产前诊断中HNF1β基因与胎儿肾异常关系的研究

孙婷婷，张萍萍综述，李亚丽审校

0 引 言

在胚胎发育过程中，妊娠11～14周时，体节外侧的中胚层分化成胎儿的泌尿系统，泌尿系统是发现胎儿先天性畸形发生率较高的系统之一，如果处理不及时会影响胎儿发育，增加出生胎儿畸形率，给家庭和社会带来沉重负担，所以提高产前诊断的效率意义重大，在泌尿系统中，肾在胎儿正常发育的过程中起着至关重要的作用，肾的发育是在第3～10周，如果在这个时间段出现异常，将会导致多种多样的肾先天畸形；另外，妊娠10周以后羊水的主要来源是肾产生的尿液，在14周左右，肾将维持整个孕期液体的容量，如果肾在结构和(或)功能方面出现异常，有可能出现羊水过少而影响胎儿肺的发育[1]。胎肾异常的超声表现以肾积水(或肾盂增宽)、肾多囊性病变以及肾发育不良较为常见，其中10.1%的产前超声显示泌尿系统异常的胎儿中具有阳性遗传学检测结果，肾异常的种类不同，预后也不相同，严重的胎儿将无法存活。因此产前诊断胎肾异常变的尤为重要，可以为临床诊断提供信息，为胎儿的父母提供选择依据。致使泌尿系统畸变的机制比较多，其中的染色体异常以及基因突变起着重要的作用[2]。

HNF1β基因在肝、肾、生殖道、胰腺、消化道和脑的胚胎发育上发挥着非常重要的作用，其中该基因所致的肾方面的疾病较为常见，肾疾病中肾的多发囊肿相对多见。HNF1β定位于染色体17q12上，可以调节肾上皮细胞的功能以及发育；HNF1β作为一种同源域的转录因子可以调节肾、胰腺、肝以及其他上皮组织特异性的基因表达，在调节成人肾方面，HNF1β只在形成集合管和肾小管的上皮细胞中表达。HNF1β基因在发育中的肾也起作用，在胎儿肾中表达能够帮助肾单位以及它的分支、输尿管芽产生肾收集系统，是输尿管芽早期分化的必须因子，对于肾小管功能以及正常肾的发育极其重要。在处于发育过程中的小鼠肾HNF1β消融能够抑制输尿管芽的分支形态形成，对肾单位的形成以及肾发生造成破坏。在人类发育中，HNF1β基因的突变被当作一种常染色体显性遗传病，又被称作年轻人的成熟型糖尿病；该基因由9个外显子组成，全长大约23.8kb。HNF1β基因突变包括移码突变、整码突变、无义突变及错义突变，该基因缺失和突变与广泛性的肾异常有关[3-4]。

1 HNF1β基因发挥作用的机制

HNF1β基因在胎肾中表达，在胚胎肾发育的多个阶段，包含有肾发生、分支形态形成、肾小管和肾单位的形成都需要该基因的参与。HNF1β基因可以通过调控细胞内的信号通路、参与胎儿肾的肾小管以及肾单位节段的形成，HNF1β基因突变可致囊性肾疾病。

1.1HNF1β基因能够调控细胞内的信号通路比如：HNF1B基因可以转录激活钙敏感腺苷酸环化酶AC5以及磷酸二酯酶pde4c结合构成的复合物中的多囊蛋白-2钙通道抑制环磷酸腺苷依赖性信号转导；在以上对HNF1β靶基因的研究分析过程中，Wnt信号转导是呼声最高的一种途径。Wnt属于一种分泌糖蛋白，在干细胞更新、胚胎发育、细胞存活、分化以及增殖等方面起着关键的作用。通过全基因研究分析揭示了HNF1β基因能够与β-catenin/LEF染色质结合直接竞争抑制Wnt靶基因的相关机制[4]。Wnt信号通路也参与了急性肾损伤(acute kidney injury,AKI)向慢性肾病(chronic kidney disease,CKD)的转变，研究发现在肾发育过程中，肾发育完成后，Wnt配体的表达减少，典型的Wnt信号通路会受到抑制，相反的，在损伤过程中，间质细胞和上皮细胞均表达Wnt信号，而慢性过表达Wnt信号会诱导肌成纤维细胞及间质纤维化的增殖，可导致AKI向CKD进展[5]。

1.2HNF1β基因对近端小管的影响HNF1β基因是肾小管生成并发挥功能的重要调节因子。模式生物斑马鱼已经广泛用于肾发育及肾疾病的研究中，斑马鱼肾细胞组成、结构及功能均与人类肾相似，另外，斑马鱼肾发育较快且基因编辑技术成熟，是肾发育及肾疾病研究的理想生物。对斑马鱼的胚胎肾进行研究，进一步了解斑马鱼肾发育过程中HNF1β起的作用，HNF1β基因通过调节编码溶质载体(solute carrier,SLC)上游影响近端小管的功能。SLC基因能够编码各种溶质转运体，比如：氨基酸、糖、脂肪酸、磷酸盐、肽、肉碱以及硫酸盐，SLC基因有超过基因总数的四分之一在近端小管中表达。因此，HNF1β基因是近端小管转运功能的主要调节因子，在HNF1β基因缺陷的动物中，近端小管特异性基因表达缺失或减少。该项研究发现斑马鱼与哺乳动物在近端小管功能方面具有相似的保守性，并证实斑马鱼可以当作哺乳动物有关近端小管生理相关模型[6-7]。

