Ⅰ型和Ⅶ型糖原贮积病的致病基因及其作用机制研究进展

彭春梅，谢文光，何泳龙,3，游智骁，周京国

(1 川北医学院附属医院，四川南充637000；2 成都医学院第一附属医院；3 成都中医药大学)

糖原贮积病(glycogen storage disease，GSD)是一类因机体糖原代谢酶缺陷使糖原在组织中分解障碍而沉积过多，或由于糖原合成酶缺陷而致组织中糖原耗竭而引起的代谢性疾病[1]。根据糖原代谢过程中缺陷酶被发现时间的先后和受累器官的不同进行分型，可分为14型，即0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅸ、Ⅺ、Ⅻ、ⅩⅢ、ⅩⅣ、ⅩⅤ，除Ⅸ型为X染色体隐性遗传外，其余类型均为常染色体隐性遗传。GSD常累及全身多个组织、器官，以肝脏、肾脏、心脏和肌肉受累为主，大多数患者表现为肝大、低血糖、贫血及生长发育滞后。除上述主要症状外，Ⅰ型和Ⅶ型GSD还表现为高尿酸血症和痛风，是痛风发病的一个罕见原因[2]。诊断GSD除具有相应临床表现外，主要依靠突变基因检测和(或)组织中相应酶活性检测。GSD基因突变不仅表现出人种差异性，而且其致病基因的突变种类和位点也不完全相同，因此通过突变基因检测来诊断GSD常常需要花费大量精力。现将Ⅰ型和Ⅶ型GSD的分子生物学机制研究进展综述如下。

1 Ⅰ型GSD的致病基因及其作用机制

Ⅰ型GSD，又称Von Gierke病，是一组由葡萄糖-6-磷酸酶(G6Pase)缺陷引起的常染色体隐性遗传病，总体发病率为1/100 000，以新生儿和婴幼儿多见，分为Ⅰa、Ⅰb两个亚型，其中Ⅰa型约占80%[3]。Ⅰa型GSD是由于葡萄糖-6-磷酸酶催化亚基(G6PC)基因突变致编码的G6Pase活性不足，而Ⅰb型GSD是由溶质载体家族37成员4(SLC37A4)基因突变致编码的葡萄糖-6-磷酸转运蛋白(G6PT)缺乏所致[4]。Ⅰ型GSD在高加索人、犹太人、西班牙人、韩国人及中国人中均发现有基因突变。

1.1 G6Pase及其编码基因 G6Pase是存在于细胞内质网(ER)膜上的多亚基整合膜蛋白，是高度疏水性蛋白。G6Pase由357个氨基酸组成，分子量为36.5 kDa，通过9次跨膜螺旋锚定到ER上，它的氨基末端活性位点位于ER管腔侧，羧基末端位于细胞质侧。通过氨基酸序列分析发现，G6Pase的活性位点在结构上类似于在弯孢菌中发现的含钒氯过氧化物酶的活性位点[5]。由于G6Pase与ER连接紧密，目前对于G6Pase的确切结构仍然不清楚，但多数学者都认同1975年由Arion等[6]提出的substrate-transport model假设，认为G6Pase主要由4个部分组成：1个催化亚基和3个转运蛋白，即G6PC、葡萄糖-6-磷酸转位酶、无机磷酸盐转位酶及葡萄糖转位酶，分别行使葡萄糖-6-磷酸的水解、葡萄糖-6-磷酸的转位、磷酸盐运输和葡萄糖的运输，使其穿梭于细胞内液和内质网。随着研究的深入，学者们认为葡萄糖-6-磷酸转位酶、无机磷酸盐转位酶及葡萄糖转位酶的运输功能都是由G6PT行使，因此将这3个转位酶统称为G6PT[7]。

G6Pase的磷酸酶功能主要由G6PC执行，该亚基的编码基因有G6PC、G6PC2、G6PC3，分别编码葡萄糖-6-磷酸酶(又名葡萄糖-6-磷酸酶-α,G6Pase-α)、葡萄糖-6-磷酸酶2(又名胰岛特异性G6Pase相关蛋白)、葡萄糖-6-磷酸酶3(又名葡萄糖-6-磷酸酶-β,G6Pase-β)，三者在体内互为同工酶。G6PC基因在肝肾组织中高表达，G6PC2基因在胰腺组织中特异性表达，而G6PC3基因在机体各组织中广泛表达。G6Pase-α和G6Pase-β都是功能性磷酸水解酶，二者有36%相同氨基酸序列，其活性部位、拓扑结构、作用机理和动力学性质均与葡萄糖-6-磷酸的水解有关；葡萄糖-6-磷酸酶2几乎不具有水解酶活性，可能在刺激胰岛素分泌中发挥作用[8]。全基因组关联分析[9]发现，G6PC2基因突变参与了空腹血糖水平的调控，G6PC3基因突变与先天中性粒细胞减少症密切相关。

