基因調控網絡與先天性巨結腸發生的相關研究進展

韓璐，姜茜

(首都兒科研究所遺傳研究室，北京 100020)

先天性巨結腸(在線人類孟德爾遺傳數據庫編碼，OMIM：142623)是由神經嵴細胞增殖、分化或遷移異常所致的一種多基因遺傳病[1-2]。其臨床表現為腸道蠕動能力減弱、低位腸梗阻、頑固性便秘、腹脹等，部分病例伴有并發癥，嚴重者不及時治療可導致死亡；主要病理特征為腸道神經節細胞缺失[3]。根據受累腸段的范圍不同先天性巨結腸可分為短段型(神經節細胞缺失的腸段不超過乙狀結腸近端)、長段型(痙攣狹窄段延至降結腸甚至橫結腸)和全結腸型(痙攣狹窄段波及升結腸及距回盲部30 cm以內的回腸)[2]。來自迷走神經或骶神經的神經嵴細胞需要經過一系列基因表達調控最終分化為神經元和膠質細胞，由其組成的復雜系統構成腸神經系統[4-5]。腸道神經元及其前體細胞譜系的適度增殖、平衡分化以及順利遷移是腸神經系統正常發育的前提條件[6]，這一過程涉及復雜的基因調控網絡，其中關鍵基因發生的編碼區突變或非編碼區單核苷酸多態性風險等位基因累積所致的基因表達異常等均可導致先天性巨結腸的發生。明確先天性巨結腸疾病的致病基因有利于為先天性巨結腸的預防、診斷、治療方案提供充分的證據，為疾病再發風險相關遺傳咨詢提供科學的指導。現就基因調控網絡與先天性巨結腸發生的相關研究進展進行綜述。

1 腸神經系統發育早期的細胞增殖與分化

1.1以性別決定區盒基因10(SRY-box transcription factor 10，SOX10)為核心的基因表達調控網絡 SOX10是一種重要的轉錄因子，參與調節胚胎發育和細胞命運決定過程。其編碼的蛋白質在與其他蛋白質形成復合物后可作為轉錄激活劑，該蛋白作為一種核質穿梭蛋白，對神經嵴細胞和外周神經系統發育具有至關重要的作用。Taylor等[7]發現神經嵴細胞早期表達SOX10，并對Notch和內皮素3/G蛋白偶聯內皮素受體信號通路做出反應，這些因子使祖細胞在增殖的過程中始終保持未分化狀態，見圖1。SOX10、內皮素受體B基因(endothelin receptor type B，EDNRB)、內皮素3基因突變會導致嚴重的綜合征型先天性巨結腸(OMIM：277580)，患者的典型表現是皮膚或虹膜色素沉著異常、感音神經性耳聾伴先天性巨結腸[8-9]。Sribudiani等[10]指出，SOX10還會與SUFU刺猬信號負調節基因(SUFU negative regulator of hedgehog signaling，SUFU)、神經膠質瘤原癌基因家族(glioma-associated oncogene homolog，GLI)構成基因調控環路，調節神經嵴細胞的分化和遷移。其中，SUFU編碼Hedgehog信號通路的負調控因子與模式生成和細胞增殖有關。GLI1編碼的轉錄因子被Shh信號轉導級聯激活，調節干細胞的增殖。Han等[11]發現Shh信號在人類胎兒器官形成期會與Wnt信號一起觸發并決定包括腸道在內的多種器官的形成方式和形成時間。GLI3作為DNA結合轉錄因子，是Shh信號轉導的重要介質，與胚胎發育密切相關[12]。Liu等[13]對先天性巨結腸患者的深度靶向測序發現了GLI1、GLI2、GLI3、SUFU、SOX10基因的多種突變。Matera等[14]利用N-乙基-N-亞硝基脲突變篩選實驗發現Gli3可作為Sox10神經損傷的修飾因子，在小鼠胚胎期第11.5天，Gli3的無義突變雖然不會影響野生型小鼠的正常發育，但會顯著增加Sox10基因缺陷小鼠異常表型的嚴重程度，包括黑色素細胞減少和腸神經系統發育障礙。該研究也表明，在決定表型嚴重程度時，主要致病基因的作用可以被特定修飾因子調節。Sufu是Gli的關鍵負向調控因子[15-16]，Sufu突變體中Gli的轉錄活性得到明顯增強進而導致祖細胞狀態不穩定，促進腸神經嵴細胞的分化。Gli家族分子的活性直接決定最終腸神經系統中神經元與膠質細胞的比例，Sufu突變會增加Gli轉錄活性，導致膠質細胞比例增加，神經元比例降低[13]，見圖1。

