GAPDH基因与神经变性疾病研究进展

刘玲 熊念 王涛

3－磷酸甘油醛脱氢酶（glyceraldehyde－3－phos－phate dehydrogenase，GAPDH）蛋白是糖酵解途径的一个关键酶，催化3－磷酸甘油醛脱氢氧化成为1，3－二磷酸甘油酸，并最终将能量转移给ADP生成ATP。长期以来，GAPDH被视为一个管家基因和内参蛋白，在各种环境和刺激因素影响下较少发生表达和功能变化。然而，越来越多的研究发现，GAPDH不仅参与能量代谢，还涉及多种细胞生理功能，如DNA修复、核RNA输出、维持端粒结构、膜融合和转运、微管组装和解聚、细胞骨架动态平衡、细胞凋亡和肿瘤发生等［1－2］。研究表明，异常修饰和结构改变的GAPDH蛋白具有聚集倾向，很可能通过诱导神经元凋亡参与了神经变性疾病的发生［3－4］。

GAPDH 基因，亦称GAPD或G3PD，位于12p13，全长3880bp，含9个外显子和8个内含子。人类GAPDH基因家族有多个成员，但只有一个功能性GAPDH基因位于12号染色体，编码GAPDH蛋白，另外还发现150多个序列相似的同源基因分布于12号染色体或其他染色体上，其中绝大多数为假基因［4－5］。迄今 已 在 GAPDH 基因中发现了209个单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms，SNPs），其中89个为编码区SNPs（coding SNPs，cSNPs）。近年来，有关 GAPDH蛋白异常改变的起源以及GAPDH基因变异与神经变性疾病的关系等领域的研究较为活跃。以GAPDH基因变异与阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）的关系为例，不同研究对多个家系和群体样本进行关联分析的结果证实GAPDH基因SNPs与AD相关，但研究结论却不完全一致。本文就GAPDH基因与神经变性疾病的关系进行综述。

1 GAPDH基因多态性与AD

AD是最常见的由多种遗传和非遗传因素共同致病的复杂性神经系统变性疾病。目前仅有载脂蛋白Eε4（APOEε4）等位基因被证实为迟发型AD（LOAD）的易感位点［6］，且仅有约 50% 的LOAD患者携带此易感基因［7］。因此研究者一直致力于寻找阳性率更高的致病相关位点。

近年来多个全基因组扫描和连锁分析将LOAD易感基因初步定位于第9、10和12号染色体［8－10］。Li等［11］汇总分析3组高加索病例对照群体（分别来自 WashU、UCSD和UK）共计1089例LOAD病例和1196例对照的12号染色体的致病相关位点发现，GAPDH及其旁系同源基因与LOAD发病风险相关。该研究首先选取12号染色体连锁区域内的223个SNPs进行阳性位点初筛，结果发现在 WashU样本（P＝0.0041）、UCSD样本（P＝0.027）和3个样本汇总后（P＝0.047）仅1个 SNP 即 GAPDH 5′－UTR 区rs3741916 与LOAD发病风险相关。随后，该小组选择rs3741916附近62个SNPs进行易感基因精细定位发现，GAPDH 2号内含子区rs1060621在WashU、UCSD和3个样本汇总后均与LOAD相关。将研究样本按 APOEε4 ＋／－ 分层后，rs3741916在APOEε4－亚组中与LOAD的相关性显著增加（WashU样本:P＝0.0003，3个样本汇总后:P＝0.0084），并且该位点较低频率等位基因G为LOAD致病危险因素（OR＝1.27%，95%CI:1.06～1.53）。Li等进一步选取 GAPDH基因家族内GAPDHS和4个GAPDH假基因（pGAPD）的15个SNPs进行分型，结果发现GAPDHS rs12984928和rs4806173在较早发病亚组（发病年龄＜75岁）中与LOAD显著相关，而pGAPD（12q）的rs2029721则在较晚发病亚组（发病年龄≥75岁）中与LOAD相关，其较低频率等位基因A为保护性因素（OR＝0.80%，95%CI:0.68～0.97）。

