NOD突变在遗传性疾病中的作用

【摘要】  核苷酸结合寡聚化结构域(nucleotide?binding oligomerization domain, NOD)蛋白是一个胞浆蛋白家族，参与对细胞内病原相关分子模式 (pathogen?associated molecular patterns, PAMPs)的识别，作为细胞内受体能识别高度保守的细菌细胞壁成分肽聚糖,并诱导炎症反应. NOD基因突变是某些遗传性疾病的易感原因,本文对NOD突变在相关疾病中的作用进行综述.

【关键词】  NOD突变；遗传性疾病，先天性

     0引言

    病原体在漫长的进化过程中保留着高度保守的结构基序，这些基序被称为病原体相关分子模式(pathogen?associated molecular patterns,  PAMPs). PAMPs可被有限的受体识别，这些受体称为模式识别受体(pattern?recognition receptors,  PRRs)，PRRs识别PAMPs后即启动固有免疫应答. 现已发现多个不同类型的PRRs，最常见的是细胞表面受体Toll样受体（Toll?like receptors,  TLRs）；另一个识别系统是位于胞浆的核苷酸结合寡聚化结构域(nucleotide?binding oligomerization domain, NOD)蛋白家族，参与对细胞内细菌PAMPs的识别并诱导炎症反应，现已发现20多个成员，其中最有代表性的是NOD1和NOD2，另外还有神经元凋亡抑制蛋白（neuronal apoptosis inhibitory protein, NAIP）、具有C端FIIND和CARD的NALP、含PYD结构的cryopyrin 和 PYPAFs (pyrin?containing APAF?1?like proteins)等15个成员，以及主要组织相容性复合体(major histocompatibility complex, MHC)Ⅱ类反式作用因子.

    1NOD蛋白结构及信号转导

    胞浆蛋白NOD家族成员含有3个不同的功能结构域中部的核苷酸结合区域 (nucleotide?binding domain, NBD; 又称为NOD区域) ，C?末端富含亮氨酸的重复序列（leucine?rich repeats, LRRs），及N?末端的介导嗜同种蛋白?蛋白相互作用区域caspase 募集区域（caspase?recruitment domain, CARD）、pyrin区域（pyrin domain, PYD）、或凋亡重复序列杆状病毒抑制因子（baculovirus inhibitor?of?apoptosis repeats, BIRs）［1］. 根据不同的N?末端区域将NOD 蛋白分成几个亚群，如：NALPs 含有PYD； NODs含有 CARD（ NOD1含1个CARD，而NOD2含2个CARDs）；NAIP含有 BIRs（图1）.

    图1NOD蛋白的结构

    LRRs是一个含20～29个氨基酸残基序列的区域，为病原细胞之间蛋白?蛋白的相互作用提供支架并调节蛋白的激活［2］. LRR区域有结合细菌脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）活性，可激活NF?κB 信号通路. NF?κB是诱导激发抗菌因子β?defensin 2的关键分子［3］. NBD区域（又称NACHT区）含有很多不同的基序，包括WalkerA 和WalkerB基序，他们分别是ATP/GTP酶特异性P环和Mg2+结合区. 这个区域调节NOD蛋白的寡聚化并结合ATP(CⅡTA结合GTP). LRRs 与 NACHT区之间形成的分子内复合物可抑制NOD蛋白的自身活化［4］. NOD1和NOD2在NACHT/LRRs 之外有一个功能不清楚的NACHT关联区，它们结构上的不同在于在N ?末端 NOD1含1个CARD，而NOD2含2个CARDs. NALP的特征是N末端含PYD，但NALP1还有一个附加区FIIND及形成C端延伸的CARD. 含PYD结构的NOD蛋白包括DEFCAP（death effector filament?forming Ced?4?like apoptosis protein），cryopyrin，及PYPAFs (pyrin?containing APAF?1?like proteins)等成员. NAIP缺乏嗜同种相互作用的区域，其N? 末端是3个凋亡重复序列杆状病毒抑制因子（baculovirus inhibitor?of?apoptosis repeats, BIRs）［5］. CⅡTA 是另一类缺乏N?末端嗜同种EBD的NOD蛋白（只有在树突细胞表达的 CⅡTA含有CARD结构），其N?末端含一个转录激活区. CⅡTA是一个非DNA结合转录协同激活因子，参与调节MHCⅡ类基因的表达.

    NOD1和NOD2可识别细菌细胞壁的肽聚糖（peptidoglycan, PGN），诱导自身寡聚化，募集RICK ［receptor?interacting protein （RIP）?like interacting caspase?like apoptosis?regulatory protein（CLARP）kinase］，激活相同的下游信号通路；RICK与IKK复合物（IKKγ/IKKα/IKKβ，也即IκB 激酶）相互作用，激活NF?κB. 某些NOD蛋白（如cryopyrin、IPAF）可与ASC（Apoptosis?associated speck?like protein containing a caspase recruitment domain）结合，通过共同的IKK信号通路激活NF?κB.

