Carpenter綜合征的分子遺傳學(xué)研究進(jìn)展

白珊珊 綜述 韋敏 審校

·綜述·

Carpenter綜合征的分子遺傳學(xué)研究進(jìn)展

白珊珊 綜述 韋敏 審校

Carpenter綜合征，又名Ⅱ型尖頭多指（趾）并指（趾）畸形，是一種導(dǎo)致顱縫早閉的常染色體隱性遺傳病，臨床表現(xiàn)主要以顱縫早閉、多指（趾）、并指（趾）、肥胖等先天畸形為主，可引起智力發(fā)育遲緩、顱內(nèi)高壓等一系列并發(fā)癥。目前發(fā)現(xiàn)其基因突變主要定位于RAB23，編碼的蛋白是Rab蛋白家族的一員：小GTP結(jié)合蛋白。Rab蛋白是HH信號(hào)通路的負(fù)性調(diào)節(jié)因子，突變后的Rab蛋白結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生變化，很可能通過擾亂HH信號(hào)通路而導(dǎo)致Carpenter綜合征，但具體發(fā)病機(jī)制尚未明確；也有少數(shù)Carpenter綜合征患者是因?yàn)镸EGF8基因的突變。

Ⅱ型尖頭多指（趾）并指（趾）畸形顱縫早閉基因信號(hào)通路

Carpenter綜合征是一種罕見疾病，發(fā)病率約為百萬分之一[1]，為常染色體隱性遺傳病，屬于顱縫早閉的一種[2]。顱縫是胎兒期頭顱諸扁平骨被致密的結(jié)締組織膜所分隔，形成的一種纖維性關(guān)節(jié)。顱縫內(nèi)骨的邊緣是骨形成的活躍部位，能使骨的生長和腦發(fā)育相互協(xié)調(diào)，如果顱縫提前閉合，即稱為顱縫早閉。狹小的顱腔無法適應(yīng)腦的生長發(fā)育，可出現(xiàn)顱內(nèi)高壓、發(fā)育遲緩、智力低下、精神活動(dòng)異常、癲癇等癥狀。目前發(fā)現(xiàn)和顱縫早閉相關(guān)綜合征約有70種[3]，其中以Apert、Crouzon、Pfeifer、Beare-Stevenson等較常見，Carpenter綜合征發(fā)病率相對(duì)較低，早在1901年即被發(fā)現(xiàn)并報(bào)道。該綜合征發(fā)病呈散發(fā)性，臨床表現(xiàn)多樣，患者病情較嚴(yán)重，主要特征為顱縫早閉導(dǎo)致的尖頭畸形，多涉及額縫和矢狀縫的早閉，甚至?xí)霈F(xiàn)三葉草形顱縫閉合，合并多指（趾），并指（趾）畸形，約75%患者有智力缺陷[1]。其他伴隨癥狀包括肥胖，磨牙發(fā)育不全，先天性心臟病，臍疝，生殖腺機(jī)能減退，后天學(xué)習(xí)能力障礙等[2]。目前，在細(xì)胞、分子包括基因水平對(duì)顱縫早閉相關(guān)綜合征的基因?qū)W研究大多已被證實(shí)，比如Apert綜合征主要是由于FGFR2的突變，Crouzon綜合征涉及FGFR2、FGFR3的突變，Saethre-Chotzen基因定位主要是TW1ST1和FGFR2。此類疾病的治療仍以手術(shù)為主，基因和分子機(jī)制等相關(guān)治療仍處于探索階段，但已有研究嘗試?yán)肍GFR受體抑制劑PLX052來阻止小鼠冠狀縫的早期閉合[4]。Gilbert等[5]在冠狀縫早閉的新西蘭大白兔手術(shù)后，注射TGF-β3蛋白，阻止顱縫再次骨化。遺傳學(xué)相關(guān)分子機(jī)制是近年來顱縫早閉的研究熱點(diǎn)，為探索新的治療方法提供依據(jù)和基礎(chǔ)。我們回顧并總結(jié)了關(guān)于Carpenter綜合征遺傳學(xué)分子機(jī)制等方面的相關(guān)研究，從基因突變和信號(hào)通路方面對(duì)其發(fā)病機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 Carpenter綜合征基因定位主要位于RAB23

