張寧男楠 張 璋

阿爾茨海默病KIBRA基因多態(tài)性及其相關影像遺傳學研究

張寧男楠 張 璋*

遺傳因素在阿爾茨海默?。ˋD）發(fā)生中具有重要作用。近年來的研究顯示，腎腦表達蛋白（KIBRA）基因多態(tài)性能夠增加AD風險，在AD的重要腦區(qū)（如海馬）出現(xiàn)高表達，與晚發(fā)型AD有顯著相關性。形態(tài)學MRI研究顯示KIBRA基因多態(tài)性與海馬關系密切，但該基因多態(tài)性的多種功能成像研究存在不一致性，其神經機制尚不明確。應用影像遺傳學方法，探索KIBRA基因多態(tài)性對AD大腦功能及對行為的潛在作用將有助于了解遺傳風險因素對AD的影響，為早期診斷AD提供依據，進而對疾病早期有效干預以及相關藥物的研發(fā)提供重要線索。

KIBRA基因；阿爾茨海默??；多態(tài)性；海馬；影像遺傳學

環(huán)境遺傳學家認為阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）的發(fā)生是由遺傳、環(huán)境和免疫等多種因素綜合所致[1]。在AD的發(fā)病危險因素中，60%～80%與基因異常相關[2]。據報道，健康老年人群中，AD相關風險基因攜帶者的疾病發(fā)病率是非攜帶者的2～4倍。在未出現(xiàn)臨床表現(xiàn)或認知障礙之前，AD相關風險基因即開始對大腦功能進行調節(jié)。目前公認的能增加罹患AD風險的基因是載脂蛋白E ε4（apolipoprotein E ε4，ApoE ε4）基因。但是，ApoE ε4并不具有充分特異性，全基因組關聯(lián)研究認為AD存在多基因低頻變異的特征。近年來研究證實，腎腦表達蛋白 （kidney and brain expressed protein，KIBRA）基因與人類記憶有關，且發(fā)現(xiàn)在健康人記憶相關腦區(qū)表達較高[3-6]。AD中，KIBRA基因多態(tài)性能夠增加AD的風險[7-9]，成像遺傳學研究顯示KIBRA基因多態(tài)性會影響海馬區(qū)及記憶相關腦區(qū)的腦功能[4-5,7]。本文就KIBRA基因多態(tài)性及其相關影像遺傳學研究進行綜述。

1 KIBRA基因及其作用機制

1.1 KIBRA基因 KIBRA基因是腎細胞質中的一種蛋白質，編碼突觸后骨架蛋白，在腎臟和腦中表達占優(yōu)勢，是單轉導物家族的新成員[3,10]。KIBRA的命名取英文kidney的前2個字母和brain的前3個字母，將其大寫并組合在一起，故稱為KIBRA[10]。KIBRA基因由3個區(qū)組成：WW區(qū)（包含2個賴氨酸殘基）、C2區(qū)和1個富含羧氨酸端的谷氨酸延伸區(qū)[10]。

2003年，Kremerskothen等[10]首次描述了KIBRA基因的特征。KIBRA的編碼為WWC1，位于染色體5q35.1，含有1113個氨基酸，分子質量約為125.3ku。從N端到C端有許多蛋白結合區(qū)。WW區(qū)位于第6～86氨基酸間，其中包括35～40氨基酸間的2個色氨酸殘端。一般認為，WW區(qū)調控包括富含脯氨酸序列在內的各種蛋白質間的相關作用。核定位信號位于361～376氨基酸之間。C2區(qū)由位于655～783氨基酸間的2條4股β-折疊構成。該區(qū)的130個殘基以鈣依賴性方式與磷脂結合。研究發(fā)現(xiàn)，C2區(qū)的蛋白質功能涵蓋從信號轉導至囊泡交通。鈣結合可誘導靜電勢改變，即加強了與磷脂結合。富含谷氨酸區(qū)位于845～873氨基酸間。第953～996氨基酸之間為蛋白激酶C（protein kinase C ζ，PKC ζ）結合區(qū)，此區(qū)包含2個被激酶磷酸化的絲氨酸殘基。PKC ζ的異構體 PKM ζ（protein kinase M ζ，PKM ζ）能與KIBRA結合，影響海馬的長時程記憶保持。KIBRA作為PKC ζ的底物，對突觸可塑性和記憶形成起重要作用[11]。最后，介導膜蛋白聚集的Ⅲ型PDZ結合序列（包括4個氨基酸）位于第1 110～1 113氨基酸之間[12]。

KIBRA RNA在全腦中均可表達，但在記憶相關腦區(qū)（如海馬和顳葉等）表達達到高峰[4]，小腦和丘腦亦有表達[13]。動物實驗顯示，隨著動物由幼年成長至成年，KIBRA在其腦內表達逐漸減低[13]。作為神經元細胞骨架的一部分，KIBRA參與記憶形成和腦的發(fā)育[13]。細胞研究顯示，在突觸后結構的亞神經元細胞水平，KIBRA顯示樹突染色且伴有增殖。在亞細胞分級分離實驗中，部分突觸后密度片段顯著增殖[13]。對細胞核位置的研究顯示，細胞核位置不同，其功能亦不盡相同。

