脆性X综合征分子病理及治疗研究进展

丁 宁 李芳芳综述 邹检平，*审校

1.国家人口计生委科研所内分泌室(北京，100081);2.沈阳药科大学生命科学与生物制药学院

脆性X综合征(FXS)是一种常见的遗传性智力低下综合征，其发病率仅次于唐氏综合征，呈X连锁遗传。FXS的发病率男性为1/4 000，女性为1/6 000。99%以上的FXS患者，其发病的分子遗传学基础是FXS智力低下基因1(FMR1)动态突变，使其编码的脆性X蛋白(FMRP)表达减少或者缺失。本文拟探讨FXS的分子遗传学发病机理和治疗新进展。

1 发病机理

1.1 X染色体脆性位点

脆性位点得名于含有突变基因的X染色体长臂的特殊表现，即在显微镜下观察，某一位点细如丝线，脆性很大，故而得名。迄今发现的26种罕见脆性位点，只有Xq27～q28区域的脆性位点与遗传性疾病有关。FXS因与Xq27.3处叶酸敏感性脆性位点(FraXA)相关而命名，几乎所有的男性患者及约半数女性携带者可检测到该位点。此外在Xq27～q28区域分布的脆性位点FraXD、FraXE、FraXF也与人类智力低下有关，在细胞遗传学水平上不易与FraXA 位点鉴别［1］。

1.2 脆性X基因家族

FXS智力低下基因(FMR1)定位于 Xq27.3，其5'端非编码区(CGG)n三核苷酸重复序列的异常扩增及CpG岛的异常甲基化可引起编码产物蛋白(FMRP)表达下降或缺失。脆性X相关基因1和2(FXR1/2)分别定位于3q28及17q13.1，其序列及结构与FMR1具有高度的相似性，且可两两以同源或异源二聚体形式存在，三者统称为脆性X基因家族［2］。FXR1和FXR2类似于FMR1，也具有与蛋白质结合及与mRNA结合的功能，而且本身也可以与FMR1 mRNA、FMRP相互作用，且可能与FXS的发病密切相关［2］。

1.3 FMR1基因结构及AGG单元的嵌入

FMR1基因由17个外显子和16个内含子组成，全长约38kb。5’非翻译区存在一段数目可变的(CGG)n重复序列，其上游250bp处有一个CpG岛。正常人(CGG)n重复数具有多态性，范围在6～50之间;FMR1基因(CGG)n结构中AGG单元的丢失可影响(CGG)n结构的稳定性，因为AGG单元数目的减少或缺失通常伴随着(CGG)n结构的扩展，但绝大多数FMR1基因的(CGG)n结构中嵌入了13个AGG三核苷酸单元［3］。

1.4 FXS的分子病理

FMR1基因内(CGG)n重复序列的不稳定性扩增及CpG岛的异常甲基化，以及基因缺失和基因点突变是导致FXS的分子机制。

1.4.1 FMR1 基因5'端(CGG)n重复序列异常扩增根据CGG扩增程度可将其突变分为以下3种类型:①前突变。CGG重复52～200拷贝，一般不甲基化，并具有相对正常的转录和蛋白水平，但不能稳定遗传给下一代，有发展成全突变的潜能。②全突变。CGG重复高于200拷贝，由于(CGG)n序列位于转录起始点和翻译起始点之间，解链酶在此不能有效地打开双链，从而形成局部单链，且所形成的单链内也易形成“发夹”结构，阻碍后续的转录，所以患者细胞中FMR1 mRNA拷贝数减少或缺乏［4］。另外即使完成mRNA的转录，由于mRNA 5'端非翻译区过长，易形成二级结构，翻译过程受到抑制，FMRP量减少。有研究表明，全突变患者体细胞中FMR1 mRNA和FMRP的量均少于正常人，甚至缺乏［2］。③嵌合型。属于一种中间类型，约占基因突变类型的15%，具有前突变的基因型以及较低程度的CpG岛甲基化和体细胞不稳定性。CGG重复序列不同程度的扩增可导致邻近CpG岛内不同程度甲基化，而CpG岛的过度甲基化可能抑制FMR1基因的正常转录、表达，从而出现临床症状。

1.4.2 FMR1基因 5’端 CpG 岛的异常甲基化FMR1 CGG重复序列不同程度的扩增可引起邻近CpG岛内不同程度甲基化，而CpG岛的过度甲基化可能抑制FMR1基因的正常转录、表达，从而出现临床症状。FXS是CGG重复过度增加和相邻区异常甲基化的结果，几乎所有患者FMR1的mRNA及其蛋白产物不表达或低表达［4］。

