病友專區

衛教資訊

分享:

巴金森病之最新基因發展

作者:林靜嫻, 林馥郁, 吳瑞美 醫師
臺大醫院神經部
日期:2007/2/2

巴金森病(巴病)是除了阿茲海默失智症之外最普遍的神經退化性疾病,約佔65歲以上老年人口的1-2%,其中5-10%的病人具有家族遺傳史(顯性與隱性遺傳模式皆有),根據統計,台灣至少有30000個人罹患此症(Chen et al., 2001),發生率有隨著年齡增加而提高的現象(六十歲以上的流行率為1 %,七十至八十歲則約為1.5%),但是有少數病人的發病年齡會提早到50歲之前發病,這類病人稱之為年輕型的巴病患者 (YOPD),約佔所有巴病患者的4-12%。

巴病的病因過去一直認為和環境因素有相當大的關係,包括農藥(有機磷類organophospate group)以及重金屬如錳 (Mn) 等,然而,最近幾年的研究發現某些基因的突變會導致遺傳性巴病的發生,目前已有六個基因的突變已被證實是引起少數遺傳性巴病的致病因(如表一),包括引起顯性遺傳巴病的 α-synuclein、UCHL-1(ubiquitin C-terminal hydrolase-1)、LRRK2(Leucine rich repeat kinase 2)以及引起隱性遺傳巴病的 Parkin、DJ1與PINK1(PTEN-induced kinase I),這些發現證明巴病為一多種基因異常之複雜性退化症,也強調了環境因子和遺傳因子之間的相互作用在巴病致病機轉中的重要性。

孟得爾遺傳模式(Mendelian)之巴金森病

α-synuclein (1997)
近來因對α-synuclein 這種蛋白質的進一步了解,,提供對巴金森氏病研究在病因和發生機轉的新方向,這包括在極少數有巴金森氏病家族史的患者中發現有α-synuclein基因的誤意突變(missense mutation),以及在偶發性巴金森氏病患者腦內路易氏體的免疫染色中,發現對α-synuclein蛋白質有很強的反應。 
α-synuclein是一種約含140個胺基酸的蛋白質,它在腦中含量豐富,特別是在突觸前神經末稍(presynaptic nerve terminal)的部份。然而,目前對它所扮演的生理功能,所知仍極其有限。動物研究顯示,在Zebra finch這種鳥學習唱歌的過程中,α-synuclein蛋白質的合成增加,故而推測其在神經可塑性(neuronal plasticity)此一過程中扮演某種角色。此外,在細胞培養實驗中發現,一旦當其突變,可能誘導細胞自發性死亡(apoptosis)的發生,並使細胞較易受到各種毒性物質的傷害。 
Ubiquitin-Proteasome system是細胞內一個藉一連串酵素反應,來清除不正常蛋白質(包括結構不良,突變或受傷等)的系統。其過程包括ubiquitination,proteolysis和de-ubiquitination等步驟。倘若α-synuclein基因突變,會導致不正常α-synuclein蛋白質的增加,大量形成polyubiquitin-protein conjugate。若其超出proteasome所能分解的範圍,會形成一些無法被水解的包含體(insoluble inclusion)。這些包含體被認為和路易氏體有若干程度的關連。有些看法以為,路易氏體的形成,可以區隔那些不正常的蛋白質,減少細胞所受到的毒性,事實上是一種保護的機轉。 
在對有家族史巴金森氏症患者的研究中,發現兩個家族有α-synuclein基因的突變,且分別在兩個不同位置。兩者都是體染色體顯性遺傳。一個是Contursi family,發現在第四條染色體長臂上(chromosome 4q21-23),α-synclein基因上第209個鹼基由腺嘌呤(adenine; A)取代原來的鳥糞嘌呤(guanine; G),使得第53個位置上的胺基酸由羥丁胺酸(threonine)取代原來的丙胺酸(alanine)。另外是一個German family,同樣在第四條染色體長臂上,第88個鹼基由胞嘧啶(cytosine; C)取代原來的鳥糞嘌呤(guanine; G),使得第30個胺基酸由脯胺酸(proline)取代原來的丙胺酸(alanine)。這兩種突變,同樣是由一疏水性胺基酸取代丙胺酸,可能使α-synuclein蛋白質的三級結構發生變化(由原來的α-helix轉變為β-sheet),進而影響其功能,或導致不正常的堆積。 
路易氏體是巴金森氏病一重要的病理特徵,包括在偶發性和有家族史患者的腦部黑質(substantia nigra)中皆可發現。前段已提及在某些有家族史的巴金森氏病患者,被發現有α-synuclein基因的突變,會導致有缺陷的α-synuclein蛋白質的產生。若其超出細胞本身的清除能力時(譬如Ubiquitin-Proteasome system的功能不足,使α-synuclein被ubiquitination後,卻無法被proteolysis),則會造成一些無法被水解的包含體的產生。有些學者以為,這些包含體和路易氏體有所關聯,可阻絕這些有害的蛋白質,事實上對細胞是一種保護機轉。另有針對偶發性巴金森氏症患者腦中黑質的路易氏體作免疫染色,發現對α-synuclein蛋白質有很強的反應。這些證據說明,α-synuclein在巴金森氏病的病理機轉中,佔有相當重要的位置。 
體作免疫染色,同樣對α-synuclein有很強的反應。 
綜上所論,在與路易氏體相關的疾病中,和α-synuclein相關的病變主要存在於神經細胞中;而在多發性系統退化症中,α-synuclein的病變則發生於神經膠細胞內。換句話說,目前推測α-synuclein的聚合(aggregation),在路易氏體相關疾病及多發性系統退化症的病理發生過程中,扮演一個相當重要的地位。然而,為何α-synuclein會導致神經退化的詳細機轉仍然未知。許多問題仍有待解決,包括因突變或受氧化傷害而使結構改變,但尚未聚合的α-synuclein,是否會直接對神經或神經膠細胞造成傷害,以及這些α-synuclein如何聚合的機轉等。動物模式的建立,是未來研究的重要方向。預期若我們對α-synuclein的生理及病理角色更了解,將是促進發展對這些疾病治療方法的契機。 

