医药学论文：“静寂SNP”：被忽识的多态性分子标志

【摘要】 单核苷酸多态性(SNP)是基因组中最常见的遗传变异。其中同义SNP改变密码子组成但不改变所编码的氨基酸,被称为"静寂SNP",在关联性研究中往往被忽视。最近发现同义SNP与牛皮癣、阿滋海默综合征、精神分裂症等疾病相关。通过影响翻译效率、mRNA稳定性和拼接控制等影响翻译速度和表达水平。对MDR1基因同义SNP的最新研究,又提出了参与蛋白折叠动力学控制,引起蛋白局部精细结构改变,影响结合特异性和亲和力的新机制。提示应重视同义SNP,有助于发现新的遗传分子标志和探讨疾病发生机理。

　　【关键词】 单核苷酸多态性;同义SNP;单倍体型;蛋白折叠

　　人类的疾病易感性、药物疗效及毒副反应,普遍存在个体及种群间的差异。越来越多的证据表明,遗传变异是决定这些差异的主要因素。随着人类基因组计划的完成,人类变异基因组计划(HVP)、全基因组关联性研究(Whole genome association study, WGAS)的开展,发现人类基因组变异远远超出早期估计的水平[1]。其中单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNP)是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的DNA序列多态性,即指基因组内特定核苷酸位置上存在两种以上不同的碱基,其中最少一种在群体中的频率不< 1%。它是人类可遗传的变异中最常见的一种,占所有已知多态性的90%以上。在人类基因组中发生频率约为1/100~1/1000推测SNP的数量达到300万~3000万[3]。具有数量多,分布广泛;适于快速、规模化筛查;突变率低,稳定性好等优点。被称为继限制性酶切片段长度多态性和微卫星重复序列之后的"第三代遗传分子标志"。SNP是疾病易感性、药物反应等个体间差异的主要决定因素[2],被广泛应用于疾病风险预测、个体化用药指导等领域,也是肿瘤基因组学、药物基因组学及营养基因组学等研究的重要工具。依照其在基因组中的位置分为: 基因编码区SNPs(coding-region SNPs,cSNPs)、基因周边SNPs(perigenic SNPs,pSNPs)和基因间SNPs(intergenic SNPs, iSNPs)。 cSNPs比较少,变异率仅为周围序列的1/5[3,4],但由于它与蛋白结构和功能直接相关,长期以来受到更多关注。 cSNP又可分为同义cSNPs (synonymous cSNP) 和非同义cSNPs (non- synonymous cSNPs)。非同义cSNPs (non- synonymous cSNPs)密码子变异可导致所编码氨基酸的改变。同义SNPs改变密码子但不改变所翻译蛋白质的氨基酸序列,一般认为它不影响蛋白质结构和功能,因而被称为"静寂SNP (silence SNP)",在疾病机理研究和遗传分子标志筛选中往往被忽略。

　　然而,同义SNP真的是"沉默无声"的吗?是否仅仅是进化过程中,对环境压力的适应和自然选择而形成的"密码子使用偏好"在基因组中的遗迹?情况并非如此,研究发现某些同义SNP与疾病风险相关,有些则影响药物作用的特异性。例如角化粒(corneodesmosin)基因的同义SNP与牛皮癣发病相关[5],ApoE基因和低密度脂蛋白受体相关蛋白6(Low-density lipoprotein receptor-related protein 6)基因同义SNP增加携带者阿滋海默综合征发病风险相关[6~8]。

　　以往研究显现,同义SNP或同义突变虽不改变编码蛋白的氨基酸序列,但可能影响蛋白的表达水平,主要通过三种机理。

　　1 影响翻译效率

　　密码子与其对应的tRNA决定翻译速度,如果密码子对应的tRNA的频度高,则翻译速率高。在自然选择的过程中,生物体中高表达蛋白一般选择使用频度最高的tRNA及其对应密码子,如变异产生罕见密码子则翻译效率降低[9]。同义密码子的选择和tRNA的频度偏向性存在同步进化机制,即存在同义SNP与tRNA频度的正反馈,使得二者相协调[10,11]。此种机制目前尚存在争议,也有一些研究报道密码子与翻译效率没有明显关联[12,13]。

