摘要
在空气污染物人类反应的个体差异表明,一些亚群是在增加的风险,这是越来越明显,遗传背景是重要的易感因素。
基因标准化的动物模型提供了有用的研究工具。利用近交系小鼠进行的连锁分析确定了染色体片段(数量性状位点(QTL)),以及控制对肺部炎症(17号染色体)、损伤(11号染色体)和对臭氧(O型染色体)反应的高渗透性(4号染色体)的基因3.)接触。暴露于硫酸盐相关颗粒引起的免疫功能障碍反应与O染色体的17号和11号qtl有关3.因此,类似的遗传机制可能控制肺对这些污染物的反应。候选基因在染色体上的主要4和17包括toll样受体和促炎细胞因子,肿瘤坏死因子α应承担的分别。功能分析强烈支持这些候选基因在决定O的易感性的作用3.和微粒。因为人类和小鼠基因组之间存在显着的联动同源性,在鼠标确定的候选易感基因有可能援助的研究,旨在有助于易感性不同理解人类的遗传因素。
到目前为止,还没有研究调查年龄和遗传背景在空气污染引起的肺部疾病的发展之间的相互作用。然而,研究表明年龄对肺癌和其他疾病的遗传易感性的影响,这表明年龄和遗传背景之间的相互作用可能是重要的空气污染疾病的发病机制。
笔者是由来自美国国立卫生研究院资助和支持(HL57142,ES09606和P30 ES00002)环保局(R826724)。
在世界各地的工业化城市,空气污染仍然是一个重要的公共健康和经济问题。许多与空气污染事件有关的不良健康结果的流行病学关联支持了这些担忧。人类对空气污染物反应的个体间差异表明,并非所有接触污染物的个体都有类似的反应。也就是说,一些亚种群受到污染物影响的危险增加。美国《清洁空气法》规定,国家主要环境空气质量标准中污染物的标准应设置得足够低,以保护人口中所有易感人群的健康。例外情况包括需要生命支持系统、重症监护病房病人和托儿所新生婴儿。然而,确定那些决定易感性的因素仍然是难以捉摸的。
概括地说,在对环境刺激的生物反应的个体间差异是内部和外部因素的结果。外部因素包括物理力(如。温度,海拔),社会经济地位,和之前曝光。内部因素包括性别,年龄,饮食,诱发疾病(如。哮喘)。遗传背景已逐渐被认为是环境疾病易感性的另一个重要的内部或宿主因素。在人类群体中,基因多态性与环境因子的易感性有关,包括杀虫剂和传染因子1- - - - - -3.。
很明显,多种内部和外部因素有助于个人对空气污染物的反应。已经确定的一些人群特别容易受到空气中氧化剂和微粒的毒性影响,包括老年人和患有心肺疾病的人4,5。证据还存在对易感性空气传播的污染物,包括臭氧的遗传决定子(O3.)和微粒(见下文)。这个手稿的主要目的是讨论在动物模型和人类受试者已经确定了遗传基础的易感性空气污染短暂研究,及实现途径用来识别易感基因。
研究策略来鉴定候选基因
两种广泛的研究策略被用来识别决定易感性的基因(QTLs)。第一个是基因组扫描或位置克隆(以前称为反向遗传学)。这种策略试图将基因或标记的表达(如。微卫星标记,见下文),在分离子群体的表型(S)。全基因组屏幕被设计为识别联动整个基因组内的任何染色体区间其可能包含的小鼠的两个菌株之间的遗传多态性,可以考虑所研究的差动响应的表型的基因。也就是说,没有先验有关特定基因或基因作用的假设进行测试。这非常适合于遗传控制良好的模型,特别是近交系小鼠,但也适用于人类群体为好。第二个研究策略是候选基因方法(原名“正向遗传学”),其中基因选择先验作为可能的机制,决定了显型的兴趣。使用候选基因方法,然后评估目标表现型与候选基因或候选基因本身的标记之间的联系。这种策略可能在表达的表现型中包含某些基因。然而,如果没有基因组扫描,候选基因方法可能会排除其他决定数量性状的重要位点,以及它们之间的相互作用。这些策略,单独或联合,已被用于近亲繁殖的老鼠,以确定一些疾病的遗传机制。这些包括亨廷顿病的模型6,7,杜氏肌萎缩症8肌萎缩性脊髓侧索硬化症9,胰岛素依赖型糖尿病10,阿尔茨海默病11,血管性血友病12,慢性肉芽肿病13和尼曼-皮克C1病14。作为人类基因组计划的一个组成部分,将大量的资源和精力用于绘制小鼠基因组图谱,这就说明了这种动物模型对人类疾病的重要性15。一个在小鼠遗传学研究的统一概念是从人类和小鼠同源基因座的联动关系。具体地,在基因顺序和染色体结构高度同源性显著已小鼠和人类之间,因为它们的发散保持16。因此,在小鼠易感基因的染色体位置的识别提供了基础在人潜在本地化同源基因17,18。
