IgA肾病遗传学的研究进展

齐 尔(综述)，蒋更如(审校)

(上海交通大学医学院附属新华医院肾脏内科，上海200092)

IgA肾病(IgA nephropathy，IgAN)是青壮年肾功能不全的重要病因［1］，占我国原发性肾小球肾炎的20%～45.26%［2］。IgAN 遗传背景的研究主要分为两大类:以散发性IgAN为研究对象，选取候选基因进行有关基因多态性研究的相关分析;以家族聚集性IgAN为研究对象，利用遗传标志进行基因定位和克隆的连锁分析。作为一种复杂性疾病模型，不完全外显遗传可通过要求附加的遗传或环境因素对疾病的临床表现加以阐释。现就IgAN的遗传学研究方法予以综述。

1 IgAN遗传流行病学的主要研究方法

1.1 家族聚集性研究 家族聚集起病及发病率的人种差异均提示遗传因素为重要致病机制之一。发病率的人种差异表明人群中存在可变频率的易患基因。1973年，de Werra等报道了首个IgAN家系，随后的研究发现家族性IgAN占IgAN的10%～15%［3］。以往研究认为家族性较散发性IgAN预后较差，进展到终末期肾脏病的患者比例较高。近年来，研究显示两者预后类似。亚洲人IgAN的发病率高于白种人，在非洲发病率很低［4］。扩大的家族性IgAN家系已遍及世界各地，包括美国、法国、加拿大、意大利、澳大利亚和黎巴嫩［5］。这些特征均提示遗传因素参与IgAN的致病过程。家族性IgAN为常染色体显性遗传［6］。以家族性IgAN为研究对象，采用全基因组扫描和连锁分析，最终将IgAN致病基因定位于6q22～23约6.5 cm的区间，并命名为IgAN1［7］。其真正致病或易患基因目前仍然不清。多数学者认为，以家族性IgAN为研究对象，缩小上述定位区间并最终将其致病基因定位和克隆是最有望获得致病和(或)易患基因的研究。最近在日本的全基因组分析发现，位于11号染色体上11q13.2～q13.4的IGHMBP2基因与IgAN的遗传易患性有关，单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)(G34448A)引起氨基酸从谷氨酰胺向赖氨酸转换，引起免疫球蛋白类别转换，使携带有A等位基因的患者血清IgA水平升高，从而增加了患IgAN的风险。

1.2 连锁分析 对IgAN家系进行连锁分析是定位致病基因的主要方法之一。连锁分析的原理是通过估计某种表型与遗传标志物在子代中的重组率，计算两者之间的连锁程度和遗传距离，从而确定该表型致病基因在染色体上的位置。在一个典型的全基因组连锁扫描中，高达400微卫星体或等价于10 000 SNP的标志物等距跨越全基因组，用以筛查家庭中具疾病表型的标记隔离物。其缺点是对于中效或微效致病基因的定位效能不足，对表型错误非常敏感，在检测对疾病风险影响较大的罕见基因突变方面，其力量有限。IgAN家族形式尚未确定，因为受累家庭成员相关的尿检异常是轻微或间歇性的，导致无法明确区分未受累的高危亲属。经肾活检的系统筛查不能证明无症状的高危亲属即是家族性疾病，必须依赖不甚准确的表型，如镜下血尿等。另据观察IgAN与薄基膜病的家庭共同出现，薄基膜病是Ⅳ型胶原基因的杂合突变(COL4A3/COL4A4)引起的一种常染色体显性遗传疾病［8］。由于缺乏肾活检或无法直接测序很大的胶原蛋白的基因，薄基膜病不能可靠地在IgAN患者的亲属中排除。无法准确区分受累和未受累人群是常见的复杂性状的连锁研究，降低了研究把握度。在不同人种中进行的连锁分析研究得到的结果各不相同，提示家族性IgAN可能存在多个易患基因，这些基因和环境因素共同决定患者的表型。

