尿酸酶假基因研究进展

段韵笛 陈建华

（中国药科大学生命科学与技术学院，江苏 南京210038）

尿酸酶可介导生物体内的尿酸降解。灵长类生物尿酸酶基因在进化过程中由于无义突变而成为假基因，从而不能表达有功能的尿酸酶。尿酸酶活性的丧失可能为其进化提供了选择性优势，但是高于其他哺乳动物3-10 倍的血清尿酸水平使人类容易罹患高尿酸血症和痛风，并在一定程度上可伴随糖尿病、高血压和心血管疾病的发生。尿酸酶作为治疗高尿酸血症和痛风的特异性药物，受此类药物在人类患者体内的活性、稳定性和免疫原性的限制，全球范围内上市药物屈指可数，国内尚未有批准上市。因此，从进化生物学的角度出发，研究假基因将阐明导致尿酸酶失活的作用力，可为尿酸酶的“复活”奠定基础，并为安全有效的尿酸酶治疗剂的开发提供新的思路和方向。

1 尿酸酶

尿酸氧化酶（urate oxidase，UOX，E.C.1.7.3.3）又称尿酸酶，是一种参与生物体内嘌呤代谢过程的氧化酶，能够催化尿酸氧化降解生成尿囊素。尿酸酶在自然界中分布广泛，动物、植物、细菌和真菌中均有发现。尿酸酶是由四个结构相同的单体组成的同源四聚体。

假基因（Pseudogenes）指基因组中与正常编码蛋白基因序列相似的DNA 序列，但由于缺失、插入和无义突变失去阅读框架，它不能表达一个有功能的产物。假基因可能是一个有功能的基因经一次或多次突变而形成。假基因可分为加工型假基因（Processed pseudogene）、复制型假基因（Duplicated pseudogene）和单一型假基因（Unitary pseudogene）。人类基因组中约含有14749 个假基因，其中10668 个加工型假基因，3556 个为复制型假基因，228 个为单一假基因。人尿酸酶假基因定位于基因组的1 号染色体3 区1 带1 亚带（1p31.1），含有7 个外显子，为单一型假基因。

2 尿酸酶失活的分子机制

尿酸酶失活的分子机制尚不明确。目前的研究结果表明尿酸酶编码区发生的有害突变是尿酸酶失活的原因，在此过程中尿酸酶的活性呈现渐进性下降。类人猿谱系中尿酸酶的失活归因于4 个遗传损伤。最早的突变是长臂猿尿酸酶所（转下页）独有的，在第72 位密码子发生13 bp 移码缺失。其余3 个突变均存在于人尿酸酶假基因中。第一个是人类和大猿猴之间共有，大约一千三百万年前（Mya）发生在2 号外显子内第33 位密码子的无意义突变。其余的两个失活事件发生在大约10 Mya，发生在5 号外显子中第187 位密码子的另一个无意义突变和2号内含子中的剪接位点突变（位于外显子2 和外显子3 之间）。

在人肝细胞种检测到了尿酸酶基因的转录体，cDNA 测序结果显示在33 和187 位密码子发生无义突变，即使消除这两个突变也无法恢复人尿酸酶活性。意味着灵长类动物尿酸酶的失活是一个比较复杂的过程。

3 尿酸酶失活的进化意义

古代的突变会随着进化的时间而降低尿酸酶的活性，而这种逐渐的降低与生理功能和（潜在的）适应能力相关。

血浆中的尿酸盐是一种重要的水溶性抗氧化剂，能够与多种氧化剂反应，包括过氧化氢，羟基自由基，过亚硝酸盐和一氧化氮。它清除自由基的能力可以保护人类免受癌症的困扰和延长寿命。尿酸有效补偿了古灵长类体内维生素C（Vc）合成途径的缺失。始新世早期，气候温暖，古灵长类可从丰富的果实性食物获得Vc，L- 古洛诺内酯氧化酶（GLO）假基因化使其自身合成VC的途径受到抑制。进入始新世后期，气候变冷，古灵长类从食物中获得的VC减少，尿酸酶失活上调体内的尿酸水平，有利于维持抗氧化状态。

果糖存在下，尿酸可促进哺乳动物机体脂肪的积累。中新世早期（约15-20 Ma），全球降温使果实性食物减少，生活在欧洲的类人猿面临饥饿的风险，欧洲和亚洲的古灵长类生物随着雨林退回到赤道带，尿酸酶的丢失可能帮助这些节食生物“跟随果实”回到非洲，同时尿酸酶在此时期完全失活使其体内的尿酸水平升高，促进果糖转化为脂肪储存在体内，有利于度过这一地质窗口期。

尿酸与古灵长类的智力发育有关。尿酸与咖啡因具有相似的结构，具有潜在的刺激大脑皮层应激反应的作用，因此尿酸酶的失活可促进古灵长类的智力进化，增强认知能力。

动物实验证实尿酸具有调节血压的作用，古灵长类进行低钠和低嘌呤饮食，尿酸水平的升高可以急性（通过刺激肾素血管紧张素系统）和长期（通过肾微血管和间质性疾病的产生引起盐敏感性）的方式提高血压，满足直立行走所需的较高血压，因此尿酸酶失活可促进古灵长类直立行走能力的形成。

此外，尿酸还有刺激觅食的能力。

4 尿酸酶类药物研究进展

人尿酸酶基因在进化过程中发生突变从而不能表达有功能的尿酸酶，这一假基因化为人的进化提供了优势，但是人体内血清尿酸水平显著升高会导致高尿酸血症和痛风的发生，某些情况下还会引发高血压、心血管疾病和代谢综合征，严重影响着人们的健康。

临床上用于治疗高尿酸血症和痛风的药物屈指可数。传统的高尿酸血症治疗药物为化学药物，通过抑制尿酸生成和肾的尿酸重吸收来降低血尿酸水平，但是不能促进尿酸分解，也不能溶解已形成的痛风石，因此尿酸酶类药物成为目前的研究重点，用于治疗其他药物无效的难治性痛风患者。

最初的尿酸酶药物Uricozyme 和Rasburicase 来源于微生物，与人尿酸酶同源性低，易产生免疫反应，限制了临床应用。哺乳动物来源的猪- 狒狒嵌合尿酸酶Pegloticase 不仅具有较高的活性，而且也增加了与人的亲缘性，特别是PEG 修饰技术的应用，使其半衰期增加至10.5-19.9 天。但是PEG 修饰会影响酶活，临床使用过程中患者体内出现了抗PEG 抗体，降低了药物的作用。

因此，深入的研究灵长类尿酸酶失活机制，复活人尿酸酶或者寻找与人尿酸酶亲缘性更高的哺乳动物嵌合尿酸酶是目前研究的重要方向。基于在昆虫细胞（Spodoptera frugiperda）和非洲绿猴肾细胞（CV-1）中表达大鼠尿酸酶cDNA 并获得有功能尿酸酶的研究，未来使用基因编辑技术在人细胞中表达复活人尿酸酶，通过基因水平改造细胞来修复嘌呤代谢异常的方法，可能成为一种治疗的新思路和方向。