候选基因的易感性空气污染物
QTL的鉴定是一个多步骤的过程,大致可分为三个研究目标。第一个目标是,以确定响应是否表现型是由遗传决定和定量。确定所述定量表型有遗传基础之后,然后易感性QTL(多个)被寻找。最后,显著翔实的QTL被搜索的候选基因可以解释模型不同的易感性/响应。这超出了本手稿解释所有的连锁图谱的细节的范围;因此,读者可参考由乙本主题的优秀综述罗马19,男oore和Nagle20和Silver21。所选调查已导致鉴定药敏QTL的办理O3.- 和粒子诱发的肺的炎症和损伤的描述如下。这个讨论并不详尽,它只是为了说明,以确定易感性的遗传基础,以空气中的污染物,可能是易感性的重要决定因素的方法,以及候选基因。
臭氧引起的肺部炎症和损伤易感性的遗传决定因素
O3.曝光引起人类和动物模型多发肺和肺外响应。O3.诱发炎症、高反应性和气道上皮损伤,以及改变通气和肺功能下降4,22。O3.也被证明无论是抑制或增强免疫反应23。在大鼠和小鼠中也证实了这些反应幅度的显著株间变异,从而为O3.响应24- - - - - -26。
在近交系小鼠中的易感性株间变化导致作者的实验室进行研究,以确定的O染色体位置3.使用易感C57BL / 6J(B6)和耐C3H / HeJ小鼠(C3)株易感基因。全基因组搜索的炎症的联动装置(多形核白细胞)表型的混合物在〜10-厘摩根(CM)的间隔在整个基因组分布信息简单序列长度多态性(SSLPs)进行(见27有关标记的选择的更多细节)。标记的数量和间隔使小鼠基因组完全覆盖,95%的置信度。与来自B6和C3祖细胞(B6C3F)的个体杂交动物进行连锁2)。该表型˚F2对每一个SSLPs的后代进行基因分型,并将其与O的易感性联系起来3.使用地图管理器QT和MAPMAKER-QTL软件包进行了评价。在整个F区间作图通过简单线性回归2cohort determined the presence of a susceptibility locus on chromosome 17 in the interval ∼16–22 cM (table 1⇓;27)。在D11Mit20和D11Mit12之间,在11号染色体上发现了一个额外的QTL。17号染色体内QTL,有许多候选基因,包括促炎细胞因子、肿瘤坏死因子(TNF)α。因为肿瘤坏死因子α应承担可能假定有一个角色在oxidant-related肺损伤的炎症反应,初步评估候选基因的确定微分O3.‐B6和C3小鼠的炎症诱导。预处理的易感B6小鼠单克隆抗体对肿瘤坏死因子α显著减毒O的炎症反应3.相对于控制B6小鼠,从而提供支持的肿瘤坏死因子α应承担的候选人易感性基因在这个模型27。
为了进一步了解的O机制3.诱导的肺损伤,进行易感性的QTL基因组范围的连锁分析来解释在百万分之一(ppm)O诱导72小时暴露于0.3份渗透性过高应变间的差异3.。因为有炎性细胞浸润和肺通透性过高被O诱导之间的表观解离3.31,我们假设不同的基因座控制着高渗透反应。为了确定易感性QTLs,我们使用来自B6和C3祖细胞的重组近交(RI)菌株进行了基因组筛选21有关RIs用于QTL映射的说明)。在4号染色体上发现了一个显著的QTL,在3号染色体和11号染色体上发现了提示性QTL(表1)⇑;28)。4号染色体QTL包含一个候选基因,toll样受体4 (TLR4),最近在先天免疫和内毒素易感性中被发现32- - - - - -34。作为TLR4在药敏中起重要作用的“概念证明”,其对O的超渗反应3.在C3H / HeOuJ(OuJ)和C3的小鼠进行比较。这些菌株仅在TLR4基因的编码区和内毒素诱导的损伤多态性赋予抗性的C3小鼠与野生型相比OuJ的多态性而不同。显著更大的蛋白浓度在OuJ小鼠中发现暴露至O后C3小鼠相比3.28。此外,逆转录酶聚合酶链反应分析显示,C3小鼠肺中TLR4信息水平显著下调,而O后OuJ株中TLR4信息水平升高3.曝光28。总之,结果表明,染色体4上的QTL解释了在O遗传变异的显著部3.‐诱导的高渗透性,并支持TLR4作为一个强大的候选易感性基因的作用。这是首次证实TLR4调节的先天免疫机制参与了肺对氧化剂暴露的反应。