1.2 KIBRA的作用機制 KIBRA參與許多細胞功能，如細胞極性和移動、囊泡轉運、轉錄物調節(jié)及突觸發(fā)生。KIBRA通過與其有交互作用的結合伴侶（binding partners） 共同發(fā)揮作用。2008年，Corneveaux等[7]對KIBRA與AD的關聯(lián)研究表明，在AD病人主要腦區(qū)，KIBRA和它的結合伴侶[動力蛋白輕鏈 （dynein light chain 1,DYNLL1）、PKC ζ、分選連接蛋白4（sorting nexin-4,SNX4）和KIAA0513]的表達均有顯著變化：KIBRA mRNA在海馬區(qū)、顳中回和后扣帶增加2.4～3.0倍，而在相同的腦區(qū)PKCζ mRNA降低了1/2～1/3，在原發(fā)性視皮質區(qū)無明顯變化（為AD病理改變的罕見腦區(qū)）。在AD同一腦區(qū)存在KIBRA的高表達、結合伴侶的低表達，表明 KIBRA與結合伴侶存在著相互作用[7,14]。KIBRA與PKM ζ存在交互作用，兩者均位于以記憶為主要功能的腦區(qū)——海馬區(qū)和齒狀回[14]；PKC ζ在突觸可塑性上扮演著重要角色[15]，且與記憶的形成和維持長程記憶增強有關[5]。KIBRA與樹突和突觸極蛋白存在交互作用[10,12]，后兩者在突觸可塑性、信號傳遞和細胞骨架構成中起重要作用[12]。

此外，KIBRA具有一定的調節(jié)作用。KIBRA作為Salvador/Warts/Hippo（SWH）信號網的調節(jié)器，對特定組織區(qū)域SWH網絡具有調節(jié)作用[16]。KIBRA參與內吞作用的回收過程，改變作為AD病理特征之一的β淀粉樣蛋白的再吸收，影響斑塊形成[17]。KIBRA是α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸（AMPA）受體的一部分，參與調節(jié)AMPA受體膜的運輸[15]，使AMPA信號傳遞紊亂，從而影響遞質在囊泡膜的運輸、細胞極性和遷移以及轉導調節(jié)[14-15]。

2 AD的KIBRA基因多態(tài)性的臨床研究

國內外研究表明，KIBRA基因與晚發(fā)型AD具有較好的相關性[6，18-19]。 Beecham 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，KIBRA T等位基因與晚發(fā)型AD危險存在相關性。Rodriguez-Rodriguez等[8]對391例單發(fā)AD和428名認知功能正常者進行了研究。按四分位數將AD和認知功能正常者均分為組1（≤75歲）、組2（76～81歲）、組3（82～86歲）和組4（>86歲）。結果顯示，與CC基因型比較，KIBRA rs17070145 T等位基因攜帶者（CT和TT基因型）與極晚發(fā)AD組（組4）相關（OR=2.89，95%CI:1.13～7.42，P=0.03）；隨著年齡增加，KIBRA T等位基因攜帶者中的AD危險不斷增加。

隨后在一份大樣本研究中，Corneveaux等[7]利用神經元基因表達、腦成像技術及其基因相關試驗，研究了KIBRA基因與AD的相關性，發(fā)現(xiàn)在AD受累的海馬區(qū)、后扣帶回和顳葉皮質區(qū)，KIBRA表達顯著增高，4種結合伴侶中有3種表達減低。此外，該研究對有尸檢神經病理學證實的702例AD死者及無尸檢的1 026例AD病人死亡前后對比分析，結果表明KIBRA rs17070145 T等位基因的非攜帶者（CC基因型）可增加晚發(fā)型AD的危險。Burgess等[9]對2 571例晚發(fā)型AD病人和2 842名正常對照進行了rs 17070145和其他14種單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphisms，SNPs）對照研究，認為非裔美國人T等位基因與減低的晚發(fā)型AD危險性相關；對T等位基因（>8 000名）的Meta分析提示，該等位基因可能具有保護作用（P=0.07）。

但是，Hayashi等[6]對346例AD病人和375名認知功能正常的對照進行比較，發(fā)現(xiàn)KIBRA C等位基因攜帶者比非攜帶者認知功能明顯降低，認為KIBRA基因與AD的情景記憶損害有很強的關聯(lián)性，但對AD的神經病理無直接作用，提示KIBRA基因多態(tài)性與AD發(fā)病可能無直接相關性。

這些結果提示，KIBRA與AD之間存在潛在的聯(lián)系，在與AD相關的腦區(qū)表達增高；該基因多態(tài)性對AD具有潛在危險性，有增加晚發(fā)型AD的危險。晚發(fā)型AD與早發(fā)型AD的基因背景不同，晚發(fā)型AD可能因強化KIBRA基因的作用導致AD的晚期發(fā)生。但KIBRA基因多態(tài)性影響AD的神經作用機制尚不完全清楚。

