Prader-Willi綜合征代謝表型與遺傳研究進展

趙春暉 李占斌 辛靜昕 張新煥 高 聆

1.山東大學(xué)齊魯醫(yī)學(xué)院附屬省立醫(yī)院內(nèi)分泌科，山東濟南 250021；2.山東省糖尿病與代謝疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，山東濟南250021；3.山東省內(nèi)分泌與脂代謝重點實驗室，山東濟南 250021；4.山東第一醫(yī)科大學(xué)附屬省立醫(yī)院內(nèi)分泌科，山東濟南 250118；5.山東第一醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院，山東泰安 271000

普拉德-威利綜合征（Prader-Willi syndrome，PWS）由 Andrea Prader，Alexis Labhart 和 Heinrich Willi 于1956年首次發(fā)現(xiàn)并報道，是一種由父系遺傳染色體15q11 ～q13上的印記基因缺失或沉默引起的多系統(tǒng)的復(fù)雜表觀遺傳病。主要有3種遺傳亞型：父系15q11 ～q13缺失、15號染色體母系單親二倍體和印跡缺陷［1］。DNA 甲基化分析可以診斷這三個分子遺傳類別的PWS，也可區(qū)分PWS與Angelman綜合征。最近的流行病學(xué)研究估計，PWS患病率約為1/30 000 ～1/15 000，大多數(shù)病例為散發(fā)性，沒有種族和性別差異［2］。

PWS的主要臨床表現(xiàn)為：嬰兒期肌張力低和吸吮無力，導(dǎo)致無法茁壯成長；隨后在嬰幼兒后期或兒童早期出現(xiàn)貪食、能量消耗減少和代謝率低，逐漸發(fā)展為肥胖、身材矮小、生長速度減慢，智力殘疾以及行為問題；中年期肥胖會導(dǎo)致阻塞性睡眠呼吸暫停、2型糖尿病和其他代謝綜合征，PWS患者還可能有骨密度低、甲狀腺疾病、隱睪、性腺功能減退以及青春期延遲或停滯等表現(xiàn)［3］。PWS對患者的健康和壽命造成嚴重影響，導(dǎo)致每年約3%的死亡率（大約是正常人群的 3 倍）［4］。PWS 患者的內(nèi)分泌代謝系統(tǒng)受到的影響最大，本研究總結(jié)了PWS代謝表型與遺傳機制的相關(guān)性的研究進展。

1 PWS的代謝疾病

PWS 是一種以下丘腦-垂體軸功能障礙為特征的遺傳疾?。?］，會導(dǎo)致多種內(nèi)分泌代謝疾病，包括肥胖、生長激素缺乏癥、性腺功能減退癥、甲狀腺功能減退癥、骨質(zhì)疏松癥、中樞性腎上腺功能不全等，本研究總結(jié)了常見的PWS中這些代謝疾病的發(fā)病率，以期改善患者健康和發(fā)育結(jié)果，見表1。

表1 PWS既往代謝疾病研究

1.1 肥胖及其共存病

肥胖是導(dǎo)致PWS 代謝并發(fā)癥和生活質(zhì)量下降的最常見原因［6］，從營養(yǎng)不良和無法茁壯成長到食欲亢進、肥胖的轉(zhuǎn)變是復(fù)雜的，有7 個營養(yǎng)階段：0期（階段1，在子宮內(nèi)）胎動減少，出生體重減低；1a期（階段2，0 ～ 9 個月）喂養(yǎng)困難；1b 期（階段3，9 ～25個月）無喂養(yǎng)困難；2a期（階段4，2.1 ～4.5歲）體重增加而不增加食欲；2b 期（階段5，4.5 ～ 8 歲）體重隨著食欲的增加而增加；3 期（階段6，8 歲～成年）食欲亢進，很少感到飽腹感；4 期（階段7，成年）食欲不再貪得無厭。值得注意的是，PWS患者的肥胖與單純性肥胖有不同的特點：與體重指數(shù)（BMI）相近的單純性肥胖患者相比，PWS患者的瘦體重較低，而脂肪質(zhì)量較高；PWS患者空腹甘油三酯較低；PWS患者的內(nèi)臟脂肪含量較低，這可能是PWS患者檢測到的胰島素敏感性較高和血脂異常患病率較低的原因［7］。

