2007, Vol. 23
, 曹虹2, 聂玉强3, 周永健3 2. 江西省人民医院;
3. 广州医学院附属市第一人民医院
1990年美国首先启动人类基因组计划之后，环境基因组计划(Environmental Genome Project，EGP)也于1997年由美国国立环境卫生科学研究所首先提出并于1998年投资6 000万美元正式启动。我国于2000年前后开始环境基因组计划的研究。环境基因组计划的主要目标是推进有重要功能意义的环境应答基因的多态性研究，确定其引起环境暴露致病危险性差异的遗传因素，并以开展和推动环境-基因相互作用对疾病发生影响的人群流行病学研究为最终目的[1]。在这8年期间，世界各国科学家在这些方面进行了较为深入的研究，尤其在DNA序列分析、多态性功能分析、人群研究、技术研究等方面取得了许多重大突破。本文就环境基因组计划的研究进展综述如下。
1 环境基因组计划在国外的研究进展 1.1 DNA序列分析DNA序列分析是发现和认识多态性的前提。环境基因组计划资助的DNA序列分析项目包括DNA多态性位点的识别、基于生物信息学的序列分析、DNA序列变异体的鉴定、比较基因组学、基因剪接分析和基因调控序列分析等。个体易感性与基因组中DNA序列变异相关，最常见的DNA序列变异是单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)。比较2个单倍体基因组后发现，平均1 300个碱基对中出现1个SNP，每个基因编码区出现4个或5个SNP。由此推测，在人群中约有11 000 000个SNP[2]。目前，识别SNP的方法主要有2种，一种是分析数据库中已有的DNA序列，但它不能提供SNP出现频率信息。另一种方法是对群体样本进行大规模测序，鉴定人群SNP和评估SNP出现频率。这种方法适用于整体基因组、特定基因组合以及目标亚群的特定基因的序列分析。此外，如果群体样本和特定基因组合适，所获得信息还有助于环境-基因相互作用的临床流行病学研究。在2003年春季前，EGP完成了高质量的单核苷酸多态性数据库(GeneSNPs数据库)编译工作。
1.2 多态性功能分析由于环境暴露对人体健康影响受到人体许多基因功能的影响，因此，功能分析一直是EGP的重点内容。EGP已经鉴定了许多重要的环境易感基因。血管紧张素I在血管紧张素转换酶(ACE)作用下转换为血管紧张素II。流行病学资料表明[3]，在人类乳腺癌发生过程中，绿茶多酚有潜在的化学保护作用，而血管紧张素II则有潜在的促进作用。Yuan JM等人[4]采用病例对照研究探讨ACE基因多态与乳腺癌发病风险关系，发现携带低活性ACE基因的妇女摄入绿茶平均次数与乳腺癌患病率间没有关系，而携带高活性ACE基因的妇女摄入绿茶平均次数多，乳腺癌患病率低。因此，研究结果提示，在评估绿茶摄入量与乳腺癌发病风险关系中，应考虑到ACE基因活性。微粒体环氧化物水解酶(EPHX1)在烟草衍生的致癌物活化与解毒中，发挥着重要作用，EPHX1基因第3个和第4个外显子多态性与其活性有关。Kiyohara C等人[5]经过研究发现，EPHX1在肺癌发生过程中发挥一相酶的作用，EPHX1低活性基因性与白种人肺癌低危险度相关。Duarte MC等人[6]探讨X线修复交叉互补基因1(XRCC1)的194位精氨酸向色氨酸突变、399位精氨酸向谷氨酰胺突变和XRCC3的241位苏氨酸向蛋氨酸突变与东南部巴西人慢性胃炎和胃癌的关系，发现这些突变与其没有关系，但是这些突变的联合作用可使慢性胃炎发病风险增加。在鉴定XRCC1基因多态性与癌症间关系时，流行病学资料发现携带特定的某种XRCC1变异体基因的女性吸烟者胰腺癌发病率高，同时携带2种或更多种特定XRCC1变异体基因的女性吸烟者更易患乳腺癌。到目前为止，在鉴定人类基因组变异体的功能生物学意义过程中，功能基因组学分析时常落后于流行病学研究。人类基因组变异体功能生物学意义的研究是一项长期、艰巨的任务。