RAB23是RAS原癌基因的成員，定位于人染色體6p11-6p12，其編碼的蛋白為小GTP結(jié)合蛋白，是Ras超家族Rab家族成員，因其突變可導(dǎo)致小鼠開腦綜合征，又被稱為opb基因[6]。Rab23蛋白在小鼠腦、性腺、乳腺和胃組織中均有特異性表達(dá)，表明其對(duì)這些器官正常功能的維持具有一定的作用[7]。該基因在細(xì)胞內(nèi)囊泡運(yùn)輸中也有重要作用，通過募集馬達(dá)分子到達(dá)靶膜，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞器或者囊泡的轉(zhuǎn)運(yùn)[8]。Jenkins等[2]利用純合子定位法對(duì)Carpenter綜合征患者的基因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了17個(gè)患者中存在5種類型RAB23基因的突變，最常見的是c.434T>A,pL145X，其中4對(duì)等位基因（E47fsX7、Y78fsX30、E137X、L145X）的突變，造成了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的缺失；錯(cuò)義突變C85R導(dǎo)致編碼的不帶電氨基酸變成帶電氨基酸，這一替代可能會(huì)破壞Rab23蛋白的折疊。這17名患者表現(xiàn)為顱縫早閉，多指（趾）畸形，出生體重過高，心臟缺陷和智力低下。Alessandri等[8]發(fā)現(xiàn)了一種新的突變：c. 86dupA,p.Y29X，相比Jenkins之前發(fā)現(xiàn)的患者，新的患者出生體重并沒有過高且智力均正常；2011年，Jenkins等[9]又發(fā)現(xiàn)了來自8個(gè)不同家庭的10個(gè)患者，出現(xiàn)6種新的RAB23的等位基因突變類型，這些突變均被認(rèn)為是影響了RAB23蛋白的主要結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其功能，且男性患者普遍存在外生殖器的畸形；2012年，Bensalem等[1]發(fā)現(xiàn)新的剪接突變：c. 482-G>A,p.V161fsX3，突變的基因破壞了外顯子5的剪接位點(diǎn)受體，使得編碼RAB23的mRNA缺失8個(gè)核苷酸，造成轉(zhuǎn)錄終止。2013年，Haye等[10]發(fā)現(xiàn)c.481G>C,p.VaI161Leufs*16。目前報(bào)道過約100多名Carpenter綜合征患者，其中RAB23突變有35個(gè)，13種不同類型的突變，包括9個(gè)截?cái)嗤蛔儯?個(gè)插入或者刪除突變，2個(gè)無義突變，2個(gè)剪接位點(diǎn)突變），3個(gè)錯(cuò)義突變，1個(gè)框內(nèi)氨基酸刪除。

2 RAB突變導(dǎo)致Carpenter綜合征的相關(guān)機(jī)制

RAB23突變導(dǎo)致Carpenter綜合征的機(jī)制主要是影響了Rab蛋白的折疊和或其效應(yīng)蛋白的結(jié)合等。Jenkins等[9]發(fā)現(xiàn)了一種新的機(jī)制：無義介導(dǎo)的mRNA降解（Nonsense-Mediated mRNA Decay，NMD）。NMD是細(xì)胞的重要RNA監(jiān)控機(jī)制，是轉(zhuǎn)錄mRNA質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，識(shí)別并降解開放閱讀框中含有提前終止密碼子（Premature termination codon，PTC）的RNA，以避免因截短的蛋白質(zhì)產(chǎn)物積累對(duì)細(xì)胞造成毒害。NMD還調(diào)控正常生理基因的表達(dá)，改變?nèi)祟惣膊〉谋憩F(xiàn)型，比如NMD可以通過清除編碼負(fù)性效應(yīng)蛋白基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物來降低疾病的嚴(yán)重程度。同時(shí)，疾病表現(xiàn)型的嚴(yán)重程度取決于終止密碼子在基因中的位置，如果PTC位于3’端最后一個(gè)或者倒數(shù)第二個(gè)外顯子，則很容易失去NMD作用[9]。為了研究NMD在RAB23突變導(dǎo)致Carpenter綜合征中的意義，Jenkins等利用焦磷酸測(cè)序技術(shù)，分別將突變類型為c. 434T>A的患者與正常者進(jìn)行了突變體轉(zhuǎn)錄相對(duì)水平的量化對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Carpenter綜合征患者突變體的轉(zhuǎn)錄體相對(duì)不穩(wěn)定，由于PTC位于RAB23倒數(shù)第二個(gè)外顯子的3’端，很有可能沒有進(jìn)行NMD過程，說明NMD在RAB23突變導(dǎo)致Carpenter綜合征的過程中有非常重要的作用。

