MUC5B啟動子rs35705950基因多態性與特發性肺纖維化研究進展

蔣國良 鄒麗君 韓媛媛 孟婕

1中南大學湘雅醫院呼吸與危重癥醫學科,長沙 410008;2中南大學湘雅三醫院呼吸與危重癥醫學科 器官纖維化湖南省重點實驗室,長沙 410013

特發性肺纖維化 (idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)是一種病因不明的慢性、進行性、致死性間質性肺疾病。環境因素與遺傳因素共同參與了IPF的發病。隨著基因測序技術的不斷發展,全基因組關聯研究在探索與IPF 發病相關的遺傳因素方面起到了積極的作用。目前采用全基因組關聯研究發現ELMOD2基因、端粒酶基因、表面活性蛋白基因、MUC5B 基因均與IPF 遺傳易感性相關。其中MUC5B啟動子rs35705950基因多態性被認為是IPF 最強的風險因素。

1 IPF

IPF是特發性間質性肺炎最常見的類型,其病因尚不明確,老年男性多見,組織病理和/或影像表現為普通型間質性肺炎,臨床表現為逐漸加重的呼吸困難,確診后中位生存期為3～5 年。在流行病學方面,Nalysnyk 等[1]回顧性分析了自1990年到2011年IPF 全球流行病學數據,發現美國IPF發病率為6.8/10萬～8.8/10萬,患病率為14/10萬～27.9/10 萬;歐洲IPF 發病率為0.22/10 萬～7.4/10萬,患病率為1.25/10 萬～23.4/10 萬,并且呈現上升的趨勢。Natsuizaka等[2]發現日本北海道地區IPF 的累積發病率和患病率分別為2.23/10 萬和10/10 萬。中國目前尚缺乏相關流行病學數據。依據目前的數據,各地區IPF發病率和患病率有所不同,這可能與環境以及種族等因素有關[2]。

研究表明,環境因素與遺傳因素共同參與了IPF 的發病。家族性肺纖維化約占總IPF 患者的2%～20%,常表現為常染色體顯性遺傳[3]。家族性肺纖維化診斷標準為一個家庭中有2名或2名以上家庭成員發生IPF。目前針對家族性肺纖維化患者的全基因組關聯研究顯示ELMOD2基因[4]、端粒酶基因[5]、表面活性蛋白基因[6]、MUC5B基因[7]與家族性肺纖維化相關。

2 MUC5B

MUC5B是氣道分泌的一種黏蛋白成分,人類黏蛋白基因MUC5B 與MUC6、MUC2 和MUC5AC 在 染 色 體11p15.5上串聯出現[8]。氣道分泌的主要黏蛋白成分是MUC5AC和MUC5B。MUC5AC 主要分布在近端氣道中,由氣道表面的分泌細胞如杯狀細胞產生;而MUC5B 在近端氣道中表達較少,主要由氣道黏膜下腺黏液細胞分泌。在氣道遠端的細支氣管 (缺少軟骨或腺體的小氣道)中,幾乎沒有MUC5AC存在,MUC5B占主導,由氣道表面的分泌細胞 (如Club細胞和杯狀細胞)分泌[9-11]。在正常的肺中,黏液負責捕獲吸入的顆粒,并通過纖毛運動和咳嗽的力量將它們運輸出氣道。同時,黏液也有助于清除內源性碎片,包括死亡的上皮細胞和白細胞。因此,黏蛋白在清除氣道異物、抵御微生物入侵、調節氣道炎癥、維護正常氣道功能方面發揮重要的作用。在哮喘患者中,MUC5AC的表達顯著且持續增加,而MUC5B 的表達減少,這與變態反應導致的氣道炎癥相關[11]。而在COPD、IPF以及囊性纖維化患者中可發現MUC5B表達增加[12-13]。因此,黏蛋白的異常表達在這些肺部疾病的發生發展過程中扮演著關鍵的角色。有研究指出,MUC5AC 敲除小鼠生存并不受影響,而MUC5B 敲除小鼠肺組織表現出支氣管增生和化生、間質增厚、肺泡塌陷、免疫細胞浸潤、彈性蛋白纖維碎片化和膠原沉積,有20%出現呼吸衰竭,多數因肺部感染而死亡[14-15]。這表明MUC5B 在維持氣道穩態方面起到主導作用。