1.2以印度刺猬信號分子(Indian hedgehog signaling molecule，IHH)基因和鋅指E盒結合同源蛋白2(zinc finger E-box binding homeobox 2，ZEB2)基因為核心的基因表達調控網絡 IHH基因也參與編碼Hedgehog家族分子的蛋白質。轉錄因子GLI3編碼IHH的中間體，GLI3和IHH基因編碼區的錯義突變均已在部分先天性巨結腸患者中被檢測到[10]。Sribudiani等[10]發現向斑馬魚胚胎內注射IHH阻斷劑嗎啉代后，其腸道神經元的數量明顯減少，說明IHH可調控腸道神經元的發育。

ZEB2在神經嵴細胞分化為具有雙向潛能的祖細胞之前的胚胎發育早期作為轉錄因子調節神經、神經外胚層和中胚層譜系的發育[17]。ZEB2基因單倍劑量不足會導致源自神經和神經外胚層譜系的綜合征，包括先天性巨結腸、智力低下、面容異常等特征，即Mowat-Wilson綜合征(OMIM：235730)[18-19]。Birkhoff等[20]研究表明，ZEB2的表達有時間和組織特異性，轉錄因子SOX10和HOXB2通過與ZEB2基因上的3個增強子結合參與這種特異性的調控。

2 腸神經系統發育中期的細胞增殖與分化

2.1成對樣同源框2B(paired like homeobox 2B，PHOX2B)基因與SOX10基因調控細胞分化方向 PHOX2B基因3號外顯子內丙氨酸重復擴增突變是導致先天性中樞性低通氣綜合征的主要原因[20]。先天性中樞性低通氣綜合征患者發生先天性巨結腸和神經母細胞瘤的概率分別是正常人群患病率的1 000倍和500～1 000倍[21]。在合并先天性巨結腸和神經母細胞瘤的先天性中樞性低通氣綜合征患者中，多數攜帶PHOX2B基因的錯義突變或由堿基插入、缺失引起的移碼突變[22]。Young等[23]發現，在小鼠體內，迷走神經或骶神經嵴細胞來源的未分化的祖細胞在進入前腸間質時即開始持續表達Phox2b、酪氨酸激酶受體原癌基因Ret等。Nagashimada等[24]通過在小鼠Phox2b基因座中引入非丙氨酸重復擴增突變(931 del5；693-700 del8)，成功誘導出與先天性巨結腸和神經母細胞瘤患者相似的異常表現。該突變降低了野生型Phox2b在其已知靶點多巴胺羥化酶上的轉錄激活效應，將Phox2b對Sox10增強子的轉錄作用從轉錄阻遏轉變為轉錄激活，使Sox10的表達量顯著升高。從胚胎第15天開始，雙潛能祖細胞開始分化為膠質細胞(Phox2b-,Sox10+)或神經細胞(Phox2b+,Sox10-)；至胚胎第12天，TuJ1+神經元前體細胞應停止表達Sox10，但在突變型小鼠的TuJ1+神經元前體細胞中Sox10仍持續高表達，提示Phox2b基因的這一功能獲得性突變和由此所致的Sox10基因表達異常升高可能與先天性巨結腸的易感性增加有關[24-25]，見圖1。

