缺血性卒中的基因組學研究進展

缺血性卒中現已成為導致成年人殘疾和死亡的主要疾病之一，給經濟和社會帶來沉重負擔。其病因複雜，除年齡、性別、高血壓、糖尿病和吸煙等危險因素外，還具有明顯的遺傳傾向性。近年來，基因組學在冠心病、高血壓、糖尿病等多種常見的複雜性疾病研究中取得了顯著進展，並顯示其中一些參與了心血管病和代謝功能的基因突變，如血管緊張素轉換酶（angiotensin converting enzyme，ACE）基因插入或缺失突變以及載脂蛋白 E（apolipoprotein E，ApoE）基因突變產生的ε2、ε3、ε4

等位基因，也可能與缺血性卒中有關。然而，由於缺血性卒中具有異質性，既可能由單一危險因素所致，也可能由遺傳和環境等多種危險因素協同作用所致，故發病機制更加複雜，至今尚未明確證明一種易感基因是其遺傳致病因素。儘管如此，目前的遺傳學和基因組學研究仍然表明，基因多態性在缺血性卒中流行病學、病因學、病理生理學以及預防、診斷和治療中具有重要意義。現就近年來缺血性卒中的基因組學研究進展做一綜述。

1 缺血性卒中基因組學研究的常用方法

單核苷酸多態性（single nucleotide polymorphism.SNP）是研究基因突變和遺傳性疾病的最常用方法。每個 SNP

代表一個鹼基變化，現已知人約有 120

萬個 SNP，它們編碼或不編碼，影響蛋白質的表達和功能。由於相鄰 SNP

常常連鎖不平衡，因此如果將某個 SNP

進行基因分型，便能作為一種標記物為臨近的 SNP

提供遺傳信息。在全基因組學研究興起之前，研究人員主要利用基於 SNP

的連鎖分析和候選基因關聯研究識別缺血性卒中的遺傳基因，並取得了一定成果。

隨著人類全基因組圖譜的完成和計算機高通量技術的應用，缺血性卒中的遺傳機制研究很快轉向全基因組掃描研究，如全基因組連鎖分析（gnome-wide lineage analysis）和全基因組關聯研究（genome-wide association study，GWAS）。目前，GWAS

和生物信息學的綜合運用是缺血性卒中基因組學研究的最主要方法。此外，研究人員還通過結構遺傳變異、基因轉錄水平變異以及表觀遺傳學水平變異等結構基因組學和（或）功能基因組學研究方法，從基因的不同水平和層次進一步闡明缺血性卒中的遺傳機制。

2 缺血性卒中基因組學的主要研究結果

2.1 單基因遺傳性缺血性卒中

缺血性卒中的遺傳學研究分為 2

類——單基因遺傳和多基因遺傳。目前將患者年齡＜50

歲，無高血壓、高血脂和糖尿病等常見危險因素，且已明確基因突變並遵循孟德爾遺傳定律的缺血性卒中定義為單基因遺傳性缺血性卒中。雖然這種類型的缺血性卒中僅佔全部卒中類型的 1%，但其研究結果可靠，能為多基因遺傳性缺血性卒中的研究提供重要線索。

伴皮質下梗死和腦白質病的常染色體顯性遺傳性腦動脈病（cerebral autosomal dominant arteriopathy with subcortical infarcts and leukoencephalopathy，CADASIL）是最常見的外顯率較高的單基因缺血性卒中，臨床呈反覆發作的皮質下梗死、有先兆型偏頭痛、進行性認知損害和出現精神癥狀。CADASIL

患者在位於人染色體 19p13.1

區域的 Notch3

基因發生缺失性突變，這一發現為臨床篩查和診斷 CADASIL

提供了依據，並製備出 CADASIL

轉基因小鼠。然而，Notch3

基因通過何種機制誘發卒中的作用機制仍不清楚，可能由於 Notch3

基因突變，使其蛋白表達水平發生改變，引起血管平滑肌肌動蛋白骨架形成異常，導致小動脈管壁變厚和纖維化，血管內皮細胞損害以及腦血管自動調節功能障礙，從而誘發卒中。

法布雷病（Fabry disease）是青年卒中的主要病因之一，呈 X

連鎖隱性遺傳，由於α-

半乳糖苷酶基因突變引起酶部分或完全缺乏，造成糖脂、球形三脂醯基鞘氨醇聚積在不同器官的細胞膜和溶酶體而致多臟器損害。既可影響大動脈，亦可累及小血管，多見後循環腦梗死和白質病變。研究表明，法布雷病與白細胞介素（interleukin，IL）-6

