FREM1 基因的研究進(jìn)展

肖 煜，楊 柳，劉靜靜，任蓬偉，張淑二，王泉水，朱明霞*

（1.聊城大學(xué)農(nóng)學(xué)與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 聊城 252059；2.山東省畜牧總站，山東 濟(jì)南；3.山東省威海市文登區(qū)大水泊畜牧獸醫(yī)工作站，山東 威海）

眼瞼殘缺是一種罕見的眼部發(fā)育異常，其特征是下眼瞼或上眼瞼的缺失或部分缺失。一些研究表明，某些先天性眼瞼缺失可能與基因突變有關(guān)[1]。FRAS1 相關(guān)胞外基質(zhì)基因（FRAS-related extracellular matrix1，簡(jiǎn)稱FREM1 基因）突變是可能引起眼瞼殘缺的原因之一。除了遺傳因素外，眼瞼缺失也可能是由于環(huán)境因素，例如外傷、感染、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、手術(shù)等引起的。

五龍鵝作為中國(guó)寶貴的地方水禽遺傳資源，豁眼是其獨(dú)有的品種標(biāo)志[2]。研究豁眼性狀有利于在保護(hù)其品種特征、純種選育和雜交利用等方面提供科學(xué)的參考依據(jù)。目前，對(duì)于FREM1 基因與五龍鵝豁眼性狀之間是否存在相關(guān)聯(lián)系還需要進(jìn)行進(jìn)一步的分析論證，以及分子機(jī)制還有待揭示。此外，眼瞼發(fā)育異常也出現(xiàn)于兩類罕見的人類常染色體隱性遺傳疾?。厚R勒斯綜合征（Manitoba-oculo-tricho-anal，簡(jiǎn)稱MOTA 綜合征）和鼻裂或合并肛腸腎臟畸形（Bifid nose and anorectal and renal anomalies，簡(jiǎn)稱BNAR 綜合征）[3-4]。本文綜述了FREM1 基因在五龍鵝豁眼形成中的作用及其在小鼠、斑馬魚和畜禽等動(dòng)物模型中的研究進(jìn)展，深入了解FREM1 基因的研究現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展方向，為FREM1 基因在五龍鵝豁眼形成的功能驗(yàn)證研究提供指導(dǎo)，并推動(dòng)其在動(dòng)物遺傳育種和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 眼瞼缺失形成的候選基因

眼瞼缺失是一種罕見的先天性疾病，可能由多個(gè)基因突變引起。目前已經(jīng)確定了一些與形成眼瞼缺失相關(guān)的候選基因，這些基因包括：FREM1、FOXL2、PAX6 和TP63 等。這些基因都參與了細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的形成和維護(hù)。其中，F(xiàn)OXL2 是一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，它在卵巢和其他組織中發(fā)揮重要作用。研究表明，F(xiàn)OXL2 基因的突變可能導(dǎo)致眼瞼發(fā)育不全，從而導(dǎo)致眼瞼殘缺，是在哺乳動(dòng)物中發(fā)育和維持眼瞼組織的關(guān)鍵基因。PAX6 基因編碼轉(zhuǎn)錄因子，這是一種關(guān)鍵的胚胎發(fā)育調(diào)節(jié)因子，參與眼睛、腦和其他組織的發(fā)育，也是調(diào)控眼瞼、角膜和晶狀體等組織的基因，其變異也與眼瞼發(fā)育異常和眼部畸形有關(guān)。TP63 基因則與表皮發(fā)育和干細(xì)胞分化等過程有關(guān)，其變異也可能導(dǎo)致眼瞼缺失[5-6]。FREM1 基因突變可以導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的改變，從而影響胚胎發(fā)育和成年后的組織修復(fù)能力。例如，F(xiàn)raser 綜合征[7]是一種罕見的遺傳性疾病，特征包括腎、皮膚和肺部異常、眼睛畸形和聽力損失。了解FREM1 基因的功能和突變對(duì)于相關(guān)疾病的診斷和治療具有重要意義。需要注意的是，豁眼性狀是由多個(gè)基因的調(diào)控作用所致，不同動(dòng)物物種之間的豁眼基因可能存在差異。

