刘林莉,张正中
结节性硬化症致病基因及基因突变研究进展
刘林莉,张正中
结节性硬化症(tuberous sclerosis complex,TSC)是一种常染色体显性遗传病,典型临床特征是癫痫、智能减退、面部血管纤维瘤及各系统的错构瘤。该病具有遗传异质性,由TSC1或TSC2基因突变引起。TSC1编码错构瘤蛋白(hamartin),TSC2编码马铃薯球蛋白(tuberin)。这两种蛋白质在组织中广泛表达,于体内形成Hamartin-Tuberin复合体,若TSC1或TSC2基因发生突变,则影响Hamartin-Tuberin二聚体功能,使mTOR复合物 1(mTOR complex 1, mTORC1)信号转导通路异常激活,导致结节性硬化症的发生。目前研究证实该病与TSC1或TSC2基因突变有关。该文就结节性硬化症的致病基因及基因突变研究进展作一综述。
结节性硬化症;基因,TSC;遗传
[J Pract Dermatol, 2017, 10(1):44-47]
结节性硬化症(TSC,tuberous sclerosis complex)是一种常染色显性遗传病。该病最早由Bourneville命名,故亦称为Bourneville病[1]。其典型特点是累及各个系统的错构瘤,累及皮肤可表现为面部血管纤维瘤、鲨革皮样斑、甲周纤维瘤;累及大脑可导致癫痫、智能减退、自闭症等;累及内脏器官可有肾、脾、肝等部位的错构瘤。结节性硬化症在成人的发病率大约为1/8 000,在新生儿大约是1/6 000,无性别差异[2]。TSC致病主要与 TSC1 和 TSC2 两个基因有关,TSC1和TSC2基因均属于肿瘤抑制基因,分别编码错构瘤蛋白和马铃薯球蛋白,并可在体内形成二聚体,传导生长因子信号和能量调控信号等,以调节雷帕霉素TORC1的活动[3]。若TSC1或TSC2基因发生突变,则异常激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白通路,使细胞异常增生和生长,导致疾病的发生。本文将结节性硬化症的致病基因及基因突变研究现状作一综述。
TSC为常染色体显性遗传病,已证实与TSC1和TSC2基因有关。1987年Fryer等发现TSC的致病基因位点与ABO血型系统基因位点相连锁,认为TSC致病基因位点位于9q34区,命名为TSC1;1992年Kandt等发现TSC的第2个致病基因,定位于16p13.3,命名为TSC2。TSC1基因由23个外显子组成,其中第1、2外显子无编码功能,第3~23外显子为编码区,转录产物为8.6 kb的mRNA,编码相对分子质量为130 000由1 164个氨基酸组成的错构瘤蛋白(hamartin)[4]。TSC2由 41 个编码外显子和 1 个非编码功能的先导外显子组成,转录产物为约5.4 kb的mRNA,编码相对分子质量约为 198 000 的由1 807个氨基酸组成马铃薯球蛋白(tuberin)[5]。
已知TSC1和TSC2为肿瘤抑制基因,调节细胞的增生和分化,若TSC1或TSC2发生突变,则会导致肿瘤的发生。现已证实,在TSC错构瘤的患者中其携带的体细胞中的TSC1或TSC2基因存在杂合性的缺失(loss of heterozygosity,LOH)[6]。根据肿瘤抑制基因突变和体细胞二次突变理论,肿瘤的发生是由于“第二次打击”引起细胞突变造成。若TSC1或TSC2发生突变,其编码的错构瘤蛋白或马铃薯球蛋白仅保留一半的功能,若已突变的基因在体细胞中发生第二次突变,可致细胞异常生长,导致全身多器官肿瘤的发生。
TSC基因在女性生殖系统中参与重要角色。Gabitzsch等[7]研究显示,超过1/3的女性TSC患者有一定程度的月经不规则,流产(41%)及卵巢早衰(4%)。Yoshihiro等[8]发现敲除TSC1基因的雌性老鼠将出现卵巢早衰,其卵母细胞的功能下降,影响雌性老鼠的生育能力。有文献报道TSC基因失活也证实与女性卵巢癌、乳腺癌、子宫内膜癌等有关[9]。
TSC1和TSC2基因参与细胞周期的调节,并且对细胞的增生有抑制效应。TSC2基因编码的马铃薯球蛋白可与p27(一种细胞周期调控因子)结合,使其从复合物中分离,抑制其降解过程,p27水平表达上调,从而抑制细胞周期[10]。TSC1或TSC2基因的突变使p27失活,导致细胞周期G1期缩短、S期延长,并诱导细胞死亡。
TSC基因可参与细胞骨架的信号传导,引起细胞的黏附、生长和迁移。若发生TSC基因突变,则可减弱其调节细胞骨架作用,从而引起异常的细胞黏附、生长和迁移,最终导致细胞生长异常、过度增生,而出现错构瘤等异常病理改变。同时,TSC基因可间接调控特异的DNA修复酶—8-羟鸟嘌呤DNA糖基化酶 (8-oxoguanine DNA glycosylase,OGG1)的转录活性,在DNA修复过程中起作用[11]。
