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综述
从胚胎发育说起——垂体柄中断综合征的基因研究进展
中华内分泌代谢杂志, 2017,33(08): 702-704. DOI: 10.3760/cma.j.issn.1000-6699.2017.08.015
摘要

垂体柄中断综合征(pituitary stalk interruption syndrome,PSIS)是近些年来内分泌领域较新发现的一种罕见病,主要临床特点是垂体发育异常,如垂体柄缺失或纤细、后叶异位和垂体前叶发育不同,以及由于下丘脑分泌的一系列促激素释放激素无法发挥应有的生理学作用而引发不同程度的垂体前叶功能异常。本文立足于从基因角度入手,概述其在胚胎发育过程中的影响,并简要介绍全基因组外显子测序技术目前针对该疾病的研究现状。

引用本文: 苏星, 王成芷, 王安平, 等.  从胚胎发育说起——垂体柄中断综合征的基因研究进展 [J]. 中华内分泌代谢杂志,2017,33( 8 ): 702-704. DOI: 10.3760/cma.j.issn.1000-6699.2017.08.015
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垂体柄中断综合征 (pituitary stalk interruption syndrome, PSIS) 是指垂体柄纤细和(或)缺如导致下丘脑分泌的促激素释放激素不能通过垂体柄运送到垂体所致的一系列临床症候群。其典型的临床特征为垂体柄缺如或纤细、垂体发育不良和垂体后叶异位,表现为不同程度的垂体前叶激素分泌缺乏,常伴有垂体外中线结构发育异常或是畸形,同时还会严重影响患者的生活质量甚至是危及生命。垂体柄中断综合征在1987年被首次描述并最终命名,国内活产新生儿发病率为1/10 000~1/4 000[1]。1997年报道其预估发生率为0.5/100 000[2],但限于当时的检测手段以及对该病的认识程度,可能实际发病率远远超出预估。

有关该病发病机制的研究一直是医学界悬而未决的问题,到目前为止,主要有两种推测:一是围产期不良事件:有孕龄异常、臀先露、难产、新生儿窒息等,对垂体—下丘脑区域造成损伤;二是产前因素,这包括自身突变和外界环境[3],即先天的基因缺陷导致垂体下丘脑的发育异常,进而出现功能障碍和(或)外貌异常。本文将着眼于产前因素,从胚胎发育的视角出发,对相关致病基因予以概述,并对全基因组外显子测序技术进行介绍与展望。

一、 纷繁复杂的致病基因

从胚胎发育学的角度分析,垂体位于人体的中线结构,由腺垂体(前叶和中间叶)、神经垂体(后叶)以及上端的垂体柄(可类比为与下丘脑相链接的通道)共同构成。在胚胎发育的早期,口腔外胚层和神经外胚层在向腺垂体和神经垂体分化过程中分别从上下不同方向延伸对接,最终形成位于垂体窝内的垂体,此过程是在一系列信号分子和转录因子按时间、空间序贯顺序,并彼此之间精细调控下完成的[4,5],所以一旦其中单个或者多个基因发生了突变,则势必会引起下游的翻译出现问题,这当然是包括形态以及功能的双重影响[6,7,8],最多见的临床症状可分为两大方面:(1)功能方面(相关激素缺乏):身材矮小、性腺发育不良、低血糖等垂体前叶功能减退;(2)外貌方面(面颅脑和生殖系统畸形):唇裂、直肠狭窄、透明隔-视束发育不全、单眼(小眼)、单中切牙、宽鼻翼、前额毛发稀疏、前脑无裂畸形、小阴茎、隐睾等。

1.HESX1(homeobox gene expressed in ES cells 1):

HESX1是同源基因家族的一部分,定位于3号染色体的短臂,在种属间高度保守,在胚胎发育早期便能控制多体结构的形成,在前脑的发育中起着重要的作用,对垂体的形成至关重要,同时与垂体前后叶的初始分化和延伸对接时间高度一致,所以可以推测HESX1基因的突变对于眼睛、前脑、垂体等结构以及功能影响有关[9,10]。而在体内研究中的验证结果是垂体发育受HESX1的突变影响较眼睛和前脑更为明显,临床上由于该基因突变的疾病有透明隔-视束发育不全(SOD)和垂体发育不良(可伴有多种激素缺乏类型的垂体功能低下)[11]

2.LHX4(LIM homeobox 4):