3 MEGF8突變也可導(dǎo)致Carpenter綜合征

MEGF8（Multiple EGF-like-domains）首次被發(fā)現(xiàn)是在1998年分析EGF蛋白基序中[11]，位于19q13.2，是一種編碼蛋白質(zhì)的基因，該蛋白是一個(gè)單跨膜的Ⅰ型膜蛋白，包含類似于表皮生長因子（EGF）、kelch、PSI、CUB等多種結(jié)構(gòu)域的大分子量蛋白，進(jìn)化高度保守。2012年，Twigg等[12]發(fā)現(xiàn)5名Carpenter綜合征患者的RAB23基因均正常，經(jīng)過純合子定位法，發(fā)現(xiàn)突變基因定位于MEGF8，且包含5種類型的突變：1個(gè)無義突變、3個(gè)錯(cuò)義突變和2個(gè)剪接突變。這5名患者的臨床表現(xiàn)以器官異位為主，其中3名患者表現(xiàn)出完全性的內(nèi)臟異位，右位心或大血管轉(zhuǎn)位，顱縫早閉癥狀也較RAB23突變患者輕，主要涉及額縫的早閉，常伴發(fā)顱面部畸形，如鼻梁塌陷、內(nèi)眥贅皮、瞼裂等，而臍疝、膝外翻則更傾向于RAB23突變導(dǎo)致的表現(xiàn)。相對(duì)于RAB23突變患者，目前發(fā)現(xiàn)的MEGF8突變患者較少，因此猜測(cè)MEGF8突變可能屬于一種亞效等位基因突變，即突變后產(chǎn)生的表現(xiàn)型在性質(zhì)上相同于野生型，但是在程度上次于野生型突變基因。目前關(guān)于MEGF8基因的研究相對(duì)較少，其功能尚未清楚，可能與細(xì)胞表面識(shí)別相關(guān)。Zhang等[13]發(fā)現(xiàn)，如果在斑馬魚胚胎中用嗎琳代敲除MEGF8基因，75%胚胎會(huì)出現(xiàn)內(nèi)臟異位，其可能和胚胎時(shí)期內(nèi)臟位置發(fā)育相關(guān)。Engelhard等[14]在小鼠三叉神經(jīng)發(fā)育中發(fā)現(xiàn)，MEGF8在BMP4信號(hào)通路中有重要作用，BMP4可以抑制三叉神經(jīng)的發(fā)育和生長，而MEGF8則是調(diào)節(jié)這一抑制效應(yīng)的重要角色。BMP即骨形態(tài)發(fā)生蛋白，是一大類分泌型生長因子的統(tǒng)稱，參與胚胎發(fā)育、細(xì)胞分化和器官形成等多個(gè)重要的生物學(xué)過程，BMP參與顱縫早閉已被證實(shí)[15]。所以，MEGF8突變可能是通過調(diào)控BMP通路影響顱縫發(fā)育。

