原发性小头畸形的临床特征及相关基因的研究进展

原发性小头畸形的临床特征及相关基因的研究进展 原发性小头畸形（congenital microcephaly）又称为真性小头 畸形或常染色体隐形遗传小头畸形（autosomal recessive primary microcephaly，mcph） ，是一种神经系统发育障碍疾病， 其主要临床特征是头围减小伴随一定程度非进行性智力退化1。 小头畸形的病因包括环境因素、遗传因素和感染因素等。目前普 遍认为 mcph是一种多基因隐形遗传的疾病。全世界各地报道的发 病率差异较大，其中巴基斯坦北部及亚洲一些盛行近亲结婚的国 家发病率最高，北欧国家发病率较低2。国内在该领域报道较少， 本文通过复习文献，将其临床特征及相关基因研究进展综述如下。 1 命名和历史 人们对小头畸形的形态描述可以追溯至一个多世纪以前，1885 年，giacomini 首次在文献中描述了小头畸形的基本特征3，随 着人们对小头畸形认识的不断加深，大量的文献报道中其名称也 随之变化。从最初形态学描述性称谓逐渐向基因学病因学名称过 渡，对于小头畸形的诊断标准及分类也不断发展。1959 年，van den bosch4根据形态学采用了原发性小头畸形这个诊断名称， 主要指独立存在的、非综合征的小头畸形。该定义十分模糊，没 有涉及病因学及神经病理学诊断。1964 年，kloepfer5认为原发 小头畸形是一种染色体隐性遗传疾病，并把它与其他原因（如创 伤、感染等后天因素）导致的小头畸形区分开，称为真性小头畸 形。自 1998年 jackson等3报道了第一个确定与小头畸形相关 的基因位点后，一系列的相关基因相继被报道。人们开始意识到 传统的形态学描述并不能全面地概括小头畸形的特征，于是逐渐 提出，接受和采用了以基因学为基础的常染色体隐形遗传小头畸 形这个诊断名词。 2 临床特征 大脑的发育包括胎儿阶段及出生后阶段，mcph 主要影响胎儿阶 段大脑的发育，早在孕 24周左右即可应用超声波技术、核磁共振 扫描发现患儿头围测值及脑容量低于正常同龄胎儿2。尽管相比 于头颅 mri及 ct等客观标准，头围测量难以准确地反映脑容量的 大小，但由于其方法简单易行，出生后头围测量仍是诊断小头畸 形最常用的方式之一。临床上常用小于正常同龄儿头围 3个标准 差作为诊断小头畸形的标准1。使用头围测量值作为诊断小头畸 形标准时应当注意年龄、性别和种族等相关因素的修正。临床还 以中-轻度的智力退化作为重要的辅助诊断依据。散在报道中存在 头围小于正常值 3个标准差而智力正常的个体，而小于正常值 4 个标准差并智力正常的个体十分罕见。小头畸形分为原发性和继 发性，该分类的重要标志是原发性小头畸形出生后其智力退化及 脑容量不足水平相对静止，继发性小头畸形往往出现进行性脑退 化。原发性小头畸形则包扩非遗传类原发性小头畸形和遗传类小 头畸形（mcph） ，非遗传类原发性小头畸形的病因有先天性弓形虫 感染及母体妊娠阶段酒精摄入过量等。mcph 是排除了继发因素及 非遗传性小头畸形，由基因突变导致的一类常染色体隐性遗传疾 病。 在过去的文献中对原发性小头畸形、真性小头畸形及 mcph的描 述可能是同一种疾病的表现型。但由于对该类疾病缺乏较深刻的 认识，导致诊断标准无法确定。例如：真性小头畸形把额部倾斜 作为重要的诊断依据，但后来发现并不是所有的 mcph都存在这一 特征6。而原发性小头畸形把伴有神经症状的小头畸形也涵盖于 诊断范围内，而显得特异性不强。2002 年，jackson 和 robert等 7对 mcph提出了最早的诊断标准：mcph 为先天性疾病，出生 时头围测量小于正常同龄儿 4个标准差；非进行性智力退化， 但不伴有其他的神经异常症状，如癫痫、持续痉挛等；体重、 身高、外貌基本正常，基因组检查及大脑结构无异常。