脆性X綜合征分子病理及治療研究進展

丁 寧 李芳芳綜述 鄒檢平，*審校

1.國家人口計生委科研所內(nèi)分泌室(北京，100081);2.沈陽藥科大學生命科學與生物制藥學院

脆性X綜合征(FXS)是一種常見的遺傳性智力低下綜合征，其發(fā)病率僅次于唐氏綜合征，呈X連鎖遺傳。FXS的發(fā)病率男性為1/4 000，女性為1/6 000。99%以上的FXS患者，其發(fā)病的分子遺傳學基礎(chǔ)是FXS智力低下基因1(FMR1)動態(tài)突變，使其編碼的脆性X蛋白(FMRP)表達減少或者缺失。本文擬探討FXS的分子遺傳學發(fā)病機理和治療新進展。

1 發(fā)病機理

1.1 X染色體脆性位點

脆性位點得名于含有突變基因的X染色體長臂的特殊表現(xiàn)，即在顯微鏡下觀察，某一位點細如絲線，脆性很大，故而得名。迄今發(fā)現(xiàn)的26種罕見脆性位點，只有Xq27～q28區(qū)域的脆性位點與遺傳性疾病有關(guān)。FXS因與Xq27.3處葉酸敏感性脆性位點(FraXA)相關(guān)而命名，幾乎所有的男性患者及約半數(shù)女性攜帶者可檢測到該位點。此外在Xq27～q28區(qū)域分布的脆性位點FraXD、FraXE、FraXF也與人類智力低下有關(guān)，在細胞遺傳學水平上不易與FraXA 位點鑒別［1］。

1.2 脆性X基因家族

FXS智力低下基因(FMR1)定位于 Xq27.3，其5'端非編碼區(qū)(CGG)n三核苷酸重復序列的異常擴增及CpG島的異常甲基化可引起編碼產(chǎn)物蛋白(FMRP)表達下降或缺失。脆性X相關(guān)基因1和2(FXR1/2)分別定位于3q28及17q13.1，其序列及結(jié)構(gòu)與FMR1具有高度的相似性，且可兩兩以同源或異源二聚體形式存在，三者統(tǒng)稱為脆性X基因家族［2］。FXR1和FXR2類似于FMR1，也具有與蛋白質(zhì)結(jié)合及與mRNA結(jié)合的功能，而且本身也可以與FMR1 mRNA、FMRP相互作用，且可能與FXS的發(fā)病密切相關(guān)［2］。

1.3 FMR1基因結(jié)構(gòu)及AGG單元的嵌入

FMR1基因由17個外顯子和16個內(nèi)含子組成，全長約38kb。5’非翻譯區(qū)存在一段數(shù)目可變的(CGG)n重復序列，其上游250bp處有一個CpG島。正常人(CGG)n重復數(shù)具有多態(tài)性，范圍在6～50之間;FMR1基因(CGG)n結(jié)構(gòu)中AGG單元的丟失可影響(CGG)n結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因為AGG單元數(shù)目的減少或缺失通常伴隨著(CGG)n結(jié)構(gòu)的擴展，但絕大多數(shù)FMR1基因的(CGG)n結(jié)構(gòu)中嵌入了13個AGG三核苷酸單元［3］。

1.4 FXS的分子病理

FMR1基因內(nèi)(CGG)n重復序列的不穩(wěn)定性擴增及CpG島的異常甲基化，以及基因缺失和基因點突變是導致FXS的分子機制。

1.4.1 FMR1 基因5'端(CGG)n重復序列異常擴增根據(jù)CGG擴增程度可將其突變分為以下3種類型:①前突變。CGG重復52～200拷貝，一般不甲基化，并具有相對正常的轉(zhuǎn)錄和蛋白水平，但不能穩(wěn)定遺傳給下一代，有發(fā)展成全突變的潛能。②全突變。CGG重復高于200拷貝，由于(CGG)n序列位于轉(zhuǎn)錄起始點和翻譯起始點之間，解鏈酶在此不能有效地打開雙鏈，從而形成局部單鏈，且所形成的單鏈內(nèi)也易形成“發(fā)夾”結(jié)構(gòu)，阻礙后續(xù)的轉(zhuǎn)錄，所以患者細胞中FMR1 mRNA拷貝數(shù)減少或缺乏［4］。另外即使完成mRNA的轉(zhuǎn)錄，由于mRNA 5'端非翻譯區(qū)過長，易形成二級結(jié)構(gòu)，翻譯過程受到抑制，F(xiàn)MRP量減少。有研究表明，全突變患者體細胞中FMR1 mRNA和FMRP的量均少于正常人，甚至缺乏［2］。③嵌合型。屬于一種中間類型，約占基因突變類型的15%，具有前突變的基因型以及較低程度的CpG島甲基化和體細胞不穩(wěn)定性。CGG重復序列不同程度的擴增可導致鄰近CpG島內(nèi)不同程度甲基化，而CpG島的過度甲基化可能抑制FMR1基因的正常轉(zhuǎn)錄、表達，從而出現(xiàn)臨床癥狀。

