特發(fā)性基底節(jié)鈣化的遺傳學(xué)研究進(jìn)展

黃靚 許旭三 梁春梅 馬國達(dá)

1廣東醫(yī)科大學(xué)（廣東湛江 524000）；2廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院神經(jīng)病學(xué)研究所（廣東湛江 524000）

第一例特發(fā)性基底節(jié)鈣化（idiopathic basal ganglia calci?fication，IBGC）最早由BAMBERGER在1855年報(bào)道。1930年德國的病理學(xué)家FAHR報(bào)道了1例表現(xiàn)為四肢僵硬合并呼之不應(yīng)為主要臨床表現(xiàn)的患者，該患者尸檢報(bào)告顯示腦白質(zhì)和基底節(jié)區(qū)大片鈣化灶，第一次詳細(xì)描述了IBGC的臨床表現(xiàn)及病理特點(diǎn)，所以也稱Fahr病。IBGC是一種罕見的遺傳或散發(fā)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，發(fā)病率低于1/100萬，以常染色體顯性遺傳多見，少數(shù)為常染色體隱性遺傳及性染色體遺傳，此病發(fā)病年齡從數(shù)月到77歲，平均31歲，男女均可患病，無明顯性別差異。IBGC不易被發(fā)現(xiàn)，其主要病理過程為糖蛋白和酸性黏多糖混合于多種礦物質(zhì)中，并不斷聚集融合，在小動(dòng)脈的中膜和外膜形成鈣化，再逐漸影響大血管擴(kuò)展到鄰近腦實(shí)質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致神經(jīng)元喪失和神經(jīng)膠質(zhì)增生。IBGC臨床表現(xiàn)多樣性、復(fù)雜性，沒有特異性，也可無癥狀，早期難以發(fā)現(xiàn)并易漏診或誤診，其主要特點(diǎn)為雙側(cè)基底節(jié)區(qū)或基底節(jié)區(qū)以外的區(qū)域的自發(fā)性對(duì)稱性的鈣化所致的神經(jīng)、精神及認(rèn)知功能障礙的一種中樞性神經(jīng)性退行性疾病。

1 發(fā)病機(jī)制

目前國內(nèi)外有大量文獻(xiàn)報(bào)道有關(guān)IBGC的發(fā)病機(jī)制，但至今為止其發(fā)病機(jī)制仍不明確。20世紀(jì)90年代大量文獻(xiàn)報(bào)道IBGC與遺傳、環(huán)境相關(guān)，特別是報(bào)道相關(guān)致病基因調(diào)控表達(dá)的異常有關(guān)。1999年，美國專家［1］首先將家族性顯性遺傳IBGC的致病基因定位在染色體14q上，并調(diào)查了一個(gè)明顯遺傳傾向大家系，發(fā)現(xiàn)患者發(fā)病年齡一代比一代提前，并對(duì)該家系中24名患者用微衛(wèi)星DNA多態(tài)性標(biāo)記檢測發(fā)現(xiàn)14號(hào)染色體長臂上D14S1014、D14S75、D14S306位點(diǎn)具有明顯的連鎖關(guān)系，提示遺傳因素在該病發(fā)生中起很大作用。2009年VOLPATO等［2］又發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的突變基因位點(diǎn)IBGC2（2q37）。2010年DAIL等在通過對(duì)IBGC家系基因分析發(fā)現(xiàn)第3個(gè)相關(guān)基因位點(diǎn) IBGC3（8q21.1?8q11.23）。2012年，WANG等［3］首次克隆了IBGC的第一個(gè)致病基因溶質(zhì)載體家族20成員2（solute carrier family 20 member 2，SLC20A2），這推動(dòng)了其發(fā)病機(jī)制的進(jìn)一步深入研究。2013年，其課題組相繼研究進(jìn)一步提出了血小板衍生生長因子受體β（platelet derived growth factor receptor beta，PDGFRB）、血小板衍生生長因子亞基B（platelet derived growth factor subunit B，PDGFB）、泛素樣修飾劑5（ubiquitin?like modifier 5，ISG15）、放射性和多變性逆轉(zhuǎn)錄病毒受體1（xenotropic and polytropic retrovirus receptor 1，XPR1）是 IB?GC的致病基因［4］。因此，國內(nèi)外普遍認(rèn)為，目前已發(fā)現(xiàn)的SLC20A2、PDGFRB、PDGFB、ISG15、XPR1基因是 IBGC 的主要致病基因［4］。