PHACTR4：磷酸酶和肌動蛋白調控因子4；ROCK：Rho相關蛋白激酶；PPI：蛋白激酶1；Itgb1：整合素亞基β1；COL6A：Ⅵ型膠原蛋白α鏈；PHOX2B：成對樣同源框2b；SOX10：性別決定區盒基因10；RET：酪氨酸激酶受體原癌基因；ET-3：內皮素3；ETB：G蛋白偶聯內皮素受體；NGFR：神經生長因子受體；Ki67：由單克隆抗體ki67鑒定的抗原；EDNRB：內皮素受體B；EDN3：內皮素3基因；GLI3：神經膠質瘤原癌基因家族3；SUFU：SUFU刺猬信號負調節基因；Ascl1：achaete-scute family bHLH transcription factor 1；PTCH1：補丁基因1；DLL3：Delta樣經典Notch配體3；GDNF:神經膠質細胞來源的神經營養因子；GFRα1：神經膠質細胞來源的神經營養因子家族受體α1；CBL：卡西塔斯B系淋巴瘤原癌基因；GATA2：GATA 結合受體2；NKX2-5：NK2同源框5；RARB：視黃酸受體β；GFAP：膠質纖維酸性蛋白；HuC/D：RNA結合蛋白HuC/RNA結合蛋白HuD；Tuj1：Ⅱβ-Tubulin

2.2Hedgehog/Notch誘導的過早膠質細胞生成 腸道膠質細胞過早生成可通過降低神經嵴細胞祖細胞的比例減少神經元數量。Ngan等[26]對先天性巨結腸患者的全基因組關聯分析發現，補丁基因1(patched 1，PTCH1)和Delta樣經典Notch配體(Delta like canonical Notch ligand,DLL)3基因內的系列特定單核苷酸多態性與較高的發病風險相關。小鼠腸神經嵴細胞中Ptch1的缺失可誘導Dll1高表達和Notch信號通路的激活，導致突變腸道中過早生成膠質細胞和腸神經嵴細胞祖細胞的減少[26]。Dll1是Hedgehog的配體，在腸神經系統發育過程中發揮整合Hedgehog、Notch通路以協調神經細胞和膠質細胞分化水平的作用。此外，Hedgehog家族分子功能異常還與人類神經嵴細胞相關前體細胞來源的神經膠質瘤形成有關。因此認為，PTCH1和DLL3是先天性巨結腸的疾病易感基因，Hedgehog/Notch誘導的過早膠質細胞生成可能是先天性巨結腸的發病機制之一，見圖1。

2.3以RET為核心的基因表達調控網絡 神經膠質細胞來源的神經營養因子(glial cell derived neurotrophic factor，GDNF)-GDNF家族受體α1(GDNF family receptor-α1，GFRα1)-RET信號通路對雙潛能祖細胞的增殖、分化、遷移均有重要作用，見圖1。RET基因編碼的受體在神經系統發育以及神經嵴衍生的器官和組織發育中發揮重要作用。GDNF基因編碼其配體，GFRα1基因編碼共受體。實驗表明，GDNF可通過調控祖細胞的增殖來控制腸道神經元的數量，在Gdnf純合缺失小鼠中，腸道廣泛出現神經元缺失，但是胃和食管神經元的數量均未受到影響[27]。食管神經元、一過性兒茶酚胺能細胞、由一過性兒茶酚胺能細胞發育而成的神經細胞均為Ascl1(achaete-scute family bHLH transcription factor 1)依賴的，而腸道神經元和膠質細胞是非Ascl1依賴的，盡管它們都起源于迷走神經或骶神經嵴的祖細胞[1,7,28]，見圖1。部分先天性巨結腸患者攜帶GDNF突變；利用HEK293細胞系進行的體外實驗表明，GDNF的缺失抑制了其基因產物的分泌，RET表達水平亦顯著下降[10]。Soret等[29]使用GDNF對具有先天性巨結腸表型的出生后小鼠進行灌腸治療，觀察到腸道神經元(腸肌層HuC/D+神經元)和膠質細胞(Sox10+)再生以及腸道蠕動功能顯著恢復；向從先天性巨結腸患者體內分離培養的病變段結腸組織中添加GDNF也能觀察到神經元的明顯再生現象；此外，神經相關施旺細胞(Ki67+SOX10+)作為腸神經元和膠質細胞的前體，其增殖和遷移作用也得到顯著恢復。

