【综述】帕金森病与炎性肠病在遗传学和肠道微生物方面的关联研究进展

点击标题下「蓝色微信名」可快速关注

文章来源：中华神经科杂志, 2021,54(7) : 734-742    

作者：李阳红 周小霞 唐北沙

摘要

帕金森病是一种常见的中枢神经系统退行性疾病。在共病研究中发现帕金森病与胃肠道疾病密切关联，两者之间的关系可能涉及“肠-脑轴”紊乱。有遗传学证据和流行病学证据将帕金森病与炎性肠病联系起来。文中将从遗传学证据及“肠-脑轴”的相关概念简述帕金森病和炎性肠病之间的关联。

帕金森病（Parkinson′s disease）是常见且复杂的中枢神经系统退行性疾病，以黑质致密部多巴胺能神经元的显著死亡为特点，临床特征主要表现为运动障碍，如运动迟缓、肌强直、静止性震颤和姿势不稳等；此外，帕金森病患者还表现出广泛的非运动症状，如自主神经功能障碍、认知功能障碍、睡眠异常、嗅觉减退及便秘等。每1 000人中就有1~2人罹患帕金森病，且患病率随年龄增长而增加，65 岁以上人群帕金森病的患病率为1%~2%，85岁以上为3%~5%^{［1, 2, 3］}。据估计，目前世界范围内有700万至1 000万帕金森病患者^［4］。在共病研究中发现帕金森病常伴有胃肠道疾病^{［5, 6, 7］}。炎性肠病（inflammatory bowel disease）是一种复杂的慢性自身免疫疾病，包括克罗恩病（Crohn′s disease）和溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）。炎性肠病通常起病于青年阶段，病情反复，病程长，可持续一生^［8］。克罗恩病影响胃肠道的任何部分，其病变具有局灶性和跨壁性的特点，可能导致瘘管、脓肿和肠道狭窄^［9］。UC的特点是结肠黏膜炎症，始于直肠，呈连续和环状延伸。据报道，炎性肠病发病率最高的地区和国家是北欧、北美和英国^{［10, 11, 12］}。在美国，炎性肠病的患病率约为0.2%，估算美国有超过130万炎性肠病患者^［13］；在欧洲，炎性肠病的患病率约为0.3%，有超过250万人受到炎性肠病影响^［14］。

近年来，有流行病学证据表明帕金森病和炎性肠病之间存在联系。Peter等^［15］、Lin等^［16］、Villumsen等^［17］和Weimers等^［18］调查了炎性肠病人群中帕金森病的发病率，结果提示与对照组相比，炎性肠病患者发生帕金森病的风险明显增加。Zhu等^［19］纳入这4篇研究进行荟萃分析，验证了炎性肠病患者发生帕金森病的风险增加的结论；单独分析克罗恩病和UC亚组，发现帕金森病的发病风险仍增加。但目前缺乏关于帕金森病患者炎性肠病发病风险的研究，Camacho-Soto等^［20］进行了一项大型病例对照研究，发现在帕金森病患者中，炎性肠病的发病风险低于对照组。故帕金森病和炎性肠病流行病学之间的关系尚存在争议，需进一步研究来探究它们之间的关系。

帕金森病和炎性肠病病因复杂，涉及遗传易患性、环境因素、炎症和免疫相关等多种发病机制^{［21, 22, 23］}。虽然帕金森病和炎性肠病的致病机制尚不清楚，但通过共病研究和流行病学调查，不难发现两者之间一定存在某种关联。本文将从遗传学、肠道微生物和肠-脑轴方面，综述帕金森病和炎性肠病之间的关联性，希望为今后研究帕金森病和炎性肠病提供一个新的思路。

一、帕金森病和炎性肠病遗传学上的关联

（一）帕金森病和炎性肠病LRRK2相关基因位点

LRRK2基因突变是引起常染色体显性遗传帕金森病（autosomal dominant Parkinson′s disease，ADPD）和散发性帕金森病最常见的原因，可以解释5%~13%的家族性帕金森病和1%~5%的散发性帕金森病的发病原因^［24］。LRRK2基因编码的富含亮氨酸重复序列激酶2（leucine-rich repeat kinase 2，LRRK2）是一个由2527个氨基酸组成的大蛋白，由几个功能不同的结构域组成^{［24, 25, 26］}。2002年，Funayama等^［27］在日本的1个帕金森病家系中发现了1个新的帕金森病基因位点，其被称为PARK8。随后，2004年，Paisán-Ruíz等^［28］和Zimprich等^［29］进一步研究发现位于该位点的LRRK2基因是PARK8的致病基因。2006年，Di Fonzo等^［30］在60个ADPD家系中全面分析了LRRK2基因，发现LRRK2是帕金森病的常见致病基因。目前发现的常见的帕金森病致病突变有：G2019S、R1441C/G/H、I1371V、I2020T、和Y1699C/G，常见的风险位点有：T2031S、G2385R和R1628P^{［24，31, 32］}。

