王振敏,羅建權(quán),張 偉(1.中南大學湘雅醫(yī)院臨床藥理研究所,湖南長沙 410008;2.中南大學臨床藥理研究所,遺傳藥理湖南省重點實驗室,湖南長沙 410078)
LRP6基因多態(tài)性與代謝綜合征的相關(guān)性研究進展
王振敏1,2,羅建權(quán)1,2,張偉1,2
(1.中南大學湘雅醫(yī)院臨床藥理研究所,湖南長沙410008;
2.中南大學臨床藥理研究所,遺傳藥理湖南省重點實驗室,湖南長沙410078)
網(wǎng)絡出版時間:2016-4-26 11:06網(wǎng)絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1086.R.20160426.1106.006.html
代謝綜合征作為多種疾病的發(fā)病基礎(chǔ),發(fā)病機制復雜。近年研究發(fā)現(xiàn),Wnt/β-catenin信號通路在代謝綜合征的發(fā)生發(fā)展中起到重要的調(diào)控作用。低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白6(low-density lipoprotein receptor related protein,LRP6)作為Wnt/β-catenin信號通路的重要協(xié)同受體,已有研究表明其與代謝綜合征之間存在相關(guān)性。該文將對該基因多態(tài)性及其調(diào)節(jié)機制進行深入探討,為代謝綜合征的研究治療提供新的思路和方向。
Wnt信號通路;LRP6;代謝綜合征;Ⅱ型糖尿?。桓哐Y;動脈粥樣硬化;
冠狀動脈疾病
1.1LRP6結(jié)構(gòu)介紹低密度脂蛋白受體(low density lipoprotein receptor,LDLR)是一類在細胞表面廣泛表達的蛋白,家族成員眾多,涉及多條通路及多個靶器官,主要參與脂質(zhì)轉(zhuǎn)運過程,維持能量平衡[2]。LDLR家族成員LRP5/6同為Wnt/β-catenin信號通路的協(xié)同受體,廣泛存在于體內(nèi)組織細胞中,如中樞神經(jīng)系統(tǒng)海馬區(qū)、腎小管細胞、肝臟細胞及小腸上皮細胞、骨細胞等,但在肝臟、膀胱等部位表達量有差異(http://www.proteinatlas.org/ENSG00000162337-LRP5/tissue;http://www.proteinatlas.org/ENSG00000070018-LRP6/ tissue)。LRP5/6具有高度同源性,整體相似性約71%,胞外區(qū)域相似性高達73%。相較于LRP6,LRP5在骨密度調(diào)節(jié)中起主導作用;LRP6則主要與糖代謝及脂質(zhì)代謝通路有關(guān)[3-5],但是在發(fā)育過程中 LRP6扮演的角色通常重于LRP5[6]。人類LRP6(hLRP6)基因定位于染色體12p11.2~p13.3,長度為150 kbp,含23個外顯子,編碼的蛋白含1 613個氨基酸殘基,具有信號肽和跨膜區(qū),屬I型單跨膜蛋白質(zhì),且在進化過程中高度保守,幾乎不存在種屬差異[3,7],如果蠅、非洲爪蟾、小鼠等與hLRP6同源性較高。
LRP6受體蛋白分為胞外區(qū)域和胞內(nèi)區(qū)域,其中胞外區(qū)域結(jié)構(gòu)在調(diào)節(jié)Wnt、分泌性蛋白以及骨硬化蛋白與受體蛋白的結(jié)合過程中有重要作用[8]。胞外區(qū)域包括3部分:(1)LA區(qū)域,即LDL受體類型A重復區(qū)域(LDLR type A repeats);(2)EGF區(qū)域,即表皮生長因子前體同源域(EGF-like domain);(3)YWTD結(jié)構(gòu)域(YWTD-type β propeller motifs),YWTD區(qū)域包括6次重復,每個YWTD推進器結(jié)構(gòu)域后緊隨一個EGF區(qū)域,約含40個堿基。LRP6屬于LDLR家族,但是與LDLR家族其他成員不同之處在于其蛋白羧基端至少有一個PPPSP區(qū)域(Pro-Pro-Pro-Ser-Pro),而其他LDLR蛋白羧基端為NPxY區(qū)域[Asn-Pro-any amino acid(x)-Tyr][3](Fig 1)。LRP6基因突變可能引起蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化,因此,了解LRP6受體結(jié)構(gòu)對于研究信號轉(zhuǎn)導及尋找新的治療靶點非常重要。
Fig 1 Structure of LDLR and LRP6
