类黏蛋白基因MUC5B 与MUC6、MUC2 和MUC5AC 在 染 色 体11p15.5上串联出现[8]。气道分泌的主要黏蛋白成分是MUC5AC和MUC5B。MUC5AC 主要分布在近端气道中,由气道表面的分泌细胞如杯状细胞产生;而MUC5B 在近端气道中表达较少,主要由气道黏膜下腺黏液细胞分泌。在气道远端的细支气管 (缺少软骨或腺体的小气道)中,几乎没有MUC5AC存在,MUC5B占主导,由气道表面的分泌细胞 (如Club细胞和杯状细胞)分泌[9-11]。在正常的肺中,黏液负责捕获吸入的颗粒,并通过纤毛运动和咳嗽的力量将它们运输出气道。同时,黏液也有助于清除内源性碎片,包括死亡的上皮细胞和白细胞。因此,黏蛋白在清除气道异物、抵御微生物入侵、调节气道炎症、维护正常气道功能方面发挥重要的作用。在哮喘患者中,MUC5AC的表达显著且持续增加,而MUC5B 的表达减少,这与变态反应导致的气道炎症相关[11]。而在COPD、IPF以及囊性纤维化患者中可发现MUC5B表达增加[12-13]。因此,黏蛋白的异常表达在这些肺部疾病的发生发展过程中扮演着关键的角色。有研究指出,MUC5AC 敲除小鼠生存并不受影响,而MUC5B 敲除小鼠肺组织表现出支气管增生和化生、间质增厚、肺泡塌陷、免疫细胞浸润、弹性蛋白纤维碎片化和胶原沉积,有20%出现呼吸衰竭,多数因肺部感染而死亡[14-15]。这表明MUC5B 在维持气道稳态方面起到主导作用。
Seibold等[7]通过对83例家族性IPF患者、492例散发IPF患者以及322名正常对照者进行全基因组关联分析研究,发现19个单核苷酸多态性与散发和家族性IPF 相关,其中5个在MUC5B 启动子区,rs35705950 位点的突变被证实与IPF 相关性最强。Wang等[16]对405例间质性肺疾病患者 (其中163例IPF患者)及2 043例健康对照者进行MUC5B 启动子rs35705950 的基因多态性分析,发现MUC5B启动子rs35705950基因多态性与中国男性IPF 患者遗传易感性相关。Wang等[17]的研究纳入79例IPF患者以及200名健康对照者,通过对MUC5B 启动子基因多态性进行检测,发现MUC5B启动子rs868903 CT/CC类型与IPF患者较大范围的蜂窝状改变显著相关,首次证实MUC5B启动子rs868903基因多态性与高分辨率CT 上蜂窝状阴影的程度及病死率相关。这表明MUC5B 启动子区单核苷酸多态性可能是与IPF 发病相关的重要遗传因素。目前,MUC5B启动子rs35705950 多态性与IPF 患者的遗传易感性的研究最为广泛,已经在多个国家以及种族中得到验证,包括美国、欧洲、日本以及中国等[7,16,18-19]。尽管MUC5B启动子rs35705950基因多态性与IPF 的发生发展密切相关,仍然有许多rs35705950突变的个体没有发展成IPF[20]。因此,即使存在相同的遗传变异,不同的个体的表现也不完全相同。这可能与表观遗传学[21]、其他突变的影响[17,22]、转录因子的调控[23]等因素有关。
MUC5B启动子基因多态性在IPF 发生发展中起到重要的作用。MUC5B 启动子rs35705950 突变导致MUC5B表达上调,但MUC5B的表达增加影响IPF 发生发展的机制目前尚未完全阐明。既往认为IPF的发生发展主要涉及肺泡区[24],但在随后的研究中发现普通型间质性肺炎常伴有远端气道病变,如支气管扩张、支气管管壁增厚等[25]。因此,远端气道病变在IPF 的发生发展中也起重要作用。而MUC5B是远端气道主要黏蛋白成分。
