关注“静寂SNP”：被忽识的多态性分子标志

1、关注“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

2、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

3、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-r

4、egion 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

5、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

6、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

7、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

8、，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

9、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

10、 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 mRN，A 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

11、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

12、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

13、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。对其进行认真研究和开发，有助于了解疾病发生机制和病因，并发现新的 分子标志，应用于疾病风险预防及个体化用药指导等领域。【参考文献】 1 Sachidanandam R, Weissman D, Schmidt SC, et al. A map of human genome sequence variation containing 1.42 million single nucleotide polymorphisms. Nature, 2001, 409: 928-33. 2 Haselden

14、JN, Nicholls AW. Personalized medicine progresses. Nat Med, 2006,12:510-511. 3 Li W, Sadler LA. Low nucleotide diversity in man.Genetics,1991,129:513-523. 4 Nickerson DA, Taylor SL, Weiss KM, et al. DNA sequence diversity in a 9.7 kb region of the human lipoprotein lipase gene. Nature Genetics, 1998

15、,19:233-240. 5 Capon F, Allen MH, Ameen M, et al. A synonymous SNP of the corneodesmosin gene leads to increased mRNAstab ility and demonstrates association with psoriasis across diverse ethnic groups. Hum Mol Genet,2004,13: 23612368. 6 Laws SM, Hone E, Gandy S, Martins RN. Expanding the association

16、 between the APOE gene and the risk of Alzheimer's disease: possible roles for APOE promoter polymorphisms and alterations in APOE transcription. J Neurochem,2003,84: 1215-1236. 7 De Ferrari GV, Papassotiropoulos A, Biechele T, et al. Common genetic variation within the low-density lipoprotein r

17、eceptor-related protein 6 and late-onset Alzheimer's disease. Proc Natl Acad Sci U S A,2007,104: 9434-3439. 8 Chamary JV, Parmley JL, Hurst LD. Hearing silence: nonneutral evolution at synonymous sites in mammals. Nat Rev Genet, 2006,7:98-108. 9 Lavner Y ， Kotlar D. Codon bias as a factor in reg

18、ulating expression via translation rate in the human genome. Gene, 2005,345: 127-138. 10 Bulmer M. Coevolution of codon usage and transfer RNA abundance. Nature, 1987,325:728-730. 11 Comeron JM. Selective and mutational patterns associated with gene expression in humans: influences on synonymous com

19、position and intron presence. Genetics, 2004, 167: 1293-1304. 12 Lander ES. Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature, 2001,409: 860-921. 13 dos Reis M, Savva R,Wernisch L. Solving the riddle of codon usage preferences: a test for translational selection. Nucleic Acids Res, 2004,32

20、: 50365044. 14 Chamary JV ，Hurst LD. Evidence for selection on synonymous mutations affecting stability of mRNA secondary structure in mammals. Genome Biol, 2005,6: R75. 15 Duan J ， Antezana MA. Mammalian mutation pressure, synonymous codon choice, and mRNA degradation. J Mol Evol, 2003,57: 694-701.

21、 16 Duan J. Synonymous mutations in the human dopamine receptor D2 (DRD2) affect mRNA stability and synthesis of the receptor. Hum. Mol. Genet, 2003,2: 205-216. 17 Eskesen ST, Eskesen FN，Ruvinsky A. Natural selection affects frequencies of AGand GT dinucleotides at the 5 and 3 ends of exons. Genetic

22、s,2004,167:543-550. 18 Fairbrother WG, Yeh RF, Sharp PA， et al.Predictive identification of exonic splicing enhancers in human genes. Science, 2002,297: 1007-1013. 19 Wang Z. Systematic identification and analysis of exonic splicing silencers. Cell, 2004,119:831-845. 20 Cusack BP,Wolfe KH. Changes in alternative splicing of human and mouse genes are accompanied by faster evolution of constitutive exons. Mol Biol Evol, 2005,22: 2198-2208. 21 Parmley JL, Chamary JV,Hurst LD. Evidence for purifying selection against synonymous mutations in mammalian exonic splicing enhancers. Mol Biol Evol