脈管畸形相關(guān)信號通路和分子遺傳學研究進展

沈禹辰 王德明 范新東

上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院介入科，上海 200011

脈管性疾病是由于血管發(fā)育過程中的缺陷導致局部異常血管生成的一類疾病統(tǒng)稱[1]。1982年，Mulliken和Glowaski[2]根據(jù)血管細胞的生物學特點將脈管性疾病分為血管腫瘤和脈管畸形兩大類。血管腫瘤可以分為嬰幼兒血管瘤、先天性血管瘤及其他腫瘤等；而脈管畸形可以分為低流速脈管畸形（微靜脈畸形、靜脈畸形、淋巴管畸形）、高流速脈管畸形（動靜脈瘺、動靜脈畸形）及混合型脈管畸形等[1]。多數(shù)脈管畸形在患者出生或出生后不久即出現(xiàn)癥狀且病灶會伴隨著患者成長而不斷增大[3]。

脈管性疾病可以通過遺傳發(fā)病或者由體細胞突變引起[4-6]。2002年，Vikkula等[5]發(fā)現(xiàn)局部病變的細胞中存在蛋白功能完全喪失，研究將其歸因于體細胞的“二次打擊”突變。與之不同的是，在絕大多數(shù)非遺傳性的、獨立發(fā)病的脈管畸形中，功能獲得性體細胞突變才是主要病因[7]。2009年，Limaye等[8]研究發(fā)現(xiàn)，靜脈畸形是由酪氨酸激酶受體2（tyrosine kinase receptors2，TIE2）的體細胞突變導致。脈管性疾病中的多數(shù)突變基因在血管生成和淋巴管生成、血管細胞生長、凋亡和增殖等功能中均發(fā)揮重要作用，而這其中的許多基因同樣與腫瘤發(fā)生密切相關(guān)[9]。脈管性疾病涉及主要通路包括血管生成素/TIE2通路，磷脂酰肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）通路，肝配蛋白B型受體4（ephrin type-B receptor 4，EPHB4）/鼠肉瘤病毒基因（rat sarcoma，RAS）/促分裂素原活化蛋白激酶激酶（mitogen-activated protein kinase kinase，MEK）/細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）通路和轉(zhuǎn)化生長因子β（transforming growth factor，TGF-β）信號通路。研究發(fā)現(xiàn)，G蛋白偶聯(lián)受體相關(guān)信號分子，如G蛋白α亞單位Q/11/14（G protein subunit alpha Q/11/14，GNAQ/GNA11/GNA14）也參與脈管性疾病的發(fā)生[9]。本文主要對脈管畸形發(fā)生發(fā)展中可能起到重要作用的信號通路及其研究進展進行綜述。

1 脈管畸形與PI3K/AKT/mTOR信號通路

在生理狀態(tài)下，PI3K/AKT/mTOR信號通路中配體與酪氨酸激酶受體（receptor tyrosine kinase，RTK）結(jié)合后被激活，進而控制細胞增殖、黏附、遷移、代謝[10]。配體與RTK的結(jié)合能夠進一步導致磷脂酰肌醇二磷酸的磷酸化，這一過程會招募并激活PI3K的下游基因AKT[11]。磷酸酶-張力蛋白基因（phosphatase and tensin homolog，PTEN）能夠通過競爭性結(jié)合PI3K來負向調(diào)節(jié)這一過程。在脈管性疾病中，多種低流速脈管畸形（特別是靜脈畸形和淋巴管畸形）是由這條通路的激活突變所引起。

1.1 靜脈畸形與血管生成素/TIE2/PI3K/AKT/mTOR信號通路

靜脈畸形屬于低流速脈管畸形，通常發(fā)生于皮膚或黏膜，表現(xiàn)為藍色、柔軟可壓縮的包塊[12-13]。靜脈畸形的組織學特點是增大迂曲的靜脈樣管道，其中單層內(nèi)皮細胞被雜亂無章的細胞外基質(zhì)和平滑肌細胞包圍[13-14]。