Lin等［12］分别在高加索家系和高加索病例对照群体中对GAPDH、GAPDHS和pGAPD与LOAD的关联性进行评估表明，家系研究中GAPDH及其同源基因多态位点都与LOAD无关联性，群体样本中rs3741916和rs2029721均与LOAD相关，按发病年龄分层（发病年龄＝71岁）后关联性显著增加。发病年龄≤71岁亚组中，rs3741916位点等位基因G与LOAD发病风险降低相关（P＝0.014），基因型GG或CG个体发病风险较基因型CC者低（OR＝0.39%，95%CI:0.21～0.70；P＝0.002），与Li等的研究所提示的等位基因G是LOAD致病风险因素正好相反。该研究小组解释这是该等位基因异质性的flip－flop现象，认为不同群体中GAPDH rs3741916与APOEε4间关系的差异或者两个研究群体平均发病年龄不同均可能导致这一现象［13］。Lin等报道的SNP rs2029721位点的结果则与Li等的一致，在发病年龄＞71岁亚组中等位基因A与LOAD发病风险降低有关（P＝0.004）。另外，该研究还发现GAPDH 内 一 个 单 倍 域 rs1060621－rs1060620－rs1060619与LOAD相关（P＝0.0133）。

Lee等［14］首先在北欧和加勒比西班牙裔两个LOAD家系中利用23个微卫星标记将易感基因初步定位于12号染色体20cM附近区域，随后在此区域选择14个SNPs在一个独立的北欧病例对照群体中进行关联研究，并在上述两个家系中重复验证。结果显示，rs3741916在群体样本中与LOAD发病风险相关，且等位基因C是致病危险因素（P＝0.027），而rs1060620在加勒比西班牙裔家系中则与LOAD相关（P＝0.0418）。另外，单体型分析发现，rs3741916、rs3741918和rs1060620位点处的C－A－T单体型在群体样本和加勒比西班牙裔家系中均与LOAD显著相关。

Allen等［15］在共2112例LOAD病例和3808例对照的3个高加索病例对照群体中，对GAPDH rs3741916，pGAPD rs2029721 和 GAPDHS rs4806173使用与此前研究［11－12，14］相同的样本分层方法和遗传统计模型进行分析，结果显示仅rs3741916可重复出与LOAD的关联性结果。另外，应用Logistic回归累加模型再次分析这3个SNPs，同样仅rs3741916与LOAD发病显著相关（P＝0.003），且等位基因 G 呈保护效应（OR＝0.87%，95%CI:0.79～0.96）。这与 Li等的研究结论相反，而与其后的两个验证研究结论一致。为进一步探究rs3741916在不同群体样本中异质性的可能原因，Allen等将研究样本按发病年龄和APOEε4＋／－分层后，rs3741916位点等位基因G仍与LOAD发病风险降低相关，该结果无法用Lin等［13］提出的假说解释。该研究团队解释为rs3741916与LOAD的关联性可能受多个微效等位基因或环境因素的影响，不同群体中这些影响因素的差异可能导致rs3741916与LOAD关联性的不一致。另外，rs3741916可能与罕见的疾病易感位点处于连锁不平衡状态，当不同群体中易感等位基因频率和连锁不平衡程度差异较大时，亦可能导致rs3741916位点的异质性现象。

综上所述，GAPDH rs3741916位点在多个病例对照组群体和家系研究中均与LOAD显著相关，但存在等位基因异质性。尽管假基因一般无功能，但某些可转录的假基因对其同源编码基因表达可能具有调控作用，从而间接影响疾病发病风险。研究也证实pGAPD rs2029721与LOAD发病风险相关。目前尚无亚洲人群GAPDH及其同源基因与LOAD的关联研究报道。GAPDH是否为LOAD的易感基因，抑或GAPDH与LOAD易感位点处于连锁不平衡状态，需要在多种族、更大样本人群中进一步深入探究。