　　2 影响mRNA稳定性

　　由于同义SNP改变mRNA的核苷酸组成,影响mRNA的二级结构,进而影响其稳定性。当mRNA中G/C含量增加,尤其是密码子的第三位碱基由A/U被G/C所替代时,减少酶对富含AU基序的识别,降低酶降解机会,将增加mRNA的稳定性[14,15]。例如DRD2基因同义SNP(C957T)改变mRNA稳定性,增加精神分裂症及酒精成瘾症的发病风险[16]。角化粒基因同义改变mRNA与DNA结合蛋白的亲和力而影响其稳定性,增加牛皮癣发病风险[5]。

　　3 影响拼接控制

　　同义SNP可产生隐含的拼接位点[17]或影响拼接控制元件,如外显子拼接增强子(exonic splicing enhancers, ESEs)、外显子拼接寂静子(exonic splicing silencers, ESSs)[18,19],从而导致转录子的异常拼接。异常拼接还可能影响非同义SNP及氨基酸的使用[20,21]。这是目前受到广泛接受的机制,有许多同义SNP通过此机制影响疾病发生的报道。例如APC基因(R623R, H652H, R653R)与家族性腺瘤样息肉[22,23]、ATM基因(S706S, S1135S)与运动失调性毛细血管扩张症[22]、CYP27A1基因(G112G)与脑腱黄瘤病[22]、PAH基因(V399V)与苯丙酮尿症[22]、TGFBR2基因(Q508Q)与马凡氏综合征等[24]。

　　值得一提的是最近Sauna等对多耐药基因(multidrug resistance 1, MDR1)的研究。MDR1编码P糖蛋白(P-gp)参与多种药物的吸收、分布、代谢、排泄及毒性反应(ADEMT)[25]。1236C>T/2677G>T/3435C>T是中国、印度及日本等人群中最常见的单倍体型,分布频率可达31%~49%[26],其中1236C>T, 3435C>T为同义SNP和2677G>T为非同义SNP。此单倍体型携带者对环孢素A及维拉帕米的逆向转运能力降低[27]。依照生化经典理论,"蛋白质一级结构决定空间结构, 氨基酸序列相同,一般不改变蛋白质空间结构和功能。" 最初推测P-gp的功能改变由其非同义SNP(2677G>T)所决定。Kimchi-Sarfaty等采用瞬时表达系统表达了多种MDR1变异体,用流式细胞仪分析不同变异体蛋白对荧光标记底物的转运能力。结果发现单独非同义SNP并不改其转运能力。而且此单倍体型变异基因可转录完整的全长mRNA,蛋白表达水平及定位无变化,氨基酸测序完全正确。排除了因使用罕见密码子导致蛋白翻译速度、mRNA稳定性及拼接异常等可能机制。那么是否蛋白质的结构发生了改变?随后,采用结构特异性抗P-gp抗体(UIC2),发现单倍型和野生型P-gp存在抗体反应性的差异,证实存在细微的空间结构改变。这无疑对"同义SNP不影响蛋白结构和功能"的传统观念提出了挑战。

　　蛋白质在翻译过程中同步进行肽链折叠,肽链内已折叠和非折叠区相互接触和相互作用,随时影响瞬时及最终的蛋白质结构[28]。蛋白质折叠除受到热效学控制(thermodynamic control),即传统的氨基酸组成决定相互间的能量关系,决定蛋白质折叠取向和决定空间结构。还存在动力学控制(kinetic control)机制,恰当的翻译速度和翻译停顿可能是保证正确折叠的必要条件[29]。同义SNP改变密码子选择和使用,可能影响蛋白折叠的动力学控制, 1236C>T/2677G>T/3435C>T单倍体型可能正是由于密码子的替换,改变了翻译速度或节奏,引起P-gp蛋白局部结构的细微改变,改变对底物或调节分子的亲和力。

　　同义SNP对蛋白结构的影响尽管看似微弱,但对其功能及相关临床表型可能产生不可忽视的作用。尤其是多基因复杂性疾病,每个相关基因在发病所起作用都较微弱。疾病是多种变异效果的相互叠加和协同效应的结果。同义SNP的研究不仅从理论上对蛋白质空间结构的决定条件提出了新的观点,同时使我们重新审视以往在基因多态性筛查、分子标志鉴定中所忽略的同义SNP,它占编码区SNP的一半数量,极可能是被长期漠视的一个宝藏。