此外，LRRK2也被报道是炎性肠病的风险基因。2008年，Barrett等^［33］通过纳入3篇全基因组关联分析研究（Genome-Wide Association Study，GWAS）进行荟萃分析，首次发现LRRK2上几个单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms，SNPs）位点可能与克罗恩病有关，且已被Franke等^［34］的荟萃分析结果所证实。除M2397T外，LRRK2上与炎性肠病相关的SNPs大多位于非编码内含子区域^［35］。2018年，Hui等^［36］在LRRK2基因中检测到了新的克罗恩病相关SNPs，包括风险位点N2081D和保护位点N551K/R1398H。有趣的是，Chen等^［37］、Heckman等^［38］、Nixon-Abell等^［39］、Ross等^［40］和Tan等^［41］发现在帕金森病队列中，R1398H也对帕金森病具有保护作用。此外，与G2019S致帕金森病发病类似，N2081D也可能通过提高LRRK2激酶活性而影响克罗恩病发病^{［26，36，42］}。这些LRRK2基因上的变异位点揭示了克罗恩病和帕金森病之间存在共同遗传效应，将二者在遗传学上联系了起来。LRRK2基因上帕金森病和克罗恩病相关的位点如图1所示。

图1 LRRK2基因上帕金森病与克罗恩病相关基因位点（本图为作者原创）

Figure 1 Gene loci associated with Parkinson′s disease and Crohn′s disease in leucine-rich repeat kinase 2 gene (This picture is original by the authors)

（二）LRRK2在帕金森病和炎性肠病中的作用和作用机制

LRRK2广泛表达于包括大脑在内的多种器官和组织，然而有趣的是，其在帕金森病严重丢失的黑质多巴胺能细胞中的表达水平并不是很高^［43］。LRRK2的生理作用广泛，对轴突生长、蛋白质翻译、囊泡运输和自噬均有影响^［44］。LRRK2基因突变可能是帕金森病和炎性肠病的致病原因，但目前尚未明确LRRK2在帕金森病和炎性肠病中的作用和作用机制。

LRRK2是由2 527个氨基酸组成的大蛋白，属于ROCO蛋白家族，特征是同时包含COR结构域和具有内源性GTP酶活性的ROC结构域，LRRK2的激酶结构域位于COR结构域的C末端^{［45, 46］}。GTP酶和激酶结构域的存在必然导致LRRK2是一种细胞信号蛋白^［44］。而且，已有很多研究结果表明LRRK2的GTP酶和激酶活性在发病过程中起重要作用^［43］。Greggio等^［47］和Smith等^［48］发现在细胞模型中，LRRK2激酶活性的增加与细胞毒性有关。此外，Daher等^［49］、Lee等^［50］和Yao等^［51］在啮齿动物体内实验中验证了LRRK2激酶活性增加对细胞的毒性。而LRRK2激酶抑制剂可以减轻致病性LRRK2引起的细胞毒性^［46］。位于LRRK2激酶结构域的帕金森病致病位点G2019S被广泛认为可以增加激酶活性^{［43, 44］}。有趣的是，同样位于LRRK2激酶结构域的克罗恩病风险位点N2081D也与LRRK2激酶活性增加有关^［36］。LRRK2的GTP酶活性和激酶活性之间的关系较为复杂。最初，Smith等^［48］和West等^［52］研究认为LRRK2 GTP酶活性可以调节激酶活性。但随后，Greggio等^［53］、Kamikawaji等^［54］和Gloeckner等^［55］研究发现LRRK2的Roc结构域可以被激酶结构域磷酸化。Cookson^［43］认为激酶活性可能通过调节GTP酶活性影响GTP依赖的下游信号，以及GTP酶活性是重要的致病因子。位于LRRK2ROC和COR结构域的帕金森病致病突变R1441C/G/H和Y1699C会导致LRRK2的GTP酶活性降低^{［43，56］}。相反，同样位于ROC区域的R1398H突变能升高LRRK2的GTP酶活性^［36］。有趣的是，R1398H对帕金森病和克罗恩病均为保护性位点^{［36，46］}。综上所述，LRRK2激酶活性增加和GTP酶活性降低可能是帕金森病和炎性肠病重要的发病机制，帕金森病和炎性肠病可能共同通过由该两种酶活性激活的信号通路而致病。