1.3 关联研究 遗传关联研究通常涉及一些散发病例和一组不相关的控制因素。群体关联研究的前提是人类种群继承来自远祖的易患性等位基因，这些等位基因并未纯化，从而增大了患病的风险，导致人群中一个比较高的频率(常见变体/共同疾病假说)。符合这一前提，关联研究局限于探究常见疾病相关的遗传变异(即人群的频率＞5%)。因此，该关联研究方法可以识别中度至相对较小效应的变异型，与连锁分析相比，可能是不太敏感的位点异质性或表型设定误差。关联研究的策略主要有两种:候选基因关联研究和全基因组关联研究(genome-wide association studies，GWAS)。

1.3.1 候选基因关联研究 该研究需收集患者及正常对照组的DNA，对可能的易患基因进行检测，以确定两组是否存在差异。候选基因关联研究只探讨某些特定基因多态性，这些特定基因是在涉及疾病发病机制的先验假设基础上经多重测试和报告偏倚选出的。IgAN的许多候选基因已经被提出，大都是在IgAN进展的背景而非因果关系的背景下研究的。此外，由于缺乏有关疾病发病机制的研究，大部分候选基因的预测是基于罕有的IgAN的证据进行的。在过去的15年，有123个 IgAN的候选基因关联研究发表在PubMed医学索引。其中，39例(31%)研究IgAN相关的基因多态性、易患性，40例(32%)研究与疾病的严重程度、进展或并发症相关，44例(35%)研究其易患性和进展的风险。所有研究中，约有1/3涉及肾素-血管紧张素系统相关基因的多态性。国内外研究显示，候选基因的选择主要集中在肾素-血管紧张素系统相关基因(血管紧张素转换酶［9］)、免疫识别相关基因(人类白细胞抗原)、IgAFc受体(CD89)和细胞因子相关基因(白细胞介素1、转化生长因子β1、肿瘤坏死因子、P选择素和 Megsin等)。由于候选基因领域的不足及变量SNP覆盖率过低(如几项研究只针对一个单一的基因多态性进行研究)，覆盖面不足8万的SNP位点，至今只有一组试图检测整个基因组［10-11］。研究表明，只要采用足够的样本量，严格的疾病表型分类、合理的候选基因选择以及建立表型与多个候选基因基因型之间的相关分析，并引入流行病学研究概念和方法，基因多态性的相关研究仍然是IgAN的遗传背景研究中重要的研究手段。

1.3.2 GWAS GWAS是从人类全基因组范围内的序列变异中筛选出与疾病性状关联的SNPs，进一步对致病/易患基因进行定位。GWAS无需像候选基因法预先假设致病/易患基因，而是在患者组和对照组中比较全基因组范围内所有变异的等位基因频率，从中发现与疾病关联的序列变异或DNA结构异常。GWAS提供了一个恰当的基因组检测和正确的人口分层检查。复杂性疾病在遗传学领域迅速发展，新一轮的IgAN基因研究即将开始。快速而有价值的＞1万多态性的人类基因组筛选现已可行，这促进了高分辨率、高效的全基因组遗传关联研究。在GWAS中，一个密集的SNPs染色体图用以检测相关性状特点。通常大多优势表型的对照组(每组1000例)需要发现基因突变，独立的同类组需要复制结果［12］。GWAS所面临的主要问题是多种假设检验和群体分层的比例分析等挑战。这些问题都已经在遗传学界得到解决，其严格的标准现已被广泛认同［13］。GWAS本身也只限于检测相对普遍的易患性等位基因。

除GWAS外，其他基因方法通常是以基因鉴定为目的的整合。这些方法包括结构重组、全基因组表达和深度测序数据分析。拷贝数变异已确认为人类遗传变异的重要来源。对小的插入、删除和复制整个基因组片段的全面研究，可通过现代SNP基因分型平台实现［14］。这与IgAN相关，因为结构突变涉及免疫介导的几个疾病，如银屑病或系统性红斑狼疮［15］。拷贝数变异全基因组分析可能与 IgAN的第一GWAS同时出现。全基因组转录图是另一种有助于剖析IgAN的遗传学基础方法。基因定位和基因表达分析的结合提供了一个了解复杂性状的功能强大的工具，这些技术产生了独立的信息，使候选基因相互优化。这些信息可通过GWAS整合，以便更好地明确导致疾病易患性的功能缺陷。此外，新的整合基因的方法为联合遗传分析、基因表达、生化表型的获取途径和操纵发病机制的分子网络提供了条件［16］。此法非常适合IgAN的遗传研究，因为其表达可以在血清IgA1分泌细胞进行，使检测一个单一的细胞类型和缺陷型血清IgA1糖基化特定的生化表型成为可能。最后，高通量测序技术迅速发展，高效的全基因组深度测序逐渐可行。直接序列分析为检测促进常见复杂性疾病发病的罕见遗传变异型带来了希望［17］。由于变异型的识别可通过GWAS对罕见表型的遗传作出解释，这类研究的一般方法和统计工具仍在发展中，将为复杂性状的遗传测定提供新的突破口。