Parkin (1998)
引起隱性遺傳性巴病最常見的致病基因在這些重要的致病基因中, parkin基因功能損失是導致年輕型巴病最主要的遺傳病因。Parkin基因座落在染色體6q25-27上,由12個外因子(exons)組成,轉錄產生的蛋白質為Parkin,由465個胺基酸組成,主要分布在高基氏體以及細胞質中。Parkin蛋白在泛素-蛋白脢體降解系統(ubiquitin-proteasome)中扮演E3 ubiquitin ligase的角色 (見圖一),而ubiquitin-proteosome系統的功能主要有二, 一是調控涵蓋細胞週期、訊息傳遞以及細胞代謝的小分子蛋白,其二是調控細胞內蛋白的品質,若是parkin發生突變導致E3 ligase的活性降低,將導致預分解的標的蛋白產生不正常的堆積,包括ER-resident PaelR1、cdc-rel 1、synphilin-1以及glycosylatedα-synuclein,若是α-synuclein累積到一定的臨界值以上,則會聚合行成oligomers甚至protofibrils,對神經細胞形成毒性。發生在偶發型及家族型隱性遺傳性巴病之parkin基因變異包括了:基因的缺失、複製及點突變。根據日本及歐洲國家的研究指出,在具有隱性遺傳家族史的年輕型巴病病患中,有高達一半的病患具有parkin基因的突變;而在偶發型的年輕型巴病病患中,也有將近10-20% 的比例具有parkin基因的突變。根據我們近日在年輕型及家族性台灣漢人的巴病發生頻率以及臨床表現的研究中,發現 Parkin基因的突變率為 9.8 % (Wu RM., et al, 2005),PINK1基因的突變率為 5.6 %,而沒有病人具有DJ1基因的突變(Lockhart PJ., et al, 2004);由此可知,Parkin基因的突變為造成台灣漢人隱性遺傳以及年輕型巴病的最主要致病基因,這結果與日本以及歐美的研究相符;parkin基因突變病患的臨床phenotype包括病人發病年齡多在40歲之前(多為20-30歲之間)、多伴隨有腳部肌張力不全(foot dystonia)、對左多巴藥物反應良好、病程進展緩慢但是易有藥物導致的運動併發症等特色。在病理上,Parkin基因突變最重要的病理特色是只有黑質區神經元變少合併膠質細胞增生(gliosis),並沒有巴病的hallmark-路易包涵體。