    2NOD突变与疾病

    2.1NOD2突变与Crohn?s病和Blau综合征CARD15/NOD2主要表达在单核细胞中.  NOD2在肠内上皮细胞的表达使肠道对细菌产物敏感，并促进趋化细胞因子IL?8的释放［6］. NOD2 本身可作为一个抗菌因子［7］. NOD2突变与两种炎症性疾病有关，即Crohn?s病（Crohn?s disease, CD）和Blau综合征（Blau syndrome, BS）.

    　　Crohn?s病的特征是原发性节断性肠内肉芽肿性炎症. 由于CD 的合并症如瘘、穿孔、狭窄和/或梗阻，使CD患者的外科累积危险度在发病十年内达到60%，严重影响了患者的生活质量. CD 表现为一个多因素/寡基因的疾病，位于16q12的IBD位点CARD15/NOD2是炎症性肠病CD病的易感基因，这一发现为CD是一种遗传病提供了最有力的证据. NOD2突变引起免疫激活及调控机制异常，导致细胞和组织发生损伤. 在欧、美、澳三大洲通过遗传流行病学凋查，证实这一突变可能是30%CD发生的重要原因，并是这种CD亚群的特征性遗传学改变. 对CD患者NOD2基因进行测序，发现其上有3个单核苷酸多态性（SNP）与CD有显著相关性，这些突变占NOD2全部变异的83%. 这三个突变分别是：两个错义突变（Arg702Trp与Gly908Arg）及一个因胞嘧啶插入导致的移码突变（3020insC）［8-10］. CD突变发生在NOD2的LRRs或靠近LRRs氨基酸残基，3020insC致使终止密码子提前，导致其蛋白质截短，丢失其最后33个氨基酸. 这些突变使编码出来的NOD2对NF?κB的激活效应明显降低，导致机体先天性免疫低反应，使机体不能有效识别细菌成分，从而诱导机体肠道细菌异常强烈的免疫反应而引起CD.

    　　当机体携带一个NOD2基因突变型时，CD发病危险性就会增加2倍；当同时携带两个NOD2基因突变型时，这种危险性就会增加20~40倍［11］. 深入观察这组CD临床类型和并发症等发现，该类患者多为末端回肠受累，易于发生纤维化和肠狭窄. 这一重大发现具有划时代的意义，使CD疾病的遗传病因学得到充分肯定，同时将遗传学改变与感染因子和免疫反应异常结合起来，可以较全面地解释这种CD亚群的发病机制.

    NOD2编码区发生错义突变与Blau综合征（Blau syndrome, BS）也有明显相关. BS是一种少见的常染色体显性遗传病，其特点是肉芽肿性关节炎、葡萄膜炎和皮疹. BS是由NOD2的NACHT 区相当于NALP3的R260W突变引起的. 实验表明，与BS相关的NOD2的三个错义突变分别是： G1001A精氨酸突变为谷氨酸（R334Q）, C1000T精氨酸突变为色氨酸（R334W）和一个C1405T 亮氨酸突变为苯丙氨酸（L469F）. 这三个突变被定位于NOD的寡聚化区域内，这些突变导致配体依赖的NF?κB的激活，说明这些是功能放大性突变导致NOD2信号的活化，增加NF?κB基础活性. 尽管CD和BS组织学特征都是肉芽肿炎症，但它们的临床表现及遗传方式是完全不同的. 通常CD突变位于C?末端LRRs或靠近LRRs，是一种功能缺失突变，而BS 突变位于NOD2的NOD区［12］.

    　　此外，有报道表明，NOD2基因功能缺失还与各种癌症疾病的有关，如：结肠腺癌，乳腺癌，肺癌和MALT淋巴瘤等［13-14］. 研究表明，前炎症转录因子如NF?κB的持续活化促进细胞增生而导致恶性转化［15］.

    2.2NAIP突变与神经变性性疾病神经变性性疾病如帕金森病和脊髓性肌肉萎缩（Spinal Muscular Atrophy, SMA）、运动神经元变性与神经凋亡抑制蛋白（neuronal apoptosis inhibitory protein, NAIP）基因缺失有关. NAIP在中枢神经系统中高水平表达，通过阻断caspase?3和7的激活而抑制细胞凋亡. NAIP基因缺失，使前角运动细胞凋亡过度，导致运动神经元受损，引起继发性肌肉萎缩. NAIP1基因突变与SMA有关，研究发现所有受试的马来西亚SMA患者SMN1（Survival Motor Neuron1）上的NAIP外显子7和8纯合子均缺乏，而NAIP上的外显子5的纯合子缺失仅在I型患者身上发现［16］.

    NAIP表达下降与Down综合征及阿尔茨海默病的神经元变性有关. 研究发现 Down综合征的胎儿（孕23 wk）即有脑组织NAIP mRNA下调，Down综合征及阿尔茨海默病（Alzheimer disease, AD）的成人患者大脑皮层均有NAIP蛋白水平降低. Lesne S等发现神经营养因子3(neurotrophin?3, NT?3)使神经元中NAIP?1的表达上调，抑制了β?淀粉样蛋白（β?amyloid protein, β?AP）介导的神经细胞凋亡. 因此认为NT?3的表达量能代表β?AP依赖的神经细胞凋亡的数量，通过干预NT?3，从而使NAIP?1的表达上调，减少AD中神经细胞凋亡.