2 五龍鵝豁眼性狀的研究現(xiàn)狀

五龍鵝體型輕小而緊湊，全身羽毛潔白，主要產(chǎn)于萊陽(yáng)市五龍河流域，在遼寧、吉林、黑龍江等地均有分布，是我國(guó)優(yōu)質(zhì)的肉蛋兼用鵝品種。五龍鵝也以其出色的產(chǎn)蛋和繁殖性能而聞名[2]。五龍鵝最大的品種特征是豁眼性狀。本質(zhì)上講，豁眼是遺傳缺陷，屬于質(zhì)量性狀，是胚胎在發(fā)育期間出現(xiàn)的一種表型缺陷型特征。推測(cè)豁眼是鵝在胚胎發(fā)育過程中，上眼瞼形成基因發(fā)生突變或其表達(dá)受到影響所致。研究表明：在胚胎發(fā)育過程中，間充質(zhì)細(xì)胞和上皮細(xì)胞之間的相互作用和信號(hào)傳遞對(duì)角膜和眼瞼的形態(tài)發(fā)生、器官發(fā)生、細(xì)胞分化和生長(zhǎng)至關(guān)重要[8]。朱峰偉等[9]為了探究五龍鵝群體內(nèi)豁眼性狀的遺傳，設(shè)定特定的分子標(biāo)志，采用隨機(jī)擴(kuò)增片段多態(tài)性 DNA（Random ampli-fied polymorphic DNA，簡(jiǎn)稱RAPD）分子標(biāo)志技術(shù)分析了五龍鵝的遺傳多樣性。這項(xiàng)研究比較了五龍鵝中無(wú)豁眼與有豁眼兩個(gè)群體的相似度及遺傳距離，結(jié)果表明了無(wú)豁眼組個(gè)體之間具有顯著性差異，而豁眼組個(gè)體之間顯著性不明顯。于金成等[8]通過設(shè)計(jì)五龍鵝與四川白鵝正反交的遺傳性狀模式分析其后代F1、F2基因型分離比，推測(cè)豁眼性狀是由隱性遺傳控制呈伴性遺傳，其中在Z 染色體上的H 基因與眼瞼性狀有密切的關(guān)聯(lián)。隨后從生物信息學(xué)角度對(duì)這一結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。2017 年于金成等[10]通過對(duì)FREM1 基因進(jìn)行克隆，在分子水平上對(duì)該基因進(jìn)行多態(tài)性分析，驗(yàn)證了FREM1 基因能夠決定Z 染色體上的H 基因發(fā)生純合突變，導(dǎo)致了FREM1 蛋白穩(wěn)定性的破壞。目前，對(duì)五龍鵝的豁眼性狀的研究多通過分子標(biāo)記、雜交和性狀測(cè)定法等技術(shù)，但都尚具有局限性，需要系統(tǒng)的從基因和蛋白組水平對(duì)FREM1 基因功能進(jìn)行研究。

3 對(duì)FREM1 基因的研究討論

FREM1 蛋白屬于FRAS1/FREM 細(xì)胞外基質(zhì)蛋白家族，定位于基底膜，形成包括FRAS1、FREM1 和FREM2 的三元復(fù)合物，并在胚胎發(fā)育過程中的上皮-間充質(zhì)相互作用中起關(guān)鍵作用[11]。以穩(wěn)定和交聯(lián)表皮基底膜附著在發(fā)育中的真皮上，其中每個(gè)組分對(duì)于整個(gè)復(fù)合物的穩(wěn)定都是必需的[12]。FRAS/FREM 家族的蛋白質(zhì)具有與NG2 蛋白多糖中發(fā)現(xiàn)的類似與硫酸軟骨素蛋白多糖（ chondroitin sulfate proteoglycans ， 簡(jiǎn)稱CSPG）核心結(jié)構(gòu)域序列相似的中心區(qū)域，由大約130 個(gè)氨基酸的CSPG 基序的12 個(gè)重復(fù)組成，其結(jié)構(gòu)類似于鈣粘蛋白折疊[13]。從美國(guó)生物技術(shù)信息中心（National Center for BiotechnologyⅠnformation，簡(jiǎn)稱NCBⅠ）數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢，所有的FREM 蛋白都含有多個(gè)N-連接糖基化的共識(shí)位點(diǎn)，而且一些含有保守的糖胺聚糖修飾位點(diǎn)，表明這些蛋白質(zhì)被廣泛地翻譯后修飾和修改[14]。FRAS1 和FREM1 蛋白進(jìn)一步顯示出一個(gè)或多個(gè)與鈉鈣轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Calcium Trisodium Pentate，簡(jiǎn)稱Calx）的鈣β 交換域相關(guān)的鈣結(jié)合基序[12]。這些蛋白質(zhì)中的每一種都對(duì)基底膜上整個(gè)復(fù)合物的穩(wěn)定至關(guān)重要。FREM1 屬于一個(gè)結(jié)構(gòu)相關(guān)的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白家族，起源于上皮細(xì)胞和間充質(zhì)細(xì)胞。蛋白質(zhì)以絕對(duì)重疊的方式定位于不同的上皮基底膜中，其還可以在與表皮分化相關(guān)的過程中獨(dú)立發(fā)揮作用[13]。