mcph 患儿 出生时头围测量值一般小于正常同龄儿 412 个标准差，相应的 头围减少程度终生不变。在同一个 mcph家族中不同的发病个体间 头围相差一般不大于 2个标准差。ct、mri 影像学检查常提示 mcph患者大脑的结构基本正常而皮层发育明显不足8-9，发育成 熟后个体身高、体重、外貌一般无特异性变化10-12。多数患者 在出生后的第 1年智力发育呈现中度滞后和语言发育迟缓。随后 的发育过程中可观察到患者极度活跃，并可伴有攻击行为、注意 力低下和癫痫发作等神经系统发育不良症状13。通过后天学习 mcph患者可以掌握一些基本生活技能。 随着 mcph基因的发现，对基因型和临床表现型研究深入后，人 们逐渐认识到原先的 mcph诊断标准需要修正。例如：原先的诊断 标准中将伴有癫痫、身高发育不足及异常脑细胞发育的病例剔除， 而在 mcph1基因突变家族中往往存在此类表现。目前修正的 mcph 诊断标准为：mcph 为先天性疾病，出生时头围测量小于正常同 龄儿 4个标准差；非进行性智力退化，一般不伴有其他的神经 异常症状，如癫痫、持续痉挛等，若出现神经异常症状，则不能 作为排除标准；体重、身高、外貌基本正常，基因组检查及大 脑结构无异常，但对于 mcph1变异个体，常存在身高发育不足、 室周神经元细胞异位1。 3 mcph相关基因研究 临床表现的多样化提示 mpch具有遗传异质性，复习文献，迄今 为止已有 7个 mpch相关基因位点被陆续发现（mpch1-7） ，其命名 顺序是根据发现时间先后确定的3，14-20。每一个基因位点的 发现都是通过对一个已知的小头畸形家族成员基因图谱分析得来 的21。 3.1 microcephalin：microcephalin（mcph1）基因位于 8号染 色体短臂 2区 3带（8p23）上，长度为 241905bp，包涵 14个外显 子，编码 835个氨基酸。具有 3个功能域：brct1-3，其中 brct1 靠近 n末端，而 brct2、3 靠近 c末端22。mcph1 蛋白参与细胞 dna损伤修复及染色体凝集过程，在细胞分裂 g2到 m期检测点与 磷酸化的细胞周期依赖性蛋白激酶相互作用可以阻止 dna复制损 伤后进入有丝分裂 m期23。在胎儿器官中可普遍发现转录有 mcph1的 mrna，尤其是脑组织、肝脏及肾脏表达浓度较高，提示 mcph1蛋白与人类器官成熟相关。继 1998年 jackson等3通过对 一个患有小头畸形的巴基斯坦家族基因序列的研究首次确定了突 变位置。后来 trimborn等24通过对 2个 pcc综合征 （premature chromosome condensation syndrome，pcc）家族成 员的研究中发现了新的 mcph1基因变异。2010 年，farooq 等25 又报道了 1例由于 mcph1d的 4号位缺失而引起的颅缝早闭-小头 畸形-染色体破坏综合征。目前，trimborn 和 liang等26-27已 成功建立了 mcph1功能缺损的哺乳动物模型，更有力地阐明了 mcph1在细胞周期及染色体凝集过程中发挥重要作用。 3.2 wdr62 （mcph2）：wdr62 基因位于人染色体 19q13.12位置， 长度为 50230bp，具有 32个外显子28。wdr62 蛋白具有两个亚 基，包含 1523个氨基酸残基及 15个 wd重复序列。该基因在人类 和小鼠的脑室及脑室旁神经干细胞中可观察到表达。3 篇最近的报 道中指出 wdr62基因变异与 mcph2连锁，提示 wdr62可能包含于 mcph2中，而且是 mcph2的功能序列28-30。从 wdr62基因变异 个体中可观察到多种大脑皮层发育障碍症状，包括小头畸形、脑 回肥厚、胼胝体发育不全等。