1.4.2 FMR1基因 5’端 CpG 島的異常甲基化FMR1 CGG重復序列不同程度的擴增可引起鄰近CpG島內(nèi)不同程度甲基化，而CpG島的過度甲基化可能抑制FMR1基因的正常轉(zhuǎn)錄、表達，從而出現(xiàn)臨床癥狀。FXS是CGG重復過度增加和相鄰區(qū)異常甲基化的結(jié)果，幾乎所有患者FMR1的mRNA及其蛋白產(chǎn)物不表達或低表達［4］。

1.4.3 FMR1基因缺失和點突變1995年 Hirst等［5］報道了2例男性FMR1基因缺失型 FXS，1例是在40%的外周血細胞中FMR1基因啟動子區(qū)域缺失660bp的DNA片段，包括CpG島和(CGG)n序列及mRNA合成起始位點，另1例缺失25kb DNA片段，F(xiàn)MR1 mRNA完全缺乏，熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)(RT －PCR)產(chǎn)物陰性。此外，De Boulle等［6］發(fā)現(xiàn)1例FXS患者，即存在FMR1基因點突變(Ile367→Asn367)。

此外，最新的研究表明FMRP可調(diào)控微管的網(wǎng)絡(luò)形成［7］。當缺失時細胞核周圍的微管變得更加密集，而細胞核之間的微管密度下降，并且微管網(wǎng)絡(luò)破壞，呈無序纏結(jié)。FMR1基因與微管剪切蛋白基因spastin相互作用，控制微管結(jié)構(gòu)和表達量的變化。微管是細胞的重要骨架蛋白，影響著神經(jīng)肌肉突觸的形態(tài)發(fā)育。這些結(jié)果為FXS的發(fā)病機理以及治療藥物的篩選提供了新的思路和靶點。

2 治療研究進展

隨著分子遺傳學技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已將細胞遺傳學方法、DNA分子診斷方法以及基因表達產(chǎn)物的免疫細胞化學診斷方法等應(yīng)用于FXS的診斷中，診斷水平取得突破。但是，F(xiàn)XS在臨床上尚無有效的治療方法。近幾年試驗性治療FXS的兩種理論研究越來越受到人們的關(guān)注。

2.1 mGluR 理論

最近的研究發(fā)現(xiàn)，代謝性谷氨酸受體(mGluR)功能過度激活可能參與了FXS的發(fā)病過程，應(yīng)用代謝性谷氨酸受體拮抗劑能改善FXS的認知障礙。

2.1.1 mGluR與神經(jīng)元樹突棘F(xiàn)XS患者和FMR1基因被敲除的小鼠神經(jīng)元樹突棘發(fā)育不成熟，不成熟的樹突棘導致突觸功能障礙，這可能是腦功能異常的基礎(chǔ)。mGluR是G蛋白偶聯(lián)受體，可分為3組共8個亞型。其中第1組(mGluR－I)代謝性谷氨酸受體包括 mGluR1和 mGluR5［8］，主要分布于海馬、大腦皮層淺層、基底節(jié)、嗅球、丘腦底核和小腦分子層等處，通過調(diào)節(jié)細胞內(nèi)的鈣離子濃度和蛋白表達來影響樹突棘形態(tài)，在突觸的傳遞和可塑性中發(fā)揮重要作用［8］。在動物模型上激活mGluR－I所觀察到的變化與FXS的病理變化和臨床癥狀非常相似。

2.1.2 mGluR與FMRPmGluR能調(diào)節(jié)FMRP合成，當受到mGluR－I特異性激動劑刺激時，F(xiàn)MRP mRNA會被吸收進入突觸后多聚核糖體，幾分鐘內(nèi)即出現(xiàn)FMRP水平升高，在突觸小體及富含多聚核糖體復合物的亞細胞區(qū)均可觀察到這種含量增加現(xiàn)象。此外，mGluR與 FMRP細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運也有關(guān)，mGluR，特別是 mGluR5激活，是 FMRP和 FMR1 mRNA向樹突和突觸轉(zhuǎn)運所必需的［9］。

mGluR激活會誘發(fā)一系列的蛋白合成，而FMRP可以作為負性調(diào)節(jié)因子反饋性抑制mGluR途徑相關(guān)蛋白的進一步合成。FMRP缺乏和減少可能減弱了這種抑制作用，導致mGluR激發(fā)的mRNA翻譯增多，參與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的蛋白過度表達，從而影響樹突棘的發(fā)育。因此使用其他負性調(diào)節(jié)因子，如mGluR－I抑制劑降低mGluR－I信號，彌補FMRP的缺乏和減少，或許能改善由FMRP缺失所導致的突觸和行為缺陷。

