矿物质的药物基因组学研究进展

曾媚姿，张 伟

（1.中南大学湘雅医院临床药理研究所，湖南长沙 410008；2.中南大学临床药理研究所，遗传药理湖南省重点实验室，湖南长沙 410078）

矿物质是人体发挥正常功能必需的基础组成成分。人体内碳、氧、氢、氮等元素主要以有机物的形式存在，其余60多种元素统称为矿物质（也叫无机盐）。钙、镁、钾、钠、磷、硫、氯7种元素含量较多，约占矿物质总量的60%～80%，称为宏量元素；其他如铁、铜、碘、锌、硒、锰、钼、钴、铬、锡、钒、硅、镍、氟共14种，在机体内含量少于0.005%，称为微量元素。虽然矿物质不能提供能量，但它们在人体组织中发挥重要的生理功能，而且体内不能自行合成，必须由外界环境供给。矿物质是构成机体组织的重要原料，如钙、磷、镁是构成骨骼、牙齿的主要原料。矿物质也是维持机体酸碱平衡和正常渗透压的必要条件。人体内有些特殊的生理物质如血液中的血红蛋白、甲状腺素等合成需要铁、碘的参与。

药物代谢酶、药物转运体和作用靶点，即药物相关生物标记，与药物的药代动力学、药效动力学及毒副作用等关系密切［1］，药物相关生物标记也参与矿物质的吸收、分布、代谢和排泄。因此，如果编码以上这些蛋白的基因出现多态性，那么矿物质的体内过程和相应的功能将出现异常。近来，有许多报道证实药物基因组学与矿物质的关系：Bsm IBB型纯合子患者在临床上表现出更高的钙摄入量［2］；ATP7B基因的突变可以导致铜代谢异常，即威尔逊病［3］；携带SCNN1B单倍型（ENaCβ亚基）在袢利尿剂的刺激下会分泌出更多的钠和氯化物［4］。人类基因多态性与矿物质和微量元素之间的交互作用可能影响人体正常生理功能以及疾病的发生。

1 钙

钙是人体必需的矿物质营养素，钙离子是生物体中许多生化及生理过程的触发器，如肌肉收缩、激素释放、脉冲传递、血液凝结、心律调节和乳汁分泌等等。钙与体内免疫、神经、内分泌、消化、循环、运动、生殖等10多个系统的功能密切相关。

甲状旁腺激素（PTH）和维生素D是体内调节钙代谢最主要的内源性激素。当发生原发性甲状旁腺机能亢进（PHPT）时将会产生过量PTH，加速骨质转换，导致血钙升高而骨密度降低。研究发现，维生素 D受体（VDR）基因rs7975232位点与腰椎骨密度相关，AA／CA基因型的腰椎骨密度明显低于CC基因型患者（1.01～1.04 g·cm-2vs 1.21 g·cm-2，P＝0.003），说明 rs7975232位点 CC基因型更有利于腰椎骨钙沉积［5］。研究证实VDR受体携带B等位基因的男性受试者和绝经前女性受试者相对于BB基因型而言，颈椎骨钙密度及Z评分更高，腰椎也呈相似趋势，血钙水平升高约3%（9.5 mg／dl vs9.23 mg／dl，P＝0.008）［6］。实验动物猪的研究还发现一种在体液免疫反应中起重要作用的补充因子2（C2）基因1963A＜G突变与血钙水平呈强相关（P＝5.9×10-5），该动物实验对于人类研究具有一定参考价值［7］。

2 镁

镁离子是细胞内含量第二多的阳离子。它在核酸合成、酶学反应等诸多重要生理过程中充当辅助因子。镁离子具有非常重要的生理作用，包括保持常规的血糖水平，维持正常的心率和血压。镁离子在能量代谢与蛋白质合成的过程中也是不可缺少的。血镁浓度异常已被证实与多种慢性疾病，如糖尿病、高血压、骨质疏松相关。

在一项来源于欧洲CHARGE综合症研究样本，涉及15 336人的全基因组关联分析（GWAS）中，研究了250万个基因多态性对血镁水平的影响。在芯片研究的基础上选取了P＜5×10-8或P＜4×10-7（提示关联性）的位点，进一步在8 463名受试者中进行验证。发现6个基因区域与血镁水平在GWAS水平明显相关，分别为MUC1、ATP2B1、DCDC5、TRPM6、SHROOM3和MDS1基因，这些基因上的多个SNPs与临床低镁血症相关。镁离子转运体 CNNM2、CNNM3、CNNM4与体内镁离子浓度明显相关。该大型研究为深入探讨人类血镁水平的稳态及其调节机制提供了重要的靶点［8］。

3 钠与钾

细胞外液与内液中存在的主要阳离子分别为钠离子和钾离子，钠离子和钾离子在体液平衡、肌肉收缩和膜电位中都扮演了很重要的角色。钠和钾还与很多健康问题紧密相关，比如血压（BP）、心血管疾病（CVD）、骨质疏松症、胃癌、哮喘、心律不齐、肾结石、肌无力以及葡萄糖不耐症等。