2010 年，bilguvar 等28从小头畸 形患者中找到了 5例 wdr62变异纯合子。nicholas 等30对 7个 mcph家族研究中指出 wdr62基因变异中占第 2位。关于该基因表 达产物在神经干细胞分裂中的作用机制目前意见尚不一致。yu 等 29认为 wdr62蛋白与细胞有丝分裂没有明确的关系，而 bilg 等28提出 wdr62蛋白作用机制与另一种 mcph基因 aspm类似， 他们观察到在细胞分裂间期 wdr62分散在细胞质中，在分裂期可 见 wdr62聚集到纺锤体两极。nicholas 等30则认为 wdr62在细 胞周期中发挥定位功能。尽管目前关于 wdr62蛋白的作用机制尚 无统一认识，但他们的研究结论都证明了 wdr62即 mcph2基因。 3.3 cdk5rap2（mcph3）：人类 cdk5rap2（cyclin dependant kinase 5 regulatory associated protein 2）基因位于 9号染 色体长臂 3区 3带 2亚带上，长度为 191290bp，其中有 5682bp的 开放读码框，编码 1893个氨基酸序列。该基因被认为是 mcph3基 因31。bond 等31还描述了 cdk5rap2蛋白的 n端存在一个与 微管蛋白环形复合体（turc）反应位点，c 端存在着与细胞 周期蛋白依赖性激酶调节亚基 1的反应位点，中间存在一些螺旋 结构。cdk5rap2 蛋白与中心体功能相关，携带此基因的 mrna在人 类及哺乳动物细胞中广泛存在，在神经系统中含量最高。 cdk5rap2蛋白在海拉细胞周期中被定位在中心体周围，其 n端反 应位点在 微管蛋白环形复合体与中心体的结合过程中发挥作用。 扰乱人类的 cdk5rap2蛋白功能可导致 微管蛋白无法定位在中 心体上，抑制了微管成核。从而形成纺锤丝紊乱、星状体缺如的 细胞模型32。zhang 等33最近论证了 cdk5rap2蛋白参与纺锤 体检测点调控。他们发现如果 cdk5rap2蛋白功能缺陷可导致染色 体分离障碍及纺锤体检测点蛋白减少。graser 论证了 cdk5rap2蛋 白还与染色质浓缩及中心粒旁体蛋白形成有关34。但通过观察 发现，纺锤体形成障碍的果蝇模型中只表现出了轻度的不对称有 丝分裂而没有脑容量的缩小35。 3.4 cep152 （mcph4）：人类中心体蛋白 152（cep152）是由 cep152基因编码，2010 年，guernsey 等36通过对 3例加拿大小 头畸形患者的基因研究发现 cep152基因与 mcph4基因相关，大胆 提出 cep152位于已报道的 mcph4基因中。mcph4 基因位于 15号染 色体长臂 2区 1带 1亚带上（15q21.1） ，长度为 72835bp，最多编 码 1710个氨基酸序列37。人类 cep152基因与果蝇的 asl基因 同源，blachon 等38利用动物细胞模型论证了果蝇的 asl基因与 中心体及鞭毛形成有关。guernsey 等则在胚胎大鼠的脑细胞中发 现了 cep152表达，这与其他的 mcph基因表达区域相符，他们利 用 rt-pcr技术测定鼠 cep152序列及长度。 3.5 aspm （mcph5）：人类异常纺锤体样小头畸形相关蛋白基 因（aspm）全长为 62567bp，其中开放编码框长度为 10906bp，编 码的蛋白质（aspm）包涵 3477个氨基酸。aspm 的 n末端包涵一个 微管结合区域12，一个钙调蛋白同源区（ch） ，以及 81个与钙 调蛋白结合的异亮氨酸-谷氨酰胺基序（iq）39。其 c末端暂未 发现可辨认的功能位点。iq 基序的数量在不同的哺乳动物中数目 不同，可能与进化过程中大脑皮层的增大相关40-41。