在临床上因ARDS或坏死性肺炎而突然大量丧失肺组织的患者往往在6个月内可以恢复肺功能。在这一过程中,肺上皮干细胞的增殖与分化在肺组织的损伤修复中起到了决定性作用。人呼吸道不同部位的上皮干细胞类型不同,如气管/支气管中的p63+/Krt5+基底细胞、细支气管中的亚型克拉拉细胞分泌蛋白表达细胞、终末细支气管中的基底细胞以及肺泡中的AT2 细胞[26]等。Zuo等[27]发现感染H1N1流感病毒的小鼠会在肺脏的炎症之后完全丧失一些重要的肺部结构和细胞类型。然而在数周后,小鼠的肺脏会逐渐恢复,这一修复过程与远端气道中p63+/Krt5+肺干细胞密切相关。在博来霉素诱导的肺纤维化小鼠模型中,肺组织严重损伤及纤维化区域发现Krt5+肺上皮干细胞[28],提示来源于终末细支气管的干细胞参与了肺部纤维化的修复。在IPF/普通型间质性肺炎患者的组织病理中可见显微镜下的蜂窝囊肿,MUC5B 免疫组织化学染色显示MUC5B在显微镜下的蜂窝囊肿中密集堆积,蜂窝囊肿里的细胞表现出纤毛细胞和远端上皮细胞的表型特征[7,29],提示干细胞的异常分化。40%的IPF患者的肺组织样本高度富集纤毛基因和MUC5B 的转录本,这与显微镜下的蜂窝状结构相符。因此,异常增多的MUC5B 可能扰乱了肺上皮干细胞在肺部损伤修复过程中正常的发育途径,并破坏了远端肺的正常修复机制,导致慢性纤维增生和蜂窝囊肿的形成[29]。影响远端气道肺干细胞正常分化可能是MUC5B启动子rs35705950基因多态性导致IPF 发生发展的一种机制。
MUC5B在保持气道清洁、维护气道环境稳态方面起到重要的作用。但过多的MUC5B 会导致吸入物质 (空气污染物、香烟烟雾中的颗粒和化学物质、微生物等)的过度滞留,损伤纤毛细胞功能[30-31],导致持续的肺部损伤。随着时间的推移,肺损伤的病灶会导致持续性的纤维增生,瘢痕组织取代正常的肺组织,从而导致肺部的纤维化。吸烟是IPF形成的一个强危险因素,其导致IPF的机制也可能与支气管黏膜长期损伤相关,从而导致黏膜宿主防御缺陷及随后的间质损伤。另外,在健康条件下,传导气道内存在多纤毛细胞,并通过电解质和渗透分子的稳态来维持顶端的活动纤毛团的正常结构和功能,其中黏蛋白在维持稳态方面起到十分重要的作用。黏膜损伤后通过激活基底细胞使其完全分化为黏液腺细胞和纤毛细胞进行修复。在这个修复过程中,初级纤毛先于运动纤毛产生,而初级的非运动纤毛是纤毛细胞发育分化过程中信号转导所必需的[32]。在黏蛋白过度产生的情况下或者当电解质平衡被破坏时,基底细胞被异常激活及异常分化,有研究检测了IPF患者肺组织中纤毛特征,发现在肺损伤修复区域及蜂窝囊肿中许多分化的纤毛细胞保留初级纤毛,顶端运动纤毛发育不良[33]。因此,MUC5B 过度产生导致吸入物质在肺内潴留以及纤毛细胞异常修复,从而产生慢性肺损伤,可能是MUC5B启动子rs35705950基因多态性导致IPF 发生发展的一种机制。
气道黏蛋白是高度糖基化的大分子化合物[14],当MUC5B启动子rs35705950 发生突变,MUC5B 的转录和MUC5B的转录后加工增强,内质网负荷增加,可能会导致内质网应激和未折叠蛋白反应。适应性未折叠蛋白反应试图通过联合协调3种不同的反应来恢复正常的蛋白质折叠:IRE1/XBP1、PERK/ATF4 和BIP/ATF6[34]。未折叠蛋白反应的这3条分子通路会增加蛋白质折叠过程中伴侣蛋白的表达,协助蛋白质分子形成正常的折叠形态或者减少蛋白质的表达以减轻内质网的负荷[35]。