STXBP1基因相關疾病的研究進展

許猛，葉婷婷，劉曉蓉

突觸融合蛋白結合蛋白-1(STXBP1)，又稱Munc18-1或SM蛋白，是一種主要在大腦中表達的膜轉運蛋白[1]。該蛋白通過與可溶性N-乙基馬來酰亞胺敏感性蛋白受體復合體(SNARE)的相互作用來介導突觸囊泡的釋放過程，因此在神經元突觸信號傳遞過程中起著至關重要的作用[2-3]。突觸功能障礙是許多神經發育和精神障礙疾病的一個重要特征[4-5]。2008年Saitsu等[6]首次在5例大田原綜合征患者中發現STXBP1基因新生突變，并確定該基因為其致病基因。隨后，West綜合征、Dravet綜合征及Rett綜合征等多個表型被相繼報道[7-9]。由于這類患者大多有智能障礙、癇性發作及發育遲緩等表現，故具有上述特征的STXBP1基因相關疾病又被稱作STXBP1腦病[10]。本文主要從STXBP1腦病的臨床特征和發病機制方面對STXBP1基因相關疾病進行綜述。

1 STXBP1基因與STXBP1腦病

STXBP1由STXBP1基因編碼，該基因位于染色體9q34.11，包含20個外顯子[2]。STXBP1由594個氨基酸組成，包含3個結構域，分別為結構域1、2和3，這3個結構域形成一個弓形結構[11]。STXBP1基因相關疾病的遺傳模式主要為常染色體顯性遺傳，目前發現的STXBP1腦病患者的基因異常絕大多數為新生雜合突變。由于STXBP1腦病表型重、預后差，往往這些突變并不能穩定地遺傳給下一代。Saitsu等[12]及M?ller等[13]分別在不同的家系中報道了2例親本無癥狀的嵌合子，但這種特殊情況并不能說明STXBP1基因嚴重的有害突變可以在自然家系中穩定遺傳。此外，2019年Lammertse等[14]報道了2例STXBP1純合突變，表型為Lennox-Gaustaut綜合征的病例，值得注意的是他們的雜合子兄弟姐妹和母親是無癥狀的，提示STXBP1腦病也可表現為隱性遺傳，這些發現進一步豐富了STXBP1基因相關疾病的遺傳模式。

2 STXBP1腦病的臨床特征

2.1 STXBP1腦病表型譜 盡管STXBP1腦病以發育遲緩、智能發育障礙和癇性發作為主要特征，但是不同的STXBP1突變表型也有較大的臨床異質性，主要體現為發育遲緩和智能障礙的嚴重程度、對抗癲癇藥物治療的反應和EEG特征的差異。根據不同的臨床表型，STXBP1腦病可被歸類到大田原綜合征、West綜合征、Dravet綜合征、Lennox-Gaustaut綜合征等癲癇綜合征。Stamberger等[15]通過對147例STXBP1腦病患者的研究發現，起病時表型為早發癲癇與腦病的患者占比53%(n=71);表型為大田原綜合征的患者占比20.9%(n=28)，而這其中大部分患者又逐漸進展為West綜合征(n=27);以West綜合征起病的患者占9.7%(n=13);以Dravet綜合征起病的患者占2.2%(n=3);表型為非綜合征性癲癇伴智能障礙的患者占6%(n=8);表現為智能障礙但無癇性發作的患者占6.7%(n=9)。由此可以看出，超過半數的患者表現為早發癲癇與腦病，近1/3的患者表型為大田原綜合征和West綜合征。大約95%的STXBP1腦病患者有癇性發作，表明癇性發作是這種疾病的核心表現。值得注意的是，部分患者可以無癇性發作[15-17]，提示癇性發作并不是診斷STXBP1腦病的必要條件；而智能障礙幾乎見于所有的STXBP1腦病患者，表明智能障礙為STXBP1腦病最為突出的特點。上述癲癇綜合征大多為新生兒期或嬰兒期起病的癲癇綜合征，表明了STXBP1腦病具有起病年齡早的特點。

