帕金森病的遗传学研究进展
帕金森病(Parkinson’s Disease, PD)是常见的老年神经系统变性病之一， 其发病机制至今仍不清楚。近年来流行病学调查，双生子研究以及作为孟德尔性状分离的家系遗传连锁分析等均证明PD 的发病具有遗传病原学原因，人们意识到遗传因素可能在PD 的发病中起重要作用。
表1. 与遗传性家族性PD 相关的基因
PARK2 基因名 染色体定位 α-synuclein Parkin 6q25 遗传类型 发病 晚发 AR 早发、青少年型
居多，晚发也有
AD
AD 独特的临床特点 震颤发生率较低 常出现异动症/肌张力障碍；慢性进展 晚发 某些患者有智力减退/痴呆 晚发 患者的一些亲属有
姿势性震颤；植物
神经功能障碍；痴
呆；疾病初期有体
重减轻
晚发 无
早发 病情进展慢
早发 局灶性的肌张力障
碍(Focal dystonia)；
慢性进展；精神症
状
晚发 无
早发，青少年型 痉挛；痴呆；核上
性眼肌麻痹
晚发 无 Lewy 小体 有 大部分无，个别报道有 有 有 PARK3 PARK4 2p13 4p14-16.3 PARK5 PARK6 PARK7 UCH-L1 DJ-1 4p14 1p35-36 1p36 AD AR AR 不清楚 不清楚 不清楚 PARK8 PARK9 PARK10 12p11.2-q13 1p36 1p32 AD AR 不清楚 不清楚 不清楚
目前，研究已发现10个染色体定位以孟德尔遗传方式与PD 连锁（见表1）。其中，5个涉及常染色体显性（Autosomal dominant,AD ）遗传，4个以常染色体隐性（Autosomal recessive,AR ）遗传方式传递，1个可能属于晚发性散发PD 。在这些染色体定位中有4个基因已被克隆：α-Synuclein （又名突触核蛋白）基因、parkin 基因、DJ-1基因和UCH-L1基因。他们的发现以及对他们导致神经元变性死亡的机制的研究将有助于我们了解PD 多巴胺神经元的死亡过程。
一、α-Synuclein 基因（PARK1）
α-synuclein 基因是在一个意大利裔美国大家系（Contursi 家族）中被首先发现的，属AD 遗传。连锁分析发现，致病基因定位于4q21-q23。进一步的分析确定编码α-synuclein 基因的3号外显子有突变。此错义突变导致53位的丙氨酸被苏氨酸替代（A53T ）。随后，在三个希腊早发ADPD 家系的受累个体中也发现了此突变。A30P 突变是在一个德国家系中发现的。但是到目前为止，仍仅有这两个点突变（Ala53Thr 和
Ala30Pro ）被确认，在其它大的PD 家系和不同种族的散发病例中未发现α-synuclein 的这些突变及其它突变，提示α-synuclein 相关性PD 可能仅见于少数源于欧洲的家系。
其临床表现在已发现的两类突变间是不同的：A53T 突变的患者临床特征与散发性
PD 有差异，包括起病年龄较早（平均发病年龄46.5岁），震颤发生率低，快速进展（一般从发病到死亡平均9.7年），以及其他一些不典型的症状和体征，如痴呆、肌阵挛和中枢性通气不足等。而A30P 突变的临床表型与散发性PD 则非常接近。
α-Synuclein 蛋白含140个氨基酸，主要在神经元表达。人们在电鳗的突触神经元、大鼠脑富含神经突触的区域以及Alzheimer 痴呆(Alzheimer disease，AD) 淀粉样斑块中均发现有其存在。尽管它可能在突触可塑性和囊泡调节及多巴胺释放上起一定作用，但直至目前，其正常功能仍不清楚。