P行等。26执行易感性的关联分析,诱发接触高浓度的O死亡3.。利用易感的A/J和耐药的B6小鼠,这些研究人员在11号染色体上发现了一个显著的QTL,并在13号和17号染色体上提示了QTL(表1)⇑)。有趣的是,在染色体上的11和17上的QTL是类似于由k中描述leeberger等。27研究暴露于0.3 ppm氧浓度下对炎症的敏感性3.。
也有证据表明O型血易感性的遗传决定因素3.在人类主题。许多实验室报告了肺功能对氧反应的个体间差异3.在其他正常健康的人身上35- - - - - -37。在与O的炎症反应的个体间差异3.也被描述过38- - - - - -42。第二条证据是,在暴露的人类受试者中,特定的基因多态性与响应表型相关。Bergamaschi等。三十发现在基因醌代谢酶的多态性其可具有在肺功能和上皮通透性的响应至O中起重要作用3.在非吸烟运动项目中。
颗粒性肺部炎症和损伤易感性的遗传决定因素
相当多的注意力一直集中在造成颗粒吸入不利呼吸效应。流行病学研究报道整个工业化世界的急,在颗粒暴露增加慢性呼吸和非呼吸健康影响的显著协会4,43,44。Susceptible subpopulations include the aged (≥65 yrs) and patients with cardiopulmonary disease, such as chronic heart disease, chronic obstructive pulmonary disease, and asthma4,45- - - - - -47。以确定遗传背景是否为到颗粒肺部反应的重要决定因素,肺响应小鼠近交系酸性硫酸盐涂布的颗粒(ACP)的菌株间方差进行了研究48。虽然4‐h对ACP的刺激没有引起可检测到的炎症反应,但在Fc受体介导的肺泡巨噬细胞吞噬作用(先天免疫防御的一个指标)中发现了显著的株间差异。一种与O型血相似的基因组扫描3.然后用易感的B6和耐药的C3小鼠进行易感(见上文)29。有趣的是,连锁分析确定的17号染色体和11号染色体上一个建议性的QTL一个显著QTL,几乎重叠确定了Ø类似的QTL3.易感性。常见的联系表明,类似的遗传机制可以控制至O肺部反应3.诱导的炎症和由ACP诱导巨噬细胞吞噬功能障碍;然而,需要进一步的基因分析证实了这一假设。
年龄和遗传易感性的空气污染物的贡献
迄今为止,很少有研究探讨年龄对肺部疾病遗传易感性的影响,也没有研究这些宿主因素对污染物易感性的相互作用。Gauderman和Morrison49进行了分离分析,表明基因型对肺癌的影响因年龄而异,因此,年龄特异性相对风险在年轻人中最大,之后下降。虽然还没有确定具体的基因,但这项研究强烈表明,年龄和遗传背景可能是肺部疾病的重要共同决定因素。在今后的建议/研究中,应考虑这两个因素,以了解空气污染物引起的肺部疾病的易感性。
结论
空气污染引起的发病率和死亡率仍然是全世界重要的公共卫生问题,确定易感人群的亚群至关重要。许多因素可能有助于对空气污染有害影响的个体间易感性,包括年龄和遗传背景。通过对近交系小鼠的连锁分析和对人类受试者的关联研究,已经确定了臭氧和硫酸盐相关颗粒对肺反应的候选易感基因。年龄作为一个与遗传背景相互作用的因素,在空气污染引起的肺部疾病中还没有得到彻底的研究,但可能在遗传易感性中有一个重要的作用,未来的研究应该设计来调查这两个因素的相互作用。对候选基因生物学的理解将导致对污染物暴露不同反应的遗传基础的理解。此外,污染物易感基因多态性的特征可能因此提供了一种手段,以确定在遗传上易受伤害发展的个体。
- 收到2002年4月12日。
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