墓因多態性、內皮型一氧化氮合酶、V

因子和 Z

蛋白有關，但確切機制有待深入研究。

鐮狀細胞病（sickle cell disease，SCD）是兒童卒中的常見病因，呈常染色體隱性遺傳，由於β-

球蛋白基因點突變使血紅蛋白 B

鏈 N

末端的谷氨酸被纈氨酸替代，形成異常血紅蛋白 S。SCD

主要累及大動脈，表現為可逆性腦白質病、腦靜脈血栓形成以及顱內和蛛網膜下腔出血，以分水嶺梗死較為多見，累及小動脈時可造成皮質下小梗死灶。

Sebastiani

等的研究顯示，胎兒血紅蛋白與細胞間黏附分子、P-

選擇素以及轉化生長因子 -β-

信號通路基因相互作用，調控卒中的發病風險，提示修飾基因多態性在單基因病中具有重要作用，也為多基因卒中的遺傳機制研究提供了線索。

其他單基因遺傳缺血性卒中包括常染色體顯性澱粉樣蛋白血管病、線粒體腦肌病伴高乳酸血症和卒中樣發作（mitochondrial encephalomyopathy，lacticacidosis，and Stroke-like episodes，MELAS）綜合征、高胱氨酸尿、Ehler-Danlos

綜合征、馬凡綜合征和 Maeda

綜合征等。利用基因組學研究方法，這些疾病的染色體定位和（或）致病基因均已被識別（表 1）。

2.2 多基因遺傳缺血性卒中的基因組學研究

大部分缺血性卒中不是由 1

個或幾個易感基因所致，而是由基因一基因和（或）基因一環境危險因素共同作用引發的多基因和多因素疾病，單個易感基因對錶型的影響很小（相對危險度 1.2～1.5）。近年來業已發現許多與缺血性卒中密切相關的功能性 SNP

或候選基因及其染色體定位（表 2）。

表

1 單基因遺傳缺血性卒中的染色體區域或致病基因

CADASIL：伴皮質下梗死和腦白質病的常染色體顯性遺傳性腦動脈病；HERNS：伴視網膜病、腎病、卒中的遺傳性內皮細胞病；SCD：鐮狀細胞病；MELAS：線粒體腦肌病伴高乳酸血症和卒中樣發作

表

2 多基因遺傳缺血性卒中的易感染色體區域（相關基因）及基因功能

1996

年，Rubattu

等最早通過對易卒中型自發性高血壓大鼠進行研究證明，3

個與心房和腦利鈉肽基因連鎖的數量性狀遺傳位點 -STR1～3

是獨立於原發性高血壓因素之外的複雜型卒中的遺傳致病因素。2007

年，Matarin

等首次利用 GWAS

研究檢測缺血性卒中的易感基因，儘管未發現任何單個區域與缺血性卒中明顯相關，但仍篩選出一些有意義的 SNP，且它們大多定位於已知熱點候選基因位點或鄰近位點。隨後，Bersano

等對眾多已知缺血性卒中候選基因進行評估發現，編碼因子 V、因子Ⅱ、ApoE、纖溶酶原激活抑制物 -1、血小板受體 GPIBA、ACE

和亞甲基四氫葉酸還原酶的基因與卒中風險顯著相關。此外，Meschia

等還在缺血性卒中同胞研究中發現，患病組染色體 3p

和 6p

處有 SNP

聚集，包括一氧化氮合酶基因，且與卒中發病年齡有關，提示一氧化氮合酶基因多態性參與了缺血性卒中的發病。這些結果表明，影響缺血性卒中的遺傳易感基因的數量和頻率在群體水平分布十分廣泛。值得注意的是，這些基因主要與腎素一血管緊張素 -

