硒蛋白及其基因多态性研究进展
熊咏民
【摘 要】硒是人体必需的微量元素,在维持细胞活性和机体正常生理功能中发挥着重要作用.硒主要以硒代半胱氨酸的形式掺入形成蛋白质.其中硒代半胱氨酸是鉴定出的第21个氨基酸,并在核糖体蛋白合成中发挥重要作用.目前至少有25种硒蛋白在人类基因组中被鉴定.而且多项研究已证实硒蛋白基因多态性与多种疾病易感性存在相关关系.故作者就几种主要的硒蛋白及其基因多态性作一述评.
【期刊名称】《国外医学（医学地理分册）》
【年(卷),期】2010(031)004
【总页数】5页(P211-215)
【关键词】硒;硒蛋白;多态性
【作 者】熊咏民
【作者单位】西安交通大学医学院地方病研究所,环境与相关基因教育部重点实验室,陕西西安,710061
【正文语种】中 文
【中图分类】Q581
微量元素硒(selenium,Se)于1817年被瑞典科学家BERZELIUS发现，但是大约200多年后证实为动物和人类的必需微量元素。硒在生物体内主要以两类有机硒化合物的形式存在，一类是含硒氨基酸，另一类是含硒蛋白质[1]。迄今为止，人们从哺乳动物和微生物中检测到的含硒氨基酸主要有2种：硒代半胱氨酸(selenocysteine,Se-Cys,Sec)和硒代甲硫氨酸(selenomethionine,Se-Met)。一般认为Se-Met参入蛋白质是一种随机事件，而Sec是由密码子UGA介导翻译，故此，有人主张把以Sec形式参与形成的蛋白质称为硒蛋白，以其他形式硒参与形成的蛋白质称含硒蛋白。在有酶活性的硒蛋白中，Sec往往参与构成酶的活性中心，故又称之为硒酶。硒半胱氨酸是硒蛋白的组分并构成硒酶的活性中心，硒蛋白特别是硒酶是硒的主要功能形式。硒的生物功能主要是通过各种硒酶和硒蛋白来实现的[2]。1973年ROTRUCK首次证明细胞内谷胱甘肽过氧化物酶是一种含硒酶，硒参与构成了该酶的活性组
分，为硒蛋白的研究拉开了序幕。
1 主要的硒蛋白及其生物学功能
硒蛋白是硒在体内发挥生物学功能的主要形式，目前在哺乳动物中已发现并分离出至少25种硒蛋白，其中主要包括谷胱甘肽过氧化物酶(gluthathione peroxidase，包括GPx1、GPx2、GPx3、GPx4)、脱碘酶(idothyronine deiodinase,包括IDⅠ、IDⅡ、IDⅢ)、硫氧还蛋白还原酶(thioredoxinreductases，包括TrxR1、TrxR2、TrxR3)、硒磷酸合成酶(selenophosphate synthetase，SPS)、硒蛋白P (selenoprotein P)、硒蛋白W(selenoprotein W)、精子线粒体膜硒蛋白(sperm mithochondrial capsule selenoprotein,MCS)、人淋巴细胞硒蛋白(human lymphocytic selenoprotein)等。有许多硒蛋白的确切功能至今还未阐明，比较明确的几种硒蛋白如表1所示。对动物细胞来说，至少有3类硒酶是必不可少的：①GPx家族；②ID家族；③TrxR家族[2-4]。
表1 主要硒蛋白的生物学功能
硒蛋白基因转录活性表达蛋白定位功 能    谷胱甘肽过氧化物酶 细胞溶质GPx (cGPx,GPx1)
GPx1普遍存在细胞溶质抗氧化酶:催化H2O2和各种可溶有机过氧化物的还原反应 胃肠道GPx  (GI-GPx,GPx2)GPx2胃肠道细胞溶质抗氧化酶: 催化各种过氧化物的还原反应 血浆GPx (pGPx,GPx3) GPx3肾脏、血浆胞外抗氧化酶:催化H2O2和各种可溶有机过氧化物的还原反应,但其酶活性只是GPx1的10% 磷脂氢过氧化物GPx  (PHGPx,GPx4) GPx4各种组织包括脑细胞溶质和相关膜抗氧化酶:可直接清除磷脂和胆固醇氢过氧化物 精核GPx (snGPx)GPx4睾丸细胞核影响精子成熟和雄性生育力,作为精蛋白巯基过氧化物参与二硫键的交联,这在精细胞染质凝聚过程中是必需的脱腆酶 脱碘酶1(DIO1, IOD1,D1)DIO1甲状腺、肝脏、肾脏、脑下垂体血浆和膜催化T4脱碘,合成并调节活性甲状腺素T3水平等 脱碘酶2(DIO2, IOD2,D2)DIO2甲状腺、脑、心脏、肠、骨骼肌内质网、膜同DIO1 脱碘酶3(DIO3, IOD3,D3)DIO3脑、胎盘、骨骼肌血浆和膜催化T3脱碘,催化T3转变成活化的rT3硫氧还蛋白还原酶 硫氧还蛋白还原酶1  (TrxR1)TXNRD1普遍存在细胞溶质线粒体还原核苷酸参与DNA合成;再生抗氧化体系;维持细胞内还原状态;在细胞生长和增殖中起关键作用;通过氧化还原修饰作用于转录因子而调节DNA表达等 硫氧还蛋白还原酶2  (TrxR2,SelZf1, SelZf2)TXNRD2肝脏、肾脏心脏线粒体同TrxR1 硫氧还蛋白还原酶3 (TrxR3,TGR)TXNRD3睾丸细胞溶质催化硫氧还蛋白还原酶和谷胱甘肽的还原反应;具有二硫键异构化活性,故可能参与了精子的生