先天性巨結腸的主要致病基因RET編碼一種跨膜酪氨酸激酶，當其配體GDNF與共受體GFRα1結合時可被激活[30]。RET基因功能異常主要由編碼區罕見變異及非編碼區常見增強子變異引起，這些變異可在至少48.4%的先天性巨結腸患者中被檢出[2]。其中，至少90%的短段型先天性巨結腸患者攜帶RET基因非編碼區變異[31]，約35%的長段型先天性巨結腸患者攜帶RET基因編碼區罕見變異。Lai等[32]發現長段型先天性巨結腸患者來源的人誘導多能干細胞RET G731del細胞系表現出明顯的遷移障礙和腸道神經元分化異常，突變修正后，遷移和分化能力均得到顯著恢復。RET所在的復雜基因調控網絡是先天性巨結腸發生的關鍵限速步驟，這一過程也涉及非自主因素，如GDNF不是由腸神經嵴細胞表達，而是由腸道間充質細胞表達[33]，見圖1。Emison等[34]認為RET內含子在基因調控網絡中也發揮作用：內含子區變異可通過改變RET基因表達量增加先天性巨結腸的發生風險。以RET基因內含子中的單核苷酸多態性位點rs2435357為例，在先天性巨結腸患者隊列檢出“T”等位基因的頻率遠高于正常人群。該風險等位基因可通過破壞SOX10與增強子的結合作用降低RET的信使RNA表達，使先天性巨結腸的發病風險增加4倍。Kapoor等[35]發現在歐洲高加索患者中，RET(rs2435357、rs2506030)和軸突導向因子3A(rs11766001)基因內部的3個常見、低外顯率的非編碼區變異可導致短段型先天性巨結腸的發病風險顯著增加，風險等位基因的效應與患者所攜帶的風險等位基因數量成正比，具有累加效應。Chatterjee等[33]對8對人類胎兒腸組織進行的實驗表明，RET基因內3個非編碼區增強子rs2506030、rs7069590 和rs2435357分別結合轉錄因子視黃酸受體β、GATA結合受體2(GATA binding protein 2，GATA2)和SOX10，“A-T-T”“G-T-T”單體型對應的RET基因表達最低，同時，GDNF、GFRα1表達增高，卡西塔斯B系淋巴瘤原癌基因、SOX10、GATA2表達降低，視黃酸受體β表達不變。不同的增強子基因型組合可不同程度地影響RET基因的表達水平以及部分RET以外的基因，說明這些效應可能還通過其他順式作用調控元件和增強子發揮作用[33]。

2.4以EDNRB為核心的基因表達調控網絡 EDNRB是基因表達調控網絡中的另一關鍵基因(圖1)，Chatterjee和Chakravarti[36]實驗表明，EDNRB基因的轉錄因子至少包括GATA2、SOX10和NK2同源框5三種，可分別結合EDNRB基因的3個增強子：E9(chr13:78481415-78482733)、E10(chr13:78493407-78494720)和E7(chr13:78439541-78440595)。小鼠實驗結果提示Ednrb、Gata2、Sox10可正向調控Ednrb的表達；人類樣本檢測結果證實EDNRB表達下降到一定程度時會降低SOX10、GATA2的表達水平；其中，關鍵基因對轉錄因子的表達變化更加敏感。轉錄因子SOX10和GATA2是EDNRB和RET基因的共有轉錄因子，EDNRB與RET的表達也可互相影響。在基因表達調控網絡內，基因表達水平除受順式調控元件的調控外，還與多種表觀遺傳學因素有關，包括DNA甲基化、組蛋白翻譯后修飾、多梳抑制、ATP依賴的染色質重塑和非編碼RNA等[37-39]，但是目前這方面可靠的實驗證據較少，不能直接證明表觀遺傳學因素參與先天性巨結腸的致病機制。