醛固酮系統、凝固和止血、炎症、同型半胱氨酸代謝、脂代謝、內皮細胞功能和細胞外基質功能等有關。缺血性卒中基因組學研究取得的重大進步是在冰島人群的家系研究中發現了染色體 5q12

區域的磷酸二酯酶 4D（phosphodiesterase 4D，PDE4D）基因突變與缺血性卒中相關。PDE4D

屬於降解環磷酸苷酸（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）的磷酸二酯酶超家族。cAMP

在平滑肌細胞和巨噬細胞的增殖中起著重要作用，參與動脈粥樣硬化形成，並影響斑塊穩定性。目前，PDE4D

基因多態性在缺血性卒中發病中的分子機制尚不清楚。不過，研究顯示，我國漢族人群 PDE4D（83T/C）CC

基因型和 C

等位基因與缺血性卒中的發病風險增高有關。Nilsson-Ardnor

等對曾被用來進行過 PDE4D

重複性研究的遺傳變異較低的家系進行研究發現，除位於染色體 5q

的卒中易感位點之外，還存在許多易感性較低的卒中遺傳位點。還有研究顯示，位於染色體 13 q12

區域的 5-

脂氧合酶激活蛋白（5-lipoxygenase activating protein，ALOX5AP）基因是誘發卒中和心肌缺血的易感位點，而且一個常見 SNP（rs17222919）使中國東部人群缺血性卒中風險增高 1.34

倍，在小動脈閉塞性卒中和女性中更為顯著。ALOX5AP

參與白三烯通路，一直被認為是動脈粥樣硬化的危險因素，提示 ALOX5AP

可能通過增強炎症反應和加速動脈粥樣硬化來促進卒中發生。此外，其他白三烯通路的基因變異體，如白三烯 A4

水解酶和白三烯 B4

受體 BLT1

和 BLT2

區域也可能與卒中相關。

另外，許多研究顯示，缺血性卒中各亞型的致病基因存在差異。Debette

等的研究顯示，SNP（rs2208454）與無卒中發作史的原因不明性梗死有關，其位於染色體 20p12

區域 MACRO

結構域的 3

號內含子，包括 2

個位於纖連蛋白富有亮氨酸跨膜蛋白 3

基因（fibronection leucine-rich transmembrane protein 3 gene，FLRTP3）的下游區域基因。Kubo

等的研究顯示，一個蛋白激酶 C

家族的 SNP——PRKCH

與腔隙性梗死風險顯著相關。Ikram

等的研究顯示，位於染色體 12p13

區域靠近 NINJ2

和 WNK1

基因的 2

個常見 SNP

與局部缺血，尤其是動脈粥樣硬化性卒中相關。Gretarsdottir

等的研究顯示，位於染色體 4q25

區域的轉錄激活子 PITX2

基因附近有 2

個相鄰的 SNP

與心源性腦栓塞顯著相關。此外，Gudbjartsson

等還發現，位於染色體 16q22

區域編碼同源結構域鋅指蛋白的 ZFHX3

基因也與心源性腦栓塞有關。由於 PITX2

和 ZFHX3

基因被認為是心房顫動的危險因素，因此這 2

項研究結果提示，某些與心血管病相關的基因突變是心源性腦栓塞的危險因素。另有研究顯示，9

號染色體突變與心肌梗死和冠狀動脈疾病相關。Anderson

等的進一步研究顯示，9p21

區域的 CDNK2A

和 CDNK2B

基因與大動脈粥樣硬化性卒中有關。如果靶向敲除小鼠 4

號染色體上的同源性 70 kD

非編碼間隔，其附近的心臟和血管細胞的基因特性可發生改變，表明 9p21

區域在調節心臟 CDKN2A/B

表達和影響冠心病和缺血性卒中進展方面起著關鍵作用。

目前，多基因遺傳缺血性卒中的結構基因組學和功能基因組學研究正在如火如荼地展開。拷貝數變異（copy number variants，CNV）屬於結構基因組學範疇，指長片段 DNA（＞1 000 bp）的重複和缺失，進而導致基因貯積、結構改變或截短，最終影響基因功能。Matarin

