CHRNA5-A3-B4基因簇与吸烟行为的相关性研究进展

刘红艳，高笑宇，李媛，孙德俊

烟草暴露造成每年700多万人死亡，仅我国吸烟者已超过3亿，预计到2050年全国因吸烟造成的死亡人数将增加3倍［1］。香烟烟雾含多种有害物质，主要包括苯并芘、多环芳烃类、尼古丁和亚硝胺［2-3］，其中尼古丁是造成烟草依赖的主要成分［4］。为减少香烟依赖造成的死亡，戒烟是最有效的应对措施，而目前可用的戒烟方法如电子烟、药物替代疗法等的效果均不稳定［5］，且需要进一步明确上述戒烟方法的安全性。因此，为了制定更安全有效的戒烟策略，尼古丁依赖病因学的研究势在必行。烟碱型乙酰胆碱受体（nicotinic acetylcholine receptors，nAChRs）由五聚体跨膜阳离子通道构成，属于配体门控离子通道超家族的一员，其与乙酰胆碱或尼古丁结合后可开放通道，允许阳离子（Ca2+、Na+、K+）转运［6］，促进神经递质释放，进而刺激细胞内信号传导和基因转录［7］。nAChRs可以分为两大类：肌肉型nAChRs和神经元型nAChRs，其中肌肉型nAChRs由α1、β1、γ、δ和ε亚基组成，与乙酰胆碱受体结合，可释放神经递质，激活离子通道，引起肌肉收缩；神经元型nAChRs由α2～α10和β2～β4亚基组成，可与尼古丁选择性地在大脑中靶向结合，进而增强与尼古丁的结合效应［8-9］。CHRNA5-A3-B4基因簇紧密聚集在nAChRs的15号染色体上，编码nAChR的α5、α3和β4亚基，其可相互协调，共同调控基因位点，增强基因表达，影响生物性状。全基因组关联分析（genome-wide association analysis，GWAS）已证实15号染色区域内的单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP）与尼古丁依赖性有关［10-11］。CHRNA5-A3-B4基因遗传候选SNP研究和荟萃分析表明，CHRNA5-A3-B4基因簇与尼古丁依赖性［12］、初次吸烟［13］和重度吸烟行为［14］相关。本文就CHRNA5-A3-B4基因簇与吸烟行为的相关性进行综述，以期为戒烟药物新靶点的开发和烟草相关疾病的基因干预治疗提供新思路。

1 CHRNA5-A3-B4基因簇

1.1 α5、α3、β4亚基相互作用 CHRNA5-A3-B4基因簇编码的α5、α3、β4亚基可在大脑多个区域表达，尤其在内侧缰核和脚间核区域内［15］，其在尼古丁依赖性方面有着至关重要的作用［16］。在脚间核中，单独α5亚基对乙酰胆碱受体结合位点没有作用，但与α3、β4亚基组合后其对尼古丁的亲和力增加［17-19］。RABE等［20］通过质谱法和免疫化学法对单个受体亚基的质膜表达进行分析，发现约98%的质膜受体中α3亚基单独与β4亚基组合表达或与β4、α5亚基共同表达为五聚体结构，这均可增加其对尼古丁的亲和力。有研究发现，CHRNA3基因rs1051730位点与CHRNA5基因rs16969968位点高度相似，可发生错义突变，导致α5亚基蛋白（D398N）中第398个氨基酸处的天冬氨酸（D）替换为天冬酰胺（N），导致具有天冬酰胺变体的α5受体复合物对尼古丁的亲和力变为原来最大亲和力的3倍［21］。由此表明，α5、α3、β4亚基可以相互调节，互相组合，进而增加对尼古丁的亲和力。

1.2 SNP位点相互作用 CHRNA5-A3-B4基因簇中的部分基因具有调控作用，使SNP聚集到基因组区域，形成局部调控组，发挥更强的调控作用。BARRIE等［22］研究发现，CHRNA3、CHRNB4 mRNA和CHRNA5反义RNA在人体多种组织中共表达，提示其有共同调控元件，见图1；进一步研究发现，rs880395位点不但可增加所有组织中CHRNA5 mRNA表达水平，而且可增加脑和外周组织中CHRNA3 mRNA表达水平，同时发现rs880395位点与CHRNB4 3'端非翻译区域中的rs1948位点可共同表达以调控基因变异。LEE等［23］研究发现，CHRNB4的rs4887074位点与尼古丁依赖性有关，其与CHRNA3和CHRNA5的两个调节变体共同调节rs16969968位点的尼古丁依赖性；CHRNA5增强子区域中rs880395位点和CHRNA3增强子区域中rs1948、rs16969968位点可形成单倍型，进一步加强CHRNA5、CHRNA3与尼古丁依赖性的关联性。CHRNA5-A3-B4基因簇与尼古丁亲和力的强弱可能具有组织特异性，如rs1948位点仅在基底神经核中充当CHRNA3的调控变体，而在其他组织中则不起作用。孟加拉种族研究发现，rs16969968、rs578776位点多态性与吸烟行为呈正相关，携带rs16969968位点的A等位基因者吸烟风险增加1.51倍，携带rs578776位点A等位基因者的吸烟风险降低0.595倍［24］。综上，需要了解CHRNA5-A3-B4基因簇在不同组织间甚至种族间相互调控的过程，才能对其产生的复杂临床表现如尼古丁依赖性有一定认知。