2.2 STXBP1腦病癇性發作特點 STXBP1腦病癇性發作起病早，起病年齡從1 d～12歲不等，中位起病年齡為6周。大約1/3的患者表型為大田原綜合征或West綜合征，近1/4的患者表型為早發癲癇與腦病或大田原綜合征的患者隨著時間的推移會演變為West綜合征[15]。癲癇性痙攣、強直發作和局灶性發作為主要發作類型[6,15,18]。對STXBP1腦病的癇性發作治療效果較好的抗癲癇藥有左乙拉西坦[19-20]、丙戊酸[21-22]和氨己烯酸[8,21,23]。部分患者使用抗癲癇藥治療可達到無發作甚至最終停藥，但是也有一些患者在癲癇控制后仍出現復發。常規抗癲癇藥可以有效控制大多數STXBP1腦病患者癇性發作，約1/3的患者可實現無發作[15]。

2.3 STXBP1腦病的智能、發育障礙和神經系統體征 目前所報道的STXBP1腦病患者均有不同程度的智能障礙，且智能障礙程度較重，目前報道的病例中只有1例患者認知功能障礙僅限于學習困難[24]。發育遲滯和發育倒退也可見于STXBP1腦病，運動發育遲滯主要表現為頭部控制能力差、失去行走能力等，語言發育遲滯主要表現為不能講話或不能進行正常的社會交流，這些特征在多個研究中均有描述[6,15,25]。STXBP1腦病患者的行為障礙主要表現為孤獨癥和行為刻板，其他行為障礙還包括過度運動和攻擊性行為[15]。神經系統查體可發現STXBP1腦病患者可有錐體系、錐體外系和小腦損害體征，表明STXBP1廣泛參與了的各項正常生理活動的維持。其中最常見的異常體征是肌張力減退、共濟失調、意向性震顫、痙攣、運動障礙和肌張力障礙[15]。

2.4 STXBP1腦病的EEG及MRI表現 大多數STXBP1腦病患者的EEG均有局灶性或多灶性放電特征，部分患者在病程的早期階段EEG有爆發-抑制、高幅失律等特征[15]。MRI表現可正常，也可有腦萎縮、薄胼胝體、脫髓鞘病變等表現[26]，大多數患者的MRI在發病早期表現正常，然后在1年后表現出輕度的腦萎縮。有學者[27]認為這可能與促腎上腺皮質激素治療有關。還有學者[28]在STXBP1體細胞突變患者的MRI中發現局灶性皮質發育不良表現。

2.5 STXBP1腦病的治療 目前對STXBP1腦病的治療的策略主要是控制癇性發作，同時兼顧發育、認知和行為等方面問題的多學科治療。目前應用于STXBP1腦病有效的抗癲癇藥包括氨己烯酸、丙戊酸和左乙拉西坦。盡管尚不清楚哪種抗癲癇藥方案最有效，但是對于大多數STXBP1腦病患者來說，及時使用抗癲癇藥可以充分控制癇性發作，大約1/3的患者可實現無發作[29]。考慮到STXBP1腦病的發病機制，從精準治療的角度，左乙拉西坦值得特別關注，因左乙拉西坦是通過與突觸囊泡糖蛋白2A結合來調節突觸囊泡的釋放而起作用[29]。然而，由于癇性發作起始年齡、持續時間和STXBP1腦病智能障礙嚴重程度及發育結局無明確關系[15]，治療策略不僅要著眼于癇性發作的控制，而且也要將發育及認知障礙的治療置于重要的地位。精準治療在遺傳性癲癇治療中愈來愈受到重視，Hussain[30]提出了一種通過提高突觸前未裝配的STXBP1單體數量的蛋白質-蛋白質相互作用的治療手段，以平衡單倍體劑量不足的狀態。Guiberson等[31]的研究利用分子伴侶的辦法，分別用三種化學伴侶4-苯基丁酸酯、山梨醇和海藻糖來提升了致病突變體中的STXBP1水平并增強了其穩定性，為STXBP1腦病的治療提供了新思路。此外，基因編輯技術等精準治療策略也是目前的研究熱點和未來解決STXBP1腦病治療問題的重要手段[32]。