2 遗传学研究新方法——血清IgA1糖基化异常

IgAN必须通过肾活检确诊，这是家族性研究的主要障碍，是大样本群体遗传关联研究的限制步骤。虽然大部分IgAN患者的血清IgA水平增高，但缺乏临床诊断试验所必需的敏感性和特异性。最近血清IgA1糖基化异常的研究提供了一个诊断IgAN更可靠的生物学标志物。

人类血清IgA1代表两个IgA独特的结构和功能的亚类之一。与IgA2、IgM和IgG不同，血清IgA1具有一个重链，该重链包含一个在第一和第二恒定区域之间的独特铰链区，这是3～5个O-聚糖链段的重链连接的位置。循环血清IgA1上的O-聚糖由附有αβ1，3-半乳糖的N-乙酰半乳糖胺组成;两者的残留物都可能是唾液酸。终端半乳糖胺或唾液酸化的半乳糖胺等异常糖基化的半乳糖缺陷形式在IgAN的肾小球免疫复合物和循环复合物沉积中占主导地位［18］。

循环系统血清IgA1的O-聚糖的合成是分步进行的，起始于铰链区丝氨酸或苏氨酸半乳糖的连接，由半乳糖胺转移催化。唾液酸残基半乳糖胺、半乳糖或两者共同连接在半乳糖上，O-糖链随着这一过程而延长。聚糖结构由 α-2，6-唾液酸转移酶 Ⅱ(ST6GalNAcⅡ)和 α-2，3-唾液酸转移酶(ST3Gal)共同完成，分别将唾液酸连接于半乳糖胺和半乳糖残基。另外，ST6GalNAcⅡ可以将唾液酸基添加到终端半乳糖胺上，这是一个阻止任何后续修改的步骤，也是O-聚糖合成的最后一步［19］。划定血清IgA1糖基化途径为遗传关联研究提供了新的逻辑候选基因。

最新研究表明，血清IgA1产生细胞是IgAN患者的半乳糖缺陷的血清IgA1水平增高的来源。异常糖化血清IgA1可以在这些细胞内检测到，半乳糖缺陷的血清IgA1水平与特定免疫球蛋白的水平密切相关，这种免疫球蛋白是从同一个体外周血分离培养的血清IgA1产生细胞上清液中提取的。数据表明，异常糖基化不是因免疫复合物形成过程中血清IgA1的改变而产生，而是反映了特定血清IgA1产生细胞的缺陷。进一步研究并未发现任何具体的个体血清IgA1糖基化酶缺陷，但发现糖基化途径的每步酶促反应向提高半乳糖缺陷的血清IgA1水平和唾液酸化的半乳糖胺产量转化［20］。总之，这些观察结果将血清IgA1糖基化缺陷隔离到一个特定的细胞类型，并指出其紊乱可能起源于这些细胞的上游调控途径，而非特定的糖基化酶。