1.4.3 FMR1基因缺失和点突变1995年 Hirst等［5］报道了2例男性FMR1基因缺失型 FXS，1例是在40%的外周血细胞中FMR1基因启动子区域缺失660bp的DNA片段，包括CpG岛和(CGG)n序列及mRNA合成起始位点，另1例缺失25kb DNA片段，FMR1 mRNA完全缺乏，荧光定量聚合酶链反应(RT －PCR)产物阴性。此外，De Boulle等［6］发现1例FXS患者，即存在FMR1基因点突变(Ile367→Asn367)。

此外，最新的研究表明FMRP可调控微管的网络形成［7］。当缺失时细胞核周围的微管变得更加密集，而细胞核之间的微管密度下降，并且微管网络破坏，呈无序缠结。FMR1基因与微管剪切蛋白基因spastin相互作用，控制微管结构和表达量的变化。微管是细胞的重要骨架蛋白，影响着神经肌肉突触的形态发育。这些结果为FXS的发病机理以及治疗药物的筛选提供了新的思路和靶点。

2 治疗研究进展

随着分子遗传学技术的发展，现已将细胞遗传学方法、DNA分子诊断方法以及基因表达产物的免疫细胞化学诊断方法等应用于FXS的诊断中，诊断水平取得突破。但是，FXS在临床上尚无有效的治疗方法。近几年试验性治疗FXS的两种理论研究越来越受到人们的关注。

2.1 mGluR 理论

最近的研究发现，代谢性谷氨酸受体(mGluR)功能过度激活可能参与了FXS的发病过程，应用代谢性谷氨酸受体拮抗剂能改善FXS的认知障碍。

2.1.1 mGluR与神经元树突棘FXS患者和FMR1基因被敲除的小鼠神经元树突棘发育不成熟，不成熟的树突棘导致突触功能障碍，这可能是脑功能异常的基础。mGluR是G蛋白偶联受体，可分为3组共8个亚型。其中第1组(mGluR－I)代谢性谷氨酸受体包括 mGluR1和 mGluR5［8］，主要分布于海马、大脑皮层浅层、基底节、嗅球、丘脑底核和小脑分子层等处，通过调节细胞内的钙离子浓度和蛋白表达来影响树突棘形态，在突触的传递和可塑性中发挥重要作用［8］。在动物模型上激活mGluR－I所观察到的变化与FXS的病理变化和临床症状非常相似。

2.1.2 mGluR与FMRPmGluR能调节FMRP合成，当受到mGluR－I特异性激动剂刺激时，FMRP mRNA会被吸收进入突触后多聚核糖体，几分钟内即出现FMRP水平升高，在突触小体及富含多聚核糖体复合物的亚细胞区均可观察到这种含量增加现象。此外，mGluR与 FMRP细胞内转运也有关，mGluR，特别是 mGluR5激活，是 FMRP和 FMR1 mRNA向树突和突触转运所必需的［9］。

mGluR激活会诱发一系列的蛋白合成，而FMRP可以作为负性调节因子反馈性抑制mGluR途径相关蛋白的进一步合成。FMRP缺乏和减少可能减弱了这种抑制作用，导致mGluR激发的mRNA翻译增多，参与神经系统发育的蛋白过度表达，从而影响树突棘的发育。因此使用其他负性调节因子，如mGluR－I抑制剂降低mGluR－I信号，弥补FMRP的缺乏和减少，或许能改善由FMRP缺失所导致的突触和行为缺陷。

该理论在临床治疗中已经获得初步的验证，并据此研究出了治疗FXS的首个药物——AFQ056，该药物可阻止脑细胞中mGluR5的活性。试验数据表明经过AFQ056治疗的7名患者，20天之后FMR1基因启动子完全甲基化，FMR1基因转录完全被阻断，患者的行为出现了明显改善［10］。因此抑制mGluR可能是未来改善FXS认知障碍的一个重要途径。

2.2 GABAA理论

大脑中约有30% ～50%的中枢突触以γ－氨基丁酸(GABA)作为递质，目前已发现的GABA受体主要有A、B、C3种亚型。GABAA是广泛分布于哺乳动物中枢神经系统内的一种重要的抑制性神经递质，其受体是由5个亚基组成的五边形异质性寡聚体，具有介导神经元的突触前及突触后抑制作用，与焦虑、抑郁、癫痫、睡眠障碍、认知及记忆能力低下等神经行为因素相关［11］。多项研究证明GABA能神经系统，特别是GABAA受体的变化与FXS的遗传表型有关，GABAA受体的减少可能诱发FXS患者行为异常和癫痫发作，因此GABAA受体可能成为治疗FXS的靶点。