3种帮助肾脏再摄入钠的转运体，即钠钾二氯协同转运蛋白NKCC2（由SLC12A1基因编码），钠氯协同转运蛋白NCC（由SLC12A3基因编码），以及上皮细胞钠离子通道ENaC，分别是袢利尿剂、噻嗪类及保钾利尿剂的主要靶点。ENaC有3个亚基：α、β和 γ，分别由SCNN1A、SCNN1B和SCNN1G编码，当这3个基因发生罕见缺失性突变时分别引发巴特氏综合征、吉特尔曼综合征及遗传性假性低醛固酮症，但是更普遍存在的多态性的功能和治疗效果却很少被提及［9］。

NCC的Gly264Ala突变使钠的运输减少了50%，并且增加非洲爪蟾卵母细胞对氯化物和噻嗪类利尿剂的亲和力［10］。另外一个氨基酸替代Arg913Gln与初级高血压、糖尿病肾病和肾白蛋白减少有关［11］。有报道［12］认为，SLC12A3内含子1上一个C＞T多态性（rs13306673）与对噻嗪类利尿剂的反应有关。在ENaCβ亚单位，Gly442Val多态性与高血压、更多的钠滞留以及血浆醛固酮低水平有关［13］。

另外，肾脏对钾离子的分泌也可以受到醛固酮的影响，进而调控体内的钾离子储存量。醛固酮分泌过多，会使人体从尿液中大量排泄钾、镁等离子，造成了血钾降低、血钠升高的现象，使得血压升高形成高血压，反之则可能出现低血压。CYP17A1是细胞色素P 450超家族的一员，在机体皮质醇和盐皮质激素合成中发挥重要作用，在欧洲人群的GWAS研究中发现，CYP17A1附近的rs11191548位点与高血压和收缩压相关。Li等［14］在1101名原发性高血压患者和1109名对照的研究中发现rs11191548位点不仅与高血压发病相关，而且C等位基因与非使用肾素-血管紧张素-醛固酮系统（RAAS）拮抗药高血压人群的血钾水平降低明显相关（-0.093 vs-0.067，P＝0.003），说明该基因多态性可能通过影响CYP17A1活性降低肾素活性和血钾水平。

4 硒

硒与相应蛋白结合而发挥作用。硒以非特异性形式与蛋白结合形成硒代蛋氨酸，从而对抗蛋氨酸（如：selenoalbumin），或者甚至特异性地作为一个辅助因子（如：SLP-14、SELENBP2），在硒代半胱氨酸（Sec）基因编码的原始结构中占据一个不可或缺的位置［15］，Sec是人体硒蛋白多肽链的组成部分。GPXs（5种基因）、脱碘酶（3种基因）、硒蛋白 P（SeIP）、硫氧还蛋白还原酶（TXRs）（3种基因）以及硒磷酸化物合成酶2都是以高活性为特征的硒蛋白，它们可以催化氧化还原反应，在活性中心中出现的Sec而非半胱氨酸可以极大地提高催化效力。

硒具有抗氧化性，可保护机体免受自由基和致癌物的侵害。还可减轻炎症反应、增强免疫力，从而抵抗感染、促进心脏的健康、增强维生素E的作用，是男性生殖系统以及新陈代谢的必需物质。摄入不足可能与癌症、早衰、白内障、高血压、反复感染等有关。

4．1 阿尔采末病（AD） AD是一种以多种认知障碍为特征的复杂遗传性疾病，氧化应激可能在其发病中起关键作用。细胞质谷胱甘肽过氧化物酶（GPx1）广泛存在于氧化应激程度高的多种组织中，其基因Pro198Leu可导致酶活性降低。在一项涉及老年AD病人及对照的人群研究中发现，GPx1的 Pro198Leu多态性本身与 AD发病无关，但Pro198Pro纯合子病人血浆及红细胞硒含量明显低于Pro198Pro基因型的健康人群（分别为31.44μg·L-1vs 54.87μg·L-1，P＝0.002；40.25μg·L-1vs 87.75μg·L-1，P＝0.0004），并且发现红细胞内硒含量与红细胞GPx1酶活性在Pro198Pro基因型的AD病人及健康人群均呈明显正相关（r＝0.59，P＜0.005；r＝0.72，P＜0.0001），该相关性在 GPx1突变型人群中则不存在［16］。说明 GPx1的Pro198Leu多态性与AD病人体内硒含量存在某种关联性，也提示硒作为保健补充产品时的效果，也可能受到GPx1基因型的影响。

4.2 前列腺癌 前列腺癌发病风险与体内硒含量低有关，硒蛋白P（SEPP1）是血浆中含量最丰富的硒蛋白，负责数10种硒代半胱氨酸残基向组织的转运，SEPP1基因多态性可能影响硒元素的作用及前列腺癌发病。在一项针对1 352名前列腺癌患者及1 382名对照的研究中，SEPP1基因rs13168440基因多态位点与血浆硒含量明显相关，在次等位基因患者中，血浆硒水平高的患者面临较小的前列腺癌发生风险（Pinteraction＝0.01），该相关性在主等位基因人群中不存在［17］。