该基因是包含在LIM领域的一种编码蛋白,定位于1号染色体的长臂,又名垂体激素缺乏4基因(CPHD4),拥有一个独特的富含半胱氨酸的锌结合域。该基因编码的蛋白质能够参与控制垂体的分化和发展的过程,所以一旦突变便会引起垂体激素的缺乏,此即为先天性垂体功能低下,临床上多表现身材矮小,小脑功能缺陷和微小蝶鞍等。Cohen等[12]目前证实在人体中只有13个杂合子的LHX4突变与之有关,而进一步结合体外实验,对于其中7条杂合子基因进行了后续的功能验证,发现p.Tyr131*、p.Arg48Thrfs*104、p.Arg65Val、p.Thr163Pro、p.Arg221Gln无法激活垂体转录因子和生长激素启动细胞,最终在患者成体之后就会出现典型的生长激素缺乏的症状。

3.PROP1(homeobox protein prophet of Pit-1):

PROP1基因属于垂体特异性成对的同源结构域转录因子,定位于5号染色体长臂,目前只存在于垂体,最先表达于拉特克囊背侧,后此囊不断加深,囊中外胚层细胞增生,向前脑腹侧面移动并分化出垂体前叶细胞,在生理上具有辅助分化垂体内的细胞类型的功能,于胚胎期第15.5天时消失,为垂体细胞分化中所必需的,Kelberman等[5]指出该基因决定了多种垂体前叶细胞系的发育,所以是引起复合性垂体前叶功能减退很常见的原因;Ba等[13]则认为该基因则会在蝶上形成一类似肿块的病变,与其他基因相比其发病特点是当该基因完全缺失时更倾向于家族性患者,Fernandez-Rodriguez等[14]在2例家族性PSIS患者中发现了PROP1基因纯合突变(301-302delAG)。De Rienzo等[7]分析得到了如下数据:PROP1基因突变在散发病例中的比例为6.7%,在家族性的病例中比例为48.5%。

4.PROK2和PROKR2(prokineticin 2和prokineticin receptor 2):

PROK2基因编码的蛋白被称为动力蛋白2,对应的受体即被称为动力蛋白受体2,分别定位于3号及20号染色体的短臂。二者可由生物体内许多器官(小肠)和组织产生,不仅参与嗅神经元的迁移也参与促性腺激素释放激素(GnRH)细胞的迁徙发育和下丘脑—垂体新生血管的生成[15]。Dodé等[16]指出患者中出现的PROK2以及PROKR2突变影响最大的还是生殖器官的最终发育亦或是造成患者性腺功能低下,PROKR2敲除的小鼠可以表现为上述情况。随着研究的深入,McCabe等[17]还发现是PROKR2而非PROK2参与垂体功能低下的病理作用。

5.OTX2(orthodenticle homeobox 2):

OTX2也属于同源框基因家族的一部分,定位于14号染色体长臂,是果蝇体内控制头胸发育的一个卵极性基因,调控果蝇胚胎前端结构的生成。该基因在人体胚胎发育早期便参与了包括垂体后叶(在腹侧端脑中高表达)、眼睛(含视神经)的发育,于是就不难理解OTX2突变于2005年在眼部畸形患者病例中首先被报道,同时还伴有身材矮小、发育缓慢和癫痫症状的情况。在神经外胚层中OTX2的减少会引起垂体柄的纤细或缺失,影响下丘脑与垂体间的信号传递;不仅如此,该基因的突变还影响到了上文中提到的HESX1和POU1F1的活化,成体后就会造成激素水平的低下和垂体发育不良,当然更要提防低血糖事件的发生[18,19,20,21,22]

6.SOX3(SRY-related HMG-box 3):

该基因是同X染色体有关联的,定位于X染色体长臂,其编码的转录因子对调节胚胎脑部和下丘脑—垂体轴线的发育至关重要,因此SOX3突变的患者几乎均为男性,部分女性携带者基因表型的种类有多种多样,甚至可以有正常的情况,不同程度地表现为身材矮小,垂体功能低下可能合并精神发育的迟滞,体外实验还证实能够增加HESX1启动子的反向激活因子[23,24]

7.SHH(sonic hedgedog)通路:

