常染色体显性遗传性多囊肾病的遗传学发病机制

常染色体显性遗传性

多囊肾病的遗传学发病机制

尉春晓综述夏庆华审校

（山东大学附属省立医院泌尿微创中心，山东济南250014）

常染色体显性遗传性多囊肾病（autosomal dominant polycystic kidney disease，ADPKD）是最常见的单基因遗传性肾病［1］，但是其遗传学发病机制目前尚不明确，争议较大，存在多种学说。其中最为著名的是“二次打击”（two-hit）学说，它很好地解释了为何仅部分肾单位发生囊肿以及ADPKD 患者临床表型的差异性。然而，有证据表明齐———杂合子状态（trans-heterozygous）、单倍剂量不足（haplo-insufficiency）等所致Pkd基因的低表达（low-expression）、Pkd基因的过度表达（over-ex-pression）和修饰基因（modifier genes）突变等均可导致囊肿的形成。本文现就ADPKD的遗传学发病机制综述如下。

1“二次打击”（two-hit）学说

1．1学说的提出病理解剖研究发现，ADPKD患者的肾脏中仅有1% 5%的肾单位形成囊肿。同时，ADPKD患者家系之间和家系内部成员之间均有明显的表型差异。如果肾脏的每一个细胞均遗传有相同的原始突变基因，那么为什么仅小部分肾单位形成囊肿呢？

1996年Qian等［1］提出了等位基因体细胞突变学说，即“二次打击”（two-hit）学说。他们认为生殖细胞突变所致的Pkd1杂合子基因只是使受累者发生易感倾向，并不会导致囊肿形成。只有在“二次”因素如感染、毒素等环境因素影响下，正常的等位基因发生突变（体细胞突变）或缺失，囊肿才会形成。因此，虽然ADPKD是一种常染色体显性遗传病，但是在分子水平上却是一种隐性疾病。

1．2学说的证据

1．2．11型ADPKD的“二次打击”证据及动物模型研究该学说的一个直接证据是ADPKD患者肾脏囊肿上皮细胞中存在Pkd基因的杂合性丢失（1oss of heterozygosity，LOH）。所谓杂合性缺失（LOH）是一种分子现象，是指某一位点上两个等位基因中的一个缺失。Qian等［1］分析了来自5个Pkd1基因突变患者的76个囊肿，发现约17%的囊肿表现为LOH或者体细胞突变。Watnick等［2］研究发现ADPKD患者的肝脏囊肿中存在体细胞突变。另外两项研究［3，4］同样证实在ADPKD患者肾囊肿细胞中存在Pkd1基因的杂合性缺失。

Lu等［5］将剪接突变的Pkd1基因转入胚胎干细胞，建立了Pkd1基因突变的转基因小鼠。实验发现，纯合子小鼠多在胚胎期即死亡，且伴有多囊肾和肺发育不全等。杂合子小鼠则在出生后9 14个月出现多囊肾和多囊肝，并在一些所检测的囊肿中发现多囊蛋白缺乏。

1．2．22型ADPKD的“二次打击”证据及动物模型研究起初关于“二次打击”学说的研究主要针对1型ADPKD。鉴于1型ADPKD与2型在表型上的相似性，有学者提出该学说是否同样适用于2型ADPKD呢？Wu等［6］的研究证实在2型ADP-KD中同样存在体细胞突变。Pei等［7］提取了来自3名Pkd2基因突变患者54个肾脏和肝脏囊肿中的DNA进行研究。结果有5个囊肿存在杂合性缺失，另有7个囊肿存在体细胞突变。

2000年Wu等［8］建立了两种Pkd2转基因小鼠模型：WS25和WS183。WS25中含有不稳定等位基因（unstable allele），它可以通过基因内或基因间重组以及基因倒位等转变为无功能等位基因。WS183中含有无功能等位基因（null allele）。

WS25和WS183杂交后产生一种杂合子模型（Pkd2WS25/－）。结果发现Pkd2－/－小鼠在子宫内便发生死亡，其肾单位和胰管中均有囊肿形成。成年Pkd2WS25/－小鼠发生多囊肾，晚期出现肾功能衰竭。