PINK1 (2004)
連接粒線體功能失調與神經細胞死亡之橋樑: 除了Parkin基因外,跟據歐美國家的研究指出,PINK1基因的突變也會導致隱性遺傳及年輕型巴病的發生;PINK1基因座落在染色體1P35-36上,由8個exons組成,轉錄產生的蛋白質為PINK1 (PTEN-induced kinase I),由581個胺基酸組成,此蛋白質在所有的細胞組織中都有表現,尤其是在心臟、骨骼肌以及睪丸組織中表現量更高;PINK1蛋白為一serine/threonine kinase,在演化上具有高度的保存性,目前經由細胞培養的實驗發現,PINK1蛋白主要表現在粒腺體中,具有一段約34個氨基酸的mitochondria-targeting motif,可將新轉錄產生的PINK1蛋白帶到粒腺體中,過度表現PINK1蛋白可以保護神經細胞,減少凋零死亡(apoptosis)以及氧化壓力造成的粒線體功能損傷,此研究結果間接證實了粒腺體功能失常導致過高的氧化壓力和巴病致病機轉之間的關係。發生在偶發型及家族型隱性遺傳性巴病之PINK1基因變異大多數為點突變。根據日本的研究指出,在具有隱性遺傳家族史的年輕型巴病病患中,有8.9% 的比例具有PINK1基因的突變,在義大利的族群中,在偶發型的年輕型巴病病患中,也有7.7% 的比例具有PINK1基因的突變。然而,其他國家(愛爾蘭、北美洲以及新加坡)的研究中卻沒有日、義兩國如此高的比例。根據台灣自己的研究指出,PINK1基因的突變率在年輕型及家族性巴病為5.6% (Lee et al., 2006),在偶發型巴病僅為1.5 % (Fung et al, 2006),而且僅只是異型接合的帶因者(heterozygote carrier),由此可知,PINK1基因突變雖然是造成台灣漢人隱性遺傳以及年輕型巴病的第二大致病基因,但其臨床重要性卻遠低於Parkin基因。

DJ1 (2003)
不常見的隱性遺傳致病基因: 除上述Parkin以及PINK1基因外,Bonifati學者等人在2003年的Science上發表了引起隱性遺傳巴金森氏症的第三種病變基因- DJ1 (即Park 7),他們在兩個隱性遺傳的巴病家族中發現DJ1基因的突變,其中來自荷蘭的家族在DJ1 基因的外因子1到5有一同型接合(homozygous) 14kb 的基因缺失,而來自義大利的家族則是在DJ1基因上有一同型接合的點突變(L166P),值得注意的是這兩個家族都有近親結婚的家族史;在臨床表現型上,兩個家族中得病的病人發病的年紀都很年輕 (27-40歲之間),並表現出典型巴金森氏症的症狀,對於左多巴的反應良好,並且病情進展較緩慢、病程較長,早期易併有肌張力異常(dystonia),甚至blepharospasm (類似 parkin 基因突變病人的臨床表現);遺憾的是目前尚無病理方面的資料。目前對於DJ1的了解並不多,已知DJ1 gene位在染色體1p36上,擁有7個exons,合成含有189個胺基酸 (20kDa) 的DJ1蛋白,而DJ1蛋白在神經細胞中扮演的角色仍未明,但它與其他細胞蛋白之間有許多複雜的交互作用,例如1. 和c-myc 交互作用下會加速細胞的transformation,2.DJ1會抑制一組包含glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase(GAPDH)在內的蛋白群組(<400kDa)和RNA結合的能力,進而影響mRNA的穩定性,3.DJ1會和胞質中的PIASxα結合,而PIASxα本身與androgen receptor間的交互作用會影響相關基因的表現,DJ-1藉此調控androgen receptor相關的基因表現。有趣的是,在Bonifati學者等人提出的點突變(L166P),會導致突變型的DJ1移位至粒線體中,也因此 Bonifati等人假設DJ1或許藉由干預細胞中的氧化作用達到致病的目的。根據目前歐美其他國家的研究,在年輕型以及遺傳性巴病病患中都再也沒有DJ1基因突變的病患被發現,亞洲國家中,包括新加坡以及台灣本土的研究(Lockhart PJ., et al, 2004),也沒有發現病人具有DJ1基因的突變,由此可知,DJ1基因的突變並不是造成台灣漢人年輕型以及遺傳性巴病的主要致病基因。