了解PWS 中肥胖的原因是護理該綜合征患者的首要問題，目前普遍認為，其肥胖主要與下丘腦飽腹感中樞及其激素調(diào)節(jié)回路的功能障礙有關(guān)，從而導(dǎo)致持續(xù)的、永不滿足的食欲，吞食過多和饑餓相關(guān)的進食行為。幾個腦區(qū)（下丘腦、杏仁核、海馬、眶額葉和內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)）的改變在PWS 的攝食調(diào)節(jié)異常中起重要作用，磁共振成像數(shù)據(jù)表明，與非PWS肥胖對照組相比，PWS患者在餐后對邊緣區(qū)和邊緣區(qū)（下丘腦、杏仁核、海馬）的食物激活中心的刺激較大，而單純性肥胖的對照組皮層抑制區(qū)（眶額皮層、內(nèi)側(cè)前額葉皮層）的活動顯著增加。與非PWS肥胖患者相比，PWS患者對高熱量和低熱量食物的反應(yīng)過度刺激了與飽腹感相關(guān)的下丘腦神經(jīng)元回路。這些腦功能研究表明，下丘腦對飽腹感控制的破壞、相關(guān)獎賞回路區(qū)域的功能障礙和抑制控制區(qū)域的損傷共同導(dǎo)致了PWS 的極度嗜食和肥胖［8］。既往研究還對PWS 肥胖的病因?qū)W提出了其他機制，包括調(diào)節(jié)食欲和飽腹感的激素紊亂、身體成分差異、低肌張力導(dǎo)致能量消耗減少和具有自閉癥譜系障礙特征的行為改變等［9］。

肥胖是PWS過早發(fā)病和死亡的主要原因，共存病指的是與原發(fā)疾病同時存在且相互獨立的一種或多種疾病或臨床狀態(tài)。PWS 患者通常與超重相關(guān)的共存病包括呼吸系統(tǒng)問題（肺栓塞、呼吸衰竭、肺動脈高壓）、睡眠障礙（阻塞性睡眠呼吸暫停）、右心功能障礙、心肌梗死和高血壓等相關(guān)。至于代謝疾病，有研究表明，約三分之一的受試者報告了高脂血癥［10］；PWS 患者中最常見的糖尿病是 2 型糖尿?。═2DM），患病率大約為7%～24%，肥胖和體重增加是胰島素抵抗和T2DM發(fā)展的危險因素，然而，肥胖在PWS 患者T2DM 發(fā)病機制中的作用仍有爭議［11］。T2DM 的 PWS 患者大多無癥狀，糖尿病相關(guān)并發(fā)癥很少見。對PWS 患者進行預(yù)防肥胖的早期干預(yù)和定期監(jiān)測血糖水平是非常有必要的。

1.2 生長激素缺乏癥

胎兒出生后生長速度減慢、身材矮小、肌張力減低、身體成分異常、能量消耗低是PWS 患者的典型臨床特征，與非PWS的生長激素缺乏患者的臨床特征相似。對PWS 兒童的多項臨床研究表明［12-13］，80%的患者對刺激試驗的生長激素反應(yīng)降低，自然生長激素分泌減少，幾乎所有患者IGF-I值低；患有PWS 的成年人中有0 到70%符合嚴重成人生長激素缺乏的標(biāo)準(zhǔn)［14］。已有研究表明，生長激素缺乏可能是由于神經(jīng)內(nèi)分泌轉(zhuǎn)換酶1缺陷導(dǎo)致生長激素釋放激素神經(jīng)肽成熟降低［15］。生長激素治療可改變該病的自然病史，經(jīng)過治療，患有PWS 的幼兒和兒童有50%的病例是正常體型，合并疾病也更少［16］。研究表明，接受長期（中位時間=20年）生長激素治療對身高、身體成分、代謝狀態(tài)沒有不良的影響［17］。