1.1 SLC20A2基因 近年來SLC20A2基因被認(rèn)為是IBGC最常見的致病基因［5-6］，SLC20A2基因定位于第8號(hào)染色體上，即8p11.21?8q11.23，包含11個(gè)外顯子，編碼Ⅲ型鈉-磷協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)體 2（PiT?2）。PiT?2是具有12個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域的652個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)，是一種無機(jī)磷酸鹽的細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，已經(jīng)顯示PiT?2中的突變會(huì)嚴(yán)重?fù)p害無機(jī)磷（Pi）的攝取，因此可能導(dǎo)致該陰離子在細(xì)胞外積累，并隨后積聚磷酸鈣。JENSEN等［7］建立了SLC20A2基因敲除小鼠模型，發(fā)現(xiàn)純合小鼠丘腦、基底節(jié)及皮層等部位有鈣化現(xiàn)象，且鈣鹽顆粒沿血管分布，也在該位點(diǎn)測序候選基因鑒定SLC20A2基因的幾個(gè)突變。Pi運(yùn)輸試驗(yàn)在非洲蟾卵母細(xì)胞表明，SLC20A2基因的突變導(dǎo)致Pi轉(zhuǎn)運(yùn)障礙［8］。截止目前，相關(guān)文獻(xiàn)中已報(bào)道有109個(gè)SLC20A2突變與IBGC相關(guān)，SLC20A2基因大部分外顯子均有突變分布（除第6個(gè)外顯子外），突變類型包括錯(cuò)義突變、剪接突變、移碼突變、無義突變、插入缺失突變和拷貝數(shù)變異［4］。研究發(fā)現(xiàn)有70%的突變位于PiT?2蛋白的N?PD1131和C?PD1131結(jié)構(gòu)域中［4］，說明這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域?yàn)橥蛔兏甙l(fā)區(qū)域，也進(jìn)一步證實(shí)IBGC的鈣化以基底節(jié)區(qū)最常見。有關(guān)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明PiT?2的第575位置上高度保守的谷氨酸殘基對(duì)無機(jī)磷轉(zhuǎn)運(yùn)活性非常重要，SLC20A2基因突變導(dǎo)致谷氨酸缺失或替換均引起PiT?2功能障礙進(jìn)一步影響無機(jī)磷的轉(zhuǎn)運(yùn)功能［8］。但蛋白質(zhì)改變排序的機(jī)制仍然是不確定的，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)4種氨基酸（包括芳香族殘基）的重復(fù)可能會(huì)影響PiT?2折疊，導(dǎo)致整體蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變。實(shí)際上，一些核仁蛋白在C末端具有疏水性核心肽，主要由芳族殘基形成，其穩(wěn)定了整個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，并充當(dāng)核仁定位信號(hào)，但需要進(jìn)一步的研究來證明PiT?2折疊改變以及存在用于核定位的可能信號(hào)序列，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜中轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的減少和Pi運(yùn)輸損傷，從而導(dǎo)致基底節(jié)區(qū)等的鈣化發(fā)生。

血管鈣化現(xiàn)被證明是一個(gè)主動(dòng)過程，有成骨機(jī)制的參與，并且磷在這個(gè)過程中發(fā)揮著重要作用［9］，高磷可誘導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞向成骨樣細(xì)胞轉(zhuǎn)化，同時(shí)也可導(dǎo)致基質(zhì)的鈣化。研究發(fā)現(xiàn)溶質(zhì)載體家族20成員1（solute carrier family 20 member 1，SLC20A1）編碼的Ⅲ型鈉-磷協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)體1（PiT?1）是血管平滑肌細(xì)胞中表達(dá)的主要鈉-磷協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)體，而無機(jī)磷轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)細(xì)胞鈣磷平衡和功能損害至關(guān)重要，PiT?2可以促進(jìn)血管細(xì)胞外基質(zhì)磷酸鈣沉積。SLC20A1基因編碼PiT?1和SLC20A2基因編碼的PiT?2廣泛分布于不同的組織中，它們?cè)诩?xì)胞內(nèi)磷的重吸收方面起到重要作用，這兩種蛋白在體內(nèi)的區(qū)域差異表達(dá)可能導(dǎo)致不同的部位Pi水平及濃度不同，這可能影響Pi相關(guān)的物理過程，包括鈣化。因此推測SLC20A2基因突變致病的可能機(jī)制為：一方面通過PiT?1在高磷狀態(tài)下誘導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞向成骨樣細(xì)胞分化，從而引發(fā)血管鈣化，另一方面則可能與基質(zhì)中的Ca2+結(jié)合形成磷酸鈣鹽沉積在組織間隙中。

