肝豆状核变性的遗传与表观遗传特征
作者：上海交通大学医学院附属新华医院 肖倩倩 范建高
肝豆状核变性，又称Wilson病（WD），是一种由ATP7B的纯合或复合杂合突变(存在两个不同的突变等位基因)引起的遗传性铜代谢障碍性疾病。ATP7B编码的跨膜铜转运酶（ATP7B）介导肝细胞将铜排泄至胆汁，并参与合成铜蓝蛋白（血液中主要的铜运输蛋白）。肝脏是饮食中铜的代谢场所，ATP7B功能缺失导致肝细胞铜负荷过重，从而导致肝脏病理改变。过量的非铜蓝蛋白结合的铜也会被释放到外周血液循环中，并在大脑等其他组织病理性蓄积，从而导致神经症状和精神障碍。
WD患者临床症状差异很大，发病的高峰年龄是5至35岁。WD是罕见病，估计的发病率为1：30000；然而，最近的分子流行病学研究显示WD(携带两个致病突变等位基因)患病率高于预估。本文主要介绍WD的病理生理和遗传病学特征。WD患者肝细胞ATP7B基因突变和ATP7B转运蛋白失活，导致胆汁铜排泄障碍和铜代谢平衡紊乱。ATP7B还负责转运游离铜用于合成功能性铜蓝蛋白。血液中的功能性铜蓝蛋白的每个分子含有6个铜原子(全铜蓝蛋白)，载脂蛋白等血浆蛋白可能并不结合铜。WD患者由于ATP7B受损导致血清铜蓝蛋白水平降低，血清总铜水平可能比健康对照组降低。然而，血液中有毒的非铜蓝蛋白结合铜水平往往升高。肝脏和全身组织铜负荷过重是引起组织病理改变和临床症状的主要原因。
一、ATP7B基因突变
WD是一种由位于13号染色体短臂上包含20个内含子和21个外显子的ATP7B(框1)突变引起的常染色体隐性遗传病。根据人类基因突变数据库，现已发现700多个与WD相关的突变基因。WD患者可以是一个致病突变的纯合子，也可以是携带两个不同致病突变的复合杂合子。与WD相关的致病突变几乎可以累及全部21个外显子，而且经常是错误突变和无义突变。H1069Q第14外显子错义突变非常常见，50-80%的中欧、东欧和北欧的WD患者携带至少一个H1069Q突变的等位基因。在南欧其他突变更常见，例如西班牙大陆的M645R错义突变；而东南亚的WD患者R778L第8外显子突变更常见，其等位基因频率为14-49%。
试图将ATP7B基因型与WD表型联系起来的研究是一项极具挑战性的任务。体外实验表明，不同的ATP7B突变具有不同的铜转运蛋白活性，从而具有不同的功能特性。与H1069Q复合杂合突变相比，H1069Q纯合突变的WD患者发病更晚，但神经症状更明显。移码突变和无义突变的WD患者血清铜蓝蛋白水平低于错义突变的患者，然而该结果有待进一步的大样本研究证实。在少数WD患者中，某些特定突变(“截断突变”)与发生急性肝功能衰竭和发病年龄较早有关。然而，尝试基因型-表型相关性的研究结果至今尚未定论，部分原因是WD患者表型特征不明显，疾病诊断较晚，以及各种严重的神经精神及肝脏体征和症状的重叠。遗传和环境因素的相互作用可能会影响复杂的疾病表型，当前需要进一步的研究来为特定的关联提供确凿的证据。
二、其他基因
含Patatin样磷脂酶域3（PNPLA3）与肝脏的甘油三酯代谢有关。PNPLA3突变与非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)密切相关，也与WD患者肝脂肪变(肝脏脂肪堆积)的严重程度有关。PNPLA3功能缺失还与肝细胞和肝星状细胞中甘油三酯积聚与消退有关。第二个与脂质代谢有关的基因是载脂蛋白E基因的ε4等位基因，它与神经退行性疾病有关，被认为是WD表型的修饰性基因。尽管一项大型研究发现载脂蛋白E的ε4基因型与WD的肝脏和神经表型均无关联，但是携带载脂蛋白E-ε4基因的女性往往比ε3/ε3基因型女性发病年龄更早，这在H1069Q突变纯合子患者更为明显，提示这些WD患者的疾病进展更快。有趣的是，铜代谢结构域基因COMMD1(以前称为MURR1)的突变是导致灵顿厚毛犬体内铜积累的原因。
一项63例WD患者的研究发现，30%的人携带COMMD1突变，然而其后对不同患者群体的研究并不能证实这些发现。铜转运蛋白ATOX1与ATP7B36的相互作用也引人关注，但至今仍不能明确ATOX1突变在WD发病中的重要作用。活性氧引起的氧化应激被认为是与铜蓄积相关肝损伤的主要原因。在一项435例WD患者的队列研究中，包括过氧化氢酶和锰超氧化物歧化酶在内的编码抗氧化酶的基因变异与WD发病年龄相关。MTHFR是叶酸-同型半胱氨酸途径的关键酶，有研究者对大量波兰WD患者的亚甲基四氢叶酸还原酶(MTHFR)基因变异进行了研究。尽管这项研究因缺乏表型细节而受到质疑，但作者明确了WD表型与MTHFR基因态性之间的相关性；携带MTHFR 677T等位基因的患者更容易出现肝病。尽管这项研究存在局限性，但MTHFR是一个值得进一步研究的基因，因为该基因突变可以影响叶酸和蛋氨酸代谢，这可能会对基因表达和调控的表观遗传机制产生影响。