TSC的突变谱非常复杂,TSC2的突变较TSC1的突变更为常见,突变率约为3:1,且TSC2基因的突变可引起更为严重的临床表型[12]。其中TSC1突变多见于家系,TSC2突变多见于散发。Jeremy等[13]认为TSC1突变多见于家系,可能因为TSC2临床表型严重而TSC1的临床症状更轻,TSC1突变患者更有机会去组建家庭。有学者研究发现,相较于其他TSC患者,TSC2的错义突变和小片段缺失移码突变的患者智商稍高,证明了不同类型和位置的TSC遗传突变可能导致不同的神经认知表型[14]。Jentarra等[15]认为,TSC的mRNA等位基因特异性的变化将导致TSC患者临床症状严重性的不同,所以在一个内部家系的患者中,不同患者的临床症状的严重程度往往不同,可以测试野生型和TSC mRNA突变型的比率,预测单纯型TSC的严重程度。
TSC的突变主要有无义突变、错义突变、插入、缺失或剪接位点的变化。几乎所有的TSC1突变是无义突变或移码突变,从而导致蛋白质翻译过程提前终止。而TSC2的突变多为错义突变(25%~32%)、大片段的缺失或重组(12%~17%)[2]。尚未发现TSC1和TSC2基因有突变热点。但有学者提出TSC1基因突变最常见的为15号外显子,可能因15号外显子较长,故其突变所占比例最大。于晓莉等[16]对21 个家系59名研究对象进行了TSC1基因的第15号外显子检测,21个家系中4个家系5例患者存在TSC1基因第15号外显子的突变,检出率较高。黄国强等[17]对160例中国TSC进行分析,发现TSC1基因突变发生在第15、2l、18号外显子较为多见,而TSC2基因突变则以第37、40、33号外显子为主。
研究显示,TSC是由于TSC1或TSC2基因的突变,导致TSC1/TSC2蛋白二聚体功能丧失,哺乳动物的雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)通路活性增强,使细胞增生失控。mTOR是相对分子质量为300 000的丝氨酸/苏氨酸激酶,为磷脂酰肌醇3-激酶(phosphoinositide3-kinase,PI3K)相关激酶家族的一部分,是细胞生长过程中的中心调节因子。对细胞的代谢、生长、增生和细胞骨架运动等过程的调节起重要的调控作用,也是肿瘤发生、发展的重要靶点。可通过 mTORC1和 mTORC2参与肿瘤细胞周期、凋亡、自噬等。mTORC1主要通过对下游目标如核糖体S6蛋白激酶1(ribosomal p70 S6 kinasel,S6K1)、细胞周期蛋白依赖性激酶2(P34cdc2激酶)、真核启动子4E结合蛋白1(4E binding protein,4E-BP1)等磷酸化的调控来调节细胞的生长、翻译及自噬。而mTORC2在细胞骨架重组和细胞生存上起重要作用[18]。TSC1和TSC2基因编码的错构瘤蛋白和马铃薯球蛋白可于体内形成一个复合物,充当GTP酶激活蛋白(GTPase activating protein,GAP)的作用[19],可以负性调节下游作用因子Rheb蛋白(Ras homolog enriched in brain,Rheb,相当于一个mTOR活化剂),通过钝化Rheb的信号并消除其对mTORC1的刺激效应[20]。最近,第3 个复合物的组件TBC1D7(TBC1 domainfamily,member 7),联合TSC1和TSC2形成一个新的复合物,也充当GAP的作用去降低Rheb-GTP水平[21]。TSC1或TSC2基因突变,将导致Rheb活动增强,从而促进了mTORC1活动和下游S6K、4E-BP1的磷酸化,导致蛋白质合成增加,使细胞异常增生[22]。
持续活跃的mTORC1信号是TSC发病的分子基础。这些TSC1-TSC2复合物在TORC1信号的生物学作用对于TSC患者至关重要,在以mTORC1抑制剂(如雷帕霉素及其衍生物)基础上,产生了新的治疗方法[23]。依维莫司可以适用于TSC皮肤表现、肺淋巴管肌瘤病、心脏横纹肌和癫痫等,且依维莫司已被美国食品和药品管理局(FDA)批准为用于治疗不能手术的伴有室管膜下巨细胞星形细胞瘤(subependymal giant cell astrocytomas,SEGAs)或肾血管平滑肌脂肪瘤(angiomyolipoma,AML)的TSC患者[24]。西罗莫司和依维莫司已被证实可减少AML的体积,对于保护肾功能以及长期治疗有一定的安全性[25],同时也被批准用于治疗肾细胞癌[26]。但有学者认为,应考虑早期启动mTOR抑制剂治疗AML,防止未来严重的并发症[25]。Cinar等[27]局部使用西罗莫司治疗TSC引起的面部血管纤维瘤,取得良好的疗效,患者依从性较高,几乎无不良反应,尽管随着时间的推移疗效会降低,但重复使用可取得满意的效果。