2齐———杂合子状态（trans-heterozygous）

经典的“二次打击”学说是指单一的Pkd1或Pkd2基因发生二次突变，即生殖细胞突变在Pkd1基因的患者，其体细胞突变也在Pkd1基因，Pkd2亦然。然而，Koptides等［9］研究证实Pkd1基因和Pkd2基因的表达产物多囊蛋白1（PC1）和多囊蛋白2（PC2）协同表达并且相互作用，形成一复合物。同时发现在1型ADPKD患者的囊肿中不仅有Pkd1基因的体细胞突变，而且还有Pkd2基因的突变。因此他们认为，带有原始突变的Pkd1基因失活，而体细胞突变的发生在Pkd1基因或Pkd2基因，从而引起异常复合物的形成。即在ADPKD1患者带有一个原始突变的基础上，再发生Pkd2体细胞突变，反之亦然，这样就形成了齐———杂合子状态。绝大多数复合物都含有一个或多个突变的多囊蛋白1或多囊蛋白2分子，仅仅少部分复合物是正常的。这使多囊蛋白不足以支持正常的肾细胞生长和肾脏发育。2002年Wu等［10］通过小鼠模型对齐———杂合子状态进行了研究。他们首先建立了Pkd1（+/－）和Pkd2（+/－）小鼠模型，然后将这两种模型的小鼠杂交，从而获得了具有齐———杂合子状态的新小鼠模型———Pkd1（+/－）：Pkd2（+/－）。研究发现Pkd1（+/－）：Pkd2（+/－）小鼠较野生型小鼠、Pkd1（+/－）小鼠和Pkd2（+/－）小鼠有更多的囊肿形成，病情更严重。

3Pkd基因的低表达（low-expression）

3．1单倍剂量不足（haplo-insufficiency）所谓单倍剂量不足，是指一个等位基因突变后，另一个等位基因能正常表达，但这只有正常水平50%的蛋白质不足以维持细胞正常的生理功能。近年来，研究发现单倍剂量不足在ADPKD的分子发病机制中起重要作用，尤其在血管表现方面［11］。3．1．1Pkd1基因单倍剂量不足2006年Ahrabi 等［12］研究发现，与野生型小鼠相比，Pkd1（+/－）小鼠的抗利尿活性明显增高，尿中渗透压增高而血浆渗透压降低。Pkd1单倍剂量不足可导致Pkd1（+/－）小鼠水代谢异常（正平衡），并可引起肾脏集合管细胞内钙离子浓度下降以及水通道蛋白－2（AQP－2）在顶端膜（apical membrane）侧的聚集。这些变化在囊肿形成中具有重要作用。

2009年Morel等［13］首次发现与野生型小鼠相比，Pkd1（+/－）小鼠在30周龄时其收缩压显著升高、腹主动脉的收缩活性升高而舒张活性降低。同时Pkd1（+/－）小鼠主动脉中的钙离子信号降低而释放增加，与钙离子信号通路相关的蛋白浓度亦发生了显著改变。这表明Pkd1单倍剂量不足可导致Pkd1（+/－）小鼠主动脉的细胞内钙离子稳态改变、血管收缩活性增强以及相关蛋白浓度的变化。

3．1．2Pkd2基因单倍剂量不足2003年Qian 等［14］研究认为Pkd2单倍剂量不足可细胞内钙离子调节异常，从而与血管表型有关。Pkd2（+/－）小鼠血管中多囊蛋白2的表达水平约为野生型的一半，并且颅内血管异常发生率增高。鉴于钙离子信号通路在细胞外基质收缩、产生和分泌以及细胞增殖和凋亡中的重要作用，可以推测Pkd2单倍剂量不足在ADPKD囊肿形成中也发挥着重要作用。Chang等［15］研究发现在肾脏囊肿形成之前，Pkd2（+/－）小鼠肾脏的增生活性已经明显升高。在ADPKD患者肾脏中，尚未形成囊肿的肾小管的增生指数较正常对照组高出40倍。这表明Pkd2单倍剂量不足可引起囊肿形成之前肾小管细胞增生活性增强。

3．2功能部分缺失性（hypomorphic）Pkd基因除了单倍剂量不足导致的Pkd低表达外，近年来发现通过转基因手段获得功能部分缺失性Pkd基因的纯合子也表现出Pkd的低表达，从而导致囊肿的形成。

2004年Lantinga-van等［16］在Pkd1基因的内含子1中插入neo基因，使正常Pkd1等位基因突变为功能部分缺失性Pkd1等位基因———Pkd1（nl），从而培育出一种新的小鼠模型———Pkd1（nl/ nl）。该小鼠模型是Pkd1（nl）基因的纯合子。插入的基因序列可使内含子1发生异常剪接，导致在Pkd1（nl）基因的转录产物中仅15 20%为正常产物。Pkd（nl/nl）小鼠双侧肾脏均形成囊肿，同时伴有胰腺和肝脏管道的扩张以及心血管的异常。在去除neo基因后，小鼠的表型与野生型小鼠相同。