4 Carpenter綜合征與Hedgehog信號(hào)通路

分泌蛋白Hedgehog（HH）家族的成員，在脊椎動(dòng)物和非脊椎動(dòng)物的發(fā)育中起重要調(diào)控作用，包括細(xì)胞增殖、分化和組織的形成等。HH信號(hào)的異常會(huì)引起先天性缺陷和癌癥，HH基因首次在果蠅中發(fā)現(xiàn)，哺乳動(dòng)物中存在3個(gè)HH的同源基因：Sonic Hedgehog（SHH）、Indian Hedgehog（IHH）和Desert Hedgehog（DHH），分別編碼Shh、Ihh和Dhh蛋白[16]。Eggenschwiler等[17]發(fā)現(xiàn)，RAB23是SHH信號(hào)通路的負(fù)性調(diào)控因子，可作用于靶分子Gli2激活子，調(diào)節(jié)Smo蛋白下游、Gli蛋白上游來負(fù)性調(diào)節(jié)HH信號(hào)通路，從而影響胚胎發(fā)育和多種器官組織的定向分化。另外，Carpenter綜合征某些臨床表現(xiàn)和因HH信號(hào)通路被擾亂而導(dǎo)致的疾病非常相似[2]。如Greig綜合征，是由于Gli3的單倍劑量不足[18]；A1型短指癥，是由于IHH的錯(cuò)義突變[19]。因此，RAB23突變很可能是通過調(diào)控HH信號(hào)通路，繼而造成Carpenter綜合征的發(fā)生；MEGF8突變導(dǎo)致Carpenter綜合征是由于擾亂了HH信號(hào)通路。因?yàn)?，HH信號(hào)通路被擾亂而造成的疾病的相關(guān)臨床表現(xiàn)和其有相似點(diǎn)。HH信號(hào)通路被公認(rèn)在顱頜面的發(fā)育中有重要作用[20]，但其在顱縫生長中的作用一直不明確。Marti等[21]發(fā)現(xiàn)，SHH對(duì)人類顱面部中縫發(fā)育有重要作用，在小鼠胚胎17 d時(shí)頭顱的矢狀縫和額縫中大量表達(dá)，同時(shí)測(cè)得BMP的表達(dá)模式與其非常相似，推測(cè)SHH很有可能是通過影響B(tài)MP信號(hào)通路來影響顱縫發(fā)育；2007年，Jacob等[22]發(fā)現(xiàn)IHH信號(hào)通路通過控制Ptch1的表達(dá)來影響顱縫的生長；2011年，Klopocki等[23]發(fā)現(xiàn)，IHH信號(hào)通路的增強(qiáng)可加快細(xì)胞成骨和顱縫區(qū)的過度生長；2015年，Barroso等[24]檢測(cè)出顱縫早閉患者IHH基因的上游元件發(fā)生了復(fù)制。這些研究均表明，HH信號(hào)通路在顱縫的生長發(fā)育中有一定作用，但具體機(jī)制仍需進(jìn)一步探索。

5 總結(jié)及展望

目前已明確，Carpenter綜合征的基因定位于RAB23和MEGF8，突變類型多而復(fù)雜，RAB23是SHH信號(hào)通路的負(fù)向調(diào)節(jié)因子，而HH信號(hào)通路擾亂所造成的相關(guān)疾病臨床表現(xiàn)和Carpenter綜合征相似，所以RAB23突變很可能是通過影響HH信號(hào)通路導(dǎo)致了Carpenter綜合征。MEGF8突變患者多呈現(xiàn)器官異位等表現(xiàn)，在三叉神經(jīng)中已發(fā)現(xiàn)其和BMP通路相關(guān)。MEGF8是否可通過調(diào)控BMP通路影響顱縫發(fā)育，上述基因變異和信號(hào)通路又是否與目前研究相對(duì)較明確的FGFR、TGF-β信號(hào)通路有相互作用，具體的調(diào)控機(jī)制和各機(jī)制間的關(guān)系仍有待深入研究，闡明Carpenter綜合征相關(guān)分子機(jī)制或?qū)⒂兄谠摷膊〉念A(yù)防和治療。

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Research Progress on the Molecular Genetics of Carpenter Syndrome

BAI Shanshan,WEI Min．
Department of Plastic and Reconstructive Surgery,Shanghai Ninth People's Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200011,China.Corresponding author:WEI Min(E-mail:drweimin@163.com).

Carpenter Syndrome;Craniosynostosis;Gene;Signaling pathway

R682.1+1

B

1673－0364（2017）03－0169－03

2017年2月16日；

2017年4月3日）

10.3969/j.issn.1673-0364.2017.03.014

200011上海市上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院整復(fù)外科。

韋敏（E-mail：drweimin@163.com）。

【Summary】Carpenter syndrome,also called acrocephalo-polysyndactyly type II,is an autosomal recessive dominant inherited disease with craniosynostosis,characterized by a combination of craniosynostosis,polysyndactyly,obesity,and other congenital malformations.CS will result in some complications including mental retardation,intracranial hypertension.To date,the majority of CS is caused by mutations in the RAB23 gene,which encodes a small GTPase of the Rab superfamily. Rab acts as an essential negative regulator of the Sonic hedgehog signaling pathway.The mutation of RAB23 in CS result in the structure and function of the protein,which probably through perturbation of signaling by hedgehog.However,the pathogenesis is not exactly clear.Some of the CS is caused by mutations in multiple EGF-like-domains(MEGF8).