1.2 PDGFRB基因、PDGFB基因 2013年NICOLAS等［10］和KELLER等［11］分別鑒定了PDGFRB基因和PDGFB基因，PDGFRB基因定位于第5號(hào)染色體，即5q32，而PDGFB基因則定位于22q13.1上。PDGFRB基因和PDGFB基因分別編碼血小板衍生生長因子受體?β（PDGF?Rβ）受體及血小板衍生生長因子β（PDGF?B），其中PDGF?B由血管生成芽前緣的內(nèi)皮末端細(xì)胞合成和分泌，并通過細(xì)胞外基質(zhì)保持與血管的密切關(guān)系。可與PDGF?Rβ受體結(jié)合（PDGF?B/PDGF?Rβ），在細(xì)胞表面誘導(dǎo)受體二聚化，在交叉酪氨酸酶結(jié)構(gòu)域多個(gè)位點(diǎn)的磷酸化和激活下游通路參與細(xì)胞增殖、分化、存活和遷移。PDGF?B/PDGF?Rβ信號(hào)缺失會(huì)使血管內(nèi)皮細(xì)胞增生、血管管徑增大、通透性及不穩(wěn)定性改變，并造成血腦屏障的完整性缺陷，所以推測血腦屏障功能缺陷可能為IBGC發(fā)病的病理機(jī)制之一［12-15］。目前已在IBGC患者中發(fā)現(xiàn)有10個(gè)PDGFB基因突變與IBCG有關(guān)，突變類型主要包括錯(cuò)義突變、無義突變和插入/缺失突變等。PDGFRB基因突變目前已報(bào)道的達(dá)27個(gè)與IBGC有關(guān)［10-11，16-18］。PDGFRB基因主要在神經(jīng)元、脈絡(luò)叢、血管平滑肌細(xì)胞（vSMC）和周細(xì)胞中表達(dá)，而體外和體內(nèi)研究表明vSMC和周細(xì)胞是參與異位鈣化的主要細(xì)胞類型。血管平滑肌細(xì)胞的增殖、遷移需要PDGF?B/PDGF?Rβ的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，如缺乏鈣受體或配體的大鼠完全失去了中樞神經(jīng)系統(tǒng)的周細(xì)胞，表現(xiàn)為內(nèi)皮細(xì)胞增生、血管直徑增加、血管通透性增加并死亡，并且周細(xì)胞在維持血腦屏障的完整性中發(fā)揮著重要作用［12，15，19-20］。另外，PDGF?B/PDGF?Rβ可直接參與vSMC 鈣化過程，在磷酸鹽濃度正常的條件下，將vSMC暴露在PDGF?BB中，將引起細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度增加，并誘導(dǎo)鈣化和骨軟骨細(xì)胞表型改變，而且PDGF?BB可促進(jìn)SLC20A1編碼的PiT?1的表達(dá)。目前認(rèn)為，PiT?1的表達(dá)與vSMC的鈣化存在很大的相關(guān)性，所以據(jù)以上推測PDGFRβ/PiT?1通路可以通過影響細(xì)胞內(nèi)磷的平衡來誘導(dǎo)vSMC的鈣化，這個(gè)支持大腦內(nèi)磷平衡在IBGC患者中的病理生理的重要作用。PDGF?B/PDGF?Rβ信號(hào)缺失也可能導(dǎo)致PiT?2功能障礙，從而PDGF?Rβ/PiT?2通路可能導(dǎo)致IBGC，但目前可用的遺傳和功能證據(jù)是有限的。總之，基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，PDGFB基因及PDGFRB基因突變可能是一個(gè)更復(fù)雜的致病機(jī)制，涉及PiT?2 和 PDGF?B/PDGF?Rβ通路在受影響的大腦區(qū)域的IBGC鈣化的具體功能。但目前尚缺乏影響蛋白質(zhì)功能的直接證據(jù)。

