Carpenter綜合征的分子遺傳學研究進展

白珊珊 綜述 韋敏 審校

·綜述·

Carpenter綜合征的分子遺傳學研究進展

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，是一種導致顱縫早閉的常染色體隱性遺傳病，臨床表現主要以顱縫早閉、多指（趾）、并指（趾）、肥胖等先天畸形為主，可引起智力發育遲緩、顱內高壓等一系列并發癥。目前發現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結合蛋白。Rab蛋白是HH信號通路的負性調節因子，突變后的Rab蛋白結構和功能產生變化，很可能通過擾亂HH信號通路而導致Carpenter綜合征，但具體發病機制尚未明確；也有少數Carpenter綜合征患者是因為MEGF8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通路

Carpenter綜合征是一種罕見疾病，發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締組織膜所分隔，形成的一種纖維性關節。顱縫內骨的邊緣是骨形成的活躍部位，能使骨的生長和腦發育相互協調，如果顱縫提前閉合，即稱為顱縫早閉。狹小的顱腔無法適應腦的生長發育，可出現顱內高壓、發育遲緩、智力低下、精神活動異常、癲癇等癥狀。目前發現和顱縫早閉相關綜合征約有70種[3]，其中以Apert、Crouzon、Pfeifer、Beare-Stevenson等較常見，Carpenter綜合征發病率相對較低，早在1901年即被發現并報道。該綜合征發病呈散發性，臨床表現多樣，患者病情較嚴重，主要特征為顱縫早閉導致的尖頭畸形，多涉及額縫和矢狀縫的早閉，甚至會出現三葉草形顱縫閉合，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，磨牙發育不全，先天性心臟病，臍疝，生殖腺機能減退，后天學習能力障礙等[2]。目前，在細胞、分子包括基因水平對顱縫早閉相關綜合征的基因學研究大多已被證實，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為主，基因和分子機制等相關治療仍處于探索階段，但已有研究嘗試利用FGFR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后，注射TGF-β3蛋白，阻止顱縫再次骨化。遺傳學相關分子機制是近年來顱縫早閉的研究熱點，為探索新的治療方法提供依據和基礎。我們回顧并總結了關于Carpenter綜合征遺傳學分子機制等方面的相關研究，從基因突變和信號通路方面對其發病機制進行綜述。

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結合蛋白，是Ras超家族Rab家族成員，因其突變可導致小鼠開腦綜合征，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，表明其對這些器官正常功能的維持具有一定的作用[7]。該基因在細胞內囊泡運輸中也有重要作用，通過募集馬達分子到達靶膜，從而調節細胞器或者囊泡的轉運[8]。Jenkins等[2]利用純合子定位法對Carpenter綜合征患者的基因進行分析，發現了17個患者中存在5種類型RAB23基因的突變，最常見的是c.434T>A,pL145X，其中4對等位基因（E47fsX7、Y78fsX30、E137X、L145X）的突變，造成了蛋白質結構的缺失；錯義突變C85R導致編碼的不帶電氨基酸變成帶電氨基酸，這一替代可能會破壞Rab23蛋白的折疊。這17名患者表現為顱縫早閉，多指（趾）畸形，出生體重過高，心臟缺陷和智力低下。Alessandri等[8]發現了一種新的突變：c. 86dupA,p.Y29X，相比Jenkins之前發現的患者，新的患者出生體重并沒有過高且智力均正常；2011年，Jenkins等[9]又發現了來自8個不同家庭的10個患者，出現6種新的RAB23的等位基因突變類型，這些突變均被認為是影響了RAB23蛋白的主要結構，進而影響其功能，且男性患者普遍存在外生殖器的畸形；2012年，Bensalem等[1]發現新的剪接突變：c. 482-G>A,p.V161fsX3，突變的基因破壞了外顯子5的剪接位點受體，使得編碼RAB23的mRNA缺失8個核苷酸，造成轉錄終止。2013年，Haye等[10]發現c.481G>C,p.VaI161Leufs*16。目前報道過約100多名Carpenter綜合征患者，其中RAB23突變有35個，13種不同類型的突變，包括9個截斷突變（5個插入或者刪除突變，2個無義突變，2個剪接位點突變），3個錯義突變，1個框內氨基酸刪除。