3 STXBP1腦病的發病機制

3.1 STXBP1與SNARE復合體的相互作用 大腦神經元之間的沖動是通過突觸間信號傳遞實現的。突觸前膜神經遞質釋放是通過突觸囊泡與質膜的對接、啟動及膜融合等過程來完成的，完成這一過程的核心是SNARE復合體及STXBP1蛋白，同時也有輔助蛋白如突觸素、絡合素的參與[33-34]。這些蛋白通過SNARE-SM蛋白循環來完成突觸囊泡釋放的過程，這一過程簡單地來說可以分為以下四步：(1)突觸囊泡融合啟動，這一步驟包括打開Syntaxin-1的閉合構象，即Syntaxin-1/STXBP1的復合結構從封閉構象轉變為開放構象以及部分反式-SNARE復合體組裝；(2)全反式-SNARE復合體組裝，融合孔打開；(3)全反式-SNARE復合體轉變為順式-SNARE復合體，融合孔進一步擴大；(4)SNARE復合體拆卸，并進入下一個SNARE-SM蛋白循環[35-36]。

雖然確切的機制尚未完全闡明，但多項研究表明，STXBP1在囊泡對接、啟動和融合的多個步驟中起著至關重要的作用，這一系列過程是通過STXBP1與構成SNARE復合體的不同蛋白的相互作用而完成的，SNARE復合體由位于突觸小泡膜上的突觸小泡蛋白、位于突觸前膜上的突觸融合蛋白(Syntaxin-1)和突觸小體相關蛋白三者共同組成。目前研究較為充分的是STXBP1和Syntaxin-1之間的相互作用。STXBP1至少以兩種不同的方式與Syntaxin-1直接結合：一種是與Syntaxin-1的封閉構象結合，另一種是與Syntaxin-1的N末端結合，目前這兩種結合模式被廣泛認可[37]。在膜融合啟動階段，STXBP1與Syntaxin-1的閉合構象結合，然后Munc13將Syntaxin-1轉化為開放構象，并與STXBP1一起協調SNARE復合物的組裝和膜融合過程[11,38-39]。SNARE復合體拆卸后，STXBP1再次與封閉構象的Syntaxin-1結合可以防止異位SNARE復合體形成[40]。通過這種方式，Syntaxin-1可以高效地用于另一輪囊泡融合過程。

3.2STXBP1基因的功能缺失致病 目前已報道的STXBP1腦病大部分是由STXBP1的新生雜合突變所導致的，截短突變和錯義突變皆可致病。STXBP1截短突變會導致無義介導的mRNA衰變，該機制通過識別和降解異常的mRNA，減少異常蛋白質的翻譯，進而導致單倍體劑量不足的發生[41]。盡管錯義突變占已報道的STXBP1腦病的大部分病例，但是并非每個錯義突變都致病，雖然已經對少數變異進行了功能研究，但對于許多突變體而言，導致STXBP1功能受損的機制尚未完全明確。有研究[42]證實致病性錯義突變可導致STXBP1蛋白三維結構的改變，使其在37 ℃時不穩定, 進而形成蛋白質寡聚體，并通過蛋白酶體促進其降解，從而導致STXBP1水平的嚴重下降。Kovacevic等[43]通過對V84D、C180Y、R388X、M443R、G544D、C522R、T574P等突變體的體外功能研究發現，STXBP1的不同突變體蛋白質功能受影響程度為依次為V84D>R388X>M443R>G544D>C180Y>T574P>C522R，不同的突變體在STXBP1的表達量、Syntaxin-1表達量、神經元突觸密度及電生理特性方面均較野生型表現出不同程度的下降，表明功能缺失是其重要的致病機制。盡管不同突變體的STXBP1表達水平及電生理特性有差異，但其分子功能強弱和臨床癥狀的輕重程度之間缺乏顯著的相關性，STXBP1基因對功能缺失高度不耐受，用單倍體劑量不足解釋這種現象是合理的[43-44]。該研究還發現，STXBP1基因功能缺失會導致突觸疲勞現象，這種情況在GABA能神經元中比在谷氨酸能神經元中更為明顯。突觸疲勞現象在GABA能神經元和在谷氨酸能神經元的差異導致了大腦皮質興奮性失衡，這可能是STXBP1腦病癇性發作的機制，目前這一理論在小鼠模型上得到了證實[43]。