在多數(shù)散發(fā)性靜脈畸形中，藍色橡皮皰痣樣綜合征（blue rubber bleb nevus syndrome，BRBNS）及遺傳性皮膚黏膜靜脈畸形中，均可以檢測到TIE2基因的功能獲得性突變。TIE2可以被血管生成素1（angiopoietin-1，ANGPT1）激活，而血管生成素2（angiopoietin-2，ANGPT2）則能夠通過內(nèi)環(huán)境來調(diào)節(jié)TIE2的活性[15]。配體與受體的結(jié)合導致受體的交叉磷酸化進而引起TIE2的激活，這一過程最終引起PI3K/AKT/mTOR通路的活化[16]。在散發(fā)性靜脈畸形中發(fā)生頻率最高的突變基因是TIE2-L914F[17-18]。與之相反，在常染色體顯性遺傳的皮膚黏膜靜脈畸形中，最多見的突變基因是TIE2-R849W[19]。

BRBNS同樣與TIE2突變有關(guān)，患者會表現(xiàn)出多達上百個廣泛分布在皮膚和胃腸道的靜脈畸形病變，導致患者出現(xiàn)消耗性凝血疾病及慢性貧血[20]。病灶的數(shù)量也會隨著患者成長而逐漸增加。有體外實驗表明，所有的TIE2突變均導致受體不再依賴配體而發(fā)生過度磷酸化，且PI3K/AKT/mTOR信號通路發(fā)生了永久性的激活[21]。相比于雜合突變，純和突變中TIE2表現(xiàn)出更活躍的磷酸化。表達TIE2-L914F的人臍靜脈內(nèi)皮細胞（human umbilical vein endothelial cell，HUVEC）分泌較少的血小板來源的生長因子亞基（plateletderived growth factor subunit B，BPDGF-B），這是AKT依賴的叉頭盒蛋白O1（forkhead box protein O1，F(xiàn)OXO1）磷酸化所致[22]；這一結(jié)果同時也解釋了“為什么內(nèi)皮細胞和平滑肌細胞之間的旁分泌作用會減少”及“為什么靜脈畸形組織中相對缺乏平滑肌細胞”。

有少部分散發(fā)性靜脈畸形存在磷脂酰肌醇-3-激酶催化亞基α（phosphatidylinositol-4, 5-bisphosphate 3-kinase catalytic subunit alpha，PIK3CA）的突變[23-24]。PIK3CA編碼PI3K的P110α催化亞基，而PI3K是TIE2的下游效應(yīng)分子。PIK3CA的突變類似于TIE2的突變，會導致AKT信號的激活。

在一些靜脈畸形患者中，可以檢測到PIK3CA基因突變，而且這些患者還伴有軟組織或者骨組織的過度生長，因此利用PIK3CA相關(guān)過度生長綜合征群（PIK3CA-related overgrowth spectrum，PROS）來對這一類疾病進行命名[25]。然而，在某些PROS患者中相較于PIK3CA熱點突變，PIK3CA的非熱點突變似乎更加頻繁，同時在患者的組織中分布也更加廣泛，譬如巨頭-毛細血管畸形綜合征；CLOVES綜合征（先天性脂肪瘤過度生長伴血管異常、表皮痣和脊柱側(cè)彎）[26]。

在體外實驗中，與過度表達TIE2-L914F突變體的HUVEC相比，過度表達PIK3CA突變體的HUVEC檢測出較低水平的轉(zhuǎn)錄信號轉(zhuǎn)導劑和激活劑-1（signal transducer and activa- tor of transcription 1，STAT1）磷酸化，而檢測不到磷酸化的ERK1/2。這些結(jié)果提示無論是PIK3CA還是TIE2突變，血管生成素/TIE2/PI3K/AKT/mTOR的發(fā)生發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用[14]。

