红细胞中“D3型周期素”减少可防疟疾

长期以来，人类遗传学研究一直在探索地方性疟疾这一强大的进化压力如何导致能减轻疾病影响的基因变异被选择。1948年，J. B. S. 霍尔丹首次提出，携带导致β-地中海贫血（当时是一种危及生命的贫血症）等位基因的杂合子携带者，可能在疟疾感染期间降低死亡率，这种“杂合子优势”或许能解释此类等位基因频率升高的现象。自这一被称为“疟疾假说”的初始提出以来，在历史上疟疾流行的地区，不仅β-地中海贫血，还有α-地中海贫血、镰状细胞贫血（由血红蛋白S（HbS）变异引起）、血红蛋白C（HbC）病、血红蛋白E（HbE）病和卵形红细胞增多症的等位基因频率升高，都被认为是选择的结果。葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）缺乏症等位基因的高频率也被认为与疟疾抗性有关，遗传研究已为G6PD缺乏症A等位基因的正向选择提供了证据。

更广泛的全基因组关联研究（GWAS）现已发现了其他与疟疾临床严重程度相关的DNA变异，其中一些——如ATP2B4基因的变异——也与红细胞（RBC）特征相关，而红细胞是疟原虫在人类宿主中生命周期关键阶段的宿主细胞。然而，这些变异和基因如何既影响红细胞参数又改善疟疾病情的机制在很大程度上仍不清楚。

本文重点解释CCND3基因区域的一个等位基因变异在影响血细胞特征和疟疾抗性方面的分子作用。我们的首个发现是与血红蛋白A2（HbA2）水平升高相关的信号，其标志是靠近CCND3（编码细胞周期蛋白D3的基因）的单核苷酸多态性（SNP）rs112233623的衍生T等位基因。值得注意的是，这种等位基因变异在撒丁岛人群队列中的频率（次要等位基因频率（MAF）=10.1%）远高于北欧样本集（MAF=1%），该关联最初是在撒丁岛发现的。

在同一基因区域，CHARGE联盟的研究（主要由北欧个体组成）先前发现了与平均红细胞体积（MCV）降低和红细胞计数增加相关的信号，其标志是位于rs112233623上游160 bp处的SNP rs9349205的衍生A等位基因。在这一遗传发现之后，另一组研究人员通过实验证明了围绕SNP rs9349205的核心区域具有红系细胞增强子活性，并且与基线的祖先G等位基因相比，rs9349205-A的增强子活性显著增加。研究人员还表明，Ccnd3基因敲除小鼠的红细胞计数减少、MCV增加，这与人类中rs9349205-A的作用相反。在进一步检查人类和小鼠原代红系细胞后，该团队提出，细胞周期蛋白D3在红系前体终末分化过程中影响细胞分裂次数，从而影响红细胞的大小和数量，即CCND3水平较低会导致红细胞数量减少但体积增大。

最近在英国生物银行大样本中的一项研究，通过对CCND3基因区域进行统计精细定位和逐步条件分析，确定rs9349205-A是红细胞计数减少的主要关联，而rs112233623-T是具有相反效应的潜在独立关联变异。

除了对细胞周期的影响外，在癌细胞中发现细胞周期蛋白D3-CDK6复合物可磷酸化并降低糖酵解途径限速酶6-磷酸果糖激酶（PFK1）和丙酮酸激酶M2（PKM2）的活性。因此，葡萄糖衍生的碳被分流到磷酸戊糖途径和丝氨酸途径，导致NADPH（中和活性氧（ROS）的还原力来源）形成增加。据我们所知，目前尚无研究报道癌细胞中的这些代谢效应是否在红细胞及其前体中重现，如果是，是否会被rs112233623-T和rs9349205-A修饰。

因此，我们以一系列相关问题开始本研究：CCND3的已知作用如何与rs112233623-T变异的已知红细胞特征效应相关？这种等位基因变异是否会影响已知的CCND3红系增强子，特别是是否会影响特定转录因子的结合？当rs112233623-T和rs9349205-A在同一DNA分子（单倍型）上共同遗传时会产生什么效应？与其他欧洲人群相比，撒丁岛人群中rs112233623-T的较高频率更可能由该人群进化历史中的随机漂变还是正向选择解释？如果涉及选择机制，选择压力是什么？在本研究中，我们解决了所有这些问题，并概述了CCND3功能降低在疟疾抗性中的作用及其可能机制。我们的结果表明，抑制CCND3可能成为疟疾的一种治疗方式。

研究发现，rs112233623的衍生T等位基因与HbA2、MCV、MCH水平升高以及红细胞计数降低相关。在撒丁岛队列中，rs9349205的衍生A等位基因与MCV和MCH升高、红细胞计数降低相关，这与北欧人群中的报道相反，但通过条件关联分析可解决这一矛盾。rs112233623-T通过破坏转录因子SMAD3的结合位点，削弱增强子活性，导致红系前体细胞中CCND3表达降低，抑制G1-S细胞周期转换，从而使红细胞数量减少、体积增大。

群体遗传学分析显示，rs112233623-T在撒丁岛的遗传历史中存在正向选择信号，而撒丁岛曾是疟疾流行地区。体外实验表明，携带rs112233623-T的个体的红细胞感染恶性疟原虫后， parasite生长受到损害，且这种损害与ROS水平相关，这与G6PD缺乏症（一种与疟疾抗性相关的特征）个体的红细胞观察结果相似，突显了基于ROS的共同疟疾抗性机制。

总之，本研究提供了直接实验证据，表明基因变异rs112233623-T在血液学特征变异中起因果作用，并赋予疟疾抗性。其机制可能为疟疾治疗提供新的靶点。