1.COPD呼吸道基因改变
从医学分子生物学角度讲，基因结构及表达的改变是疾病发生发展的重要机制之一，它们不仅改变蛋白质的质，也改变蛋白质的量。首先，让我们先了解一下什么是基因？什么是基因结构改变？什么是基因表达？前文有述，基因就像一个导演，蛋白质则是一个听话的演员。专业地讲，基因是负责编码RNA或一条多肽链的DNA片段，包括编码序列、编码序列外的侧翼序列及插入序列。基因中编码RNA或蛋白质的DNA序列就称为结构基因。基因结构改变即基因突变，是指基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。而基因表达是指生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经过转录、翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定的生物学功能和生物学效应的全过程。比较特殊的是，对rRNA、tRNA的编码基因来说，基因表达就是转录生成RNA的过程。
（1）吸烟诱导的呼吸道基因结构改变。吸烟可诱导基因结构的一系列改变，从而导致整个呼吸道及肺的病理生理改变，即黏液高分泌、纤毛功能失调、气流受限、肺过度充气、气体交换异常、肺动脉高压和肺源性心脏病（简称肺心病）以及全身的不良效应等。这些改变不仅仅见于患肺部疾病的吸烟者，也见于无肺部疾病的吸烟者。香烟的代谢产物二氢二醇环氧苯并(a)芘（BPDE）可以与细胞的DNA结合，形成DNA加合物。DNA加合物的形成可导致细胞的损伤。在长期吸烟的人群中，香烟烟雾对呼吸道的慢性刺激可直接导致呼吸道上皮细胞和平滑肌细胞DNA的损伤，当这种损伤不能修复时，就可能引发严重的后果，如导致COPD的发生。DNA损伤主要包括P53基因突变、表皮生长因子受体基因突变、杂合性缺失、微卫星变异以及线粒体DNA突变、端粒酶活性增强和P16基因甲基化。这些改变也可累及上呼吸道的口腔上皮细胞。
关于吸烟导致呼吸道DNA分子损伤的起源方面，目前已提出若干理论。大部分理论表示，这是个体对烟草烟雾暴露的生理反应，这种生理反应很可能是暴露于烟草烟雾的组织基因表达模式调控的结果。有研究推测：呼吸道的转录分析可提供个体对烟草烟雾具体生理反应的详细情况。这种生理反应可能有助于了解吸烟相关疾病的发病机制。目前很多研究利用纤维支气管镜检查及特定的支气管刷获取呼吸道上皮样本，再通过基因芯片技术分析呼吸道上皮的基因表达，从而对存在吸烟相关疾病或疾病风险的患者提供诊断和预后的信息。
（2）吸烟诱导的呼吸道基因表达改变：有研究结果表明，吸烟可导致呼吸道大规模的基因表达改变，此类改变主要发生在胸腔内的气管、支气管以及鼻和口腔的呼吸道上皮细胞。呼吸道基因表达的改变将导致支气管呼吸道上皮细胞相应蛋白质的改变，从而导致呼吸道的病理及病理生理改变，进而引起疾病的发生。根据其表达产物的生物学功能，这些基因可以分为氧化应激相关基因、黏液分泌相关基因、信号转导相关基因、免疫和炎症反应相关基因以及细胞周期/细胞骨架相关基因等。还有研究发现，吸烟可诱导呼吸道微小RNA （microRNA）表达的改变，而这些改变有助于microRNA对具体的吸烟调控基因进行调节。
（3）戒烟后呼吸道基因表达：戒烟能明显减低COPD的发生率，减轻肺功能下降程度，提高运动耐受性。吸烟者戒烟后第一年内肺功能受损速度明显减慢，以后逐年减慢，早期戒烟者COPD发病比吸烟者可延迟15～20年。这可能与戒烟后吸烟相关的呼吸道基因表达发生改变有关。
机体对吸烟的生理反应分为两类，即抗氧化防御和抗烟草烟雾毒性。有研究发现，与吸烟有关的炎症和氧化应激反应可使许多呼吸道基因的表达发生改变。因此，戒烟可以使这些基因表达改变恢复正常。临床上成功戒烟的COPD患者，呼吸道黏液分泌减少，呼吸困难程度相应降低，生活质量提高，对药物的治疗反应敏感，疾病的进展减慢。然而，部分吸烟者吸烟引起的部分基因改变在戒烟后只能得到缓慢的可逆恢复或其损害完全不可逆转。机体对吸烟的这种病理生理反应，可能在既往吸烟者中构成吸烟所致肺部疾病的持续危险。
2.COPD与基因多态性的关系