    2.3CⅡTA突变与Ⅱ型裸淋巴细胞综合征CⅡTA 突变可导致Ⅱ型裸淋巴细胞综合征( typeⅡ bare lymphocyte syndrome, BLS).  BLS是一种遗传性严重免疫缺陷病，为常染色体隐性遗传相关性疾病. 此症十分罕见，其特征为MHCⅡ类分子的基因表达缺陷. 因为MHCⅡ类分子是抗原呈递至T细胞及抗病原反应所必需的，MHCⅡ类分子提呈经过加工的抗原给CD4+T淋巴细胞，在诱发免疫反应中起重要作用，MHCⅡ类分子不正常表达会引起严重的免疫缺陷疾病. 近来有人发现，MHCⅡ类基因缺陷并非因MHCⅡ类基因本身异常，而是决定基因表达的调控子缺陷. 实验发现这类患者的任何组织细胞上均不表达MHCⅡ类分子，细胞内没有任何类型的MHCⅡ类mRNA，然而MHC Ⅱ类分子的基因却并不缺失，提示MHCⅡ类基因的表达异常与其表达调控异常有关，此病实际上是一种基因调节缺陷病. 现已证实有两种分子在MHCⅡ类基因表达中起重要作用，一种是CⅡTA，另一种是促进子结合蛋白复合物， 此复合物含有三类分子：RFX（X box binding complex），X2BP（protein binding to the X2 box）和 NF?Y（protein binding to the Y box），这些分子的缺陷将导致MHCⅡ类抗原基因转录障碍，使抗原提呈细胞表面缺乏MHC Ⅱ类抗原， 导致APC细胞向CD4+T细胞提呈抗原的功能发生障碍，从而形成严重的免疫缺陷.

    　　患者的B淋巴细胞、巨噬细胞和树突状细胞均低表达或不表达MHCⅡ类分子，导致抗原提呈过程受阻. MHCⅡ类分子也可表达于胸腺基质上皮细胞，若其表达异常将导致T细胞阳性选择障碍，影响CD4+T淋巴细胞分化，使患者体内CD4+T细胞数量明显偏低. B淋巴细胞功能也可因CD4+T细胞功能缺陷而受累. 多数BLS患者具有严重的免疫缺陷，表现为迟发型超敏反应能力低下，对TD抗原的抗体应答反应缺失，对各种微生物的易感性增高，甚至导致重症联合免疫缺陷病（severe combined immunodeficiency disease, SCID）, 患者出生6mo即出现发育障碍，在儿童早期就可死于病原体感染.

    2.4cryopyrin突变与炎症综合征编码cryopyrin 的基因CIAS1突变可导致几种反复发作的炎症综合征，这些常染色体显性疾病包括家族性冷自发炎症综合征（familial cold autoinflammatorysyndrome, FCAS）, MW综合征（Muckle?Wells syndrome, MWs）及新生儿发作的多系统炎症综合征（neonatal?onset multisystem inflammatory disease, NOMID）.

    已发现FCAS 和MWs与染色体1q44位点相关.  FCAS通常又称为家族性冷荨麻疹（FCU），表现为暴露在寒冷环境后发生的周期性反复发作的皮疹（100%）、关节痛（96%）、发热（93%）及结膜炎（84%）. 通常在出生后6 mo发病（95%），平均每次发作持续12 h. MWs 临床表现主要是反复发作非瘙痒性荨麻疹，发生在婴儿期，有时由于反复发作低热而导致虚弱. 其病变主要体征位于关节（关节痛或关节炎）和/或眼睛（结膜炎），其他病变有感觉神经性耳聋（多在青春期发作），严重者可发生广泛性淀粉样变性. 近来在FCAS 家族和MW家族性疾病中分离出一个基因中的4种不同的突变，这个基因称为CIAS1，在外周血白细胞中表达，编码一个含pyrin 区域的蛋白, 称为cryopyrin，后者具有一个核苷酸结合部位（NBS）和亮氨酸重复序列（LRR）区域. NOMID也称为慢性婴儿神经、表皮、关节（chronic infantile neurologic, cutaneous，articular syndrome, CINCA）综合征，其特征是发热、慢性脑膜炎、眼葡萄膜炎、感觉神经性耳聋、皮肤荨麻疹和特征性关节变形. 在50%已确诊的NOMID综合征病例中发现有CIAS1突变，这增加了遗传异质性的可能性. 患有FCAS, MWs 及NOMID患者cryopyrin的NOD发生错义突变，cryopyrin基因突变可能导致NF?κB激活失控，从而引起FCAS, MWs及NOMID.

         对NOD功能及其基因突变的研究将会加速对某些遗传性疾病发病机制的了解，并能大力促进NOD相关疾病方案的改进和完善.

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