但如果适应性未折叠蛋白反应不能维持内质网中蛋白的平衡,内质网中异常蛋白的积累将诱导内质网应激,导致未折叠蛋白反应分子通路持续激活,促使IRE1α激酶过度磷酸化和随后的核糖核酸酶过度激活,从而促进细胞凋亡。有研究证明在博来霉素诱导的肺纤维化小鼠模型中,抑制IRE1/XBP1通路可以明显减轻小鼠肺纤维化程度[36]。内质网应激和未折叠蛋白反应可以调节肺泡上皮细胞凋亡、上皮-间质转化、肌成纤维细胞分化和M2巨噬细胞极化[37],从而导致肺组织长期慢性损伤,并干扰了正常上皮对损伤、伤口愈合和组织修复的反应。而IPF的发生与反复的肺泡损伤后导致的上皮-间质转化、肌成纤维细胞激活、胶原蛋白的沉积密切相关。
目前提出的假说强调了MUC5B 表达过多对气道慢性损伤及对肺干细胞发育及分化的影响,远端气道、纤毛、肺泡细胞均可能参与了IPF的发生发展,但其具体机制尚不完全明确,仍需要进一步研究。
咳嗽通常是IPF的首发症状,80%的IPF 患者存在慢性干咳[38]。Scholand等[39]发现莱斯特咳嗽问卷测量咳嗽的严重程度与MUC5B 启动子rs35705950 多态性显著相关,是莱斯特咳嗽问卷评分的独立影响因素。在白人种群IPF患者中,MUC5B启动子rs35705950 多态性与提高生存率显著相关[13,40]。但在最近的一项针对中国汉族人群的研究中,MUC5B 启动子rs35705950多态性与IPF 易感性、严重程度的增加和总生存率的降低有关[41]。这提示MUC5B启动子基因多态性对生存的影响可能与种族有关。
IPF是一种慢性进展性疾病,多数人在诊断时肺部已经出现广泛而不可逆的损伤,出现明显呼吸系统症状。在疾病无症状期实现早期诊断、早期治疗将延缓病情进展,提高生存质量。家族性间质性肺炎患者的亲属患肺纤维化的风险显著增加。Mathai等[42]的研究纳入来自263个家族性间质性肺炎患者家庭中的494例家族性间质性肺炎患者的亲属,通过高分辨率CT 发现15.7%的亲属肺部存在尚不能诊断为IPF的纤维化改变,即临床前肺纤维化,其特征是可明确识别的胸部CT 异常,包括胸膜下网状、蜂窝状改变,牵拉性支气管扩张,小叶结节和磨玻璃影等。临床前肺纤维化和MUC5B启动子rs35705950多态性显著相关。因此,对于高危人群的早期筛查,IPF 患者的预后预测MUC5B启动子基因多态性都是重要的参考因素。
随着基因检测技术的进步及普及,MUC5B 启动子rs35705950多态性的检测可以大规模推广,可以对高危人群,如有家族性或偶发性IPF的患者的一级亲属,进行早期筛查以预测患病可能性,对确诊IPF患者进行检测以预测预后情况。目前,在全球范围内已经批准用于治疗IPF的药物只有2种:吡非尼酮和尼达尼布。而MUC5B 启动子基因多态性与IPF 具有显著相关性,MUC5B 在IPF 病因学中的发现为理解IPF发病的基本机制提供了新的方向。对MUC5B参与IPF发病机制的不断研究和认识,将会为未来治疗IPF 的药物研发提供重要的靶点。综上所述,MUC5B启动子基因多态性与IPF 的发生、发展密切相关,但具体机制尚未明确,仍需要更多的研究阐明MUC5B 与机体的相互作用,明确MUC5B参与IPF发病的主要途径,为IPF的药物研制提供新的靶点,这是针对未来IPF 治疗的重要方向。
利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突
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