图1 CHRNA5-A3-B4烟碱受体位点相互调节简化插图Figure 1 Simplified illustration of CHRNA5-A3-B4 nicotinic receptor site reciprocal regulation

2 CHRNA5-A3-B4基因簇与吸烟行为及吸烟相关疾病的相关性

2010年大规模基因组相关研究表明，nAChRs基因变异与吸烟人群的遗传性状相关［14，25］。其中CHRNA5-A3-B4基因簇与吸烟行为呈正相关，其首先与吸烟量〔每天吸烟（cigarettes per day，CPD）〕有关，其次与吸烟相关表型（如尼古丁依赖性、戒烟）以及吸烟相关疾病（如肺癌和COPD）有关［12，26-27］。LIU等［14］已识别出3个以上连锁不平衡SNP位点，其中包括位于启动子区域的rs16969968位点、CHRNA5的rs588765位点以及CHRNA3的rs6495308位点，其均与吸烟行为呈正相关。CHRNA5-A3-B4基因簇SNP位点的作用及临床表现见表1。CHRNA5-A3-B4基因簇的SNP位点与吸烟行为关系的研究显示，rs1948位点可增加CHRNA3在脑基底核区的表达，rs880395、rs905740位点可增加CHRNA5在脑组织中的表达［23，28］；而rs4887074位点可减少CHRNB4在外周组织中的表达，rs6495308位点可减少CHRNA5、CHRNA3在外周组织中的表达；其中rs16969968位点是非同义SNP位点，其通过错义突变提高CHRNA5的尼古丁依赖性［23］。研究显示，rs4886580、rs7178270位点仅与CHRNB4在外周组织中的表达情况相关［29］。另有学者研究发现，rs1948、rs880395、rs905740、rs4887074、rs6495308、rs1051730、rs514743、rs8192475、rs16969968、rs4886580、rs7178270位点均与吸烟行为相关［22，28，30-35］。

表1 CHRNA5-A3-B4基因簇SNP位点的作用及临床表现Table 1 The role and clinical manifestations of SNP loci in CHRNA5-A3-B4 gene cluster

CHRNA5-A3-B4基因簇与吸烟相关疾病亦具有相关性。ZHAO等［36］对来自中国的823例男性COPD患者样本和435例吸烟的男性健康人群样本进行了DNA提取和SNP基因分型研究，结果显示，携带rs667282位点CT基因型者比携带rs667282位点TT基因型者的戒烟成功率高；携带rs4950位点AG基因型者比携带rs4950位点TT基因型者的戒烟成功率高；在吸烟的COPD患者中，CHRNA5-A3-B4基因簇与戒烟成功明显相关。GANBOLD等［37］对181例COPD患者和292例健康人群进行外周血采样和问卷调查，结果发现CHRNA3（rs1051730、rs12914385位点）、CHRNA5（rs16969968、rs17486278位点）基因多态性是COPD的独立风险基因，且这些风险基因型的任何组合均会增加COPD患者吸烟量及对尼古丁的依赖性。

综上，CHRNA5-A3-B4基因簇与吸烟行为及吸烟相关疾病具有相关性，但其具体机制尚需要进一步研究。

3 小结

综上所述，CHRNA5-A3-B4基因簇中与吸烟行为相关的基因可相互作用，调控SNP并使其聚集到基因组区域，形成局部调控组，进而影响整个集群的遗传效应。CHRNA5-A3-B4基因簇可能不是直接驱动SNP来影响nAChRs表达的，而是通过增加其与转录因子的结合能力或增强其与转录因子的相互作用来影响nAChRs表达的，但这仍需要进一步研究。CHRNA5-A3-B4基因簇中的基因变异导致吸烟行为的具体机制还需要深入研究。

作者贡献：刘红艳进行文章的构思与设计、文献/资料收集、论文撰写与修订；高笑宇、李媛、孙德俊进行文章的可行性分析、质量控制及审校；孙德俊对文章整体负责，监督管理。

本文无利益冲突。