将α-Synuclein 和散发PD 联系在一起的关键性证据是发现它是PD 的病理性特征性标志物——Lewy 小体的主要成分，提示其可能与Lewy 小体的形成相关。既往认为α-synuclein 突变导致α折叠到β片层的改变，导致α-synuclein 蛋白聚集，而Lewy 小体形成是导致PD 的病因。目前认为，纤维化聚集和包涵体形成并不是主要病机，寡聚化的初原纤维才是致病的病因。体外研究发现，当野生型α-Synuclein 浓度超过某一临界值时，就有形成致病性初原纤维聚积的可能，而突变的α-Synuclein 更易寡聚化。与A30P 突变体相比，A53T 突变的α-synuclein 更容易形成初原纤维。这可能部分解释了A30P 与散发性PD 相似的临床表形（其在体外实验中显示较低水平的α-synuclein 初原纤维的形成）。
二、Parkin 基因（PARK2）
parkin 基因首先在日本的常染色体隐性遗传的青少年型PD （Autosomal recessive Juvenile Parkinson’s Disease, AJPD）家系中被发现。该类患者除了有PD 的临床表现外, 发病年龄多在30岁以下，患者往往有足部的痛性痉挛，临床症状多在睡眠后减轻，且对左旋多巴治疗反应良好，但也容易合并异动症和“开-关“现象。1997年经连锁分析将此基因定位在第6号染色体的6q25.2～27。随后该基因被克隆，命名为“Parkin ”基因。在parkin 的基因型－表型关系方面以下几点已基本得到大家公认：1）有parkin 基因突变的患者平均发病年龄比无突变者早；2）突变的等位基因数目与发病年龄成反比；3）有突变者更可能出现对称发病及肌张力障碍；4）有parkin 突变的患者对左旋多巴反应较好, 但容易出现左旋多巴引起的运动障碍等副作用；5）有突变者病情进展慢，病程长；6）突变数目与患者中阳性家族史比率成正比。
Parkin 基因全长1.5Mb ，有12个外显子，编码序列为1395bp ，所编码蛋白含465个氨基酸。免疫组化显示，Parkin 蛋白在大脑，特别是黑质区有丰富表达，而ARJP 患者脑内缺乏Parkin 蛋白的表达。研究证实，parkin 作为E3泛素－蛋白连接酶参与蛋白降解。泛素－蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system, UPS）负责胞浆内、膜内和内质网分泌通路内异常蛋白的分解代谢，是降解胞内异常蛋白的基本生化通路，其功能障碍将导致异常蛋白的聚积和细胞死亡。而parkin 基因的病理性突变将导致Parkin 蛋白功能障碍，导致酶活性减弱或丧失，必然影响机体对蛋白的调控和异常蛋白的清除。
parkin 的基因频率研究：在欧洲的早发PD 患者中，大约50％的家系患者和18％的散发患者均携带有parkin 基因的突变，但突变频率随着发病年龄的增加明显下降；在大于50岁发病的具有家族史的晚发PD 患者中，parkin 基因的突变频率也有11.2％。目前，已经在东、西方，涉及十余个国家不同种族的家系或散发PD 患者中发现了大量parkin 基因的突变，这提示parkin 相关性PD 在全世界范围的广泛分布，也说明parkin 基因突变对PD 发病机制方面的重要作用。
三、DJ-1基因（PARK7）
DJ-1基因突变首先是在荷兰和意大利两个AR 遗传的早发PD 家系中发现的。DJ-1
是继parkin 之后第二个最常见的PD 遗传性致病基因。在荷兰家系中发现DJ-1基因的一种14kb 的大片断缺失，缺失范围涵盖了1~5号外显子。在意大利家系中发现DJ-1基因的一个L166P 的点突变。到目前为止，已发现的DJ-1突变有11种，包括点突变和大片断缺失。但DJ-1的突变频率还是相当低，在散发性早发PD 中的突变频率为1％左右，晚发PD 中尚未发现DJ-1突变。