1.3HNF1β基因参与肾节段的形成Notch以及Wnt都参与肾单位模式的建立，缺乏Wnt4的肾小泡不能形成S形小体，HNF1β基因只限于S形小体的内侧段，在已形成的肾单位中消除该基因将导致Notch调节因子Jag以及Dll1下调，然后导致内侧肾单位节段以及近端肾节段明显丢失[8]。

1.4NHF1β对肾囊肿形成的机制HNF1β在胚胎肾中表达，肾的发育过程两个主要的细胞间的信号转导和相互作用：后肾间充质以及输尿管芽；囊性肾的囊肿来自所有肾单位的收集系统和肾节段；通过条件灭活输尿管芽以及其衍生物来检测HNF1β在肾分支中的功能，发现HNF1β的缺失对处于有丝分裂细胞期间的细胞运动也有影响。HNF1β不仅要在尖端区域而且在输尿管芽干细胞都是维持细胞与细胞之间的接触，用来促进收集系统和上皮细胞的正常组织的进一步分化。正常情况下HNF1β在发育的肾单位以及输尿管芽的分支中均可检测出，但是当HNF1β发生突变后，HNF1β只在发育中的肾单位中检测到。在小鼠的胚胎模型中，HNF1β在小鼠胚胎第9.5天沃尔夫管上皮表达，并且贯穿于肾后期的分支输尿管芽的表达发育。HNF1β通过调节Pax-2以及Ret/GDNF/Wnt11自调节环对肾分支的发生起着至关重要的作用。人类HNF1β基因突变可形成囊性肾疾病，其中有多囊性发育异常肾、肾囊肿和糖尿病、常染色体显性遗传的肾小管间质疾病以及肾小球囊性肾病，HNF1β基因被认为是多囊性肾病(polystic kidney disease,PKD)的修饰基因。根据全基因组染色质结合分析表明，HNF1β基因可以直接调节已知PKD基因的表达，比如：多囊肾肝病、PKD2和参与PKD发病的基因，HNF1β基因调控一个转录和转录后网络，在肾囊肿发生中起到中心作用[9]。

2 HNF1β基因突变致胎儿肾表型异常

HNF1β基因最初被鉴定为成人型糖尿病(maturity onset diabetes in young,MODY)的疾病基因，随后对MODY家族的临床观察及研究中发现该基因与肾疾病有着更密切的关系，在那之后一系列与该基因相关的表型被相继报道出来，比如：肝和肠道的异常、自闭症、癫痫和原发性甲状腺功能亢进等等。HNF1β最常见的突变是17q12染色体微缺失发生的全基因缺失[4,10]。HNF1β基因突变包括基因内突变，还包括大基因组重排和全基因组缺失，该基因在人类中的突变有三分之一是全基因缺失。检测方法必须采取专门的技术测量拷贝数变异[11]。与HNF1β基因相关的疾病是一种多系统受累的常染色体显性遗传病，其临床表型存在异质性，肾受累为最常见的特征，其中肾囊肿的表现较为多见。

2.1胎肾强回声胎儿期HNF1β基因缺陷所致肾超声表现：①一侧强回声肾体积正常伴对侧肾囊性结构生成并伴体积增大；②双侧肾呈强回声但体积正常，伴或不伴肾皮质囊性结构。由于此类疾病可有无家族遗传病史的新发基因突变病例，患者及其家属可出现多种多样的临床表现，因此诊断HNF1β肾病具有重要意义。HNF1β肾病诊断标准：①主要标准包括 肾发育不良伴多囊改变 胎儿期双肾回声增强 肾缺如 不明来源的囊肿 肾萎缩。②次要标准包括 膀胱输尿管返流 异位肾 肾积水。③肾外症状包括 低钾血症 低镁血症 糖尿病 肝功能异常 氮质血症。④家族阳性病史 泌尿生殖系统畸形 肾功能异常 痛风 糖尿病或胰腺外分泌异常。如果患者同时具有两个及以上的主要症状，可直接确诊HNF1β肾病[12-13]。

2.2先天性肾畸形人类的泌尿道以及肾的发育对基因的反应比较敏感，结构基因组异常越来越被当作导致先天性畸形的重要原因。先天性肾和尿路畸形(congenital kidney and urinary tract malformation,CAKUT)患者的总体肾存活率较低，常常导致胎儿发育终止、新生儿死亡以及儿童慢性肾疾病。该疾病早期改变表现不明显不容易被发现，只要出现临床表现往往已经有肾功能的损害，严重的需要进行透析治疗更甚的需要肾移植，给患儿以及家庭带来沉重的经济负担造成巨大伤害。因此，CAKUT的预防应该从孕期开始，做到早期发现、早期干预和处理[14]。