2 RAB突變導致Carpenter綜合征的相關機制

RAB23突變導致Carpenter綜合征的機制主要是影響了Rab蛋白的折疊和或其效應蛋白的結合等。Jenkins等[9]發現了一種新的機制：無義介導的mRNA降解（Nonsense-Mediated mRNA Decay，NMD）。NMD是細胞的重要RNA監控機制，是轉錄mRNA質量控制的重要環節，識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產物積累對細胞造成毒害。NMD還調控正常生理基因的表達，改變人類疾病的表現型，比如NMD可以通過清除編碼負性效應蛋白基因的轉錄產物來降低疾病的嚴重程度。同時，疾病表現型的嚴重程度取決于終止密碼子在基因中的位置，如果PTC位于3’端最后一個或者倒數第二個外顯子，則很容易失去NMD作用[9]。為了研究NMD在RAB23突變導致Carpenter綜合征中的意義，Jenkins等利用焦磷酸測序技術，分別將突變類型為c. 434T>A的患者與正常者進行了突變體轉錄相對水平的量化對比。結果發現，Carpenter綜合征患者突變體的轉錄體相對不穩定，由于PTC位于RAB23倒數第二個外顯子的3’端，很有可能沒有進行NMD過程，說明NMD在RAB23突變導致Carpenter綜合征的過程中有非常重要的作用。

3 MEGF8突變也可導致Carpenter綜合征

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

4 Carpenter綜合征與Hedgehog信號通路

分泌蛋白Hedgehog（HH）家族的成員，在脊椎動物和非脊椎動物的發育中起重要調控作用，包括細胞增殖、分化和組織的形成等。HH信號的異常會引起先天性缺陷和癌癥，HH基因首次在果蠅中發現，哺乳動物中存在3個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]發現，RAB23是SHH信號通路的負性調控因子，可作用于靶分子Gli2激活子，調節Smo蛋白下游、Gli蛋白上游來負性調節HH信號通路，從而影響胚胎發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和因HH信號通路被擾亂而導致的疾病非常相似[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的錯義突變[19]。因此，RAB23突變很可能是通過調控HH信號通路，繼而造成Carpenter綜合征的發生；MEGF8突變導致Carpenter綜合征是由于擾亂了HH信號通路。因為，HH信號通路被擾亂而造成的疾病的相關臨床表現和其有相似點。HH信號通路被公認在顱頜面的發育中有重要作用[20]，但其在顱縫生長中的作用一直不明確。Marti等[21]發現，SHH對人類顱面部中縫發育有重要作用，在小鼠胚胎17 d時頭顱的矢狀縫和額縫中大量表達，同時測得BMP的表達模式與其非常相似，推測SHH很有可能是通過影響BMP信號通路來影響顱縫發育；2007年，Jacob等[22]發現IHH信號通路通過控制Ptch1的表達來影響顱縫的生長；2011年，Klopocki等[23]發現，IHH信號通路的增強可加快細胞成骨和顱縫區的過度生長；2015年，Barroso等[24]檢測出顱縫早閉患者IHH基因的上游元件發生了復制。這些研究均表明，HH信號通路在顱縫的生長發育中有一定作用，但具體機制仍需進一步探索。

5 總結及展望

目前已明確，Carpenter綜合征的基因定位于RAB23和MEGF8，突變類型多而復雜，RAB23是SHH信號通路的負向調節因子，而HH信號通路擾亂所造成的相關疾病臨床表現和Carpenter綜合征相似，所以RAB23突變很可能是通過影響HH信號通路導致了Carpenter綜合征。MEGF8突變患者多呈現器官異位等表現，在三叉神經中已發現其和BMP通路相關。MEGF8是否可通過調控BMP通路影響顱縫發育，上述基因變異和信號通路又是否與目前研究相對較明確的FGFR、TGF-β信號通路有相互作用，具體的調控機制和各機制間的關系仍有待深入研究，闡明Carpenter綜合征相關分子機制或將有助于該疾病的預防和治療。

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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醫學院附屬第九人民醫院整復外科。

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).