1.3 ISG15基因 2014年，ZHANG等［21］測序一個(gè)IBGC患者大家系中發(fā)現(xiàn)3位患者均攜帶ISG15純合突變c.163C＞T/p.Q55。ISG15基因定位于1p36.33，包含2個(gè)外顯子及編碼一個(gè)15 kDa的泛素樣蛋白分子，在IFN?α/β、病毒感染等刺激下可大量表達(dá)。而游離態(tài)的ISG15可以刺激NK細(xì)胞及T細(xì)胞分泌IFN?γ，研究發(fā)現(xiàn)，USP18是IFN?α/β信號(hào)通路的負(fù)調(diào)控因子，體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)游離態(tài)ISG15缺乏可影響USP18的穩(wěn)定性，從而間接導(dǎo)致IFN?α/β免疫反應(yīng)增強(qiáng)。CHAKRABARTY等［22］在小鼠大腦中過表達(dá) IFN?γ后，小鼠出現(xiàn)了基底節(jié)鈣化和黑質(zhì)紋狀體變性，因此推測干擾素信號(hào)的過度放大與腦鈣化有一定關(guān)聯(lián)。也有發(fā)現(xiàn)ISG15基因純合突變（染色體1p36.33）被確定來自中國、伊朗和土耳其的3個(gè)家庭的年輕人，該基因編碼干擾素α/β誘導(dǎo)泛素樣修飾物，與病毒感染的先天免疫反應(yīng)有關(guān)及遺傳證實(shí)了與原發(fā)性家族性腦鈣化相關(guān)的運(yùn)動(dòng)障礙［23-25］，但具體致病機(jī)制現(xiàn)仍不明確，需進(jìn)一步研究。

1.4 XPR1基因 2015年，LEGATI等［26］通過外顯子組測序在IBGC患者大家系中發(fā)現(xiàn)XPR1突變（c.434T＞C/p.L145P），從而確定了導(dǎo)致IBGC的第5個(gè)致病基因XPR1基因，該基因突變呈染色體顯性遺傳。XPR1基因定位在第1號(hào)染色體上，即1q25.3，包含15個(gè)外顯子，在人體內(nèi)廣泛表達(dá)，編碼一個(gè)由696個(gè)氨基酸構(gòu)成的多重跨膜蛋白。然而，XPR1基因突變與PiT?2密切相關(guān)，最初被認(rèn)為是異嗜性小鼠白血病病毒受體，近來研究證實(shí)其具有Pi輸出功能，從而影響細(xì)胞內(nèi)的磷酸鹽在體內(nèi)的平衡，推測該基因的缺陷與特發(fā)性基底神經(jīng)節(jié)鈣化有關(guān)［27］。ANHEIM等［28］最近研究表明XPR1是唯一已知的人類磷酸鹽排出的影響基因，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)磷聚集和鈣化形成。而且，已經(jīng)證實(shí)SLC20A2編碼PiT?2，從而影響無機(jī)磷酸鹽的吸收。因此，PiT?2和XPR1在體內(nèi)共同作用并導(dǎo)致了體內(nèi)磷酸鹽穩(wěn)態(tài)失衡，從而導(dǎo)致基底節(jié)鈣化的形成。

2 結(jié)語

IBGC是一種具有高度遺傳異質(zhì)性的疾病，盡管現(xiàn)已鑒定了5個(gè)致病基因，但仍有多個(gè)IBGC家系及散發(fā)患者未發(fā)現(xiàn)基因突變，說明還存在未知的致病基因需要進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)及分析。IBGC目前暫無有效的治療藥物，主要為對(duì)癥治療來緩解癥狀或穩(wěn)定相關(guān)癥狀，如可使用抗帕金森藥物治療肌張力障礙及震顫，有精神癥狀的可用抗精神病藥物，有癲癇發(fā)作者應(yīng)積極規(guī)范使用抗癲癇藥物，對(duì)于智力低下、癡呆、精神發(fā)育遲滯的可用胞磷膽堿、腦康復(fù)治療，現(xiàn)有研究對(duì)于鈣螯合劑加抗氧化劑和鈣拮抗劑治療有效率有待觀察。針對(duì)腦鈣化的發(fā)展暫無治療藥物及方法，從目前看來，以上5個(gè)基因是通過不同的機(jī)制來導(dǎo)致IBGC的發(fā)生，未來的研究需要對(duì)基因所對(duì)應(yīng)的分子致病機(jī)制及其病理生理過程并將阻斷繼續(xù)鈣化進(jìn)行詳細(xì)研究，為藥物研發(fā)提供基礎(chǔ)。

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