3 MUC5B啟動子基因多態性與IPF相關性研究

Seibold等[7]通過對83例家族性IPF患者、492例散發IPF患者以及322名正常對照者進行全基因組關聯分析研究,發現19個單核苷酸多態性與散發和家族性IPF 相關,其中5個在MUC5B 啟動子區,rs35705950 位點的突變被證實與IPF 相關性最強。Wang等[16]對405例間質性肺疾病患者 (其中163例IPF患者)及2 043例健康對照者進行MUC5B 啟動子rs35705950 的基因多態性分析,發現MUC5B啟動子rs35705950基因多態性與中國男性IPF 患者遺傳易感性相關。Wang等[17]的研究納入79例IPF患者以及200名健康對照者,通過對MUC5B 啟動子基因多態性進行檢測,發現MUC5B啟動子rs868903 CT/CC類型與IPF患者較大范圍的蜂窩狀改變顯著相關,首次證實MUC5B啟動子rs868903基因多態性與高分辨率CT 上蜂窩狀陰影的程度及病死率相關。這表明MUC5B 啟動子區單核苷酸多態性可能是與IPF 發病相關的重要遺傳因素。目前,MUC5B啟動子rs35705950 多態性與IPF 患者的遺傳易感性的研究最為廣泛,已經在多個國家以及種族中得到驗證,包括美國、歐洲、日本以及中國等[7,16,18-19]。盡管MUC5B啟動子rs35705950基因多態性與IPF 的發生發展密切相關,仍然有許多rs35705950突變的個體沒有發展成IPF[20]。因此,即使存在相同的遺傳變異,不同的個體的表現也不完全相同。這可能與表觀遺傳學[21]、其他突變的影響[17,22]、轉錄因子的調控[23]等因素有關。

4 MUC5B啟動子rs35705950基因多態性與IPF發病機制研究

MUC5B啟動子基因多態性在IPF 發生發展中起到重要的作用。MUC5B 啟動子rs35705950 突變導致MUC5B表達上調,但MUC5B的表達增加影響IPF 發生發展的機制目前尚未完全闡明。既往認為IPF的發生發展主要涉及肺泡區[24],但在隨后的研究中發現普通型間質性肺炎常伴有遠端氣道病變,如支氣管擴張、支氣管管壁增厚等[25]。因此,遠端氣道病變在IPF 的發生發展中也起重要作用。而MUC5B是遠端氣道主要黏蛋白成分。

在臨床上因ARDS或壞死性肺炎而突然大量喪失肺組織的患者往往在6個月內可以恢復肺功能。在這一過程中,肺上皮干細胞的增殖與分化在肺組織的損傷修復中起到了決定性作用。人呼吸道不同部位的上皮干細胞類型不同,如氣管/支氣管中的p63+/Krt5+基底細胞、細支氣管中的亞型克拉拉細胞分泌蛋白表達細胞、終末細支氣管中的基底細胞以及肺泡中的AT2 細胞[26]等。Zuo等[27]發現感染H1N1流感病毒的小鼠會在肺臟的炎癥之后完全喪失一些重要的肺部結構和細胞類型。然而在數周后,小鼠的肺臟會逐漸恢復,這一修復過程與遠端氣道中p63+/Krt5+肺干細胞密切相關。在博來霉素誘導的肺纖維化小鼠模型中,肺組織嚴重損傷及纖維化區域發現Krt5+肺上皮干細胞[28],提示來源于終末細支氣管的干細胞參與了肺部纖維化的修復。在IPF/普通型間質性肺炎患者的組織病理中可見顯微鏡下的蜂窩囊腫,MUC5B 免疫組織化學染色顯示MUC5B在顯微鏡下的蜂窩囊腫中密集堆積,蜂窩囊腫里的細胞表現出纖毛細胞和遠端上皮細胞的表型特征[7,29],提示干細胞的異常分化。40%的IPF患者的肺組織樣本高度富集纖毛基因和MUC5B 的轉錄本,這與顯微鏡下的蜂窩狀結構相符。因此,異常增多的MUC5B 可能擾亂了肺上皮干細胞在肺部損傷修復過程中正常的發育途徑,并破壞了遠端肺的正常修復機制,導致慢性纖維增生和蜂窩囊腫的形成[29]。影響遠端氣道肺干細胞正常分化可能是MUC5B啟動子rs35705950基因多態性導致IPF 發生發展的一種機制。

MUC5B在保持氣道清潔、維護氣道環境穩態方面起到重要的作用。但過多的MUC5B 會導致吸入物質 (空氣污染物、香煙煙霧中的顆粒和化學物質、微生物等)的過度滯留,損傷纖毛細胞功能[30-31],導致持續的肺部損傷。隨著時間的推移,肺損傷的病灶會導致持續性的纖維增生,瘢痕組織取代正常的肺組織,從而導致肺部的纖維化。吸煙是IPF形成的一個強危險因素,其導致IPF的機制也可能與支氣管黏膜長期損傷相關,從而導致黏膜宿主防御缺陷及隨后的間質損傷。另外,在健康條件下,傳導氣道內存在多纖毛細胞,并通過電解質和滲透分子的穩態來維持頂端的活動纖毛團的正常結構和功能,其中黏蛋白在維持穩態方面起到十分重要的作用。黏膜損傷后通過激活基底細胞使其完全分化為黏液腺細胞和纖毛細胞進行修復。在這個修復過程中,初級纖毛先于運動纖毛產生,而初級的非運動纖毛是纖毛細胞發育分化過程中信號轉導所必需的[32]。在黏蛋白過度產生的情況下或者當電解質平衡被破壞時,基底細胞被異常激活及異常分化,有研究檢測了IPF患者肺組織中纖毛特征,發現在肺損傷修復區域及蜂窩囊腫中許多分化的纖毛細胞保留初級纖毛,頂端運動纖毛發育不良[33]。因此,MUC5B 過度產生導致吸入物質在肺內潴留以及纖毛細胞異常修復,從而產生慢性肺損傷,可能是MUC5B啟動子rs35705950基因多態性導致IPF 發生發展的一種機制。