越来越多的证据表明，炎症可能是LRRK2介导帕金森病和炎性肠病发病的重要机制。LRRK2可在小胶质细胞、单核细胞和B细胞等抗原提呈细胞中表达，参与对病原体的免疫应答^［56］。Gillardon等^［57］研究发现，在LRRK2 R1441G敲入小鼠中，被脂多糖（lipopolysaccharide）激活的小胶质细胞表现出促炎性细胞因子的表达增加而抗炎性细胞因子的表达减少。此外，相比于来自野生型LRRK2小胶质细胞的培养液，将来自脂多糖刺激的LRRK2 R1441G小胶质细胞的条件培养液加入原代皮质神经元中，会导致神经元死亡增加。这些研究结果表明，LRRK2参与了炎性反应过程，LRRK2 R1441G突变可能促使小胶质细胞进入促炎状态，从而导致帕金森病患者更严重的炎性反应和随后的神经变性^{［56，58］}。Moehle等^［59］研究发现，抑制LRRK2可减弱小鼠小胶质细胞内TNF-α和诱导型一氧化氮合酶等炎性介质的水平，进一步支持了LRRK2作为炎性调节因子的作用。Liu等^［60］研究发现，LRRK2缺陷增加了小鼠对葡聚糖硫酸钠（dextran sodium sulfate）诱导的结肠炎的易患性，进一步的机制研究发现LRRK2是活化T细胞核因子（the nuclear factor of activated T-cell，NFAT）的负调控因子，NFAT是参与调节免疫反应的关键调节因子之一。此外，Liu等^［60］还发现克罗恩病相关风险位点M2397T会导致LRRK2蛋白表达降低。这表明LRRK2可通过炎症和炎性介质参与炎性肠病发病。以上研究结果支持了LRRK2在炎性反应中的重要调控作用，LRRK2相关突变介导的炎症可能是诱导帕金森病和炎性肠病的重要原因。

（三）其他与帕金森病和炎性肠病相关的基因

2002年，Lesage等^［61］发现CARD15的3个SNPs（R702W、G908R、L1007fs）与克罗恩病相关。随后，Bialecka等^［62］发现在帕金森病患者中这些SNPs的频率比对照组更高，表明CARD15基因多态性可能是散发性帕金森病的危险因素。这些研究结果说明，CARD15是帕金森病和炎性肠病共同的相关基因。此外，CARD15编码的结合核苷酸的寡聚域（nucleotide-binding oligomerization domain）蛋白可介导核因子-κB （nuclear factor kappa-B，NF-κB）活化^［63］，且Bonen等^［64］研究发现上述SNPs都具有诱导NF-κB失控的作用，这也表明炎性反应在帕金森病和炎性肠病致病过程中的重要性。

二、帕金森病和炎性肠病在肠-脑轴和肠道微生物上的关联

（一）肠-脑轴与帕金森病和炎性肠病的关系

肠-脑轴是大脑和肠道之间的双向作用通路，由神经、体液、肠上皮屏障和肠道微生物组成，肠-脑轴紊乱可能与帕金森病的发生和进展有关^［65］。帕金森病患者的尸检研究结果表明，几乎每个患者的肠神经系统（enteric nervous system）都有α-突触核蛋白（α-synuclein）聚集体^{［66, 67, 68］}。Braak等^{［69, 70, 71］}根据α-synuclein的沉积分布提出了帕金森病可能始于胃肠道，然后通过迷走神经传播到大脑的假设。很多研究结果支持Braak的理论，如Holmqvist等^［72］注入大鼠胃内的病理性α-synuclein可通过迷走神经从肠道逆行转运到脑中；Svensson等^［73］发现迷走神经干切断术能显著降帕金森病的发病风险。此外，胃肠道和神经炎症可能是肠-脑轴紊乱引起帕金森病的重要原因。Lema Tomé等^［74］和Houser和Tansey^［75］认为胃肠道炎症会促发α-synuclein的错误折叠，导致其聚集并向大脑传播。在此过程中，神经炎症也可能通过α-synuclein的释放或摄取来促进其朊病毒样传播。而炎性肠病是一种典型的胃肠道疾病，肠道的促炎免疫反应和稳态失衡在炎性肠病的致病过程中有重要作用^［76］。因此，炎性肠病可能通过肠道炎症等机制参与到肠-脑轴紊乱的过程中。综上所述，肠-脑轴可能是联系帕金森病和炎性肠病的重要纽带。

（二）帕金森病和炎性肠病肠道微生物组成变化

胃肠道有丰富的微生物群落，聚集了超过100万亿个微生物^［77］，肠道微生物组包含300多万个基因，可产生数千种代谢物，而人类基因组仅有大约23 000个基因^［78］。肠道微生物适当的多样性不仅对肠道健康至关重要，而且对包括大脑在内的其他器官也相当关键^［79］。越来越多的研究表明，肠道菌群失调与帕金森病和炎性肠病密切相关^{［80, 81, 82, 83］}。