FREM1 是一種進(jìn)化保守的基因，在上皮-間充質(zhì)相互作用和表皮重塑區(qū)域的發(fā)育胚胎中廣泛表達(dá)，并且是胚胎發(fā)育過程中表皮粘附所必需的。FREM1 在發(fā)育中的皮膚表皮和一些分化中的表皮結(jié)構(gòu)中表達(dá)，如乳腺和瞼板腺、牙齒和毛囊。值得注意的是，F(xiàn)REM1 在許多器官中的表達(dá)包括皮膚和眼瞼，僅限于真皮層。根據(jù)真皮細(xì)胞中FREM1 的細(xì)胞內(nèi)檢測(cè)得知FREM1 可能對(duì)胚胎眼瞼的正確閉合至關(guān)重要[11]。

3.1 有關(guān)FREM1 的臨床疾病

迄今為止，大多數(shù)FREM1 相關(guān)疾病都與功能缺失突變有關(guān)。在人類臨床中，F(xiàn)REM1 的隱性突變與兩種罕見的遺傳性疾病Manitoba-oculotricho-anal（MOTA）綜合征和Bifid nose with or without anorectal and renal anomalies（BNAR）有關(guān)。這些疾病包括廣泛的發(fā)育缺陷，包括隱眼、并指、腎發(fā)育不全、生殖器模糊和呼吸道缺陷等[3-4]。

MOTA 綜合征是由FREM1 突變引起的，由位于人類染色體9p22.3 的FREM1 中的雙側(cè)突變引起臨床變現(xiàn)，如眼球過度偏斜、異常的發(fā)際線延伸到同側(cè)眼睛、鼻尖分叉或?qū)挻蟆⑸涎鄄€結(jié)節(jié)、隱性眼球、肛門狹窄和或肛門前移以及臍疝或臍帶繞頸等[3]。ALAZAMⅠ[4]等發(fā)現(xiàn)在人類染色體9p22.2-p23 有一個(gè)共同的同源區(qū)，候選基因分析顯示了FREM1 的同源框移和錯(cuò)義突變，并通過原位雜交實(shí)驗(yàn)證明該基因在內(nèi)側(cè)鼻突中線的表達(dá)，同時(shí)證明了Frem1 基因在鼻腔內(nèi)側(cè)中線的表達(dá)并得出結(jié)論，該基因在顱面部結(jié)構(gòu)的融合中起作用。Lee M K[16]等通過面部形態(tài)學(xué)的全基因組關(guān)聯(lián)（Genome Wide Association，簡(jiǎn)稱GWAS），觀察到 FREM1 中的單核苷酸多態(tài)性（Single Nucleotide Polymorphism，簡(jiǎn)稱SNP）與捕獲上唇中央部分高度的因子之間存在新的關(guān)聯(lián)，揭示了FREM1 可能會(huì)影響面部變異。MOTA 病例中發(fā)現(xiàn)了FREM1 編碼突變，對(duì)此類額外變體的特征描述為進(jìn)一步了解FREM1 在顱面部生物學(xué)中的作用提供了空間，并可能有助于在MOTA 高發(fā)病率人群中進(jìn)行遺傳咨詢，以降低這種疾病的發(fā)病率。BNAR 綜合征是一種非常罕見的疾?。鹤?002 年首次描述以來(lái)，僅有9 例來(lái)自于三個(gè)無(wú)關(guān)家族的病例報(bào)告。顯著的臨床特征有面部畸形包括明顯的鼻翼兩裂、牙齒異常等[17]。FREM1 的突變與多種人類疾病有關(guān)，突出了其在組織形態(tài)發(fā)生和體內(nèi)平衡中的重要性。對(duì)FREM1 的結(jié)構(gòu)和功能及其在疾病中的作用的進(jìn)一步研究可能會(huì)影響針對(duì)這些疾病的新治療策略的發(fā)展。

3.2 FREM1 的動(dòng)物模型

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)FREM1 基因引起的疾病進(jìn)行了研究，它是細(xì)胞粘附、遷移和分化的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，在多個(gè)器官和組織的發(fā)育中起著至關(guān)重要的作用。到目前為止有關(guān)FREM1 的動(dòng)物模型比較有限，大體上分為兩種：FREM1 基因缺失型和FREM1 基因突變型。