3 KIBRA基因多態(tài)性的影像遺傳學研究

影像遺傳學是將多模態(tài)神經影像和遺傳學方法相結合的學科，能夠提供腦功能特征，比單純行為學評價更能直接反映基因功能，有助于探索和評估基因多態(tài)性對大腦功能及行為的潛在作用。目前，對KIBRA基因多態(tài)性的影像遺傳學研究多集中在AD的任務態(tài)功能MRI（functional MRI，fMRI）研究、腦形態(tài)學MRI研究和FDG-PET研究。

Papassotiropoulos等[4]對健康青年人的研究發(fā)現(xiàn)，情景記憶能力相對較差的KIBRA CC基因型攜帶者在執(zhí)行情景記憶任務時，海馬、內側前額葉和頂下小葉等腦區(qū)激活反而增多，提示KIBRA CC基因型攜帶者腦內可能存在某種功能代償作用。Kauppi等[5]認為T等位基因攜帶者具有較強的情景記憶能力，且在執(zhí)行回憶任務時海馬區(qū)激活增多，T等位基因攜帶者具有更強的海馬功能。此外，Papassotiropoulos等[4]還比較了健康青年人KIBRA不同基因型的全腦灰質、白質體積，研究發(fā)現(xiàn)不同基因型間無顯著性差異，提示KIBRA不同基因型人群間的腦功能改變與腦形態(tài)學無關。鑒于KIBRA基因在海馬區(qū)的高表達，Plaombo等[20]分析了KIBRA基因多態(tài)性與海馬體積的相關性，結果發(fā)現(xiàn)與CC等位基因攜帶者相比，T等位基因攜帶者海馬體積較大，尤其體現(xiàn)在海馬安蒙角、齒狀回等海馬亞區(qū)。近年來，一項較大樣本（288例）的健康年輕人KIBRA基因多態(tài)性的影像遺傳學研究中，Wang等[21]對健康年輕人KIBRA基因多態(tài)性與腦結構和腦功能 （腦網絡）間聯(lián)系進行了相關研究，發(fā)現(xiàn)與TT基因型攜帶者相比，C等位基因攜帶者默認網絡中的后扣帶、內側前額葉和執(zhí)行網絡中的右側島葉、雙側尾狀核、雙側背側前扣帶的同步一致性增加；C等位基因攜帶者內側前額葉和雙側背側前扣帶灰質體積減小。研究推測，C等位基因攜帶者可能存在局部腦區(qū)灰質體積缺陷；腦網絡一致性的增加可能是為了保證相對正常的認知表現(xiàn)而對其結構缺陷的一種代償。除了KIBRA的fMRI影像遺傳學研究之外，Corneveaux等[7]應用FDG-PET對老年AD病人受累的腦區(qū)楔前葉和后扣帶回進行測定，研究表明該區(qū)KIBRA CC基因型攜帶者的葡萄糖代謝率顯著降低，提示KIBRA基因多態(tài)性可能存在與年齡相關的腦功能改變。

4 小結

綜上所述，KIBRA作為細胞質中的蛋白質，具有重要的分子生物學功能。KIBRA基因主要與其結合伴侶共同發(fā)揮作用。在AD的重要腦區(qū)（如海馬區(qū)等），KIBRA基因出現(xiàn)高表達，與晚發(fā)型AD有顯著相關性。形態(tài)學MRI驗證了KIBRA基因多態(tài)性與海馬關系密切，但基因多態(tài)性的多種功能成像研究存在不一致性，其神經機制尚不明確。影像遺傳學作為一門交叉學科，為探索KIBRA基因多態(tài)性對AD腦功能及其行為學影響提供了重要幫助。

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（收稿2014-06-10）

KIBRA gene polymorphism in Alzheimer’s disease

ZHANG Ningnannan,ZHANG Zhang.Department of Radiology,Tianjin Medical University General Hospital,Tianjin 300052,China

Genetic factor plays an important role in Alzheimer’s disease(AD).Recent studies demonstrated that the single nucleotide polymorphism in the kidney and brain (KIBRA)expressed protein gene linked to increased AD risk.The KIBRA gene,which related to late AD,has highly expressed in hippocampus in AD.However,functional MRI findings on the KIBRA genetic polymorphisms were inconsistent.The mechanisms of KIBRA gene polymorphism in AD were still unclear. The explore of KIBRA gene on AD brain functions together with the behavioral performance will fundamentally be the groundwork for early diagnostic of AD,and would provide important clues for early diagnosis and intervention for AD.

KIBRA gene;Alzheimer’s disease;Polymorphism;Hippocampus;Imaging genetics

10.3874/j.issn.1674-1897.2015.01.Z0102

300052天津，天津醫(yī)科大學總醫(yī)院醫(yī)學影像科

張璋，E-mail:filea1249@gmail.com

*審校者

國家自然科學基金（81301202）