目前，大量基因均已被證實與先天性巨結腸的發生相關[40]，但它們在基因表達調控網絡中的準確位置及相互調控關系尚不清楚。黏著斑蛋白(vinculin，VCL)基因編碼與細胞-細胞和細胞-基質連接相關的細胞骨架蛋白，它與包括踝蛋白、肌動蛋白和樁蛋白在內的蛋白質結合后發揮作用。Lai等[32]觀察到攜帶VCL p.Met209Leu突變的短段型先天性巨結腸患者來源的誘導多能干細胞表現出遷移異常和向腸神經元譜系分化能力受限的現象，提示VCL可能也是神經嵴細胞分化遷移的調控基因之一。Gui等[40]對長段型先天性巨結腸患者的全外顯子組測序后發現，患者攜帶DENN功能域包含基因3、NCLN(nicalin)、NUP98(nucleoporin 98 and 96 precursor)或TBATA(thymus,brain and testes associated)突變。其中，NCLN在結腸呈特異性高表達；NUP98編碼核孔復合體，參與眾多細胞生理過程，包括核輸入/輸出、有絲分裂進程和基因表達調控；TBATA則可能與神經元形態發生有關。排除基因編輯脫靶效應后，經斑馬魚嗎啉代基因敲低實驗和CRISPR/Cas9敲除實驗表明，這4個基因中任何一個發生缺陷都會導致斑馬魚腸道遠端神經節細胞的缺失。

3 細胞遷移

3.1磷酸酶和肌動蛋白調控因子4(phosphatase and actin regulator 4，PHACTR4)基因通過細胞自主作用控制細胞遷移 腸神經嵴細胞遷移障礙也可導致人類腸道遠端神經節細胞缺失，這種遷移障礙可能通過細胞自主作用或細胞非自主作用兩種機制形成。PHACTR4(MIM：608726)通過細胞自主作用影響腸神經嵴細胞在腸道間充質中的遷移活動，見圖1。Zhang等[41]發現Phactr4基因功能缺陷會導致小鼠胚胎結腸神經節細胞缺失；延時成像顯示胚胎發育期腸道內的腸神經嵴細胞發生細胞群遷移缺陷；同時，突變的腸神經嵴細胞出現隨意的細胞突起以及定向、連鎖性遷移中斷等現象。Phactr4編碼蛋白與整合素和絲切蛋白在細胞突起處共定位，通過Rho/ROCK途徑負調控整合素信號，并通過協調蛋白磷酸酶1與絲切蛋白活性來調節細胞骨架動力學[42]。Zhang等[41]的實驗表明，板狀偽足的形成和體內腸神經嵴細胞連鎖性遷移缺陷均可通過抑制ROCK和整合素的功能獲得特異性挽救。

3.2基因整合素亞基β1和Ⅵ型膠原蛋白α鏈(collagen type Ⅵ alpha chain，COL6A)的產物通過非細胞自主作用影響細胞遷移 細胞外基質成分異常也會阻礙腸神經嵴細胞在腸道間充質內的遷移活動，這是一種細胞非自主作用，見圖1。細胞外基質有支架作用，可通過與分泌型配體或跨膜受體相互作用來影響包括遷移、增殖、存活和(或)分化在內的一系列細胞行為[17-18]。細胞外基質出現異常的模式動物中腸神經嵴細胞往往不能完成在后腸的定植，其原因包括：①Breau等[43]證明整合素是細胞外基質的主要黏附受體，編碼整合素亞基β1基因缺失導致細胞外基質內肌腱蛋白C、纖維連接蛋白表達增加，腸神經嵴細胞對肌腱蛋白C的抑制作用增強，而對纖維連接蛋白的刺激作用不敏感；②Akbareian等[44]證明細胞外基質糖蛋白腱鞘蛋白C在腸神經嵴細胞進入盲腸后表達，具有促進腸神經嵴細胞遷移作用，若表達缺失會導致腸神經嵴細胞遷移受限。