另一项针对高表达于前列腺的15 ku硒蛋白基因（SEP15）的研究中，研究者对比了1 286名前列腺癌患者及1 267名对照者SEP15的4个常见基因多态性，发现这些多态性与前列腺癌发病无关，但rs561104位点和血浆硒水平在前列腺癌的死亡率方面存在明显交互作用（Pinteraction＝0.02），即病人不携带rs561104风险基因型时，血浆硒水平越高，前列腺癌的死亡率越低［18］。以上研究说明特定基因型的前列腺癌患者可能通过补充摄取硒元素而降低死亡风险。

锰超氧化物歧化酶（MnSOD）是线粒体内的一种主要抗氧化酶。在一项567名前列腺癌患者和764名对照者的临床研究中，MnSOD基因16号密码子缬氨酸（V）突变为丙氨酸（A）的基因多态位点被发现与体内抗氧化剂含量存在明显交互作用（Pinteraction≤0.05），在血浆硒水平高且为AA基因型中的人发生前列腺癌风险低（OR＝0.3），对于进展性前列腺癌也具有一定保护作用（OR＝0.2），而VA和VV基因型患者对于以上两类人群的保护作用稍弱（OR＝0.6和0.7），当硒与番茄红素、维生素E等抗氧化剂作用叠加时，对AA基因型患者最高可产生10倍的保护作用［19］。

5 铁

铁是人体内含量最多的微量元素。铁能够结合蛋白、结合氧以及介导催化反应，从而对正常人体功能维持非常重要，如氧传递、能量产生和细胞增殖。含有铁的最重要的化学基团是铁硫簇和血红素。正常的铁水平对机体很重要，铁水平过高，过量的氢氧根自由基会引起芬顿反应，从而造成组织损伤；铁水平过低，将引起贫血。铁的吸收和储存对维持正常铁水平至关重要。

Tab 1 M acroelements and Gene Polymorphisms

Tab 2 Trace elements and gene polymorphism s

Baeza-Richer等［20］研究了10个候选基因的 SNPs位点对于铁含量的影响，发现钙通道基因CACNA2D3基因内含子区rs1375515位点与平均红细胞容积、血红蛋白含量及铁蛋白含量均明显相关。G等位基因与以上指标含量降低有关，可能成为缺铁性贫血的高风险因子。Rs1375515或者其连锁位点可能通过影响钙通道的功能调节机体铁储备，还可能影响补充铁剂的治疗效果。

非酒精性脂肪肝（NAFLD）可影响肝内铁运输而导致其在肝内蓄积，与严重肝损伤和肝细胞癌相关。跨膜丝氨酸蛋白酶6（TMPRSS6）基因通过调节肝铁调素的转录而影响铁代谢，研究发现，在216名 NAFLD患者中 TMPRSS6基因p.Ala736Val多态性位点的Val纯合子基因型与肝铁蓄积和铁蛋白水平降低有关（223 vs308μg·L-1，P＝0.01），还与氧化应激引起的肝细胞气球样变性可能有关（P＝0.05）。在铁超载的 HFE阴性基因型人群中，TMPRSS6基因 p.Ala736Val多态性位点对于肝铁蓄积的影响更为明显，736Val基因型与肝铁蓄积呈负相关（OR＝0.59），说明该位点可明显影响NAFLD患者肝脏铁的次级蓄积［21］。

6 铬

铬是人体葡萄糖与类脂物代谢作用中必要的微量元素。3价铬离子对人体有益，但是6价铬离子却是有毒的。铬和其他调控新陈代谢的物质，如荷尔蒙、胰岛素、多种的生物酶以及细胞基因物质（DNA和RNA）一样，在生理功能中发挥很重要的作用。铬的生理作用包括葡萄糖与类脂物代谢、核酸（DNA和RNA）的平衡等等。长期持续地接触铬可能会导致肺癌以及其他职业病。

Zhang等［22］研究了9种主要DNA修复基因的遗传变异及其与6价铬引起的DNA损伤之间的关系，以Olive尾矩值（Olive tailmoments，OTM）评价DNA损伤程度，发现XRCC1基因 Arg399Gln（G／A）位点GG基因型OTM值相对于GA和AA基因型明显升高（0.93 vs 0.73或0.5，P＝0.048），说明A等位基因携带者受到6价铬损伤DNA的程度明显低于G等位基因携带者（OR＝0.39），XRCC1基因 Arg399Gln（G／A）突变位点可能成为6价铬诱发DNA损伤的保护性生物标志物。

尽管矿物质和微量元素的药物基因组学研究还处于初级阶段，但是关于它们与基因多态性关系的研究扩大了药物基因组学的研究范围，并且加速其个体化的实现进程。另外，药物基因组学已成为研究矿物质和微量元素代谢及其相关疾病的重要方法。很多研究由于试验期短、样品数量有限或者不完善的试验设计而受到了限制，所以未来的研究需要着重改善试验设计，提高试验精确度，以及改进随机样本的质量，这需要更长的试验观察期，以及对试验结果更严格的审核标准。

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