2 GAPDH与帕金森病（Parkinson disease，PD）

PD是仅次于AD的第二大神经变性疾病，以中脑黑质多巴胺能神经元进行性丢失与残存神经元内路易小体形成为主要病理特征［16］。研究表明，GAPDH可能参与多巴胺能神经元的凋亡过程，并发挥重要作用。GAPDH可与路易小体的主要成分α－突触核蛋白（α－synuclein）相互作用，参与多种因素诱导的多巴胺能神经元凋亡［17］。前期研究发现，MPP＋、6－羟基多巴胺（6－OHDA）、鱼藤酮等神经毒素诱导的多巴胺能细胞凋亡中均存在GAPDH基因过表达与GAPDH蛋白异常聚集及核转位，而敲低GAPDH 表达可减轻 MPP＋、6－OHDA和鱼藤酮对多巴胺能细胞的毒性作用［18－20］，提示 GAPDH 基因过 表达、GAPDH 蛋 白异常聚集及核转位是PD发病机制中的重要环节。在细胞模型中，相比野生型GAPDH，突变体S284C－GAPDH基因的表达可导致GAPDH蛋白聚集倾向，加速氧化应激诱导的多巴胺能细胞凋亡［3］。这些结果均提示，GAPDH基因变异所致的表达变化可能与PD存在关联，但目前尚缺乏GAPDH基因与PD的遗传学关联研究证据。PD和AD在发病机制中有许多相似之处，GAPDH基因多态性是否也与PD发病风险相关，有待今后在人群中进一步证实。

3 GAPDH与其他神经变性疾病

研究发现，以CAG三核苷酸重复序列为分子遗传特征的多种神经变性疾病相关的异常蛋白，如亨廷顿病（HD）的huntingtin、齿状核红核苍白球丘脑下核萎缩（DRPLA）的atrophin、1型脊髓小脑性共济失调（SCA1）的ataxin－1和脊延髓肌萎缩（SBMA）的雄激素受体等都与GAPDH有异常结合［21－22］。转基因 HD 小鼠模型中可观察到基底节、大脑新皮质和海马等多个脑区神经元内GAPDH过表达、核内聚集以及明显的神经元丢失［23］，提示GAPDH过表达和核转位很可能与huntingtin细胞毒性作用有关。Bae等［24］研究证实，突变体huntingtin（mHtt）介导的细胞毒性与 mHtt－GAPDH－Siah1复合体的形成有关，由GAPDH－Siahl介导mHtt入核并引发细胞毒性，通过RNAi消除GAPDH或Siahl作用，可有效减少mHtt核转位从而保护细胞功能。

综上所述，GAPDH基因和蛋白可能在神经变性疾病中扮演重要角色。然而，GAPDH与神经变性疾病发病机制的确切关系尚未完全阐明。GAPDH基因是否为AD／PD的易感基因，也需要进一步在多种族大样本人群中进行关联研究证实。作者所在课题组已发现GAPDH siRNA对神经毒素处理的多巴胺能细胞具有保护作用，相信对GAPDH与神经变性疾病关系的深入研究，可以进一步揭示其发病机制，进而研发基于GAPDH的AD／PD早期诊断和基因治疗方案，为神经变性疾病的诊治提供新思路和新途径。

［1］Tristan C，Shahani N，Sedlak T W，et al.The diverse functions of GAPDH:views from different subcellular compartments［J］.Cell Signal，2011，23（2）:317－323.

［2］Colell A，Green DR，Ricci JE.Novel roles for GAPDH in cell death and carcinogenesis［J］.Cell Death Differ，2009，16（12）:1573－1581.

［3］Nakajima H，Amano W，Fukuhara A，et al.An aggregateprone mutant of human glyceraldehyde－3－phosphate dehydrogenase augments oxidative stress－induced cell death in SHSY5Ycells［J］.Biochem Biophys Res Commun，2009，390（3）:1066－1071.

［4］Butterfield DA，Hardas SS，Lange ML.Oxidatively modified glyceraldehyde－3－phosphate dehydrogenase （GAPDH）and Alzheimer’s disease:many pathways to neurodegeneration［J］.J Alzheimers Dis，2010，20（2）:369－393.

［5］Piechaczyk M，Blanchard JM，Riaad S，et al.Unusual abundance of vertebrate 3－phosphate dehydrogenase pseudogenes［J］.Nature，1984，312（5993）:469－471.

［6］Coon KD，Myers AJ，Craig DW，et al.A high－density wholegenome association study reveals that APOE is the major susceptibility gene for sporadic late－onset Alzheimer’s disease［J］.J Clin Psychiatry，2007，68（4）:613－618.