G6PT也是存在于ER上的一种多通道膜蛋白，具有疏水性。G6PT由451个氨基酸组成，分子量约为46 kDa，通过10次跨膜螺旋锚定在ER中，其氨基末端和羧基末端均位于ER膜的细胞质侧，负责将细胞质中的葡萄糖-6-磷酸运输到ER腔中，并将葡萄糖、磷酸及无机磷酸盐反向运出。基因SLC37A4编码G6PT，含9个外显子，外显子7在转录过程中会产生可变剪接，导致两种转录剪接体的产生，这两种剪接体分别编码含429个氨基酸和451个氨基酸的蛋白质[10]。

1.2 Ⅰ型GSD的致病基因及其作用机制

1.2.1 Ⅰa型GSD致病基因G6PC及其作用机制 G6PC基因位于染色体17q21.31，全长12.5 kb，含5个外显子。G6PC2基因位于染色体2q31.1，全长8.7 kb，含5个外显子。G6PC3基因虽然也位于染色体17q21.31上，但较G6PC基因多含3个外显子，目前未见其突变与Ⅰa型GSD相关。

G6PC基因于1993年被成功克隆，并鉴定出基因突变位点，而后又被Lei等[11]成功造出G6Pase缺陷动物模型。G6PC的启动子包括糖皮质激素、环磷酸腺苷(cAMP)、胰岛素等，其表达受肝细胞核因子控制。目前，Ⅰa型GSD患者中已经报道了约94种G6PC基因突变，且突变类型多样，错义突变最常见。

对世界各种族Ⅰa型GSD患者G6PC基因突变情况进行比较，发现该基因突变在世界各种族群体中并不普遍，但具有一定程度的种族差异性[12]：高加索人群体中Ⅰa型GSD患者常见突变为p.R83C(29%)和p.Q347X(18%)，东方人群体中Ⅰa型GSD患者最常见突变为c.648G>T和p.R83H[其中中国患者以c.648G>T(54%)和p.R83H(26%)突变普遍，而韩国和日本患者则以c.648G>T突变普遍，突变率分别为75%和91%]，西班牙人群体中Ⅰa型GSD患者以c.380_381insTA(50%)突变常见，而突尼斯人群中Ⅰa型GSD患者以p.R83C(67%)和p.R170Q(28%)突变最常见。研究[13]显示，犹太人群体中Ⅰa型GSD患者极少数为p.Q347X突变，其余全是p.R83C突变，且该人群p.R83C的携带率为1.4%，远高出其他人群。近年来研究[14]报道，在中国Ⅰa型GSD患者中发现3种新的错义突变，分别为p.Ala274Val、p.Phe80lle和p.Gly118Asp。

1.2.2 Ⅰb型GSD致病基因SLC37A4及其作用机制 SLC37A4基因位于染色体11q23.3，全长5.3 kb，含9个外显子。SLC37A4在人体中表达广泛，转录过程也受葡萄糖、胰岛素及cAMP的调节[10]。人类基因突变数据库中可查到103种SLC37A4基因致病性突变，包括错义突变、无义突变、剪接位点突变、插入/缺失致移码突变等类型。研究[15]发现，SLC37A4基因的多数突变使G6PT丧失了对葡萄糖-6-磷酸、葡萄糖和无机磷酸的摄取活性，而p.Q133P突变却使G6PT对葡萄糖-6-磷酸、葡萄糖和无机磷酸表现出不同的运输活性。

对世界各种族Ⅰb型GSD患者SLC37A4基因突变情况进行比较，发现该基因突变也具有种族差异性[16]：高加索人群体中Ⅰb型GSD患者最常见突变为p.Leu348ValfsX53(32%)，东方人群体中Ⅰb型GSD患者最常见突变为c.870+5G>A(p.Gly149Glu)和c.443C>T(p.Ala148Val)[其中，中国患者以c.870+5G>A(p.Gly149Glu)(15%)突变常见，韩国患者以c.443C>T(p.Ala148Val)(39.9%)突变常见]，德国人群体中Ⅰb型GSD患者以p.Leu348ValfsX53(32%)和p.Gly339Cys(29%)突变最常见。邱正庆等[16]通过对我国15个Ⅰb型GSD家系患者进行突变基因筛查，发现了4种新的错义突变(p.Gly115Arg、p.Gly281Va1、p.Arg415Gly、p.Leu23Arg)、2种新的剪接位点突变(c.784+1G>A,c.870+5G>A)和1种缺失突变c.1014_1120del107，在研究的20个等位突变基因中，p.Pro191Leu突变率最高(37%)。