DJ-1相关性PD 具有典型的帕金森综合症表现：早发（平均发病年龄在30多岁至40余岁之间），病程长，对左旋多巴反应敏感。此外，还有精神、行为紊乱（psychiatric and behavioral disturbances ）等非特异性表现。PET 检测显示，与典型PD 相比，DJ-1突变患者的壳核/尾状核多巴胺神经末梢功能障碍更明显。总之，该类PD 与parkin 突变导致的PD 及PARK6相关性PD 非常相似，与特发性PD 也有很多相同之处。
研究发现，DJ-1 基因定位于染色体1p36，长24kb ，含7个外显子（其中外显子1有A/B两种可变剪接方式，为非编码区），外显子2~7包含开放阅读框，编码含189个氨基酸的“DJ-1”蛋白。
DJ-1的生理功能目前还不清楚，可能的作用包括细胞周期的调节，肿瘤的发生，精子成熟和受精，基因转录调控，调节mRNA 稳定性和参与细胞应激反应等。在人类和鼠细胞系，DJ-1是氢过氧化物反应性蛋白，即在H 2O 2或杀虫剂——百草枯等氧化刺激物
存在的情况下它可转变成酸性异构体，这提示DJ-1可能是一种抗氧化蛋白。在氧化应激下，DJ-1的等电点pI 在6.2-5.8之间变化，提示DJ-1可与活性氧类反应，通过降低自身的等电点来消除活性氧类的毒性。这些研究结果提示，DJ-1可能作为体内的抗氧化物质或是氧化应激的感受器，其参与氧化应激反应的途径可以是直接参与缓冲胞浆内的氧化还原状态，也可通过在转录及转录后水平或是与转录因子相互作用，通过调控基因表达来实现。此外，有证据表明PD 的神经元损伤与内质网应激有关。而内源性DJ-1的下降可增加内质网应激对神经元的损伤。因此有人认为DJ-1的保护作用可能在一定程度上归因于DJ-1的抗氧化活性，因为内质网应激可引起内源性过氧化物的聚集，促进氧化应激的发生。
四、UCH-L1基因（PARK5）
泛素羰基末端水解酶（UCH-L1）基因定位于染色体4p14，共有9个外显子，全长10 kb ，包含212个氨基酸。免疫组化显示，UCH-L1高度特异性地分布于神经原。Northern 印迹分析发现UCH －L1在所有脑区均有表达，尤其见于黑质。免疫荧光发现，Lewy 小体内UCH －L1染色阳性，提示它可能参与了蛋白酶体降解通路。
目前仅发现一来自德国的ADPD 家系姐弟两人的单个突变（I93M ）。临床表型类似PD 。起始症状为静止性震颤，姐姐51岁起病，弟弟49岁起病。逐渐发展为僵直，运动迟缓及姿势不稳，但对左旋多巴类治疗反应良好。对不同种族背景的500条染色体进行了对照研究，未发现此突变。此外，对不同种族的PD 患者和对照进行了此基因的筛查，均未发现此突变, 这提示该突变不是PD 的常见病因。
有人对11个ADPD 家系进行了UCH-L1的整个编码区测序，发现了3号外显子区S18Y 多态性。其在白种人的频率约为20％，提示S18Y 是一个无害多态。随后对不同种族的散发性病例和对照的研究均证实S18Y 多态性与PD 发病呈负相关, 是个保护性因素。最近，有研究用collaborative pooled analysis 的方法分析了所有已发表的，有关UCH-L1基因的S18Y 多态性和PD 发病间关系的资料，共纳入了1970例病人和2224例对照，发现S18Y 多态性与PD 之间存在统计学的显著性负相关。
功能研究发现，UCH-L1既具有泛素水解酶活性，也具有泛素－泛素连接酶活性。I93M 突变明显降低了水解酶活性，影响了泛素单体循环，也降低了细胞降解蛋白的能力，
可能导致各种蛋白聚积，最后引起神经原死亡。而S18Y 多态性在保持正常的水解酶活性的同时，明显降低了连接酶活性，促进了泛素循环，有利于保持细胞内泛素池，增强了细胞降解蛋白的能力。
总之，虽然单基因遗传性PD 仅占PD 总数的一小部分，但对这些基因及其蛋白产物功能进行深入研究具有重要意义。综上所述，已克隆的4个基因均与泛素－蛋白酶体降解通路和/或氧化应激相关，这不仅能够帮助我们揭示家族性帕金森病的发病机制，也能促进我们加深对散发性帕金森病发病机理的了解。