目前研究对于帕金森病肠道微生物组成的变化尚无统一定论，其中较为一致的结果是，帕金森病患者肠道菌群中普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）、拟杆菌属（Bacteroides）和抑炎菌：粪杆菌（Faecalibacterium）、粪球菌（Coprococcu）、罗氏菌属（Roseburia）及布劳特氏菌属（Blautia）等丰度降低，阿克曼菌（Akkermansia）和促炎菌：变形菌门（Proteobacteria）、肠球菌科（Enterococcaceae）等丰度增加^{［83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92］}。同样，已有很多研究分析了炎性肠病中肠道菌群的组成。目前，炎性肠病肠道菌群改变研究较为一致的结果是厚壁菌门（Firmicutes）减少，Proteobacteria增多^{［93, 94, 95, 96, 97］}，且大多数研究发现炎性肠病患者肠道微生物多样性降低^{［94，98, 99, 100, 101, 102］}。炎性肠病患者肠道菌群多样性的下降很大程度上是因为Firmicutes的减少，尤其是柔嫩梭菌（Clostridium leptum）菌群中的普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）的减少尤为明显^{［94，103, 104］}。表1与表2分别列出了各研究中帕金森病和炎性肠病患者肠道微生物的变化情况。对比分析帕金森病和炎性肠病患者肠道菌群的组成改变，可以发现在帕金森病和炎性肠病中，Proteobacteria促炎菌丰度均呈增加趋势，而Faecalibacterium等抑制炎症相关的细菌丰度减少，这提示肠道菌群可能通过炎症介导帕金森病和炎性肠病共同发病。此外，我们还发现在帕金森病患者肠道中减少的Prevotellaceae、Faecalibacterium、Coprococcu、Roseburia及Blautia是产生短链脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）的菌群。有趣的是，Faecalibacterium和Roseburia hominis在炎性肠病中也是减少的^［105］。图2大致描述了帕金森病和炎性肠病患者肠道微生物的组成变化趋势。

图2 帕金森病和炎性肠病患者肠道微生物组成变化趋势。A：帕金森病患者肠道菌群变化；B：炎性肠病患者肠道菌群变化；C：产生短链脂肪酸的菌群（本图为作者原创）

Figure 2 Changes of intestinal microbial composition in patients with Parkinson′s disease and inflammatory bowel disease (This picture is original by the authors)

（三）肠道微生物代谢产物SCFAs与帕金森病和炎性肠病的关系

SCFAs是肠道细菌发酵膳食纤维产生的重要的代谢产物，对人体健康有重要的调节作用。SCFAs是结肠细胞不可或缺的能量来源，SCFAs水平的降低不仅可能导致结肠动力下降（即便秘），还会导致肠道屏障泄漏率增加^{［106, 107, 108］}。Maslowski等^［109］研究发现SCFAs通过与G蛋白偶联受体43（G-protein-coupled receptor 43，GPR43）结合抑制炎性反应。Smith等^［110］研究发现SCFAs可通过GPR43依赖的方式调节结肠调节性T（regulatory T）细胞池的大小和功能。故SCFAs下降可引起肠道和免疫稳态失衡而诱发或加重炎性肠病。Takaishi等^［111］已证实炎性肠病患者粪便中丙酸和丁酸的浓度显著降低。此外，SCFAs也可能通过G蛋白偶联受体（G-protein-coupled receptor，GPR）发挥中枢作用，但GPR在大脑中分布稀少，相比于通过GPR发挥作用，它们更倾向于通过组蛋白去乙酰化酶来发挥中枢效应^［112］。Unger等^［84］研究发现帕金森病患者粪便中SCFAs浓度降低。这些研究表明SCFAs也与帕金森病密切相关。此外，SCFAs可通过抑制NF-κB的激活而发挥强大的抗炎作用^{［113, 114］}，因此，SCFAs可能在帕金森病和炎性肠病的致病和进展过程中起着关键作用。

三、总结与展望

综上所述，虽然目前对帕金森病和炎性肠病的发病原因及机制的研究尚不透彻，但我们发现帕金森病和炎性肠病在流行病学、遗传学、肠-脑轴和肠道微生物方面都有潜在的关联。从这些方面综述了帕金森病和炎性肠病之间可能存在的联系，不仅为进一步的机制研究提供了新的方向，也为疾病的预防和治疗提供了新的思路。相信在不久的将来，帕金森病和炎性肠病这两大医学难题一定会被攻克。

参考文献略