此外，Guiberson等[31]通過對多個雜合錯義突變體的體外功能研究發現，STXBP1基因突變導致突變后的蛋白具有更高的熱敏性，更容易聚集、沉淀并被降解。該研究還發現STXBP1雜合突變體存在顯性負效應，突變體的神經元STXBP1表達量明顯低于野生型的50%，突變后的STXBP1蛋白有與野生型蛋白聚集的現象，從而導致野生型STXBP1被一起降解[31]。但該研究也發現可以通過分子伴侶穩定錯誤折疊的蛋白質，減少蛋白質的聚集，在一定程度上恢復STXBP1的水平和功能[31]。

3.3STXBP1基因的功能增強致病 目前報道的STXBP1腦病幾乎均為雜合突變，致病機制為功能缺失及單倍體劑量不足。2008年Graham等[45]在體外研究中發現STXBP1基因突變體E466K有功能增強現象。該研究發現突變體E466K在STXBP1的表達量上與野生型并無顯著差異，但其囊泡的募集和釋放能力卻較野生型更強，其機制是E466K突變增加了STXBP1與Rab3a的結合能力，使得膜融合過程變得更快更高效。Lammertse等[14]在1個家系中發現了2例基因型為L446F純合突變致病的患者。這2例患者的表型為Lennox-Gastaut綜合征，臨床癥狀符合STXBP1腦病發育遲緩、難治性癲癇、智能障礙和行為異常的特點。值得注意的是，這2例患者的母親及妹妹均為無癥狀雜合子(L446F+/-)。體外研究發現，盡管L446F突變體相較于野生型神經元其樹突長度和突觸密度略有降低，但在單個動作電位刺激后，L446F突變體的突觸囊泡與質膜融合的次數是野生型神經元的2倍。另一方面，L446F突變體的配對脈沖比較野生型明顯變低，這意味著在刺激初始L446F突變體釋放囊泡的能力較野生型更強，大量的囊泡在刺激早期被消耗，導致用于匹配后續刺激的囊泡數目大大減少。在連續的高頻刺激后再次進行單個刺激時，L446F突變體恢復對刺激反應的能力下降。故Lammertse等[14]認為L446F突變導致突觸傳遞增加，配對脈沖可塑性降低，高頻刺激后恢復突觸傳遞的能力受損。STXBP1基因雜合突變和純合突變在突觸水平的作用相反，但最終在大腦環路水平都造成了STXBP1腦病，提示STXBP1腦病發病機制具有多樣性。既往的研究[46-48]表明，功能缺失和功能增強的雜合突變都可以產生表型類似的癲癇性腦病，如KCNA2、SCN2A、SCN8A等基因的突變。最近，有2例SCN2A純合突變導致癲癇性腦病的病例被報道[49]。在這些病例中，純合子個體與雜合子家族成員有相似的表型，卻有著迥然不同的致病機制，表明了等位基因的多樣性和特異性在單基因疾病的致病機制中發揮著重要作用。

4 展望

STXBP1基因突變的基因型-表型關系目前仍不明確，已報道的案例幾乎均是重表型，基于我們對單基因疾病及基因突變致病性的認識，STXBP1基因突變很可能存在輕表型。因此，STXBP1基因相關疾病的表型譜和致病機制仍有待于所有研究者和臨床醫生進一步探索。盡管目前STXBP1腦病的精準治療手段仍相當有限，但隨著我們對STXBP1基因相關疾病認識的不斷深入和相關基礎研究的不斷進展，STXBP1腦病的治療效果和預后的改善將有望得到進一步的提高。