1.2 淋巴管畸形與PIK3CA基因突變

淋巴管疾病分為淋巴管畸形和淋巴水腫。淋巴管畸形可以獨立發(fā)生或伴綜合征發(fā)生，如PROS。淋巴管畸形既可以發(fā)生于外周也可以發(fā)生于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，后者構(gòu)成一組復雜的淋巴管疾病，如Gorham-Stout病、卡波西樣淋巴管瘤病等。部分淋巴管畸形和靜脈畸形類似，存在PIK3CA的體細胞熱點突變[27]。PIK3CA的熱點突變可增加雜合狀態(tài)下的致死率，這也解釋了“為什么尚未出現(xiàn)有關(guān)遺傳隔離的淋巴管畸形的報道”[28]。

基因突變方式及發(fā)生突變的時間至關(guān)重要。在小鼠發(fā)育的過程中，PIK3CAH1047R突變的發(fā)生時間決定了淋巴管畸形的類型。如果突變發(fā)生在小鼠胚胎早期，則會形成大的巨囊性淋巴管畸形；如果突變發(fā)生在小鼠出生后，則導致淋巴管過度增殖，從而形成微囊性淋巴管畸形[29]。

1.3 動靜脈畸形與PI3K/AKT/mTOR信號通路

1.3.1PTEN錯構(gòu)瘤腫瘤綜合征

磷酸酶張力蛋白同源物（phosphatase and tensin homolog，PTEN）錯構(gòu)瘤腫瘤綜合征（PTEN hamartoma tumor syndrome，PHTS）現(xiàn)已被用于描述一系列疾病，如Cowden綜合征、Bannayan-Riley-Ruvalcaba綜合征等[30]。在PHTS中，PTEN因突變導致功能喪失表現(xiàn)為常染色體顯性遺傳[31]。PHTS患者通常有巨頭、脂肪瘤、乳頭狀瘤等癥狀，并伴有非典型皮膚和深層軟組織血管病變，有時也可表現(xiàn)為高流速血管病變。由于PTEN具有抑制PI3K/AKT/mTOR通路的作用，其突變導致功能喪失使該通路激活。此外，鑒于PTEN是一種重要的腫瘤抑制基因，因此，PHTS患者患腫瘤的風險顯著增高[9]。

1.3.2 遺傳性出血性毛細血管擴張癥

遺傳性出血性毛細血管擴張癥（hereditary hemorrhagic telangiectasia，HHT）是一種常染色體顯性遺傳病[32]。患者表現(xiàn)為多發(fā)的皮膚病變或毛細血管擴張，通常與內(nèi)部的動靜脈畸形相關(guān)。這些癥狀可出現(xiàn)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)、肺部、肝臟及其他內(nèi)臟。此外，三分之一的患者在十周歲前發(fā)生過反復的鼻出血并導致貧血[33]。在之后的生長發(fā)育階段，患者的面部、口腔黏膜和手部會出現(xiàn)特征性的皮膚毛細血管擴張[32]。

HHT1型患者發(fā)生了內(nèi)皮素因突變失去功能，而HHT2型患者發(fā)生了激活素受體樣激酶1（activin receptorlike kinase 1，ALK1）功能失去突變[34]。青少年息肉病/HHT的發(fā)生是由于編碼SMAD4蛋白的母親抵抗生長因子同源物-4（mothers against decapentaplegic homolog 4，MADH4）基因發(fā)生突變導致功能喪失[35]。HHT3型患者的基因突變位點在染色體5q31.3-32，而HHT4型患者的突變位于染色體7p14位點[36-37]。

2 脈管性疾病與RAS/RAF/MEK/ERK信號通路

MEK信號通路在細胞分化、增殖、凋亡和應(yīng)激反應(yīng)中起到重要作用。RAS/快速增長型纖維肉瘤（rapidly accelerated fibrosarcoma，RAF）/MEK/ERK信號通路受生長因子、細胞因子及G蛋白偶聯(lián)受體的配體誘導，使RAS發(fā)生鳥嘌呤核苷三磷酸到胞嘧啶核苷三磷酸的置換而被激活。RAF與RAS結(jié)合后表現(xiàn)出絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶活性并激活MEK，后者通過磷酸化激活ERK。最終，ERK二聚體化并易位至細胞核內(nèi)以調(diào)節(jié)靶蛋白的活性[38]。