1.3 性腺功能減退癥

性腺功能減退癥是PWS 中最常見的激素缺乏癥［18］，在不同性別和各個年齡段都有表達。出生時，大多數(shù)男孩（92.7%～100%）患有雙側(cè)或單側(cè)隱睪癥，女孩表現(xiàn)出小陰唇發(fā)育不良的跡象。在大多數(shù)患有PWS的男性個體中，睪丸組織學(xué)顯示精原細胞數(shù)量減少或缺失，這與早熟或侵襲性早熟有關(guān)［19］。患有PWS 的女性患者中，或者沒有卵泡發(fā)育，或者卵巢組織結(jié)構(gòu)異常，少數(shù)人的抑制素B濃度低或正常，這表明測定抑制素濃度的重要性［20］。PWS 的性腺功能減退癥的治療尚未達成共識，因此，個體化的方法很重要。由于研究較少，尚不清楚性類固醇治療是否應(yīng)該以完全替代為目標(biāo)，或者是否低劑量就足以達到預(yù)期的臨床目標(biāo)。

2 PWS的遺傳機制與代謝表型相關(guān)性

2.1 遺傳亞型與代謝表型相關(guān)性

既往研究揭示了PWS 的四種遺傳亞型，包括：（1）大約65%～75%的PWS患者表現(xiàn)出典型的父系15q11 ～q13 區(qū)域的缺失（Ⅰ型、Ⅱ型或不同長度的非典型缺失，取決于染色體的近端斷點）；（2）20%～30%的患者表現(xiàn)為母源15 號染色體單親二倍體（maternal uniparental disomy，UPD）；（3）1% ～ 3%的患者為印記中心突變或微缺失；（4）極少患者出現(xiàn)染色體平衡易位［21］。這些分子的缺陷最終會造成15q11 ～q13 區(qū)域父本基因功能缺失。目前還沒有已知的表型特征與PWS 的三種主要亞型中的某一種完全相關(guān)，但是，很多研究表明PWS 最常見的兩種遺傳亞型（缺失和UPD）之間存在生理、智力和行為上的差異：父源缺失的患者與進食問題、睡眠障礙、面部外觀、色素減退以及言語障礙相關(guān)性更強［1］；而與缺失患者相比，UPD的患者過期產(chǎn)更為常見［22］，患者言語智商更高，也更有可能患有精神病和自閉癥譜系障礙［23-25］。我們總結(jié)了兩種主要遺傳亞型（缺失和UPD）之間的代謝表型差異如下。

2.1.1 BMI 2007年Galassetti等［26］報道了在37名PWS患者中，缺失（n=20）的受試者與UPD（n=17）的受試者之間有相似的BMI；2018年Manzardo 等［27］也報道了缺失（n=36）的受試者與UPD（n=29）的受試者之間有相似的 BMI；2019 年 Butler 等［28］同樣報道了缺失（n=26）的受試者與UPD（n=21）的受試者BMI差異無統(tǒng)計學(xué)意義。然而，2014年Laurier等［29］報道過缺失（n= 101）的受試者比沒有缺失（n= 42）的受試者有更高的 BMI；2020 年Shepherd等［30］研究表明，與非缺失（n=53）的受試者相比，缺失（n=72）的受試者的體重和BMI 更高，差異的大小隨著體重、年齡的增長而增加。綜上所述，遺傳亞型與BMI之間的相關(guān)性尚不能確定。

2.1.2 脂肪分布 2016 年 Coupaye 等［31］的研究招募了73名PWS患者，其中47例為缺失亞型，26例為UPD，他們的平均年齡、性別比例、身高、性腺功能減退癥患病率、性激素治療和目前的生長激素治療在兩組之間沒有顯著差異。研究表明，他們在脂肪的分布上也存在一些差異，UPD患者有相對較高的脂肪量。他們認為，缺失的患者的脂肪細胞增殖能力可能會增強，可以通過生長激素治療部分糾正，而UPD 患者的脂肪細胞對生長激素治療可能不敏感。解釋脂肪細胞擴增能力和對GH處理敏感性差異的分子機制仍有待確定。