FXS患者对声音诱发的癫痫发作敏感性增加，与GABAA受体在量和质上的改变有密切关系［11］。此外，更多的动物研究也证实了这点。Gantois等［12］在FXS小鼠模型大脑内进行基因组全面性筛选时发现，GABAA受体δ亚基的mRNA表达明显减低，与正常对照相比，GABAA受体的δ亚基含量减少了42%。FMR1基因敲除小鼠，其大脑皮层、海马、间脑及脑干区域GABAA受体的β亚基表达降低［13］，大脑皮层和海马的神经元GABAA受体l亚基和6亚基表达量明显减少。电生理记录显示FXS模型小鼠的GABA能系统效率降低，间接阻碍了胆碱能系统的效能［14］。Curia 等［15］取海马回神经元，使用膜片钳技术发现FXS模型小鼠与对照组相比，神经元内基础的GABA能电流无差异，但紧张性GABA能电流明显下调，同时，免疫组化和Western blot分析发现两组小鼠海马回神经元内蛋白水平上GABAA受体5和δ亚基的表达有明显差异。2009年，D’Hulst等［16］再次从基因水平证实 GABA 能神经系统在FXS模型小鼠内的变化，结果表明与对照组相比，编码GABA合成酶的谷氨酸脱羧酶gadl、编码GABA转移蛋白的gatl和gat4、编码琥珀酸半醛脱氢酶ssadh及gephyrin等的基因在大脑皮层的表达明显减少。

总之，GABA能系统异常与FXS有密切联系，GABAA亚基的减少可能是FXS癫痫发作的一个重要发病因素。目前临床上已有作用于GABAA受体的药物，治疗焦虑、癫痫、睡眠障碍等神经心理性疾病，且具有一定的疗效。因此，把GABAA受体做为治疗FXS患者的一个靶点具有很高的研究价值。

3 结语

目前，FXS相关基因家族已经为人所知，FMR1基因的结构、分子病理基础相关研究也逐渐深入，为诊断、产前诊断技术的陆续建立奠定了基础。现有研究证实mGluR和GABAA受体与FXS有关，它们可以作为FXS的治疗靶点，对其研究将为FXS的治疗开辟一条新途径。

1 Hirst MC，Barnicaot A，Flynn G，et al.The identification of a third fragile site，FraXF，in Xq27～q28 distal to both FraXA and FraXE［J］.Hum Mol Genet，1993，2(2):197 － 200.

2 D’Hulst C，Kooy RF.Fragile X syndrome:from molecular genetics to therapy［J］.J Med Genet，2009，46(9):577 – 584.

3 Jarem DA，Huckaby LV，Delaney S.AGG interruptions in(CGG)(n)DNA repeat tracts modulate the structure and thermodynamics of non － B conformations in vitro［J］.Biochemistry，2010，49(32):6826－6837.

4 Oostra BA，Willemsen R.FMR1:A gene with three faces.Biochim［J］.Biophys Acta，2009，1790(6):467 －477.

5 Hirst M，Grewal P，Flannery A，et al.Two new cases of FMR1 deletion associated with mental impairment［J］.Am J Hum Genet，1995，56(1):67－74.

6 De Boulle K，Verkerk AJ，Reynieres E，et al.A point mutation in the FMR －1 gene associated with fragile X mental retardation［J］.Nat Genet，1993，3(1):31－35.

7 Yao AY，Jin S，Li XH，et al.Drosophila FMRP regulates microtubule network formation and axonal transport of mitochondria［J］.Hum Mol Genet，2011，20(1):51 －63.

8 姜涛，易咏红，邓维意，等.代谢性谷氨酸受体在FXS树突棘发育中的作用.中华神经科杂志［J］，2006，39(11):748－752.

9 毛利冰，陈胜强.关于mGluR在FXS发病机制中的研究新进展［J］.现代生物医学进展，2010，10(7):1381－1384.

10 Jacquemont S，Curie A，des Portes V，et al.Epigenetic modification of the FMR1 gene in fragile X syndrome is associated with differential response to the mGluR5 antagonist AFQ056［J］.Sci Transl Med，2011，3(64):64ra1.

11 Mohler H.GABA(A)receptor diversity and pharmaeology［J］.Cell Tissue Res，2006，326(2):505－516.

12 Gantois l，Valldesompele J，Speleman F，et al.Expression profiling suggests underexpression of the GABAA receptor subunit delta in the fragile X knockout mouse model［J］.Neurobiol Dis，2006，21(2):346－357.

13 D’Hulst C，De Geest N，Reeve SP，et al.Decreased expression of the GABAA receptor in fragile X syndrome［J］.Brain Res，2006，1121(1):238－245.

14 D’Antuono M，Merlo D，AVoli M.Involvement of cholinergic and gabaergic systems in the fragile X knockout mice［J］.Neuroscience，2003，119(1):9－13.

15 Curia G，Papouin T，Seguela P，et al.Down regulation of tonic GABAergic inhibition in a mouse model of fragile X sydrome［J］.Cerebral Cortex，2009，19(7):1515－1520.

16 D’Hulst C，Heulens I，Brouwer JR，et al.Expression of the GABAergic system in animal models for fragile X syndrome and fragile X associated trem －or/ataxia syndrome(FXTAS)［J］.Brain Res，2009，1253(1):176 －183.