LRRK2 (2004)
目前為止最重要的顯性遺傳基因: 除了引起隱性遺傳巴病的基因之外,Zimprich et al 在2004年底發現了第三個導致顯性遺傳巴病的致病基因-LRRK2。LRRK2基因座落在染色體12q12上,由51個exons組成,轉錄產生的蛋白質為LRRK2 (Leucine-rich repeat kinase 2),由2521個胺基酸組成的285KDa蛋白。LRRK2蛋白屬於ROCO蛋白家族,具有5個重要的功能區塊,包括ROC (Ras of complex protein)、COR (C terminal of ROC)、LRR (Leucine-rich repeat)、MAPKKK (mitogen activated protein kinase kinase kinase)以及WD40 等domains;根據過去一年西方國家的統計,在具有顯性遺傳巴病家族史的病人中有5-8 % 被發現有LRRK2 基因的突變,但若是不具有家族遺傳史的sporadic 巴病病患中,LRRK2基因的突變率為0.4 -1.6 %,因此,LRRK2 基因可說是目前引起顯性遺傳以及傳統老年型巴病病患最重要的ㄧ個基因;除此之外,LRRK2臨床重要性在於LRRK2 基因突變病患的phenotype和典型sporadic 巴病病患幾乎無法區分,病患的平均發病年齡在50-60歲,penetrance 會因年齡增長而提高;在白種人的研究中已經發現,LRRK2基因exon 41上的某ㄧ突變點G2019S為白種人中的hot spot,並已証實這些G2019S突變的病患都是來自於同ㄧfounder effect,但是在亞洲人(包括新加坡以及台灣)的研究中卻都沒有發現此點的突變(Lu et al and Fung et al, 2006),相反的,我們卻分別在exon30 (R1441H)與exon48 (G2385R)的位置上發現和白種人hot spot不同的突變點 (Mata et al, 2005),其中的G2385R根據近日的研究,被認為是台灣漢人中獨特的PD疾病risk variant(Di Fonzo et al, 2006),我們自己的研究也證明此一點。因此建立LRRK2基因在台灣漢人的巴病病患中的突變率以及是否存在有獨特的hot spot,對於巴病的研究將有相當大的助益及潛力。

SCA2 Gene
小腦萎縮基因也可以表現純粹的巴金森病臨床表徵: 除上述的致病基因之外,對於Chinese ethnicity而言,SCA2基因的不正常CAG repeat累積也會導致臨床上純粹巴金森氏症的表徵而不具有顯著的小腦步態共濟失調的情形,根據過去單醫師等人的報告,在23位具有家族遺傳史的巴病病患中,有2位病人的SCA2基因有不正常的CAG repeat,代表有將近10%的遺傳性巴病病患其實是SCA2基因異常的病人(Shan et al., 2001);之後陸醫師等人的研究也發現在來自41個家族的130位遺傳性巴病病患中,有7位病人(來自4個家族)的SCA2基因有不正常的CAG repeat,也是有將近10%的比例(Lu et al., 2004),但若是在不具有家族遺傳史的偶發性巴病病患中篩選SCA2基因,則只有不到1%的比例為SCA2基因異常(Shan et al., 2004);因此,歸納而言,以巴金森病為主要臨床表徵的SCA2病人的特徵多具有顯性遺傳的家族遺傳史,有時詳細的神經學檢查可以發現如slow saccade等等的細微小腦功能失調症狀,但若不具有上述特徵(特別是顯性的家族遺傳史)時,routine的在巴病病患中篩選SCA2基因異常則是不敷時間與成本的。

巴金森病之基因診斷 目前在PD相關基因的鑑定上,費用昂貴且尚未標準化,因此仍建議以 個案處理及研究目的為原則,在有經驗的基因研究中心經過與患者充分溝通,明白優劣之處,考量心理及社會層次之影響後方做檢測。例如針對年輕型,有明顯家族史者可以考慮檢測parkin 基因;老年型有明顯家族史者檢測LRRK2 基因。此外攜帶有單條對偶基因異常的個體 (carrier),因具較高的發病危險性,可做為特殊核醫影像及神經保護性藥物的重要臨床前試驗之對象。

總之,基因型巴金森氏病可做為偶發型巴金森氏病的研究模式,有助於了解致病機轉及新藥發展,例如在隱性遺傳的巴金森氏病,基因異常造成蛋白質功能喪失,顯性遺傳則為造成有毒的蛋白體累積,前者是要增加特定蛋白質的功能,後者則為溶解或移除異常蛋白之累積(如圖二)。相信在後基因時代,科學家必能尋找出神經細胞死亡的原因,鑑定出易感性基因因子,經由分子細胞學及動物模式,發明新的治療藥物,以扼止巴金森氏病之惡化,同時預防疾病之產生。

2019/1/30 上午 09:59:34 | 點閱率:1324