2.1 靜脈畸形與MAP3K3基因突變

疣狀靜脈畸形是一種罕見的、非遺傳的脈管畸形，表現(xiàn)為突起的、深紅色病變，且隨著時間的推移會出現(xiàn)過度角化[39-40]。促分裂素原活化蛋白激酶激酶激酶-3（mitogenactivated protein kinase kinase kinase 3，MAP3K3） 是 促 分裂素原活化蛋白激酶激酶激酶（mitogen-activated protein kinase kinase kinase，MAP3K）絲氨酸/蘇氨酸激酶家族的一員，在疣狀靜脈畸形中已經(jīng)檢測出了MAP3K3的體細胞突變[39]。MAP3K3不但在ERK信號通路中發(fā)揮作用，同時參與AKT/mTOR的信號傳導[39]。

2.2 淋巴管畸形與RAS/RAF/MEK/ERK信號通路

Gorham-Stout病是一種復雜的淋巴管畸形，通常為散發(fā)?；颊叩墓趋乐酗@示出不規(guī)則的淋巴管，這種畸形淋巴管與骨溶解有關(guān)，最終導致骨骼完全喪失[41]。在1例Gorham-Stout病患者中，檢測到Kirsten大鼠肉瘤病毒癌基因同源物（Kirsten rat sarcoma viral oncogene homolog，KRAS）基因的體細胞激活突變[42]。

卡波西樣淋巴管瘤病是一種具有侵襲性的淋巴管疾病，可以發(fā)生于機體多個部位和器官中。文獻顯示，共11個卡波西樣淋巴管瘤病組織中，有10個檢測出神經(jīng)母細胞瘤RAS病毒致癌基因同源物（neuroblastoma RAS viral oncogene homolog，NRAS）的p.Q61R位點突變體激活細胞[43]。以上研究表明，RAS/RAF/MEK/ERK信號通路在Gorham-Stout病和卡波西樣淋巴管瘤病的進展中起到重要的作用。

2.3 微靜脈畸形與RAS/RAF/MEK/ERK信號通路

0.3%的新生兒在出生時即患有微靜脈畸形（葡萄酒色斑）[16]。微靜脈畸形通常具有散發(fā)性，病灶區(qū)平坦，顏色為紅色至紫色[44]。微靜脈畸形患者中可檢測到GNAQ的體細胞激活突變[45]。有研究表明，GNAQ突變的人胚胎腎細胞293T可導致細胞內(nèi)ERK信號的激活[45]。

微靜脈畸形-動靜脈畸形（capillary malformationarteriovenous malformation，CM-AVM）作為一種常染色體顯性遺傳病，表現(xiàn)為微小、多局灶、紅色至棕褐色的微靜脈畸形病灶，通常隨機分布于機體[46]。CM-AVM伴有高流速脈管畸形，如動靜脈瘺即動靜脈畸形[47]。CMAVM1型由RASA1基因突變所致[48]。RASA1編碼鳥嘌呤核苷三磷酸酶激活蛋白-1（GTPase Activating Protein 1，p120RasGAP），受體酪氨酸激酶激活后，p120RasGAP被募集到細胞膜，抑制RAS/MAPK/ERK信號通路并調(diào)節(jié)細胞生長、分化和增殖[9]。2型與CM-AVM1型稍有不同，其患者表現(xiàn)出唇部和上胸部的毛細血管擴張及少許病例會出現(xiàn)顱內(nèi)的高流速血管病變[49]。CM-AVM2型是由EPHB4基因突變導致功能喪失引起[49]。EPHB4是一種跨膜受體，在靜脈發(fā)育過程中的內(nèi)皮細胞上表達。EPHB4的配體是肝配蛋白-B2（ephrin B2，EFNB2），能夠在動脈的內(nèi)皮細胞中被檢測到EFNB2的存在[50]。EPHB4通過與p120RasGAP相互作用而抑制RAS/RAF/MAPK/ERK信號通路，CM-AVM2型患者缺失了這種抑制作用而引起了RAS/RAF/MAPK/ERK通路的激活[49,50]。

