补体基因在多种疾病中存在“男女有别”的机制

很多常见的疾病虽然致病原因尚不清楚，但是大数据显示在男性与女性中存在不同的影响。举例来说，自体免疫疾病系统性红斑狼疮与干燥综合征对女性的影响相对于男性来说高出九倍之多【1】；与此同时与女性相比，男性患精神分裂症的频率和严重程度更高【2】。系统性红斑狼疮、干燥综合征以及精神分裂症都与主要组织相容性复合物（Major histocompatibility complex, MHC）基因位点存在很强的共同遗传关联。长期以来，人们一直认为系统性红斑狼疮与干燥综合征的发病与MHC基因位点中人类白细胞抗原等位基因（Human leukocyte antigen, HLA）有关【3,4】。

2019年12月26日，清华大学祁海团队曾在Nature上发表文章揭示了体液免疫性别二态性的内在形成新机制，为理解雌雄个体间抗体免疫应答的强弱不同找到了一个明确的细胞免疫学机制，为理解哺乳动物免疫系统共同拥有的雌雄有别这一特点开辟了一条始料未及的新路（详见BioArt报道：Nature亮点 | 祁海团队发现抗体免疫应答两性差异的新机制）；2020年2月26日，澳大利亚University of Melbourne的Axel Kallies和Ajithkumar Vasanthakumar团队在Nature上发表文章发现在小鼠内脏脂肪组织（visceral adipose tissue，VAT）中的调节性T细胞（Regulatory T cells，Treg）的比例以及功能都有明显的性别二态性，和雌性相比，雄性小鼠VAT中有更多的Treg，并阐述了这种差异的具体机制（详见BioArt报道：Nature | Treg细胞存在的两性差异）。

 

为了对相同基因位点上对三种疾病发病率存在性别差异的可能机制进行探究，2020年5月11日，美国哈佛医学院Steven A. McCarroll研究组与英国伦敦国王学院Timothy J. Vyse研究组合作在Nature发表文章Complement genes contribute sex-biased vulnerability in diverse disorders，揭开了补体基因组分C4等位基因C4A与C4B对于造成自体免疫疾病与精神分裂症存在性别差异的贡献，同时通过数据表明补体系统作为发病率性别差异的来源容易受到自体免疫疾病的影响，是临床治疗方面需要考虑的重要因素之一。

系统性红斑狼疮是一种目前原因不明的全身性自体免疫疾病，尽管该疾病的发生存在一定的环境诱因（比如感染和严重晒伤），但该疾病很大程度上是遗传的【5,6】。系统性红斑狼疮会诱发机体产生对抗自身核酸复合物的抗体，可能会导致人体的多系统损害【7】。相关的遗传学研究表明系统性红斑狼疮的发生与包含HLA基因的MHC基因位点密切相关【4】，但是将这种关联性直接归结与某个特定的基因或者某些等位基因是一件非常困难的事情。与其他的自体免疫疾病例如I型糖尿病、类风湿性关节炎相比，系统性红斑狼疮在MHC基因位点上存在单核苷酸多态性以及HLA的等位基因，并且与已经存在的抗体具有广泛的、持续的、慢性的相互作用。而I型糖尿病、类风湿性关节炎等类型的自体免疫疾病则是由HLA变异蛋白和特定的自体抗原之间的精确相互作用决定了风险水平。

 

补体系统基因组分C4等位C4A和C4B也存在于MHC基因组区域，位于I型和II型HLA基因之间，经典的补体蛋白有助于清除坏死和受损细胞的碎片，减弱细胞内不同蛋白对于免疫系统的影响。另外，C4A和C4B基因通常在具有广泛不同的基因组拷贝数，而且所编码的补体蛋白与分子靶点之间具有不同的亲和力【8】。而系统性红斑狼疮经常表现为补体蛋白不足，严重的、早发性的系统性红斑狼疮患者甚至表现出补体组分（C4、C2、C1Q）的完全缺失【9】。这些证据使得作者们将探寻系统性红斑狼疮、干燥综合征以及精神分裂症存在性别差异的可能机制集中到了补体系统基因拷贝数、等位基因连锁不平衡的可能性上来。

 

C4A和C4B基因复杂的遗传变异是由于存在不同数量的C4A和C4B基因的等位基因，因此很难对其在较大群体中的特点进行分析。2016年发表的一篇Nature文章提出了一种基于推测的可行方法，可以通过单核苷酸多态性去推测C4A和C4B基因的拷贝数【10】。在借鉴此方法的基础上，作者们进行了目前为止最大规模（6,748 名系统性红斑狼疮患者vs 11,516名欧洲血统对照受试者）的系统性红斑狼疮遗传相关性的研究，以评估C4A和C4B基因的拷贝数组合与系统性红斑狼疮风险水平之间的关系（图1）。