Petrou 等發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有存活的缺少 FRAS1、FREM1 和FREM2 三種基因的動(dòng)物顯示永久性的畸形，如一個(gè)或兩個(gè)眼瞼完全融合。FREM1 缺失型，表現(xiàn)出更嚴(yán)重的隱眼癥、并指癥和腎發(fā)育不全[18]。先天性膈疝（congenital diaphragmatic hernia，簡(jiǎn)稱CDH）是一種常見的危及生命的出生缺陷，F(xiàn)REM1 缺乏會(huì)導(dǎo)致人類和小鼠先天性膈疝。Wiradjaja F 等證實(shí)了FREM1 基因在隔膜發(fā)育中起著關(guān)鍵作用，并且FREM1 基因缺乏癥可導(dǎo)致人類和小鼠的CDH。通過小鼠FREM1 純合子截?cái)嗤蛔?，發(fā)現(xiàn)小鼠有眼睛缺陷、腎臟缺失，并出現(xiàn)胸骨后膈疝等癥狀[19]。小鼠中FREM1 基因的缺失可導(dǎo)致腎臟和前肢等器官的發(fā)育異常，進(jìn)而影響小鼠的生存。

FREM1 的時(shí)空表達(dá)受到嚴(yán)格控制，與一系列其他發(fā)育調(diào)控基因定義的調(diào)控元件和組織特異性增強(qiáng)子保持一致。在眼部和全身性疾病中都有這種突變序列的例子，其中一種是頭皰突變型，表現(xiàn)出明顯溫和的表型：眼瞼張開，無(wú)隱眼、并指或腎異常。FREM1 與血小板衍生生長(zhǎng)因子受體（Platelet-derived Growth Factor Receptor，簡(jiǎn)稱PDGFR）的相互作用可以調(diào)節(jié)血小板衍生生長(zhǎng)因子受體α（Platelet-Derived Growth Factor Receptor Alpha，簡(jiǎn)稱PDGFR-α）下游細(xì)胞外基質(zhì)的重塑，一旦該基因發(fā)生突變，F(xiàn)REM1 的功能除了在基底膜中的穩(wěn)定作用喪失外，小鼠會(huì)出現(xiàn)胎兒皮膚水皰和一系列其他發(fā)育缺陷[20]。Slavotinek等人重新研究了FREM1 突變體小鼠，發(fā)現(xiàn)新的證據(jù)支持該基因參與眼睛和肛門的發(fā)育。因此，可以在MOTA 綜合征中觀察到一些動(dòng)物表現(xiàn)出類似于眼瞼缺陷，以及結(jié)膜形成缺陷、角膜上皮缺失、角膜纖維化和混濁。此外，F(xiàn)REM1 突變與三頭畸形有關(guān)，F(xiàn)REM1 小鼠作為三頭畸形和面部不對(duì)稱的新動(dòng)物模型[21]。Ⅴissers 報(bào)道了FREM1 是一種顯性作用的中位顱縫造口癥基因，證明了FREM1 在閉合中位以及上頜前-上頜骨縫合線中的作用，并提出了對(duì)單腔滑膜細(xì)胞增生的進(jìn)一步研究途徑。所有這些小鼠模型都增加了對(duì)FREM1 的病理生理學(xué)的了解，與FREM1相關(guān)疾病的病理生理學(xué)知識(shí)[22]。

斑馬魚也是一種廣泛用于發(fā)育生物學(xué)研究的模型動(dòng)物。FREM1 基因在斑馬魚的胚胎神經(jīng)管發(fā)育中具有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)REM1 基因敲除或缺失可導(dǎo)致斑馬魚胚胎的神經(jīng)管發(fā)育異常，包括脊髓、頭部和眼睛等結(jié)構(gòu)的異常[23]。另外也發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)REM1 基因在斑馬魚眼睛的晶狀體和視網(wǎng)膜發(fā)育中起著重要作用，敲除或缺失會(huì)導(dǎo)致斑馬魚眼睛發(fā)育不全和視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)異常。FREM1 基因在斑馬魚的發(fā)育中具有多種功能，包括神經(jīng)管、眼睛、鰓弓和尾鰭等結(jié)構(gòu)的發(fā)育，這些研究結(jié)果為更深入地了解FREM1 基因在動(dòng)物發(fā)育中的作用提供了重要參考[24]。

總之，F(xiàn)REM1 基因在多個(gè)動(dòng)物模型中均扮演著重要角色，參與了器官和組織的發(fā)育調(diào)節(jié)功能。這些研究結(jié)果為更深入地了解FREM1 基因的功能和作用機(jī)制提供了重要參考。

4 展望

通過基因克隆、基因多態(tài)性及小鼠模型證實(shí)FREM1 基因與鵝的豁眼性狀形成有關(guān)，但具體基因水平和蛋白水平的分子遺傳機(jī)制仍未可知。在今后的研究中，可以通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)聯(lián)合分析及家系遺傳觀測(cè)，揭示FREM1 基因調(diào)控五龍鵝豁眼的分子機(jī)制，并推動(dòng)其在動(dòng)物遺傳育種和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。