氣道黏蛋白是高度糖基化的大分子化合物[14],當MUC5B啟動子rs35705950 發生突變,MUC5B 的轉錄和MUC5B的轉錄后加工增強,內質網負荷增加,可能會導致內質網應激和未折疊蛋白反應。適應性未折疊蛋白反應試圖通過聯合協調3種不同的反應來恢復正常的蛋白質折疊:IRE1/XBP1、PERK/ATF4 和BIP/ATF6[34]。未折疊蛋白反應的這3條分子通路會增加蛋白質折疊過程中伴侶蛋白的表達,協助蛋白質分子形成正常的折疊形態或者減少蛋白質的表達以減輕內質網的負荷[35]。但如果適應性未折疊蛋白反應不能維持內質網中蛋白的平衡,內質網中異常蛋白的積累將誘導內質網應激,導致未折疊蛋白反應分子通路持續激活,促使IRE1α激酶過度磷酸化和隨后的核糖核酸酶過度激活,從而促進細胞凋亡。有研究證明在博來霉素誘導的肺纖維化小鼠模型中,抑制IRE1/XBP1通路可以明顯減輕小鼠肺纖維化程度[36]。內質網應激和未折疊蛋白反應可以調節肺泡上皮細胞凋亡、上皮-間質轉化、肌成纖維細胞分化和M2巨噬細胞極化[37],從而導致肺組織長期慢性損傷,并干擾了正常上皮對損傷、傷口愈合和組織修復的反應。而IPF的發生與反復的肺泡損傷后導致的上皮-間質轉化、肌成纖維細胞激活、膠原蛋白的沉積密切相關。

目前提出的假說強調了MUC5B 表達過多對氣道慢性損傷及對肺干細胞發育及分化的影響,遠端氣道、纖毛、肺泡細胞均可能參與了IPF的發生發展,但其具體機制尚不完全明確,仍需要進一步研究。

5 MUC5B啟動子rs35705950基因多態性在早期篩查、評估IPF嚴重程度及預后中的作用

咳嗽通常是IPF的首發癥狀,80%的IPF 患者存在慢性干咳[38]。Scholand等[39]發現萊斯特咳嗽問卷測量咳嗽的嚴重程度與MUC5B 啟動子rs35705950 多態性顯著相關,是萊斯特咳嗽問卷評分的獨立影響因素。在白人種群IPF患者中,MUC5B啟動子rs35705950 多態性與提高生存率顯著相關[13,40]。但在最近的一項針對中國漢族人群的研究中,MUC5B 啟動子rs35705950多態性與IPF 易感性、嚴重程度的增加和總生存率的降低有關[41]。這提示MUC5B啟動子基因多態性對生存的影響可能與種族有關。

IPF是一種慢性進展性疾病,多數人在診斷時肺部已經出現廣泛而不可逆的損傷,出現明顯呼吸系統癥狀。在疾病無癥狀期實現早期診斷、早期治療將延緩病情進展,提高生存質量。家族性間質性肺炎患者的親屬患肺纖維化的風險顯著增加。Mathai等[42]的研究納入來自263個家族性間質性肺炎患者家庭中的494例家族性間質性肺炎患者的親屬,通過高分辨率CT 發現15.7%的親屬肺部存在尚不能診斷為IPF的纖維化改變,即臨床前肺纖維化,其特征是可明確識別的胸部CT 異常,包括胸膜下網狀、蜂窩狀改變,牽拉性支氣管擴張,小葉結節和磨玻璃影等。臨床前肺纖維化和MUC5B啟動子rs35705950多態性顯著相關。因此,對于高危人群的早期篩查,IPF 患者的預后預測MUC5B啟動子基因多態性都是重要的參考因素。

6 總結與展望

隨著基因檢測技術的進步及普及,MUC5B 啟動子rs35705950多態性的檢測可以大規模推廣,可以對高危人群,如有家族性或偶發性IPF的患者的一級親屬,進行早期篩查以預測患病可能性,對確診IPF患者進行檢測以預測預后情況。目前,在全球范圍內已經批準用于治療IPF的藥物只有2種:吡非尼酮和尼達尼布。而MUC5B 啟動子基因多態性與IPF 具有顯著相關性,MUC5B 在IPF 病因學中的發現為理解IPF發病的基本機制提供了新的方向。對MUC5B參與IPF發病機制的不斷研究和認識,將會為未來治療IPF 的藥物研發提供重要的靶點。綜上所述,MUC5B啟動子基因多態性與IPF 的發生、發展密切相關,但具體機制尚未明確,仍需要更多的研究闡明MUC5B 與機體的相互作用,明確MUC5B參與IPF發病的主要途徑,為IPF的藥物研制提供新的靶點,這是針對未來IPF 治療的重要方向。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突