［7］Ashford JW.APOE genotype effects on Alzheimer’s disease onset and epidemiology.［J］.J Mol Neurosci，2004，23（3）:157.

［8］Myers A，Holmans P，Marshall H，et al.Susceptibility locus for Alzheimer’s disease on chromosome 10［J］.Science，2000，290（5500）:2304－2305.

［9］Scott WK，Grubber JM，Conneally PM，et al.Fine mapping of the chromosome 12late－onset Alzheimer disease locus:potential genetic and phenotypic heterogeneity［J］.Am J Hum Genet，2000，66（3）:922－932.

［10］Blacker D，Bertram L，Saunders AJ，et al.Resultsof a highresolution genome screen of 437Alzheimer’s disease families［J］.Hum Mol Genet，2003，12（1）:23－32.

［11］Li Y，Nowotny P，Holmans P，et al.Association of late－onset Alzheimer’s disease with genetic variation in multiple members of the GAPD gene family［J］.PNAS，2004，101（44）:15688－15693.

［12］Lin PI，Martin ER，Bronson PG，et al.Exploring the association of glyceraldehyde－3－phosphate dehydrogenase gene and Alzheimer disease［J］.Neurology，2006，67（1）:64－68.

［13］Lin PI，Vance JM，Pericak－Vance MA，et al.No gene is an island:the flip－flop phenomenon［J］.Am J Hum Genet，2007，80（3）:531－538.

［14］Lee JH，Cheng R，Rogaeva E，et al.Further examination of the candidate genes in chromosome 12p13locus for late－onset Alzheimer disease［J］.Neurogenetics，2008，9（2）:127－138.

［15］Allen M，Cox C，Belbin O，et al.Association and heterogeneity at the GAPDH locus in Alzheimer’s disease［J］.Neurobiol Aging，2012，33（1）:203－225.

［16］Dauer W，Przedborski S.Parkinson’s disease:mechanisms and models［J］.Neuron，2003，39（6）:889－909.

［17］Tsuchiya K，Tajima H，Kuwae T，et al.Pro－apoptotic protein glyceraldehyde－3－phosphate dehydrogenase promotes the formation of Lewy body－like inclusions.［J］.Eur J Neurosci，2005，21（2）:317.

［18］Fukuhara Y，Takeshima T，Kashiwaya Y，et al.GAPDH knockdown rescues mesencephalic dopaminergic neurons from MPP＋－induced apoptosis［J］.Neuroreport，2001，12（9）:2049－2052.

［19］Maruyama W，Oya－Ito T，Shamoto－Nagai M，et al.Glyceraldehyde－3－phospate dehydrogenase is translocated into nuclei through Golgi apparatus during apoptosis induced by 6－hydroxydopamine in human dopaminergic SH－SY5Ycells.［J］.Neurosci Lett，2002，321（1－2）:29.

［20］Huang J，Hao L，Xiong N，et al.Involvement of glyceraldehyde－3－phosphate dehydrogenase in rotenone－induced cell apoptosis:relevance to protein misfolding and aggregation［J］.Brain Res，2009，1279:1－8.

［21］Burke JR，Enghild JJ，Martin ME，et al.Huntingtin and DRPLA proteins selectively interact with the enzyme GAPDH［J］.Nature Med，1996，2（3）:347－350.

［22］Koshy B，Matilla T，Burright EN，et al.Spinocerebellar ataxia type－1and spinobulbar muscular atrophy gene products interact with glyceraldehyde－3－phosphate dehydrogenase［J］.Hum Mol Genet，1996，5（9）:1311－1318.

［23］Senatorov VV，Charles V，Reddy PH，et al.Overexpression and nuclear accumulation of glyceraldehyde－3－phosphate dehydrogenase in a transgenic mouse model of Huntington’s disease［J］.Mol Cell Neurosci，2003，22（3）:285－297.

［24］Bae BI，Hara MR，Cascio MB，et al.Mutant huntingtin:nuclear translocation and cytotoxicity mediated by GAPDH［J］.PNAS，2006，103（9）:3405－3409.