此外，細胞外基質中膠原蛋白Ⅵ的含量也會影響腸神經嵴細胞的遷移，見圖1。Soret等[45]發現先天性巨結腸小鼠模型“Holstein”的Col6a4基因表達水平上調，發育中和出生后細胞外基質中的總膠原蛋白Ⅵ水平顯著升高，腸神經嵴細胞遷移明顯受阻。Heuckeroth[46]指出COL6A1和COL6A2位于人類第21號染色體長臂，并在21-三體綜合征胎兒皮膚中過表達；可能單獨與COL6A3相互作用，形成經典的α1-α2-α3三聚體膠原蛋白單體。Nishida等[47]利用小鼠實驗表明，膠原蛋白Ⅵ可抑制纖維連接蛋白誘導的腸神經嵴細胞遷移、擴散，形成擴散形態較窄、應力纖維形成較弱的腸神經嵴細胞；在含有人Ⅵ型膠原蛋白的培養板上培養的腸神經嵴細胞中，局部黏附復合體成分p130Cas的表達水平和磷酸化程度均明顯降低。COL6A1為先天性巨結腸風險基因，與唐氏綜合征患者的先天性巨結腸高度易感相關[45]。

4 環境因素改變風險等位基因外顯率

先天性巨結腸是基因與環境因素共同致病的復雜人類遺傳病，遺傳因素的貢獻度雖大于80%[2]，但環境因素也是不可忽視的重要病因之一，見圖1。Lake等[48]證明了麥考酚酯作為環境因素導致先天性巨結腸的假設。麥考酚酯是鳥嘌呤核苷酸的生物合成抑制劑，可損害斑馬魚腸神經系統的發育，還可選擇性地損害小鼠腸神經系統前體細胞的增殖、延遲其遷移并最終誘發腸道無神經節細胞的癥狀。體外實驗中，麥考酚酯的處理也可明顯抑制腸神經系統前體細胞的生存和增殖，并縮短細胞遷移距離。有研究對嘌呤回收基因次黃嘌呤鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶的X-失活處理嵌合體的實驗發現，麥考酚酯通過減少腸神經系統前體細胞增殖的機制誘導細胞遷移缺陷和無神經節細胞癥的類似癥狀[48]。研究顯示，一些臨床上重要的抗代謝應激類藥物(如葉酸)、維生素B12缺乏、抗葉酸類藥物(如甲氧芐啶和甲氨蝶呤)和其他抗代謝物(如硫唑嘌呤和6-巰基嘌呤)均可增加先天性巨結腸的易感性[48-49]，提示環境因素可能通過增加某些遺傳變異的外顯率加重先天性巨結腸的病理表型。

5 小 結

現已明確先天性巨結腸的發生與腸神經嵴細胞增殖、分化、遷移異常密切相關，異常的原因包括：①環境因素與遺傳和表觀遺傳學因素；②細胞自主性作用與細胞非自主性作用；③基因編碼區罕見突變，包括功能獲得性突變或功能喪失性突變(單倍劑量不足、顯性負效應等)與基因非編碼區順式調控元件變異所致的基因調控網絡功能異常。目前，約72%的先天性巨結腸患者能檢測到較為明確的遺傳學易感因素，另外仍有28%的患者發病原因尚不明確[2]。未來，應更加關注基因組內非編碼區單核苷酸多態性及其所在的基因調控網絡中多種風險等位基因的累加效應對先天性巨結腸發生所起的作用[50]，以深入地理解該病的發病機制。