等採用基於高密度 SNP

分析對 263

例缺血性卒中患者和 275

名正常對照者進行研究發現了 247

個 CNV，包括 187

個插入突變和 60

個缺失突變，提示 CNV

能增高缺血性卒中的發病風險。CNV

等基因突變還能引起轉錄和蛋白表達水平的改變，進而影響疾病的表型。Mitsios

等在卒中發病後 2～6 d、9～20 d

和 26～37 d

分別建立了 3

個 mRNA、表達譜，分別發現 77、92

和 15

個基因在卒中患處表達下調，表明基因表達會隨著卒中進程而出現動態性改變，並首次發現 3

個基因（PAK1、MMP11

和 INI1）與卒中顯著相關。Liu

等還對大鼠大腦中動脈閉塞（middle cerebral artery occlusion，MCAO）後微小 RNA（microRNA，miRNA）變化水平進行了研究，結果顯示，一組 miRNA（mo-miR-140、mo-miR-143、mo-m1R-204

等）發生雙向表達改變，從而導致急性損傷和恢復延遲，提示 miRNA

水平改變也與缺血性卒中有關。此外，有研究提示，增加雌激素受體α（estrogen receptor α，ERα）啟動子甲基化在動脈粥樣硬化和血管老化中起著作用。Lee

等 [38]

的研究顯示，MCAO

能使 Na+-K+-2Cl-

共轉運體 1（Na+-K+-2Cl-co-transporter type 1，NKCC1）基因啟動子甲基化減少，從而導致 NKCC1

表達上調，繼而引起神經元損傷，表明 DNA

甲基化可能參與了缺血性卒中的病理學過程。這些結果提示，DNA

甲基化、組蛋白轉錄後修飾和高位染色體重塑等在缺血性卒中的進展和易感性中起著重要作用。

除缺血性卒中的易感基因研究外，藥物基因組學和影響卒中預後的基因組學研究也取得了一定的進展。氯吡格雷能降低缺血性卒中的複發風險，細胞色素 P450

酶（cytochrome P-450，CYP）能將其轉化為活性代謝產物。CYP2C19

等位基因功能降低可使卒中發病風險增高 53%。此外，Westbroek

等的研究證實，腦源性神經營養因子基因（va166met）多態性與運動誘發電位波幅增加較小和運動皮質分布重組有關，va166met

突變預示卒中患者預後較差。這些研究將為臨床醫生進行個性化治療提供幫助。

3 存在的問題與展望

雖然缺血性卒中的基因組學研究發展迅猛，但仍任重而道遠，主要原因可能包括：（1）起病較晚，難以收集到大的家系；（2）不同種族、不同人群、不同發病年齡及不同表型的發病機制可能不同；（3）不同的基因突變可能導致同樣的表型或一些繼承了易感等位基因的個體沒有發病或一些沒有繼承易感等位基因的個體由於隨機或環境原因仍出現缺血性卒中，以致發病機制非常複雜；（4）並存高血壓、冠心病、糖尿病等混雜因素，易感基因可能直接或間接與環境暴露因素相互作用，導致單個基因的作用很難估計；（5）常見的基因突變本身不引起卒中易感性增高，每個基因對整個遺傳的影響很小，並且樣本量小，統計效能不足，因此只能檢測常見的 SNP，而檢測不到罕見的 SNP，很多結果為假陽性；（6）臨床診斷不確切，缺乏血液學診斷指標，不同樣本分層的研究結果可能不一致。因此，至今仍很難明確任何 1

個或多個缺血性卒中的致病基因。

將來，研究人員首先要對缺血性卒中進行正確的分型，進行嚴格的病例對照匹配，以使非研究因素在病例組和對照組之間甚至不同人群間儘可能一致，如可通過「表型組學」改善卒中表型的寬度和辨別，降低臨床異質性等。此外，多個研究中心的合作將有利於獲得足夠大的樣本量和統計效能，從而保證基因組學研究結果的可靠性。危險因素評分也可能對預測卒中有用。我們相信，隨著大量創新性分子生物學技術和生物信息學技術的出現，以及卒中分型準確性的提高、全球範圍內多中心和大樣本臨床合作等，基因組學研究有可能最終幫助我們尋找到對缺血性卒中的診斷、治療和評估具有重要價值的生物學標記物。

編輯： 雨聲