帕金森病的遗传学研究进展
帕金森病(Parkinson’s Disease, PD)是常见的老年神经系统变性病之一， 其发病机制至今仍不清楚。近年来流行病学调查，双生子研究以及作为孟德尔性状分离的家系遗传连锁分析等均证明PD 的发病具有遗传病原学原因，人们意识到遗传因素可能在PD 的发病中起重要作用。
表1. 与遗传性家族性PD 相关的基因
PARK2 基因名 染色体定位 α-synuclein Parkin 6q25 遗传类型 发病 晚发 AR 早发、青少年型
居多，晚发也有
AD
AD 独特的临床特点 震颤发生率较低 常出现异动症/肌张力障碍；慢性进展 晚发 某些患者有智力减退/痴呆 晚发 患者的一些亲属有
姿势性震颤；植物
神经功能障碍；痴
呆；疾病初期有体
重减轻
晚发 无
早发 病情进展慢
早发 局灶性的肌张力障
碍(Focal dystonia)；
慢性进展；精神症
状
晚发 无
早发，青少年型 痉挛；痴呆；核上
性眼肌麻痹
晚发 无 Lewy 小体 有 大部分无，个别报道有 有 有 PARK3 PARK4 2p13 4p14-16.3 PARK5 PARK6 PARK7 UCH-L1 DJ-1 4p14 1p35-36 1p36 AD AR AR 不清楚 不清楚 不清楚 PARK8 PARK9 PARK10 12p11.2-q13 1p36 1p32 AD AR 不清楚 不清楚 不清楚
目前，研究已发现10个染色体定位以孟德尔遗传方式与PD 连锁（见表1）。其中，5个涉及常染色体显性（Autosomal dominant,AD ）遗传，4个以常染色体隐性（Autosomal recessive,AR ）遗传方式传递，1个可能属于晚发性散发PD 。在这些染色体定位中有4个基因已被克隆：α-Synuclein （又名突触核蛋白）基因、parkin 基因、DJ-1基因和UCH-L1基因。他们的发现以及对他们导致神经元变性死亡的机制的研究将有助于我们了解PD 多巴胺神经元的死亡过程。
一、α-Synuclein 基因（PARK1）
α-synuclein 基因是在一个意大利裔美国大家系（Contursi 家族）中被首先发现的，属AD 遗传。连锁分析发现，致病基因定位于4q21-q23。进一步的分析确定编码α-synuclein 基因的3号外显子有突变。此错义突变导致53位的丙氨酸被苏氨酸替代（A53T ）。随后，在三个希腊早发ADPD 家系的受累个体中也发现了此突变。A30P 突变是在一个德国家系中发现的。但是到目前为止，仍仅有这两个点突变（Ala53Thr 和
Ala30Pro ）被确认，在其它大的PD 家系和不同种族的散发病例中未发现α-synuclein 的这些突变及其它突变，提示α-synuclein 相关性PD 可能仅见于少数源于欧洲的家系。
其临床表现在已发现的两类突变间是不同的：A53T 突变的患者临床特征与散发性
PD 有差异，包括起病年龄较早（平均发病年龄46.5岁），震颤发生率低，快速进展（一般从发病到死亡平均9.7年），以及其他一些不典型的症状和体征，如痴呆、肌阵挛和中枢性通气不足等。而A30P 突变的临床表型与散发性PD 则非常接近。
α-Synuclein 蛋白含140个氨基酸，主要在神经元表达。人们在电鳗的突触神经元、大鼠脑富含神经突触的区域以及Alzheimer 痴呆(Alzheimer disease，AD) 淀粉样斑块中均发现有其存在。尽管它可能在突触可塑性和囊泡调节及多巴胺释放上起一定作用，但直至目前，其正常功能仍不清楚。