2 Ⅶ型GSD的致病基因及其作用机制

Ⅶ型GSD，又名Tarui病，是由肌肉型磷酸果糖激酶(PFKAM)缺陷所致的常染色体隐形遗传病。目前全球已报道近百例患者，多见于日本、意大利及犹太人，常童年发病。Ⅶ型GSD主要累及肌肉组织和红细胞，典型表现为运动后肌肉痉挛、运动不耐受、肌红蛋白尿、高尿酸血症、轻度非球形红细胞溶血性贫血等。磷酸果糖激酶(Phosphofructokinase，PFK)包括磷酸果糖激酶-1(PFK1)和磷酸果糖激酶-2(PFK2)两型，PFK1催化果糖-6-磷酸生成果糖-1,6-二磷酸，PFK2催化果糖-6-磷酸生成果糖-2,6-二磷酸。PFK2与肿瘤发病相关，目前未见文献报道PFK2与GSD相关，因此本研究主要讨论PFK1。

2.1 PFK1及其编码基因 PFK1是由PFK1肌肉(M)亚基、肝脏(L)亚基和血小板(P)亚基随机组合而成的同源四聚体酶。机体中PFK1有3种同工酶，即PFKAM、肝脏型磷酸果糖激酶(PFKAL)和血小板型磷酸果糖激酶(PFKAP)。PFK1四聚体的组成根据其存在的组织类型不同而不同，例如成熟肌肉组织仅表达M型同工酶，因此PFKAM仅由M4构成同源四聚体；肝脏和肾脏组织主要表达L型同工酶，因此PFKAL仅由L4构成；血小板和成纤维细胞中主要表达P型同工酶，因此PFKAP由仅P4构成；而在红细胞中则同时表达M、L型同工酶，二者随机四聚化形成M4、L4、ML3、M2L2、M3L，即同时含有PFKAM和PFKAL。PFK1是糖酵解过程中的主要限速酶，由单磷酸腺苷(AMP)、二磷酸腺苷(ADP)和果糖-2,6-二磷酸变构激活，并受三磷酸腺苷(ATP)、柠檬酸变构抑制。

PFKAM、PFKAL和PFKAP的编码基因分别为PFKM、PFKL、PFKP。PFKAM分子量为85 kDa，由780个氨基酸组成，位于细胞内液中，在机体各组织中广泛表达，尤其在骨骼肌、心肌中高表达。PFKM基因突变使PFKAM活性部分或全部丧失而致Ⅶ型GSD。目前未见PFKL、PFKP基因突变与GSD有关的报道。Ⅶ型GSD患者中普遍存在肌肉和红细胞中PFK1活性完全或部分丧失,而红细胞中PFKL占红细胞中正常PFK1活性的50%，当红细胞PFK1活性丧失时，患者可出现溶血表现[17]。

2.2 Ⅶ型GSD的致病基因及其作用机制 人PFKM基因位于染色体12q13.11，全长41 kb，含34个外显子，该基因突变致Ⅶ型GSD。动物模型[18]证实，Ⅶ型GSD是由PFKM基因无义突变引起其编码蛋白快速降解及活性丧失所致，目前已经鉴定出错义突变、无义突变、移码突变和剪接突变等类型，但仅有少许个案报道PFKM基因突变情况，多数突变位点无法进行突变频率的统计。对世界各种族已报道[19]的Ⅶ型GSD患者PFKM基因突变情况进行比较，发现日本人、犹太人和意大利人群体中Ⅶ型GSD患者均以PFKM基因剪接位点突变和外显子5序列缺失最常见，其中犹太人患者群体中外显子5缺失突变率高达68%。此外，一些国家还报道[20]了一些少见突变类型，如法国、加拿大Ⅶ型GSD患者出现p.Gly209Asp突变，西班牙患者出现c.926A>G剪接突变和p.Asp309Gly无义突变，瑞士患者出现p.Arg100Gln、p.Arg696His无义突变等。研究[21]还发现，动物红细胞中PFKM基因出现c.550C>T剪接突变和p.Arg184Trp无义突变，可使其编码具有热稳定性但无催化活性的酶。

GSD属于罕见病，分型较多，除Ⅰ型GSD常见外，其余各型鲜有文献报道，不利于此病的深入研究。GSD各型的基因型和表现型间未发现明显关联，诊断该病最主要靠突变基因检测和(或)组织中相应酶活性检测。Ⅰ型GSD在肝脏组织中检测到G6Pase酶活性降低甚至消失，Ⅶ型GSD在肌肉和红细胞中检测到PFK1活性降低或缺失[3]。目前对于Ⅰ型和Ⅶ型GSD患者的酶活性检测不是难点，困难的是缺乏一个系统的、全面的致病基因突变谱。现有的研究发现Ⅰ型和Ⅶ型GSD致病基因突变位点不稳定、突变种类和突变位点较多并且新的突变不断被报道，需要进一步研究其分子生物学机制，完善致病基因突变谱，为临床诊断助力。