DNA多态性是指在一个特定的基因座位上，存在两个或两个以上的等位基因，而且其中的任何一个在人群中出现的频率大于1%。DNA多态性源于自然选择的生物进化现象，那些致病的变异往往被淘汰，而那些有利于生存的变异被保留下来，如此构成了人群DNA的多态性，包括短串联重复多态性（STRP，即微卫星DNA）、单核苷酸多态性（SNP）和限制片段长度多态性（RFLP）。
随着分子生物学研究的深入，越来越多的机制被阐明，比如像COPD这样复杂疾病的基因存在微卫星DNA、单核苷酸多态性（SNP），而SNP在人类基因中更为普遍。这些遗传多态性的变化将改变基因表达水平或mRNA修饰稳定性，进而导致结构蛋白的变化，从而引起肺功能的下降。目前，关于COPD发病机制研究中有两个平衡假说，即蛋白酶抗蛋白酶和氧化抗氧化平衡。研究者们发现这些平衡只不过是遗传物质表型变化的结果，其根本原因在于基因的多态性和基因突变。
（1）COPD与蛋白酶抗蛋白酶基因多态性：正常状态下蛋白酶和抗蛋白酶活力保持相对平衡状态。如果二者失衡，不管是抗蛋白酶缺乏，还是蛋白酶相对增多，都可导致肺组织损伤，促使肺气肿的发生。烟草烟雾中含有大量的氧化物质，进入体内后通过氧化应激反应直接对肺造成损伤，并使蛋白酶抗蛋白酶失衡，这一过程有多种酶参与调节。每一个酶的背后，都有一个叫做基因的指挥家。下面，我们就把这些指挥家从幕后拉出来跟大家见见面：
α1抗胰蛋白酶（α1AT）基因：众所周知，α1AT是血浆蛋白酶（中性粒细胞弹性蛋白酶、组织蛋白酶G和蛋白酶3等）的主要抑制剂，而血浆蛋白酶可引起弹性蛋白和某些胶原的降解，从而影响肺功能。现在已经明确，先天性α1AT缺乏可导致吸烟者早年发生肺气肿。α1AT基因有数十种变异，其中最常见的基因变异为M、Z，纯合子ZZ基因型被确定与COPD发病有关，但该基因型频率仅为0.3%～4.5%，并且这种基因型仅占COPD病例的1%～2%。在外显子5上，Z等位基因存在GA的单核苷酸置换，从而导致多肽链上Glu342Lys的改变。已改变的蛋白将对抗蛋白酶的降解，并致使蛋白酶在肝细胞内质网上聚集，从而降低了血浆中的α1AT的浓度。纯合子ZZ基因型还与COPD的严重性及患者早死有关，尤其是在吸烟者中。另外，杂合体变异也会导致血浆中的α1AT的浓度下降（PiMZ50%～70%，PiMS80%）。Sandford等研究发现有COPD家族史者，α1AT MZ基因型在肺功能急剧下降患者中的存在比非下降者要普遍得多（OR=9.7，95%CI为1.7～184.8，P=0.009）。其他相关报道还有：“正常”变体的PiM2等位基因是发生COPD的风险因子，PiM3等位基因在COPD患者出现的频率明显增多。
（2）基质金属蛋白酶（MMP）基因：MMP是调节细胞外基质降解、合成的主要酶类，由20种结构和功能相关的蛋白水解酶组成，其中MMP1、MMP9和MMP12的基因多态性与COPD的发生发展关系密切。MMP基因定位于11、14、16、20、22号染色体上。Minematsu等研究结果显示，日本吸烟人群中MMP9启动子多态性-1562C/T和肺气肿形成之间有关系；他们报道，经胸部CT检查诊断为肺气肿的患者，其T等位基因频率显著增高，且C／T或T／T基因型的患者比c／c基因型患者肺的气体交换能力低，肺气肿变化明显。Zhou等研究证实MMP9启动子基因多态性与中国南方汉族人群COPD易感性有关。Ito等发现MMP9上的-1562位T等位基因改变与COPD患者（特别伴肺气肿型的）有显著联系，因其基因变异能显著影响粒细胞和肺泡巨噬细胞的功能。MMP12的基因存在A82G和Asn357Ser两个多态性位点，Joos等研究结果表明，MMP1 G1607GG和MMP12 Asen357Ser多态性等位基因组成的单倍体与肺功能的下降程度有关，但未发现MMP12A82G多态性与肺功能下降有关。最近还有报道认为，MMP12的单倍体可作为COPD严重程度的编辑器。Saith等发现MMP14基因的-165T、+221T、+6727C及+7096C单倍型均可能与COPD的发生有关。