成过程硒磷酯合成酶(SPS2)SEPHS2普遍存在细胞溶质催化硒磷酯化合物合成,提供Sec硒供体,参与硒蛋白合成等15ku硒蛋白(Sep15)SEP15前列腺、甲状腺、甲状旁腺内质网具有巯基二硫化物异构酶活性,可能参与内质网内二硫键的形成;内质网糖蛋白折叠的质控;可能与癌症有关硒蛋白P(SEPP1,SelP)SEPP1普遍存在主要肝脏分泌型蛋白含有9或10个Sec,与内皮细胞结合,有保护内皮细胞抗氧化损伤活性;另有认为其是血硒的贮运蛋白硒蛋白WSEPW1骨骼肌、心脏细胞溶质主要存在于肌肉组织,对维护肌肉组织的正常功能是必要的Mr=18000硒蛋白在肾及大量组织中存在,是防止硒缺乏的一种重要硒蛋白硒蛋白MSELM不确定核周具有巯基二硫化物异构酶活性,可能参与内质网内二硫键的形成硒蛋白S(SelS,VIMP)SEPS1不确定内质网影响炎症反应硒蛋白X (SelX or SelR)SEPX1胰腺、肝脏、肾脏、粒细胞细胞溶质蛋氨酸亚砜还原酶
2 常见的硒蛋白基因多态性
随着人类基因组计划的完成，国际上正在启动和实施后基因组计划，目前研究的热点集中在人类基因组中DNA多态性与环境相关疾病的关系。硒作为人类必需微量元素之一，其生理学功能主要通过硒蛋白来实现的，而且，硒蛋白基因已被列入环境基因组计划的候选基因，因此硒蛋白基因多态性与疾病的关系已日益成为国际上研究的热点。
目前，关于硒蛋白基因多态性与疾病关系的研究主要集中在GPx1、GPx4、Sep15等硒蛋白基因上。已经得到实验验证与疾病易感性相关的多态性位点总结如下：①GPx1：位于GPx1基因的2号外显子上的Pro198Leu (rs1050450)错义突变多态性、位于启动子区域的-602A/G和+2T/C、位于外显子1的Ala5/Ala6/Ala7重复序列多态性，除此之外还有-592G/A、-641A/G (rs3811699)、-46C/T (rs1800668)等[5-7]。②SEPP1：位于编码区24731位上的G/A突变(rs3877899,Ala234Thr)和3’-非翻译区(UTR)25191位上的G/A突变(rs7579)等[8]；③Sep15：3’-UTR区存在两个单个核苷酸多态性位点(SNP)，一个位于811位(C/T)，另一个位于1125位(G/A)，其中后者实际上是硒代半胱氨酸插入(SECIS)中的一部分。这两个SNP可形成两个单倍型：C811/G1125和T811/A1125[9-11]；④GPx4：Matilde Maiorino等通过PCR-直接测序法共检测出23个突变位点，其中是较为常见的SNP是rs713041(C/G)、rs4807542(A/G)、rs4807543(G/T)、rs757229(C/G)等；⑤其他：TrxR、Sep S等均检测到基因变异的存在。
3 硒蛋白基因多态性与疾病易感性的关系研究
dna多态性
3.1 与肿瘤的关系 国内外学者研究发现Gpx1基因多态性与多种肿瘤的发病风险相关。HJY和DIAMOND AM对抗氧化的硒蛋白-谷胱甘肽过氧化物酶1(GPx1)的等位基因变异与乳腺癌的
发病风险和病因学的关系进行了详细的研究。结论是Gpx1基因198位点密码子的多态性(C→T)，导致编码亮氨酸还是脯氨酸，研究发现含亮氨酸的基因型与乳腺癌的关系比含脯氨酸的基因型更密切。此外，乳腺癌患者中杂合现象发生的频率明显低于对照组。故GPx1不同的等位基因型对乳腺癌的发病风险起重要作用，同时基因座位上杂合子丢失(LOH)也是乳腺癌发病的一个重要因子[10]。RATNASINGHE等对白种人开展病例对照研究，以评估人GPx1(hGpx1)的198位点密码子上脯氨酸到亮氨酸改变的SNP多态性和肺癌发病风险的关系。PCR-直接测序法显示，对照组中198位点密码子发生变异的基因型达58%，而在肺癌患者中高达71% (P<0.001)，hGPx1不同的基因型和肺癌发病风险明显相关[5]。另外，其他研究还证实了GPx1常见的基因多态性与头颈部肿瘤、结直肠腺瘤等患病风险之间的相关关系[7,13]。