2006 年， fish等在鼠模型中证明 aspm蛋白在有丝分裂过程中起到维持对称 分裂的作用，他们通过导入 sirna技术阻遏细胞的 aspm蛋白合成 可以观察到小鼠神经系统发育过程中不对称分裂的细胞比例增加 42。paramasivam 发现 aspm蛋白的 n末端和 c末端在有丝分裂 中分别位于纺锤体极和中间体内43。aspm 在有丝分裂纺锤体功 能实现及分裂平面的定向上起重要作用44。多种结论证明 aspm 基因的表达与细胞增殖有关，在祖细胞中表达最高，随着细胞分 化进行逐渐下调。而阻抑 aspm蛋白的功能可抑制细胞的自我更新 及增殖能力45。较近的研究表明转化细胞和肿瘤细胞的 aspm转 录 rna含量增加而被放射治疗过的肿瘤细胞 aspm表达降低，aspm 表达的程度与恶性胶质细胞瘤的增殖呈正相关46。2010 年， pulvers等培育出 2个 aspm基因突变的小鼠品系，他们通过观察 小鼠的脑皮质解剖特征来确定 aspm基因的功能。在他们的试验中， 可见 aspm突变小鼠的脑容量减少，虽然不及人类小头畸形脑容量 减少的程度，但病理生理机制是一致的47。考虑 aspm突变引起 脑容量的减少与哺乳动物自身脑容量的大小相关。同时，研究者 还观察到 aspm的突变可影响雄性小鼠的生殖能力而不改变它们的 交配频率。结合目前的研究结果不难推断，aspm 的改变可能是通 过影响了纺锤体的定向功能，致使神经祖细胞在增殖过程中出现 非对称分裂，从而影响了哺乳动物脑皮质发育44。 3.6 cenpj（mcph6）： 人类着丝粒蛋白 j（cenp j）由 cenpj 基因编码，也被称为中心体 p4，1 相关蛋白（cpap） ，基因全长 40672bp，位于 13号染色体长臂 1区 2带 2亚带，含有 5187bp长 度开放读码区，包含 17个外显子，共编码 1338个氨基酸。cenpj 基因在组织中表达比较广泛，在脑组织及脊髓中表达最高，主要 表达位于神经发育中额叶神经上皮细胞31。cenp j 蛋白包含一 个微管移动结构域（pn2-3） ，长度为 112个氨基酸。cenpj 蛋白在 有丝分裂过程中存在于中心体中，细胞分裂前、中期聚集在纺锤 体极48。2006 年，cho 等49观察到缺少 cenpj蛋白可影响完 整中心体的形成，出现中心体紊乱及多级纺锤体。在体外实验中 已证明缺少 cenpj蛋白可阻碍微管成核和解集50。koyanagl 等 51在实验中运用 sirna阻遏 cenpj表达来增加多极纺锤体出现 概率，实现分裂中止、细胞凋亡。2006 年，basto 等52观察到 尽管 dsas-4敲除果蝇能够存活至成年，但协调能力、繁殖能力明 显低下。显微镜下可见细胞中心体缺失，因此推断 cenpj在果蝇 体内的同源基因是 dsas-4。同时，dsas-4 基因突变的果蝇存在纤 毛缺失、存活率下降等问题53。利用荧光漂白恢复技术 （frap）可以观察到 dsas-4蛋白在一个细胞周期内被募集至中心 体内一次，而且募集的时期为细胞器复制初期，这特征也提示 dsas-4蛋白在中心体复制过程中的重要作用54。 3.7 stil/sil （mcph7）：2009 年，kumar 等20报道了纯合 型 stil基因突变在人类中可造成小头畸形，由此确立 mcph第 7 个相关基因的位置。stil 基因位于 1号染色体断臂 3区 3带至 3 区 2带 3亚带之间（1p33-p32.3） 。基因长度为 63018bp，含有 5225bp长度的开放读码区55。全长包括 20个基因外显子，编码 蛋白包含 1287个氨基酸残基。stil 蛋白是一种细胞质基质蛋白， 大小为 150千道儿顿。目前对于该蛋白的功能尚未完全清楚，也 未发现任何与之同源的蛋白家族或基序55。