1.2LRP6調(diào)控機制Wnt/β-catenin信號通路成分主要包括Wnt蛋白、卷曲蛋白(Fzd)、LDLR、胞質(zhì)內(nèi)散亂蛋白(Dsh)、β-連環(huán)蛋白(β-catenin)、糖原合成激酶3β(GSK-3β)、支架蛋白(Axin)、結(jié)腸腺瘤樣息肉病基因蛋白(APC)、酪蛋白激酶(CK1),以及核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子T細胞轉(zhuǎn)錄因子/淋巴增強因子(TCF/LEF)。
Tab 1 Diseases caused by mutation of LRP6
在Wnt/β-catenin信號通路中,當Wnt信號因子不存在時,Axin、APC、CK1和GSK-3β組成多元復合物,抑制胞質(zhì)內(nèi)β-catenin蛋白活性。CK-1和GSK-3β會使β-catenin的氨基末端磷酸化失活,導致β-catenin被識別,發(fā)生泛素化降解過程,β-catenin持續(xù)減少,不能累積,無法到達細胞核發(fā)揮作用,使Wnt信號通路的靶基因被TCF/LEF抑制,目的基因不能正常表達。當Wnt信號因子存在時,此通路處于激活狀態(tài)。Wnt信號因子與跨膜蛋白Fzd受體以及協(xié)同受體LRP5或者LRP6相結(jié)合,形成 Wnt-Fzd-LRP5/6三元復合物,這種三元復合物會使LRP5/6胞內(nèi)區(qū)域磷酸化,吸引Axin復合物,導致Axin復合物對β-catenin的抑制作用減弱甚至消失,同時LRP5/6磷酸化蛋白會抑制GSK-3β磷酸化降解β-catenin的作用,使β-catenin穩(wěn)定游離在胞質(zhì)中,積聚后進入細胞核,與TCF/LEF組成復合物,激活下游靶基因,進而調(diào)控糖再生及胰島素分泌、脂質(zhì)代謝等過程,調(diào)控生理機制,影響機體生命活動[5,9]。此外,大量體外實驗和臨床研究均證實,Wnt蛋白、LRP6及 TCF7L2在調(diào)節(jié)血漿低密度脂蛋白(LDL)、甘油三酯(TG)、極低密度脂蛋白(VLDL)合成及分布等方面有重要作用[10-11]。
代謝綜合征是一種以代謝紊亂為特征的疾病,據(jù)《美國第三次全國健康與營養(yǎng)調(diào)查報告》(NHANESⅢ)顯示,代謝綜合征在成人中的發(fā)病率為34%[12]。之前普遍認為亞健康生活方式是導致代謝紊亂的主要原因,如營養(yǎng)不良、吸煙飲酒、缺乏鍛煉等,但是大量報道證實代謝綜合征與遺傳因素存在相關(guān)性[13-14]。Wnt/β-catenin通路及其抑制劑在肥胖、胰島素抵抗、胰島素分泌、脂質(zhì)代謝等方面都發(fā)揮著重要的作用,所以Wnt/β-catenin通路中相關(guān)基因蛋白逐漸成為代謝綜合征及心血管疾病治療的分子靶標[15-16]。2004年Kanazawa等[17]在日本人群中發(fā)現(xiàn),Wnt5B單核苷酸多態(tài)性與Ⅱ型糖尿病的患病風險相關(guān)。2006年,Christodoulides等[18]通過分析肥胖和正常人群數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)Wnt10BC256Y所表達的蛋白,失去激活Wnt/β-catenin通路的功能,同時影響脂肪細胞分化,進而使Ⅱ型糖尿病的患病風險升高。2009年,Tong等[19]通過meta分析發(fā)現(xiàn),TCF7L2基因位點IVS3C>T和IVS4G>T是Ⅱ型糖尿病的風險因素。并有報道證實LRP6 和TCF7L2(也稱TCF4)功能缺失性突變,會引起動脈粥樣硬化[20]、糖尿?。?1]、高血脂癥[20,22]、高血壓[23](Tab 1)。
2.1LRP6基因多態(tài)性與Ⅱ型糖尿?、蛐吞悄虿≈饕憩F(xiàn)為胰島素抵抗或者胰島素分泌異常,致病原因復雜,包括基因背景、生活方式、環(huán)境因素等,所以尋找Ⅱ型糖尿病的易感基因成為一大難題[24]。早在2007年Mani等[7]發(fā)現(xiàn)伊朗一家族中染色體12p上LRP6基因1 973位堿基由C突變?yōu)門,引起半胱氨酸(Cys C)替代了精氨酸(Arg R),而1 973位密碼子編碼611位氨基酸,即ArgR611CysC,簡稱R611C。此突變發(fā)生在EGF區(qū)域,導致611位精氨酸與477位天冬酰胺之間的鹽橋被破壞,蛋白穩(wěn)定性降低,研究人員發(fā)現(xiàn),LRP6R611C攜帶者與早期冠狀動脈疾病(coronary artery disease,CAD)明顯相關(guān),主要表現(xiàn)為高血脂、高血壓、糖尿?。?]。