有两种基因涉及此通路:GPR161(G protein-coupled receptor 161)和CDON(cell adhesion associated, oncogene regulated)。GPR161是属于G蛋白偶联受体家族中的孤儿成员,主要作用是转导细胞外的信号,使之跨膜进入细胞内。CDON是编码细胞表面的一种受体,属于免疫球蛋白超家族的一员,定位于11号染色体长臂。Karaca等[25]研究指出:GPR161突变可以解释隐性垂体柄中断综合征的家族性患者。GPR161是SHH (sonic hedgedog)通路的一个关键的负性调节因子,这过程是经由Gli2和Gli3两大类转录因子而起生物学作用的。Gli3可引起Pollister-Hall综合征1型、Gli2可引起Pollister-Hall综合征2型,上述疾病均与垂体纤细以及神经垂体发育不良有关联。而GPR161在SHH通路中扮演的角色是引起Gli2和Gli3的蛋白水解过程,GPR161的突变则是使得自己过度活化,最终引起SHH通路功能的丧失。该通路的缺失将会在时间和具体的定位上分别造成两种的结果:在早期和脊索前板导致前脑无裂畸形(HPE),在后期和发育未定型下丘脑导致透明隔—视神经发育不良(SOD),但对于CDON而言,纯合子的突变对视神经的发育干扰更大[26,27]

迄今为止,该病基因层面的研究可以归纳为如下的特点:(1)致病基因种类繁多;(2)缺乏特异性,甚至伴随有其他疾病和症状,如范可尼贫血、Kallmann综合征、Kabuki综合征、Currarino综合征、Stiling-Duane综合征、Arnold-Chiari I型畸形、生物节律异常等;(3)发病率较低[28];(4)典型的病例较为罕见(其中男性患者占绝对比例),而使研究工作变得更为棘手的问题是收集一定数目的患者样本,这正是系统性进行研究该病的难度所在。

二、 柳暗花明又一村

尽管上述的基因或多或少可证明与PSIS的发病相关,但在患病人群中检出率却非常低,并不能解释所有的疾病,甚至有报道其中部分基因为阴性结果[9,29],提示还有更多的发病基因尚未被发现和研究,虽然有着许多的研究困难,但是随着技术的革新,定能让研究工作突破瓶颈。新一代基因测序技术——全基因组外显子测序(whole-exome sequencing, WES)的诞生,令我们看到了新的希望。

全基因组外显子组测序是指利用序列捕获或者靶向技术将全基因组外显子区域DNA富集后再进行高通量测序的基因组分析方法。外显子组测序主要用于识别和研究与疾病、种群进化相关的编码区及UTR区域内的结构变异,结合大量的公共数据库提供的外显子数据,有利于更好地解释所得变异结构之间的关联和致病机制,主要能够用于以下3种研究目的:(1)体细胞突变,亚克隆识别:癌症发生和发展/复发、转移和预后等;(2)转化和临床研究:肿瘤、生殖与遗传健康、继承条件、HLA等;(3)发掘致病基因、易感基因:研究罕见病、复杂疾病、孟德尔疾病等。目前,全基因组外显子测序已成功运用于遗传性疾病的病因的研究,而且取得了令人可喜的成果[30],在250个不同种类先天性疾病的先证者中,通过全基因组外显子测序发现的86个基因位点可能是其中62例疾病的致病基因,潜在基因缺陷的诊断率达到25%,以上的结果体现了全基因组外显子测序针对非特异性或不常见潜在的基因缺陷疾病的诊断价值[31]

早在2008年,我科便首次对5例PSIS患者进行了系统报道。截止目前,收集病例数已达120余例,位居国内外病例数量之首,且多数病例留取了DNA样本,为总结我国患者临床特点和进一步的研究积累了丰富的第一手资料。运用全基因组外显子测序的方法对其中24例PSIS患者的DNA进行测序,通过梳理分析得到多个高频突变基因,经过软件分析、蛋白功能预测后,得到数个可能的高致病候选基因,如MAML3(主导控制样蛋白3,Mastermind-like 3)、NF1(神经纤维瘤病1型,Neurofibromatosis type 1)、CDC27(细胞分化周期蛋白27,cell division cycle protein 27)、USP9X(X染色体关联的泛素特异性蛋白酶9,ubiquitin specific peptidase 9, X-Linked)。针对以上几个基因在细胞及动物的层面的研究目前正在进行之中,以期明确其在PSIS发病中的作用并进一步阐明PSIS的发病机制,并可能为未来基因治疗提供重要的理论依据。

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