对 stil蛋白的结构 研究提示它存在一个细胞核定位信号区和一个类似于 tgf- 的 c 末端结构域56。在发现 stil基因与小头畸形的关系前，学者们 关注的是 stil基因重组与急性淋巴细胞白血病的关系57。stil 在整个细胞质中均有表达，在核周区域浓度稍高。他在细胞开始 分裂、细胞凋亡控制及中心体功能发挥等过程中起作用58。 stil蛋白在有丝分裂初期被磷酸化，随即与肽酰-脯氨酸异构酶 （pin1）反应，调节下游一系列与有丝分裂相关的蛋白磷酸化59。 在斑马鱼细胞和海拉细胞研究中可发现 stil蛋白不仅在中心体复 制及功能实现过程中起作用，而且还参与了纺锤体的构建。斑马 鱼 sil功能缺失突变模型存在胚胎期的致命缺陷58。在小鼠体 内 sil mrna在多种组织细胞中都有表达，表达最活跃的区域为骨 髓、胸腺、脾脏、结肠和胃部59。sil 基因敲除的纯合子小鼠于 胚胎 7.58.5 天表现出多种发育异常，10.5 天后死亡60。同时， 他们还描述了 sil突变小鼠表现出体格减小、发育受限、中央神 经管缺损、左右发育不对称、细胞凋亡比例增大、繁殖率降低等 特点，还伴有一些重要基因的表达异常如 lefty2、nodal、pitx2、patched 等。 5 小结 人类脑容量与体重的比例显著大于其他哺乳动物，这在人类进 化和环境适应过程中意义非凡。在人类 mcph病例中可见明显的脑 容量减小，伴随着认知能力的下降。研究此类病例时，人们发现 大脑容量大小主要取决于神经系统发育时细胞增殖能否正常进行。 由 mcph基因编码的一系列蛋白在细胞有丝分裂关键步骤中起到作 用，通过建立 mcph突变的细胞及动物模型，人们逐渐确定 mcph 基因在分裂过程中的具体作用。对 mcph发生病理机制的研究不仅 加深了对该疾病本身的理解，也提高了我们对正常人类大脑发育 的认识，更为研究类似的多基因相关疾病提供模板作用。同时， 我们应当清晰地认识到，目前部分相关基因的动物模型研究十分 缺乏，导致具体的作用机制仍无法确定。是否还存在其他的 mcph 相关基因？掌握了相关基因位点及作用机制后能否结合影像学、 遗传学等相关学科对该疾病的预防、早期诊断及治疗方面做出更 大贡献？这些都是我们日后工作的重点。 参考文献 1woods cg，bond j，enard w.autosomal recessive primary microcephaly （mcph）： a review of clinical， molecular， and evolutionary findingsj.am j hum genet，2005，76（5）：717-728. 2tunca y，vurucu s，parma j，et al.prenatal diagnosis of primary microcephaly in two consanguineous families by confrontation of morphometry with dna dataj.prenat diagn，2006，26（5）：449-453. 3jackson ap，mchale dp，campbell da，et al.primary autosomal recessive microcephaly （mcph1） maps to chromosome 8p22-pterj.am j hum genet，1998，63（2）： 541-546. 4van den bosch j. microcephaly in the netherlands： a clinical and genetical studyj.ann hum 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