2.1.3 肥胖相關(guān)因素 2007年Talebizadeh 等［32］在對 55 例 PWS 患者（其中有 20 例缺失型，17 例 UPD）的研究中發(fā)現(xiàn)，PWS缺失受試者的腰臀比更低，臀圍更高，而BMI、空腹甘油三酯、空腹膽固醇、瘦素、葡萄糖、皮下脂肪面積、內(nèi)臟脂肪面積差異無統(tǒng)計學(xué)意義。肥胖相關(guān)因素的相關(guān)分析還揭示了兩個遺傳亞組之間的差異，如在PWS 缺失受試者中，膽固醇與葡萄糖、甘油三酯和內(nèi)臟脂肪面積之間存在顯著的正相關(guān)，但在PWS 的UPD 組中不存在這些相關(guān)性。因此，結(jié)果可能表明PWS 的兩個遺傳亞組（缺失和UPD）之間與肥胖模式相關(guān)的機制存在差異。

2.2 與代謝表型相關(guān)候選基因

由著絲粒至染色體長臂端粒方向，15q11 ～q13區(qū)域大體可分為4個區(qū)域（圖1）［33］：（1）位于近端斷裂點BP1 和BP2 之間的近端非印跡區(qū)域，包含4 個雙親表達基因 GCP5、CYF1P1、NIPA2 和 NIPA1；（2）PWS 父源表達區(qū)域，包含 MKRN3、MAGEL2、NECDIN、雙順反子基因SNURF-Snrpn、C15orf2（在睪丸中雙等位表達，但在大腦中父系等位基因表達）、C/D盒小核仁RNA基因簇（SnoRNAs）和幾個反義轉(zhuǎn)錄本（包括UBE3A 的反義轉(zhuǎn)錄本）；（3）Angelman綜合征（AS）區(qū)，包含母系優(yōu)先表達基因UBE3A 和ATP10A；（4）遠端非印跡區(qū)，包含3個GABA受體基因簇、眼皮膚白化病2 型（OCA2）基因、HERC2 和遠端斷裂點BP3。目前還沒有研究證明單個基因突變可以導(dǎo)致PWS，我們總結(jié)了一些與PWS患者代謝表型相關(guān)的候選基因。

圖1 15q11 ～q13區(qū)域基因

2.2.1 PWS患者攝食行為相關(guān)的候選基因 MAGEL2是黑色素瘤抗原基因家族（melanoma antigen gene family，MAGE家族）成員，MAGEL2 基因缺失的小鼠表現(xiàn)出與PWS類似的內(nèi)分泌代謝障礙：新生兒生長遲緩；斷奶后肥胖增加，體重過度增長；下丘腦調(diào)節(jié)受損和晝夜節(jié)律改變［34-35］。在PWS患者中常見的攝食增多與下丘腦弓狀核的缺陷有關(guān)，下丘腦弓狀核是神經(jīng)肽 Y（neuropeptide Y，NPY）、刺鼠相關(guān)肽（agouti-related protein，AgRP）、促黑素細胞皮質(zhì)素原（pro-opiomelanocortin，POMC）和瘦素（leptin）的主要作用部位，其功能包括調(diào)節(jié)攝食量和體重。NPY/AgRP 相互作用刺激攝食量，而POMC 則減少攝食量。MAGEL2的缺失干擾了瘦素介導(dǎo)的POMC神經(jīng)元的去極化，表明食物攝入受到的抑制較少，瘦素調(diào)節(jié)的脂肪儲存不受控制［36-38］。