将α-Synuclein 和散发PD 联系在一起的关键性证据是发现它是PD 的病理性特征性标志物——Lewy 小体的主要成分，提示其可能与Lewy 小体的形成相关。既往认为α-synuclein 突变导致α折叠到β片层的改变，导致α-synuclein 蛋白聚集，而Lewy 小体形成是导致PD 的病因。目前认为，纤维化聚集和包涵体形成并不是主要病机，寡聚化的初原纤维才是致病的病因。体外研究发现，当野生型α-Synuclein 浓度超过某一临界值时，就有形成致病性初原纤维聚积的可能，而突变的α-Synuclein 更易寡聚化。与A30P 突变体相比，A53T 突变的α-synuclein 更容易形成初原纤维。这可能部分解释了A30P 与散发性PD 相似的临床表形（其在体外实验中显示较低水平的α-synuclein 初原纤维的形成）。
二、Parkin 基因（PARK2）
parkin 基因首先在日本的常染色体隐性遗传的青少年型PD （Autosomal recessive Juvenile Parkinson’s Disease, AJPD）家系中被发现。该类患者除了有PD 的临床表现外, 发病年龄多在30岁以下，患者往往有足部的痛性痉挛，临床症状多在睡眠后减轻，且对左旋多巴治疗反应良好，但也容易合并异动症和“开-关“现象。1997年经连锁分析将此基因定位在第6号染色体的6q25.2～27。随后该基因被克隆，命名为“Parkin ”基因。在parkin 的基因型－表型关系方面以下几点已基本得到大家公认：1）有parkin 基因突变的患者平均发病年龄比无突变者早；2）突变的等位基因数目与发病年龄成反比；3）有突变者更可能出现对称发病及肌张力障碍；4）有parkin 突变的患者对左旋多巴反应较好, 但容易出现左旋多巴引起的运动障碍等副作用；5）有突变者病情进展慢，病程长；6）突变数目与患者中阳性家族史比率成正比。
Parkin 基因全长1.5Mb ，有12个外显子，编码序列为1395bp ，所编码蛋白含465个氨基酸。免疫组化显示，Parkin 蛋白在大脑，特别是黑质区有丰富表达，而ARJP 患者脑内缺乏Parkin 蛋白的表达。研究证实，parkin 作为E3泛素－蛋白连接酶参与蛋白降解。泛素－蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system, UPS）负责胞浆内、膜内和内质网分泌通路内异常蛋白的分解代谢，是降解胞内异常蛋白的基本生化通路，其功能障碍将导致异常蛋白的聚积和细胞死亡。而parkin 基因的病理性突变将导致Parkin 蛋白功能障碍，导致酶活性减弱或丧失，必然影响机体对蛋白的调控和异常蛋白的清除。
parkin 的基因频率研究：在欧洲的早发PD 患者中，大约50％的家系患者和18％的散发患者均携带有parkin 基因的突变，但突变频率随着发病年龄的增加明显下降；在大于50岁发病的具有家族史的晚发PD 患者中，parkin 基因的突变频率也有11.2％。目前，已经在东、西方，涉及十余个国家不同种族的家系或散发PD 患者中发现了大量parkin 基因的突变，这提示parkin 相关性PD 在全世界范围的广泛分布，也说明parkin 基因突变对PD 发病机制方面的重要作用。
三、DJ-1基因（PARK7）
DJ-1基因突变首先是在荷兰和意大利两个AR 遗传的早发PD 家系中发现的。DJ-1
是继parkin 之后第二个最常见的PD 遗传性致病基因。在荷兰家系中发现DJ-1基因的一种14kb 的大片断缺失，缺失范围涵盖了1~5号外显子。在意大利家系中发现DJ-1基因的一个L166P 的点突变。到目前为止，已发现的DJ-1突变有11种，包括点突变和大片断缺失。但DJ-1的突变频率还是相当低，在散发性早发PD 中的突变频率为1％左右，晚发PD 中尚未发现DJ-1突变。