根据2012国际 TSC共识会议的新标准[28],只要证实存在TSCl或TSC2的致病性突变,就可以诊断为TSC。传统的TSC基因突变检测主要方法有实时定量聚合酶链反应(polymerase chain reaction,PCR)、PCR直接测序、单链构象多态技术、构象敏感凝胶电泳、DNA直接测序法等。运用传统检测方法,TSC1或TSC2突变确定在75%~90%,10%~15%临床诊断的TSC患者未检测出突变。Au等[29]在325例患者中,散发的突变检测率为72%,家系的突变检出率为77%,接近15%的突变率未检测出,有学者认为,这是否可能反映了低级体细胞镶嵌性或者身份不明的基因位点,如TSC3基因[30],亦或者其他类型基因突变,如遗传变异和马赛克突变等。在传统检测方法的基础上,新的检测方法也相继出现。有学者证实,变性高效液相色谱(denaturinghigh performance liquid chromatography,DHPLC) 技 术的检出率明显高于传统的测序法[31]; Jang等[32]使用多重连接探针扩增(multiplex ligation-dependent probe amplif cation,MLPA)技术,极大地增加了TSC突变检出率;Priya和Dalal[33]用MLPA技术检测出TSC2基因的第1~15号外显子全部缺失的突变,MLPA技术检测基因大片段的缺失、重复或重排具有高敏感性和高特异性,这是传统的直接测序法无法做到的。Guo等[34]运用等二代测序技术(next generation sequencing,NGS),一次得到TSC1、TSC2 两个基因所有外显子的全部结果,较为快捷,该技术可以多样本同时检测。而Nellist等[35]同样运用NGS技术,并加以HaloPlex目标捕获方法,简化数据分析,从成本和效益上替代传统的TSC突变筛查,有望实现常规DNA诊断,极大地增加TSC患者的基因突变检出率。这些技术为未来TSC的基因突变检测和产前诊断提供了技术依据。
目前人们对TSC的致病基因TSC1和TSC2有了一定的认识,为TSC的基因诊断和治疗打下了坚实的基础。新的检测致病突变的技术也在开发,有望更好地用于产前诊断,减少该病的发生。同时,mTOR抑制剂治疗TSC已进入临床试验。TSC基因也有望作为肿瘤发生和治疗研究的新的靶分子。相信随着时代的发展,无论是药物治疗还是基因治疗,人类终究能攻克TSC。
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Progress in studies of pathogenic gene of tuberous sclerosis complex
LIU Lin-li,ZHANG Zheng-zhong
Department of Dermatology, Aff liated Hospital of North Sichuan Medical College, Nanchong 637000, China
Tuberous sclerosis complex(TSC) is an autosomal dominant genetic disease, characterized by epilepsy, intellectual disability, facial angiof bromas and development of hamartomas in several organs. The disease has a genetic heterogeneity, caused by mutations in one of two genes, namely TSC1 or TSC2 gene, which encodes hamartin and tuberin respectively. These two kinds of protein widely express in the organizations and form a heterodimer which lies at the crossroad of many signaling pathways. If mutations occur in either TSC1 or TSC2 gene, it would result in dysregulated mTORC1activation, and f nally leads to the occurrence of tuberous sclerosis complex. The current study conf rmed that TSC is caused by the mutations of TSC1 or TSC2 gene. This article reviews the research progress of TSC1 and TSC2 genes and their mutations.
Tuberous sclerosis complex;Genes,TSC;Heredity
R758.59
A
1674-1293(2017)01-0044-04
刘林莉
2016-11-12
2017-01-05)
(本文编辑 敖俊红)
10.11786/sypfbxzz.1674-1293.20170113
637000南充,川北医学院附属医院(刘林莉,张正中)
刘林莉,硕士研究生,住院医师,研究方向:医学美容和遗传性皮肤病,E-mail: 373084501@qq.com
张正中,E-mail: laowaiaeo@163.com