1.3 人群研究该研究包括环境、分子和遗传药理学流行病学研究，也包括有关疾病风险因子、生物标记和SNP基因分型研究。在美国每年有620 000人患有血液系统癌症，有58 000人死于该病。加利福尼亚大学的环境基因工程研究者Smith MT[7]探查血液系统癌症中环境-基因间的相互作用，鉴定了一个可能参与白血病发病的候选基因，该基因编码醌氧化还原酶(NQO1)。NQO1在预防由内源性和外源性造成的氧化损伤中发挥重要作用。目前有关精神病和阿尔茨海默病(AD)与基因多态性关系的研究已经成为国际研究热点。一氧化氮(NO)是一种气体神经递质，被认为在大脑的一些行为区域发挥着重要作用。NO在神经生物学方面发挥N-甲基天冬氨酸受体第二信使的作用，并与多巴胺能和5-羟色胺能系统相互作用，是内因性精神病发病机制中很有希望的候选分子，也是精神病治疗的可能靶点。一氧化氮合酶(NOS-I)基因位于染色体位点的12q24.2处，是精神分裂症和双相性精神障碍发生突变频率较高的位点。Reif A等人[8]研究NOS-I对额前皮质功能影响，发现NOS-I调节性多态影响精神分裂症的遗传风险，改变大脑前额功能。儿茶酚胺邻位甲基转移酶(COMT)基因是精神分裂症的候选基因之一，Tsai SJ等人[9]研究该基因108位缬氨酸和158位蛋氨酸多态性与精神分裂症间关系，发现COMT单倍体对COMT基因表达有附加的预测能力。阿尔茨海默病(AD)是老年进行性神经变性疾病，有其复杂的病原学和深刻的遗传学因素。Liang X等人[10]研究AD易感基因位点，建议在D12S1042和D12S368之间16厘摩尔根的基因位点间寻找易感基因。烟胺比林烟碱乙酰胆碱受体(nAChR)属于配基激活的离子通道超家族。Vasto S[11]等人采用病例对照研究，发现AD患者组nAChR基因594位胸腺嘧啶(T)变异比对照组常见。但进一步研究，需要证实nAChR基因存在多态性倾向，并鉴定变异体功能以及与行为和认知缺陷的关系。Samochowiec J等人[12]使用以家庭为基础研究和病例对照研究，探查亲离子型谷氨酸受体红藻氨酸3(GRIK3)基因多态性(310位丝氨酸突变为丙氨酸)与酒精中毒发病机制间的关系，结果未发现GRIK3基因多态性与酒精中毒间存在联系。
1.4 其他在比较基因组学以及环境基因组的研究方法等方面发展较快。比较鼠基因组学中心协会(CMGCC)是环境基因工程的一个分支，由美国国立环境卫生科学研究所发起。该协会负责开发携带人类单核苷酸多态性的鼠模型，EGP利用这种鼠模型进行表型分析和环境因子易感性检测。EGP已经完成鼠基因组的测序和注册工作，他们能够人工使每个鼠基因定向突变，并向全球提供胚胎干细胞和鼠资源[13]。EGP正与国立环境卫生科学研究所的国家毒理基因组中心(NCT)合作，NCT掌握了全球的基因表达技术，包括微阵列和蛋白组学。实时聚合酶链式反应(Real-time PCR，RT-PCR)是一种高通透量的核苷酸诊断技术，可检测和分型单核苷酸多态性[14]，在各个生物科学领域发挥越来越大的作用。随着新的整体基因组扩增技术的出现，毫微克DNA可以扩增为微克DNA，并在扩增前后完全不改变基因型[15]。Al-kuraya K等人[16]用荧光原位杂交法，分析扩增的表皮生长因子受体2(HER2)、细胞周期蛋白D1(CCND1)、MYC和表皮生长因子受体1(EGFR)的组织芯片，研究中东和欧洲乳腺癌患者潜在的分子差异，发现沙特阿拉伯妇女和瑞士妇女生活方式的差异和/或遗传易感性的差异，对低度恶性的乳腺癌有很大的影响。Palmisano GL等人[17]用基因芯片技术检测人类白细胞抗原(HLA)基因多态性。