当前基于凝集素酶联免疫吸附试验并用以检测血清半乳糖缺陷型IgA1的研究已有了新进展。这种简单而价廉的的血清酶联免疫吸附为IgAN提供了第一个非侵入性筛选试验，前景可观。有研究组利用这种检测来调查IgAN中半乳糖缺陷型血清IgA1有关家族聚集与散发形式的遗传性［21］。半乳糖缺陷的血清IgA1(性状变异的比例由遗传因素决定)的遗传统计学意义重大。半乳糖缺陷的血清IgA1种族隔离分析阐示了一个附加多基因组件的主导显性基因遗传。数据证明半乳糖缺陷的血清IgA1值可以识别IgAN患者的不同的亚群，其潜在疾病的发病机制可能有所不同。半乳糖缺陷型血清IgA1的遗传性已在中国家族性与散发的成人IgAN患者中得到证实［22］，最近已扩展至小儿IgAN和紫癜性肾炎领域。因此，血清IgA1糖基化异常是一种常见的遗传缺陷，在全球范围内为紫癜性肾炎、家族性及散发性IgAN的发病机制提供了一个统筹环节。此外，数据表明半乳糖缺陷的血清IgA1水平是疾病的前因，由于大多数水平升高家庭成员是无症状的，单纯血清IgA1糖基化异常不足以导致IgAN，必须和其他辅助因子共同触发免疫复合物的形成。

IgAN的基因组方法是通过检测循环半乳糖缺陷的血清IgA1和生产抗多聚糖抗体的可用性以促进基因定位的研究。定量内表型能更密切地反映具体的致病过程，并提供更多的统计方法以检测基因型的相关性，故常作为一种复杂疾病基因研究的首选。在定量连锁分析中使用的统计方法是相对不敏感的特征异质性。结合连锁方法、定量内表型也可用以提高基因的关联研究。通过全基因组的连锁和关联方法，血清IgE水平的定量研究识别了新的哮喘易患基因位点［23］。目前IgAN的半乳糖缺陷型血清IgA1的定量基因研究正在进行中。

3 IgAN动物模型研究

根据不同的发病机制IgAN动物模型类型较多。应用细菌外膜蛋白或外毒素作为免疫原引起体内IgA复合物增加，另外病毒及真菌外膜成分也可作为免疫原。自发性高IgA血症小鼠具有自发性IgAN倾向，利用转基因或基因剔除手段可以制作自发性IgAN模型。体内IgA主要在肝脏代谢，肝脏损伤可以作为诱导IgAN发病的途径［24］。人们设计或发现了许多IgAN动物模型，用以揭示、验证IgAN的发病机制。近年来IgAN的动物模型研究有了长足发展，如子宫球蛋白缺陷模型、FcαRI(CD89)转基因小鼠模型、(New Zealand White×C57BL/6)F1-Bcl-2转基因小鼠模型、HIGA小鼠模型、仙台病毒感染模型等［25］。Zhang 等［26］分别采用子宫球蛋白基因剔除和RNA干扰子宫球蛋白表达的方法构建子宫球蛋白缺陷IgAN小鼠模型，这两种小鼠均表现为大量蛋白尿、血尿和肾小球IgA及C3沉积，提示子宫球蛋白对小鼠肾脏具有保护作用。这些新模型所用动物的血清IgA特性与人类存在较大差别，诱导出的IgAN模型并不能完全代表人类IgAN的特点。一些基因工程模型，又因其技术要求高、价格昂贵限制了其运用。

4 小结

IgAN是一种具遗传学复杂性状的疾病，其特定的基因尚未明确。复杂性状的基因定位研究具有挑战性，这些研究结果或许会打开新型靶向治疗方法的大门。临床应用涉及遗传筛查、诊断、改善风险分层或在基因检测的相关人群中选择合适的肾移植供体。结合可利用的新型基因技术，IgAN生物标志物的发现有望改变IgAN的遗传研究方法。遗传研究的对照以及血、血清、肾组织的生物体系库将成为此类研究的关键。国际间和跨学科领域的合作将成为识别IgAN特定遗传因素的必要条件。

［1］Beerman I，Novak J，Wyatt RJ，et al.The genetics of IgA nephropathy［J］.Nat Clin Pract Nephrol，2007，3(6):325-338.

［2］郝翠兰，陈瑾君，张慧新，等.524例IgA肾病的临床与病理分析［J］.中华肾脏病杂志，2000，16(5):324-327.

［3］Levy M.Familial cBBesof Berger's disease and anaphylactoid purpum［J］.Kidney Int，2001，60(4):1611-1612.

［4］Hall YN，Fuentes EF，Chertow GM，et al.Race/ethnicity and disease severity in IgA nephropathy［J］.BMC Nephrol，2004，5:10.