多項研究證實LRP6與胰島素通路有關(guān)。Liu等[25]發(fā)現(xiàn)此基因通過調(diào)節(jié)mTOR(mechanistic target of rapamycin)糖代謝通路影響血糖水平。Singh等[26]對攜帶LRP6R611C突變體的家族進行深入分析研究,發(fā)現(xiàn)LRP6R611C突變會損傷糖耐受能力,影響胰島素受體表達及胰島素通路活性,該研究證實LRP6通過促進TCF7L2依賴性胰島素受體表達,改變mTOR通路活性,進而影響人體內(nèi)糖代謝水平。Zenibayashi等[27]在日本人群中發(fā)現(xiàn) LRP6基因的 3個 SNP(rs7136900、rs10743980、rs2417086)與Ⅱ型糖尿病之間存在相關(guān)性,但是此結(jié)果在驗證試驗中并未得到證實。這表明Ⅱ型糖尿病與LRP6基因多態(tài)性的關(guān)聯(lián)性研究可能需要考慮多個基因的相互作用,同時需要擴大樣本量進行深入分析,單個基因的作用可能會被其他因素掩蓋。因此,關(guān)于LRP6基因多態(tài)性和Ⅱ型糖尿病之間的關(guān)系仍有待探索。
2.2LRP6基因多態(tài)性與高血脂癥高血脂癥是指血液中總膽固醇(total cholesterol,TC)、TG等濃度高于正常水平,是CAD的重要風險因素。多項研究表明,高血脂癥的主要誘因為LDL濃度的升高,而此過程與LDLR調(diào)節(jié)的LDL清除有關(guān)[28]。近期報道 LRP6編碼蛋白有助于體內(nèi) LDL清除[29-30],因此LRP6功能缺失性突變可能導致體內(nèi)LDL累積,誘發(fā)高血脂癥或其他疾病。另有研究表明,LRP6通過Wnt/β-catenin信號通路影響mTOR通路活性,而mTOR的活化會導致脂質(zhì)合成增多,誘發(fā)非酒精性脂肪肝?。?5-26],也有報道LRP6通過調(diào)控非經(jīng)典Wnt信號通路對此疾病產(chǎn)生影響[31]。Go等[32]發(fā)現(xiàn)LRP6通過類似胰島素生長因子(insulin-like growth factor 1,IGF1)、mTOR及固醇調(diào)節(jié)因子結(jié)合蛋白1/2(sterol regulatory element-binding protein 1/2,SREBP1/ 2),即IGF1-mTOR-SREBP1/2通路影響肝臟脂質(zhì)合成,導致小鼠體內(nèi)TC及TG濃度明顯升高,LRP6基因突變會使血漿LDL水平升高,肝臟脂質(zhì)合成及 VLDL分泌增多。Singh等[33]在美國人群中篩查200位家族性CAD患者和2 000位健康志愿者,通過基因分型發(fā)現(xiàn)LRP6(1418G>A,1079G>A,1298T>C)突變,突變體攜帶者均患糖尿病、高血壓,而他們的TG及LDL也都高于正常水平。隨后,有學者篩選中國早期CAD病人和對照各380位,通過外顯子測序及功能學分析后,同樣認為LRP6與脂質(zhì)代謝相關(guān),可能與人類臍靜脈內(nèi)皮細胞(HUVECs)增殖與遷移有關(guān)[34]。Wang等[35]在中國人群中發(fā)現(xiàn) LRP6 rs11054731與 CAD患病有關(guān)(P= 0.001)。綜上所述,LRP6可能成為脂質(zhì)代謝潛在的調(diào)節(jié)因子。
2.3LRP6基因多態(tài)性與動脈粥樣硬化動脈粥樣硬化是冠心病和腦血栓等多種疾病發(fā)生發(fā)展的主要病因,斑塊形成與脂質(zhì)代謝異常及高血壓密切相關(guān)。高血壓會損傷動脈內(nèi)膜,導致脂質(zhì)沉積、血小板黏附和聚集等,促進動脈粥樣斑塊的形成,同時伴隨高血糖出現(xiàn)的特異性代謝變化在動脈粥樣硬化過程中起重要作用,主要表現(xiàn)為血管內(nèi)膜鈣化、血管僵硬度增加等[36]。目前關(guān)于動脈粥樣硬化的機制研究主要集中于高膽固醇血癥的動物模型,如LDLR-/-小鼠模型[37]。Cheng等[38]構(gòu)建了SM22-Cre;LRP6(fl/fl);LDLR-/-小鼠模型研究LRP6在動脈粥樣硬化中的作用,發(fā)現(xiàn)在血管平滑肌細胞條件性敲除LRP6后,小鼠血管僵硬度增加,動脈血管異位鈣化嚴重。另有研究認為,LRP6R611C通過影響 PDGF(platelet-derived growth factor)通路使血管平滑肌細胞過度增殖,導致動脈粥樣硬化斑塊的形成[39]。Sarzani等[20]采用回顧性分析的方法,對334位繼發(fā)性高血壓患者研究發(fā)現(xiàn),LRP6I1062V(rs2302685)與頸動脈粥樣硬化(carotid artery atherosclerosis,CAA)相關(guān),推測LRP6I1062V可能是動脈粥樣硬化斑塊形成的獨立風險因子。由此看出,Wnt/LRP6/β-catenin信號通路活性改變是動脈粥樣硬化斑塊形成的一大原因,LRP6基因多態(tài)性可能成為動脈粥樣硬化的重要預測指標。