2 环境基因组计划在我国的研究概况在DNA序列分析上，我国学者王军彩等[18]研究5个民族健康人群中脱嘌呤核酸内切酶(HAP1)基因多态性分布。HAP1基因是EGP研究的核心基因之一，它编码的蛋白在DNA修复中发挥重要作用。此研究探查中国广东地区汉族健康人群及4个少数民族健康人群中HAP1基因多态性分布，为建立中华民族特色的DNA修复基因多态性数据库提供了基础资料。在多态性检测技术上，我国学者也已经开始运用各种PCR技术检测遗传多态性，如聚合酶链式反应-限制性片段长度多态性、等位基因-聚合酶链式反应和两对引物-聚合酶链式反应等技术。陈马昆等[19]利用基因芯片技术研究中国人群细胞色素P450 2C9基因多态性。此法较传统PCR-RFLP技术，操作简便，且同时可检测多个变异位点。在基因多态性功能研究方面，我国已经有许多报道。张志等[20]研究二磷酸腺苷核糖转移酶(ADPRT)和X线修复交叉互补基因1(XRCC1)遗传变异与胃癌发病风险关系，发现ADPRT762位缬氨酸向丙氨酸突变是胃癌的遗传易感因素，XRCC1的399位精氨酸向谷氨酰胺变异有促进ADPRT762位缬氨酸向丙氨酸突变的作用。王雨等[21]研究与前致癌物亚硝胺类代谢活化有关的细胞色素P450 2E1(CYP2E1)基因多态性与胃癌易感性的关系，探讨环境与遗传因素在胃癌发生中的作用，发现CYP2E1基因RsaI位点等位基因c1和某些饮食因素与胃癌发生有关。在基因多态性人群研究上，我国许多学者已经研究了癌症，如肺癌、胃癌、前列腺癌、膀胱癌、白血病等与基因多态性的关系。席淑华等[22]研究谷胱甘肽硫转移酶(GST)M1和T1基因多态与大气污染的交互作用对哮喘发病的影响，为哮喘的预防、诊断和治疗提供了理论依据。王德军等[23]研究了肿瘤坏死因子α(TNF-α)基因的308和238位点多态与中国西南地区汉族人矽肺的发生及其严重程度的关系。目前，我国在神经变性疾病与基因多态性方面的研究报道还较少，有必要加强这方面的研究。
3 存在问题与展望在这8年期间，环境基因组计划推动了分子毒理学、分子流行病学等学科乃至整个预防医学的发展，对人类疾病的预防、人口素质的提高起到巨大的推动作用，并促进了预防医学研究宏观与微观的有机结合。但环境基因组计划也存在一些问题，在随后几年里有待进一步解决。这主要表现在以下几个方面：(1)EGP是跨学科的研究工程，它需要流行病学家、分子遗传学家、生物化学家以及其他相关领域科学家联合起来，共同研究易感基因的作用机制。(2)环境-基因相互作用的模式复杂，目前研究大多关注个体主要危险因子与某一易感基因的相互作用，对复杂环境与易感基因群之间的共同作用研究不够。(3)鉴定人类基因组变异体的功能生物学意义过程中，功能基因组学分析时常落后于流行病学研究，EGP应加快这个领域探索。(4)发展新的统计学方法，开发新的多态性检测技术。(5)复杂的伦理、法律和社会问题伴随人类基因多态性研究，环境基因组计划应该与其他机构合作，解决遗传筛选的负面影响。(6)EGP应该尽快使其研究成果社会化，筛选易感个体，采取有力的医学和行为干预措施，制定有效的预防方案，保护易感个体，加强环境的治理和保护。
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