該理論在臨床治療中已經(jīng)獲得初步的驗證，并據(jù)此研究出了治療FXS的首個藥物——AFQ056，該藥物可阻止腦細胞中mGluR5的活性。試驗數(shù)據(jù)表明經(jīng)過AFQ056治療的7名患者，20天之后FMR1基因啟動子完全甲基化，F(xiàn)MR1基因轉(zhuǎn)錄完全被阻斷，患者的行為出現(xiàn)了明顯改善［10］。因此抑制mGluR可能是未來改善FXS認知障礙的一個重要途徑。

2.2 GABAA理論

大腦中約有30% ～50%的中樞突觸以γ－氨基丁酸(GABA)作為遞質(zhì)，目前已發(fā)現(xiàn)的GABA受體主要有A、B、C3種亞型。GABAA是廣泛分布于哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的一種重要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，其受體是由5個亞基組成的五邊形異質(zhì)性寡聚體，具有介導神經(jīng)元的突觸前及突觸后抑制作用，與焦慮、抑郁、癲癇、睡眠障礙、認知及記憶能力低下等神經(jīng)行為因素相關(guān)［11］。多項研究證明GABA能神經(jīng)系統(tǒng)，特別是GABAA受體的變化與FXS的遺傳表型有關(guān)，GABAA受體的減少可能誘發(fā)FXS患者行為異常和癲癇發(fā)作，因此GABAA受體可能成為治療FXS的靶點。

FXS患者對聲音誘發(fā)的癲癇發(fā)作敏感性增加，與GABAA受體在量和質(zhì)上的改變有密切關(guān)系［11］。此外，更多的動物研究也證實了這點。Gantois等［12］在FXS小鼠模型大腦內(nèi)進行基因組全面性篩選時發(fā)現(xiàn)，GABAA受體δ亞基的mRNA表達明顯減低，與正常對照相比，GABAA受體的δ亞基含量減少了42%。FMR1基因敲除小鼠，其大腦皮層、海馬、間腦及腦干區(qū)域GABAA受體的β亞基表達降低［13］，大腦皮層和海馬的神經(jīng)元GABAA受體l亞基和6亞基表達量明顯減少。電生理記錄顯示FXS模型小鼠的GABA能系統(tǒng)效率降低，間接阻礙了膽堿能系統(tǒng)的效能［14］。Curia 等［15］取海馬回神經(jīng)元，使用膜片鉗技術(shù)發(fā)現(xiàn)FXS模型小鼠與對照組相比，神經(jīng)元內(nèi)基礎(chǔ)的GABA能電流無差異，但緊張性GABA能電流明顯下調(diào)，同時，免疫組化和Western blot分析發(fā)現(xiàn)兩組小鼠海馬回神經(jīng)元內(nèi)蛋白水平上GABAA受體5和δ亞基的表達有明顯差異。2009年，D’Hulst等［16］再次從基因水平證實 GABA 能神經(jīng)系統(tǒng)在FXS模型小鼠內(nèi)的變化，結(jié)果表明與對照組相比，編碼GABA合成酶的谷氨酸脫羧酶gadl、編碼GABA轉(zhuǎn)移蛋白的gatl和gat4、編碼琥珀酸半醛脫氫酶ssadh及gephyrin等的基因在大腦皮層的表達明顯減少。

總之，GABA能系統(tǒng)異常與FXS有密切聯(lián)系，GABAA亞基的減少可能是FXS癲癇發(fā)作的一個重要發(fā)病因素。目前臨床上已有作用于GABAA受體的藥物，治療焦慮、癲癇、睡眠障礙等神經(jīng)心理性疾病，且具有一定的療效。因此，把GABAA受體做為治療FXS患者的一個靶點具有很高的研究價值。

3 結(jié)語

目前，F(xiàn)XS相關(guān)基因家族已經(jīng)為人所知，F(xiàn)MR1基因的結(jié)構(gòu)、分子病理基礎(chǔ)相關(guān)研究也逐漸深入，為診斷、產(chǎn)前診斷技術(shù)的陸續(xù)建立奠定了基礎(chǔ)。現(xiàn)有研究證實mGluR和GABAA受體與FXS有關(guān)，它們可以作為FXS的治療靶點，對其研究將為FXS的治療開辟一條新途徑。

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