DJ-1相关性PD 具有典型的帕金森综合症表现：早发（平均发病年龄在30多岁至40余岁之间），病程长，对左旋多巴反应敏感。此外，还有精神、行为紊乱（psychiatric and behavioral disturbances ）等非特异性表现。PET 检测显示，与典型PD 相比，DJ-1突变患者的壳核/尾状核多巴胺神经末梢功能障碍更明显。总之，该类PD 与parkin 突变导致的PD 及PARK6相关性PD 非常相似，与特发性PD 也有很多相同之处。
研究发现，DJ-1 基因定位于染色体1p36，长24kb ，含7个外显子（其中外显子1有A/B两种可变剪接方式，为非编码区），外显子2~7包含开放阅读框，编码含189个氨基酸的“DJ-1”蛋白。
DJ-1的生理功能目前还不清楚，可能的作用包括细胞周期的调节，肿瘤的发生，精子成熟和受精，基因转录调控，调节mRNA 稳定性和参与细胞应激反应等。在人类和鼠细胞系，DJ-1是氢过氧化物反应性蛋白，即在H 2O 2或杀虫剂——百草枯等氧化刺激物
存在的情况下它可转变成酸性异构体，这提示DJ-1可能是一种抗氧化蛋白。在氧化应激下，DJ-1的等电点pI 在6.2-5.8之间变化，提示DJ-1可与活性氧类反应，通过降低自身的等电点来消除活性氧类的毒性。这些研究结果提示，DJ-1可能作为体内的抗氧化物质或是氧化应激的感受器，其参与氧化应激反应的途径可以是直接参与缓冲胞浆内的氧化还原状态，也可通过在转录及转录后水平或是与转录因子相互作用，通过调控基因表达来实现。此外，有证据表明PD 的神经元损伤与内质网应激有关。而内源性DJ-1的下降可增加内质网应激对神经元的损伤。因此有人认为DJ-1的保护作用可能在一定程度上归因于DJ-1的抗氧化活性，因为内质网应激可引起内源性过氧化物的聚集，促进氧化应激的发生。
四、UCH-L1基因（PARK5）
泛素羰基末端水解酶（UCH-L1）基因定位于染色体4p14，共有9个外显子，全长10 kb ，包含212个氨基酸。免疫组化显示，UCH-L1高度特异性地分布于神经原。Northern 印迹分析发现UCH －L1在所有脑区均有表达，尤其见于黑质。免疫荧光发现，Lewy 小体内UCH －L1染色阳性，提示它可能参与了蛋白酶体降解通路。
目前仅发现一来自德国的ADPD 家系姐弟两人的单个突变（I93M ）。临床表型类似PD 。起始症状为静止性震颤，姐姐51岁起病，弟弟49岁起病。逐渐发展为僵直，运动迟缓及姿势不稳，但对左旋多巴类治疗反应良好。对不同种族背景的500条染色体进行了对照研究，未发现此突变。此外，对不同种族的PD 患者和对照进行了此基因的筛查，均未发现此突变, 这提示该突变不是PD 的常见病因。
有人对11个ADPD 家系进行了UCH-L1的整个编码区测序，发现了3号外显子区S18Y 多态性。其在白种人的频率约为20％，提示S18Y 是一个无害多态。随后对不同种族的散发性病例和对照的研究均证实S18Y 多态性与PD 发病呈负相关, 是个保护性因素。最近，有研究用collaborative pooled analysis 的方法分析了所有已发表的，有关UCH-L1基因的S18Y 多态性和PD 发病间关系的资料，共纳入了1970例病人和2224例对照，发现S18Y 多态性与PD 之间存在统计学的显著性负相关。
功能研究发现，UCH-L1既具有泛素水解酶活性，也具有泛素－泛素连接酶活性。I93M 突变明显降低了水解酶活性，影响了泛素单体循环，也降低了细胞降解蛋白的能力，
可能导致各种蛋白聚积，最后引起神经原死亡。而S18Y 多态性在保持正常的水解酶活性的同时，明显降低了连接酶活性，促进了泛素循环，有利于保持细胞内泛素池，增强了细胞降解蛋白的能力。
总之，虽然单基因遗传性PD 仅占PD 总数的一小部分，但对这些基因及其蛋白产物功能进行深入研究具有重要意义。综上所述，已克隆的4个基因均与泛素－蛋白酶体降解通路和/或氧化应激相关，这不仅能够帮助我们揭示家族性帕金森病的发病机制，也能促进我们加深对散发性帕金森病发病机理的了解。