盡管近年來對Wnt通路和代謝綜合征的研究越來越多,但是LRP6基因多態(tài)性與高血壓、動脈粥樣硬化等疾病的相關(guān)性還處于起步階段,需要更深入的探索。在后續(xù)研究中需要注意:(1)LRP6R611C基因型與糖尿病的關(guān)系在細胞、動物、人體中已有研究,但是其他基因多態(tài)性仍需在多個獨立的大樣本人群中探索并驗證;(2)LRP6基因多態(tài)性與高血脂、高血壓、動脈粥樣硬化的關(guān)系尚不明確,其調(diào)控機制有待拓展。鑒于Wnt-LRP5/6通路在人體基礎(chǔ)代謝中發(fā)揮重要的作用,系統(tǒng)深入探索LRP6基因多態(tài)性與代謝綜合征的關(guān)系,將為疾病的診斷、預后和治療提供理論依據(jù),同時有望闡明藥物個體差異性的機制。這將極大地推動人類代謝綜合征發(fā)病機制、個體化治療等多重領(lǐng)域的發(fā)展。
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Research progress on association of LRP6 gene polymorphism and metabolic syndrome
WANG Zhen-min1,2,LUO Jian-quan1,2,ZHANG Wei1,2
(1.Dept of Clinical Pharmacology,Xiangya Hospital,Central South University,Changsha410008,China;2.Institute of Clinical Pharmacology,Central South University,Hunan Key Laboratory of Pharmacogenetics,Changsha410078,China)
Metabolic syndrome is the fundamental factor in the pathogenesis of a variety of diseases,and it has not yet been fully understood due to its complicated mechanism.Multiple researches have implicated that Wnt/β-catenin signaling pathway may have a significant effect on the formation and development of metabolic syndrome.LRP6 is an important co-receptor of Wnt/ β-catenin signaling pathway,and there are some researches im-plicating the correlation between LRP6 and metabolic syndrome. The in-depth research on the gene polymorphism and its modulation mechanism can provide new ideas and directions for metabolic syndrome therapy.
Wnt signaling pathway;LRP6;metabolic syndrome;typeⅡdiabetes;hyperlipidemia;atherosclerosis;CAD
10.3969/j.issn.1001-1978.2016.05.003
A
1001-1978(2016)05-0603-05
R-05;R329.25;R392.11;R543.502.6;R587.102.6;R589.026
2016-02-29,
2016-03-27
國家自然科學基金資助項目(No 81273595);國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(No 2012AA02A518)
王振敏(1993-),女,碩士,研究方向:臨床藥理學、遺傳藥理學和藥物基因組學,E-mail:zhenmin4319@163.com;張偉(1977-),男,博士,教授,博士生導師,研究方向:遺傳藥理學與藥物基因組學、臨床藥理學、藥物代謝動力學,通訊作者,Tel:0731-84805380,E-mail:yjsd2003@163. com代謝綜合征是以代謝紊亂為特征的綜合型疾病,主要表現(xiàn)為血糖代謝障礙、血脂代謝異常、高血壓等。據(jù)調(diào)查,2004年代謝綜合征在中國的發(fā)病率高達23.3%,逐漸成為影響公眾健康的一大威脅[1]。Wnt/β-catenin信號通路是分子生物學研究中的一大熱點,可影響胚胎發(fā)育、骨形成和胰島素分泌等生理過程。LRP6作為Wnt通路的協(xié)同受體,與代謝綜合征的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。近年來研究發(fā)現(xiàn),LRP6基因遺傳變異會引起Wnt通路功能改變,進而影響疾病病程。本文將綜述國內(nèi)外研究進展,進一步闡明LRP6基因多態(tài)性與代謝綜合征的相關(guān)性,為代謝綜合征的研究及治療提供一些幫助。