HU等探讨了Sep15基因多态性与头颈部肿瘤之间的关系[14]。数据显示，非裔美国人头颈部肿瘤组织的等位基因频率与正常对照相比具有显著性差异，而且等位基因频率分布与高加索人相比表现出显著的种族差异。此外，Sep15基因座上杂合子丢失(LOH)也在癌症发生过程中发挥着重要作用，头颈部肿瘤患者Sep15位点上发生LOH表明，Sep15基因或同一染体临近位置上其他基因的缺失在头颈部肿瘤发生过程中可能发挥着重要作用。NASR等开展
的关于乳腺癌患者Sep15等位基因频率缺失的病例对照研究[15]，结果表明Sep15和其他紧密相关基因的杂合性丢失是乳腺癌发生过程中一个重要事件。Sep15位点和与其紧密关联的微卫星遗传标记上杂合性频率降低均提示Sep15等位基因丢失可能加速了癌症的发生发展过程。Sep15基因和肺癌之间的关系也在有关试验中得到证实[16]。
PETERS等人在研究结肠中过量表达的硒酶基因突变与结肠和直肠癌的关联性时发现：SEPP有4个SNP位点明显与发生腺瘤的风险相关，位于5’端(-4 166 C>G)、(31,174bp 3’-STP A>G)和(43,881bp 3’-STP G>A)位点的SNP都能增加腺瘤的风险，而位于(44,321bp 3’-STP C>T)的SNP却能降低腺瘤的风险[17]。
3.2 与糖尿病及其并发症的关系 在GPx1基因变异与动脉粥样硬化的关系研究中，Hamanishi等利用PCR-直接测序法对184名日本Ⅱ型糖尿病患者GPx1的基因型进行检测，确定了4个多态性位点(-602A/G，+2C/T，Ala5/Ala6/Ala7，Pro198Leu)。其中-602 G、+2 T、Ala6和198Leu基因型相互间存在连锁不平衡关系。结果发现，Ⅱ型糖尿病并发动脉内膜增厚(IMT)(P=0.003)、心血管疾病(P=0.035)和末梢血管疾病(P=0.027)患者中Pro/Leu基因型的频率明显高于Pro/Pro基因型。GPx1基因的遗传变异增加了Ⅱ型糖尿病患者的动脉血管内中膜厚度、心血管和周围血管疾病等并发症的发病风险[6]。
DIO2基因中92位A/G (Thr→Ala)与DIO2脱碘效率下降[18]及Ⅱ型糖尿病患者(肥胖症)胰岛素抗性上升有关[19]。携带Ala92Ala基因型的Ⅱ型糖尿病患者，其DIO2在甲状腺、骨骼肌中的活性大约只是Ala92Thr或Thr92Thr个体的50%，显示Ala/Ala基因型可能与胰岛素抗性的产生有关。人促甲状腺激素刺激激素启动子区一个单核苷酸多态性位点(221G3C)被认为很可能与高血压有关[20]。研究表明，甲状腺机能正常未进行甲状腺激素替换的成人DIO2 Ala92等位基因似乎增加了患高血压的风险[21]。与Thr92纯合子相比，Ala92纯合子和杂合子似乎更易患高血压。故DIO2可能是高血压的易感基因。
3.3 与其他疾病的关系 DIO2 Ala/Thr可能是骨关节炎的易感基因，INGRID等[22]猜测可能由于DIO2酶活性降低导致细胞内T3浓度降低，使细胞内呈现相对的甲状腺机能减退，从而增加OA的易感性。另外，在碘缺乏地区，DIO2的rs225012T和rs225010G在智力发育迟缓的人中基因频率明显高于正常人[23]，已知DIO2活性在新生儿脑中会达到顶峰[24]，推测rs225012(T/C)、rs225010(A/G)有可能是智力发育迟缓的易感基因。
此外，GPx4基因上的某些多态性位点被证实与男性不育症有相关关系[25]。研究还发现，日本男性人中GPx1 Pro198Leu与代谢综合征之间存在相关关系[26]。
4 硒蛋白基因多态性与缺硒性地方病的关系研究
硒主要以硒蛋白的形式发挥作用，流行病学研究已证实低硒是大骨节病和克山病等地方病的主要环境因素。流行病学研究发现我国克山病和大骨节病主要分布于低硒地带，易感儿童处于低硒营养状态，患病儿童体硒含量更低，而且补硒也证实具有良好的预防效果。但是在同一病区内并非所有人都患病，而且并非所有低硒地区都患病。因此处于低硒环境的病区人是否发病，可能与病区人不同体或个体对环境因素的反应差异以及对疾病的易感性差异有关。所以探讨环境暴露，易感基因和缺硒性地方病的关系，寻环境因素损伤的易感基因具有十分重要的意义。