 

作者们通过分析发现，系统性红斑狼疮的发生风险与C4基因拷贝数之间存在一致的相关性。对于每个C4B拷贝数，较高的C4A基因拷贝数与系统性红斑狼疮发生风险降低相关；相反地，对于每个C4A拷贝数，较高的C4B拷贝数与更适度地系统性红斑狼疮风险降低相关（图1）。C4A对系统性红斑狼疮有较强的保护作用，C4B的保护作用则较弱，C4基因正是这种风险水平变异的主要驱动因素。

 

进一步地，作者们想要探究C4等位基因与系统性红斑狼疮、干燥综合征等自体免疫疾病对男女影响不同的原因。C4等位基因对男性相对于女性风险的影响不同可能来自于C4 RNA表达不同、C4蛋白水平不同或对C4的下游反应的性别差异等等。作者们通过对不同性别、不同人体组织中的C4 RNA表达水平进行分析后发现，在脑部、血液、肝脏以及类淋巴母细胞中C4的RNA表达不存在明显的性别差别。随后作者们进一步分析了脑脊液中C4蛋白的水平，发现成年男性脑脊液中每个C4基因拷贝对应的C4蛋白数量要高于女性脑脊液中27%（图2）。C4蛋白通过激活补体组分C3蛋白，促进C3蛋白到靶点位置发挥作用。作者们分析发现，C3蛋白的水平在男性中高于女性约42%（图2）。

由于补体系统有助于迅速清除坏死和损伤细胞的碎片，因此增加C4蛋白水平可能会减弱免疫系统与细胞损伤部位之间的相互作用，从而阻止自身免疫疾病的发展。但C4等位基因的拷贝数增加在降低机体的系统性红斑狼疮和干燥综合征的风险下会增加精神分裂症的易感性。在利用补体蛋白系统进行治疗的情况下，基因的多效性需要作为治疗方案中重要的考虑因素之一。

McCarroll研究组与Vyse研究组的工作揭开了补体蛋白等位基因拷贝数组合对于不同的自体免疫疾病发生风险的相应关系，为系统性红斑狼疮、干燥综合征以及精神分裂症在男性与女性之间患病比例存在差异的机制给出了可能的解释，为未来在临床方面进行更合理、更安全的治疗提供了重要的参考。

 

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2277-x

参考文献

1. Ngo, S. T., Steyn, F. J. & McCombe, P. A. Gender differences in autoimmune disease. Front Neuroendocrinol 35, 347-369, doi:10.1016/j.yfrne.2014.04.004 (2014).

2. Abel, K. M., Drake, R. & Goldstein, J. M. Sex differences in schizophrenia.  Int Rev Psychiatry  22, 417-428, doi:10.3109/09540261.2010.515205 (2010).

3. Rioux, J. D. et al. Mapping of multiple susceptibility variants within the MHC region for 7 immune-mediated diseases.  Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  106, 18680-18685, doi:10.1073/pnas.0909307106 (2009).

4. Langefeld, C. D. et al. Transancestral mapping and genetic load in systemic lupus erythematosus.  Nat Commun  8, 16021, doi:10.1038/ncomms16021 (2017).

5. Lawrence, J. S., Martins, C. L. & Drake, G. L. A family survey of lupus erythematosus. 1. Heritability.  J Rheumatol  14, 913-921 (1987).

6. Lipsky, P. E. Systemic lupus erythematosus: an autoimmune disease of B cell hyperactivity.  Nat Immunol  2, 764-766, doi:10.1038/ni0901-764 (2001).

7. Ippolito, A. et al. Autoantibodies in systemic lupus erythematosus: comparison of historical and current assessment of seropositivity.  Lupus  20, 250-255, doi:10.1177/0961203310385738 (2011).

8. Law, S. K., Dodds, A. W. & Porter, R. R. A comparison of the properties of two classes, C4A and C4B, of the human complement component C4.  EMBO J  3, 1819-1823 (1984).

9. Wu, Y. L., Hauptmann, G., Viguier, M. & Yu, C. Y. Molecular basis of complete complement C4 deficiency in two North-African families with systemic lupus erythematosus.  Genes Immun  10, 433-445, doi:10.1038/gene.2009.10 (2009).

10. Sekar, A. et al. Schizophrenia risk from complex variation of complement component 4.  Nature  530, 177-183, doi:10.1038/nature16549 (2016).