2.4 動靜脈畸形與RAS/RAF/MEK/ERK信號通路

動靜脈畸形是所有脈管畸形中最具侵襲性的一種，因為其在發(fā)展的過程中常破壞鄰近組織或重要結(jié)構(gòu)。通過介入栓塞或手術(shù)切除很難完全清除動靜脈畸形病灶，殘余的病變通常會導致動靜脈畸形的再通甚至惡化。通常動靜脈畸形可以發(fā)生于機體的任何部位，包括外周結(jié)構(gòu)、內(nèi)臟器官甚至中樞神經(jīng)系統(tǒng)。

Couto等[51]在一些外周及顱外的動靜脈畸形病例中確定了促分裂素原活化蛋白激酶激酶-1（mitogen-activated protein kinase kinase 1，MAP2K1）基因的突變。MEK1的體細胞突變激活了RAS/MAPK信號通路。此外，Nikolaev等[52]發(fā)現(xiàn)KRAS的體細胞突變導致了腦動靜脈畸形的發(fā)生。從腦動靜脈畸形病灶區(qū)分離出的內(nèi)皮細胞不但表現(xiàn)出遷移能力的增強，而且細胞內(nèi)ERK水平顯著提高，血管生成相關(guān)的NOTCH信號通路的表達水平也隨之升高。Al-Olabi等[53]在動靜脈畸形患者中檢測出KRAS、B-Raf原癌基因（B-Raf proto-oncogene，BRAF） 及MAP2K1的 基 因 突變，再次驗證了RAS/RAF/MEK/ERK信號通路在動靜脈畸形中的重要作用。

2.5 腦海綿狀血管瘤與RAS/RAF/MEK/ERK信號通路

腦海綿狀血管瘤（cerebral cavernous malformation，CCM）既可以常染色體顯性方式遺傳也可以散發(fā)，其主要發(fā)生在腦部，有時也發(fā)生于脊髓[54]。腦海綿狀血管瘤蛋白-1）、腦海綿狀血管瘤蛋白-2及程序性細胞死亡因子-10（programmed cell death 10，PDCD10）的突變導致功能喪失分別導致了CCM1型、CCM2型及CCM3型的發(fā)生[55-56]。腦海綿狀血管瘤蛋白-1在δ樣經(jīng)典NOTCH配體（delta-like canonical notch ligand，DLL）和4-NOTCH信號傳導中起作用，激活A(yù)KT并抑制ERK活性，這或許可以解釋“為什么腦海綿狀血管瘤蛋白-1突變的患者ERK磷酸化水平會升高”[57]。3種CCM蛋白可以共同組成一個復合物，其中由腦海綿狀血管瘤蛋白-2來連接腦海綿狀血管瘤蛋白-1和PDCD10[58]。另有研究表明，該復合物的失活能夠誘導MAP3K3信號的激活[59]。此外，CCM4型的突變位點確定為染色體3q26.3-27.2[60]。

3 小結(jié)

雖然脈管性疾病治療方式比較多，但硬化治療、介入栓塞、手術(shù)切除、激光治療等傳統(tǒng)治療方式對病灶范圍大，累及范圍廣的脈管畸形無法獲得滿意療效。而且患者有時發(fā)生嚴重的并發(fā)癥或者重要生理結(jié)構(gòu)的破壞及術(shù)后生活質(zhì)量改善不明顯。近年來，由于分子遺傳學的快速發(fā)展，在脈管畸形的信號通路及脈管畸形的病理生理機制方面已經(jīng)取得了實質(zhì)性的進展，靶向藥物的出現(xiàn)更是為脈管畸形治療提供了新的方法。如廣泛應(yīng)用于腫瘤治療的雷帕霉素是一種mTOR抑制劑，已有研究表明，一些范圍較大或合并綜合征（Klippel-Trenaunay綜合征）的靜脈畸形患者，經(jīng)過雷帕霉素的治療后3個月疼痛顯著減輕，病灶隨之減小，生活質(zhì)量也有顯著提升。進一步證明了靶向藥物治療脈管畸形的有效性。