［5］Kiryluk K，Julian BA，Wyatt RJ，et al.Genetic studies of IgA nephropathy:past，present，and future［J］.Pediatr Nephrol，2010，25(11):2257-2268.

［6］石书梅，高凌寒，赵学智，等.一个中国汉族家族性IgA肾病家系致病基因的排除性定位［J］.中华肾脏病杂志，2011，27(2):77-81.

［7］张宏.IgA肾病的分子遗传学研究［J］.中华肾脏病杂志，2005，21(11):641-644.

［8］Frasca GM，Soverini L，Gharavi AG，et al.Thin basement membrane disease in patients with familial IgA nephropathy［J］.J Nephrol，2004，17(6):778-785.

［9］Bantis C，lvens K，Krensser W，et al.Influence of genetic polymorphisms of the renin-angiotensin system on lgA nephropathy［J］.Am J Nephrol，2004，24(2):258-267.

［10］Obara W，Iida A，Suzuki Y，et al.Association of single-nucleotide polymorphisms in the polymeric immunoglobulin receptor gene with immunoglobulin A nephropathy(IgAN)in Japanese patients［J］.J Hum Genet，2003，48(6):293-299.

［11］Ohtsubo S，Iida A，Nitta K，et al.Association of a single-nucleotide polymorphism in the immunoglobulinμ-binding protein 2 gene with immunoglobulin A nephropathy［J］.J Hum Genet，2005，50(1):30-35.

［12］Hardy J，Singleton A.Genomewide association studies and human disease［J］.N Engl J Med，2009，360(17):1759-1768.

［13］Dudbridge F，Gusnanto A.Estimation of significance thresholds for genomewide association scans［J］.Genet Epidemiol，2008，32(3):227-234.

［14］Carter NP.Methods and strategies for analyzing copy number variation using DNA microarrays［J］.Nat Genet，2007，39(7 Suppl):S16-S21.

［15］Schaschl H，Aitman TJ，Vyse TJ.Copy number variation in the human genome and its implication in autoimmunity［J］.Clin Exp Immunol，2009，156(1):12-16.

［16］Schadt EE.Molecular networks as sensors and drivers of common human diseases［J］.Nature，2009，46(7261):218-223.

［17］Li B，Leal SM.Discovery of rare variants via sequencing:implications for the design of complex trait association studies［J］.PLoS Genet，2009，5(5):e1000481.

［18］Hiki Y，Odani H，Takahashi M，et al.Mass spectrometry proves under-O-glycosylation of glomerular IgA1in IgA nephropathy［J］.Kidney Int，2001，59(3):1077-1085.

［19］Raska M，Moldoveanu Z，Suzuki H，et al.Identification and characterization of CMP-NeuAc:GalNAc-IgA1alpha2，6-sialyltransferase in IgA1-producing cells［J］.J Mol Biol，2007，369(1):69-78.

［20］Suzuki H，Moldoveanu Z，Hall S，et al.IgA1-secreting cell lines from patients with IgA nephropathy produce aberrantly glycosylated IgA1［J］.J Clin Invest，2008，118(2):629-639.

［21］Gharavi AG，Moldoveanu Z，Wyatt RJ，et al.Aberrant IgA1glycosylation is inherited in familial and sporadic IgA nephropathy［J］.J Am Soc Nephrol，2008，19(5):1008-1014.

［22］Tam KY，Leung JC，Chan LY，et al.Macromolecular IgA1taken from patients with familial IgA nephropathy or their asymptomatic relatives have higher reactivity to mesangial cells in vitro［J］.Kidney Int，2009，75(12):1330-1339.

［23］Denham S，Koppelman GH，Blakey J，et al.Meta-analysis of genome-wide linkage studies of asthma and related traits［J］.Respir Res，2008，9:38.

［24］史炯，金晓明.IgA肾病动物模型研究进展［J］.国际病理科学与临床杂志，2005，25(6):556-558.

［25］邱晓剑，陈扬，庄永泽，等.IgA肾病动物模型研究的新进展［J］.医学综述，2006，12(5):316-318.

［26］Zhang Z，Kundu GC，Yuan CJ，et al.Severe fibronectin-deposit renal glomerular disease in mice lacking uteroglobin［J］.Science，1997，276(5317):1408-1412.