（3）金属蛋白酶组织抑制因子（TIMP）基因：TIMP是MMP的内源性抑制剂，由成纤维细胞、上皮细胞、内皮细胞等产生，主要与活化的MMP结合并抑制其活性。目前已知有4种TIMP（1～4）能与活化的MMP相互作用并抑制其活性，但研究发现只有TIMP1和TIMP2与肺气肿有关。TIMP2的基因多态性主要表现在启动子的-418位点和第3外显子的+853位点。其中Hiranno等研究发现，+853G等位基因和-418C等位基因的频率在COPD组要比对照组高得多。此外，谢俊刚等的研究结果表明，在+853位点，等位基因G/A的改变与COPD易感性显著相关，即当吸烟者体内有TIMP2的等位基因中出现G时易患COPD，特别是G/G出现时更易罹患COPD。
（2）COPD与氧化抗氧化失衡相关的基因多态性：氧化抗氧化失衡是导致COPD发生发展的重要机制。正常情况下，人体的外源性氧化物质通过Ⅰ相和Ⅱ相代谢反应后失活被排出体外，且机体有足够的抗氧化能力来维持平衡。肺部的抗氧化系统由抗氧化酶类和非酶类抗氧化小分子物质组成。机体氧化抗氧化失衡产生的氧化应激可导致COPD。因此推测，抗氧化酶基因多态性可能与COPD易感性有关。
1）微粒体环氧化物水解酶（mEPHX）基因：mEPHX是由支气管上皮细胞表达的具有解毒功能的外源性生物代谢酶。它能够水解代谢香烟烟雾中的高反应环氧化物中间产物。人类mEPHX基因定位于1号染色体长臂上，是单基因酶。该基因多态性表现在外显子3（Tyr113His）和外显子4（His139Arg）上，前者为T→C，Tyr被His取代，酶活性减少约50%，称为慢等位基因；后者为A→G，His被Arg取代，酶活性增加25%，称为快等位基因。mEPHX 113和139位点的氨基酸变异可能通过影响mEPHX蛋白的稳定性而改变酶的功能活性。Smith等研究发现，EPHX1慢活性单体型与英国人的COPD易感性有关。Sandford等研究也发现，结合COPD家族史，EPHX1的变异与肺功能的急剧下降有关（OR=4.9，P=0.04）。
2）谷胱甘肽S转移酶（GST）基因：GST基因编码的酶系家族能够对香烟烟雾中的有害成分进行解毒，催化亲电性的代谢产物与谷胱甘肽结合，使之水解性增强易于排出。它可分为多种亚型，其中GSTP1和GSTM1基因多态性与COPD密切相关。GSTP1基因+313存在A→G变异而导致Ile105Val置换。有研究发现，合并COPD家族史的此种变异与FEV1的快速下降有关（OR=2.20，P=0.01）；同组研究结果显示，105Val变异与低的肺功能基线及高基线组的肺功能快速下降均有关。Cheng等研究发现，GSTM1裸基因及GSTP1基因变异与台湾地区人群COPD的易感性密切相关，并认为GSTM1基因缺失是导致COPD的独立危险因素。方利渊等研究发现GSTP1第5外显子遗传多态性（A/G）与中国西南汉族人群COPD易感性可能无关，但与COPD的临床表型、肺实质损伤有关。Zidzik等发现，GSTM1 0/0基因与环氧化酶（EPHX1）基因的外显子3突变同时存在时可以预测斯洛伐克人群发生COPD的风险。
3）细胞色素P450（CYP450）基因：细胞色素P450是一组含亚铁血红素，结构和功能相关的超家族基因编码的同工酶。已知的人类CYP450超家族中，CYP1、CYP2Y、CYP3和CYP4四个基因家族，是生物体内参与内源性化合物（激素、脂肪酸）和外源性化合物（药物、前致癌物、前毒物）生物转化酶系的主要成员，并与许多疾病的发生密切相关。CYP2A6是参与体内尼古丁代谢的主要酶类，其基因变异可改变酶的活性，影响尼古丁的代谢速率。该基因具有高度多态性，已发现22种等位基因。体内实验表明，携带CYP2A6*2、CYP2A6*4、CYP2A6*5、CYP2A6*7、CYP2A6*9等等位基因者，酶的活性降低或消失。CYP2A6缺失型等位基因对肺气肿有保护作用，推测其机制可能是缺失型等位基因造成酶活性丧失，从而改变了个体的吸烟行为。CYP1A1也是细胞色素P450家族中的重要成员，它对烟雾中尼古丁等有害物质的代谢有很大作用。王晓珍等的研究初步证明，CYP1A1rs1048943位点基因多态性与中国西南地区汉族COPD患者的发病有关，但该位点的突变与COPD的严重度分级无关。