對罕見的小缺失或易位的PWS 患者的臨床研究已經(jīng)確定了以SNORD116 基因為中心的PWS 的最小臨界區(qū)域［39］。SNORD116 基因主要在大腦中表達，作為表觀遺傳調(diào)節(jié)因子參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的成熟，引起腦功能、神經(jīng)元成熟和突觸形成的變化。它如何執(zhí)行功能的問題一直是PWS 的病因?qū)W研究熱點。2015 年 Purtell 等［40］將雙等位 Snord116基因敲除的小鼠與成年早期的對照組小鼠進行了比較，發(fā)現(xiàn)了早期研究中未注意到的現(xiàn)象：小鼠的原位雜交實驗證實，下丘腦NPY 和POMC 神經(jīng)元（控制攝食行為的主要食欲調(diào)節(jié)神經(jīng)元）的mRNA表達明顯上調(diào)；同時，觀察到它們的食物攝入量增加。這些現(xiàn)象表明Snord116 與攝食行為之間存在功能聯(lián)系。

2.2.2 PWS 患者性腺功能減退相關(guān)的候選基因 MKRN3（makorin ring finger protein 3）是第15號染色體上PWS區(qū)域的第一個基因，它參與控制青春期的開始。該基因可以直接或通過神經(jīng)激肽B（NKB）途徑抑制促性腺激素釋放激素（GnRH）的表達［41］，導(dǎo)致黃體生成素（LH）和卵泡雌激素（FSH）水平下降，從而導(dǎo)致下游效應(yīng)。該基因與抑制青春期啟動有關(guān)，其功能失去突變被認為是中樞性性早熟的主要遺傳原因［42］。小鼠模型也支持MKRN3 突變與青春期功能障礙之間的相關(guān)性，表明其可能在下丘腦-垂體-性腺軸中發(fā)揮作用［35］。總之，MKRN3成為PWS 患者性腺功能減退和不育癥的有力候選基因。

此外，MageL2 表達的缺失會損害小鼠的生殖功能，MageL2 缺失的雌鼠表現(xiàn)出延長和不規(guī)則的發(fā)情周期，而雄鼠表現(xiàn)為睪酮水平降低，信息素檢測減少［43］。這些結(jié)果表明MAGEL2 的表達缺失是PWS生殖缺陷的原因之一，同時也凸顯了正常晝夜節(jié)律在維持生育能力中的作用。

Necdin（NDN）基因編碼NECDIN 蛋白，是一種DNA 結(jié)合蛋白，在成熟的下丘腦神經(jīng)元中高度表達［44］。既往研究發(fā)現(xiàn)，它在體外和體內(nèi)都是GnRH水平的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，缺乏NDN會降低GnRH基因的表達，導(dǎo)致GnRH 神經(jīng)元數(shù)量減少，可能是PWS性腺功能減退和不育癥的原因之一［44-46］。

已有動物實驗表明，SNORD116基因簇的丟失會導(dǎo)致無義螺旋環(huán)螺旋2（nescient helix loop helix 2，NHLH2）和前蛋白轉(zhuǎn)化酶枯草溶菌素1（prohormone convertase kexin type 1，PCSK1）的表達減少，而胃饑餓素（ghrelin）、GnRH 和胰島素被PCSK1 轉(zhuǎn)化為它們的活性形式［47］。胃饑餓素參與生長激素（GH）的分泌，所以生長激素會減少；GnRH 缺乏，促性腺激素水平較低，從而也會導(dǎo)致性腺功能減退。

3 總結(jié)與展望

PWS是一種復(fù)雜的遺傳性疾病，其代謝表型尤為突出，從出生時的低體重到暴飲暴食的體重增加，以及伴有激素缺乏、行為問題和自主神經(jīng)異常的嚴重肥胖。生長激素缺乏、性腺功能減退、甲狀腺功能減退、腎上腺早熟、促腎上腺皮質(zhì)激素缺乏、青春期早熟和糖代謝紊亂是主要的內(nèi)分泌代謝障礙。本研究認為，不同遺傳亞型PWS 患者，代謝表型不同；多種候選基因可能以不同機制引起同一種代謝表型。目前尚無有效的藥物可以治愈PWS，只能對癥治療，針對不同表型特征、內(nèi)分泌代謝紊亂進行干預(yù)。更好地了解PWS 的遺傳機制與代謝表型的關(guān)系可以為新的治療方法開辟空間。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突