三、表观遗传学
WD患者的间接数据和动物模型研究表明，表观遗传学可能参与了WD的发病机制，从而影响临床表型。有趣的是，数个病例报道描述了WD纯合子双胞胎们表现出不同的表型，提示环境或营养因素可能会影响WD的表型。WD的模式动物研究已发现环境和营养因素可能影响疾病表型的表观遗传机制。蛋氨酸代谢可以连接环境因素与基因表达调控，基因表达调控和环境因素之间的交叉点是蛋氨酸代谢，这是一种对DNA甲基化有调节作用的代谢途径。S-腺苷同型半胱氨酸(SAH)水解酶(SAHH)在蛋氨酸代谢中起着重要作用，它负责将SAH代谢成同型半胱氨酸，作为DNA甲基化抑制剂的SAH水平在SAHH表达或活性降低时显著增加。在肝脏铜蓄积的情况下，SAHH酶活性和基因转录水平降低，从而影响蛋氨酸下游的代谢途径。值得注意的是，杰克逊实验室中毒性乳鼠ATP7B基因自发性点突变，可影响铜转运蛋白第二跨膜区域，导致蛋氨酸代谢失调和肝细胞全部DNA的低甲基化，这可能与肝损害基因调控产生的下游效应有关。与对照动物相比，中毒性乳鼠胚胎发育期肝脏(甲基化重排的主要部位)中与细胞周期和复制相关基因的转录水平发生显著改变；而给怀孕小鼠补充胆碱（甲基供体）能够使胚胎小鼠的基因表达达到与对照动物相同水平。这些结果提示胎儿肝脏容易受到营养因素的影响，最终可能对疾病表型和进展产生影响。
四、铜稳态
铜对人体是必不可少的微量元素。铜是各种酶的辅因子，如呼吸(如细胞色素c氧化酶)、神经内分泌肽的激活(如肽基-α-单加氧酶)、色素沉着(如酪氨酸酶)、儿茶酚胺的合成和清除(如多巴胺-β-单加氧酶)、自由基的清除(如超氧化物歧化酶（SOD）1和3)以及其他细胞内代谢的酶。鉴于膳食铜的摄入（主要来自豆类、土豆、坚果、种子、巧克力、牛肉、内脏和贝壳类）通常超过铜的生理需要量，机体需通过胆道排铜以维持铜稳态。铜的动态平衡由蛋白质网络维持，蛋白质网络包括跨膜铜转运蛋白、铜载体蛋白、铜储存分子(金属硫蛋白)和含铜酶。此外，不直接与铜结合，但调节铜结合蛋白和/或转运蛋白活性的蛋白质，如接头蛋白、激酶、细胞运输机制的组成部分以及DNA和RNA结合蛋白，也有助于细胞内铜稳态的维持。由于不同类型的细胞具有不同的铜稳态调节机制，主要的铜稳态分子及其调节剂的丰度、分布和细胞行为因细胞类型而异。然而，在大多数细胞中，相同的核心蛋白框架调节铜的动态平衡。
铜主要通过高亲和力铜吸收蛋白1(CTR1)进入细胞(图2)。铜伴侣将铜运送到特定的细胞内靶点。例如，铜SOD的铜伴侣将铜运送到SOD1，而ATOX1将铜运送到ATP7A和ATP7B铜转运体。ATP7A和ATP7B将铜运输到高尔基体，随后被结合到铜依赖性酶中，并通过胆道排泄过量的铜。
肝细胞内有两个重要生理过程参与维持铜稳态：第一，ATP7B为前铜蓝蛋白提供铜，以合成功能性铜蓝蛋白；第二，ATP7B促进胆汁中铜的排泄(图2)。ATP7A和ATP7B的失活会导致铜代谢的显著紊乱和铜依赖酶的失活，临床上表现为门克斯病(方框2)或WD。此外，Mednik综合征(智力发育迟缓、肠病、耳聋、神经病、鱼鳞病和皮肤角化病)是由一种参与ATP7A和ATP7B细胞内运输的接头蛋白基因突变引起的(方框2)。
细胞铜参与线粒体呼吸过程，是细胞铜平衡的关键调节器。目前尚不清楚铜在线粒体胞质铜蛋白和铜结合蛋白之间的分布情况。目前的模型实验表明，蛋白-铜结合亲和力的梯度以及铜结合蛋白的相对丰度可能控制了铜在胞浆蛋白和线粒体蛋白之间的分布。SCO1和SCO2的抑制性突变促进了铜与细胞色素c氧化酶的结合，导致线粒体功能障碍和细胞铜稳态改变。随着对整个铜稳态网络的了解不断扩大，铜与众多细胞内过程的联系变得越来越明显。
最近有研究发现铜在正常生理过程和疾病病理生理中的新作用。例如，铜失衡导致脂质代谢紊乱。与铜超负荷或铜缺乏相关的脂质代谢异常常见于WD、NAFLD和糖尿病等患者。此外，乳糜微粒(富含甘油三酯的脂蛋白)的组装、血管形成、神经元的髓鞘形成、伤口愈合和免疫反应等重要的生理过程都依赖于铜稳态。铜在细胞增殖和血管生成中的作用现已应用于临床，如在癌症患者中评估铜蛋白结合剂四硫钼酸盐的作用。
本文节译：Członkowska A, Litwin T, Dusek P, Ferenci P, Lutsenko S, Medici V, Rybakowski JK, Weiss KH, Schilsky ML. Wilson disease. Nat Rev Dis Primers. 2018 Sep 6;4(1):21. doi: 10.1038/s41572-018-0018-3. PMID: 30190489; PMCID: PMC6416051.