CAKUT临床表现多种多样，比如：肾积水、马蹄肾、异位肾、肾缺如、多囊性肾发育不良等等。国外研究资料显示各种原因造成的肾积水是CAKUT的常见重要类型[11]。Duval Hélène等[15]为了研究染色体17q21.3上的HNF1β突变对胎儿的影响，对20例胎儿的临床资料、尸检报告、遗传学及超声表现进行分析得出结果。胎儿肾尸检大体表现出皮质囊肿以及单侧或双侧肾增大、肾重量异常以及发育不全。

25%的肾损害与CAKUT有密切关系，镜下表现为以肾发育不良和肾小球囊性肾为主，这项研究强调了对于患有CAKUT的胎儿中HNF1β突变占有非常重要的地位。由于CAKUT的基因型以及表型的异质性再加上不完全外显的特点使遗传学诊断存在一定程度的挑战性；CAKUT属于最常见的发育障碍，10%的CAKUT病例需要HNF1β负责[15-16]。CAKUT病例所出现的临床表现与pAX2以及HNF1β基因突变有密切关系，其中HNF1β突变跟囊性肾关系更为密切，该结论跟Ulinski等人的研究结果类似，而pAX2的突变与肾功能减退较为相关，HNF1β和PAX2基因是属于导致CAKUT的最常见致病基因。目前，PAX2以及HNF1β基因是筛查CAKUT病人基因突变的主要基因[17]。

2.2.1多囊肾疾病HNF1β基因缺陷导致的先天性肾表型异常中多囊肾疾病是常见的重要类型，胎儿肾囊肿可经过产前诊断中超声检查检测，与HNF1β在小鼠胎肾发育中重要作用相似，人类HNF1β突变与肾发育出现异常(其中一些病例表现出囊性肾)存在因果关系。在HNF1β基因突变的人群中观察到的囊性肾病与常染色体显性遗传性多囊肾疾病(autosomal dominant polycystic kidney disease，ADPKD)类似。ADPKD影响着1/400-1/1000的活产儿，是发展成为肾功能衰竭的最多见的单基因病。通常ADPKD被当作一种迟发性疾病，在过去ADPKD被认为是“成人”的多囊性肾病，由于肾囊肿的出现以及扩展在子宫内就已经开始，ADPKD 不应该再被当作成人发病。50%的ADPKD患者会发展成为终末期肾病(end-stage renal disease,ESRD)，对于ADPKD的诊断，ADPKD在儿童的诊断存在局限性，充满挑战。目前对于15岁以下的儿童尚没有明确的诊断标准，有阳性家族史以及有临床表现的高危儿童可以进行影像学检查来帮助诊断，但是，对有些病例的诊断需要借助基因评估。

HNF1β已经被认为是人类ADPKD的候选修饰基因，解剖方面的损伤被认为是ADPDK患者向ESRD发展的一个有力并且独立的预测指标。越来越多的研究证据表明肾损伤开始于胎肾第一个肾囊肿的形成，虽然ADPKD的产前表现是罕见的，但其发病与HNF1β具有相关性[18]。

2.2.2肾发育不良中HNF1β基因杂合类型肾清除废物、过滤血液以及参与体内电解质的平衡。HNF1β是肾小管形成的关键调节因子，先天性肾发育不良是遗传改变引起的，其中HNF1β基因突变是最常见的原因。进行深入研究提取马蹄肾患者DNA扩增后进行基因测序，用限制性核酸内切酶判断变异体是纯和体还是杂合体，结果证明了存在HNF1β杂合遗传变异体[19]。根据HNF1β突变属于杂合子突变，运用全外显子序列测定可以对HNF1β基因进行检测，检测出HNF1β基因内有一个大小约4 bp的新杂合子，此类突变被认为是致病性的突变，该突变导致蛋白质移码出现异常，进而影响蛋白质的翻译[20]。

3 HNF1β基因突变可导致羊水的异常

HNF1β突变对肾的影响是显著的，但是变化不定，从肾发育不全伴完全肾结构畸变到小的肾小球囊肿；HNF1β突变通过对胎肾的改变而对羊水产生影响。虽然在大多数病例HNF1β突变有关的产前胎儿肾异常中羊水体积是表现正常，但也有出现严重的羊水过多或羊水过少；羊水过多是羊水的过度积累，羊水指数在胎龄的95%及以上，羊水过多易出现在伴有胎儿多尿的肾小管的异常(比如产前的Bartter综合征)、胎儿母亲糖尿病控制不良、胃肠畸形、胎儿贫血、胎儿水肿以及神经肌肉疾病等等。有相关研究报告在携带HNF1β基因突变的胎儿观察到羊水过多发生在妊娠中晚期，这些胎儿肾表现为双侧肾不典型增生并伴有肾小管和肾小球微囊[21]。

HNF1β编码肝细胞核因子1β，在胎儿肾发生中的肾小管以及输尿管芽的发育具有显著作用。不同肾畸形预后也不同，对于多囊性肾病变在孕期或者胎儿出生以后囊肿可以缩小亦有可能消失，还有些表现出患侧的肾发生萎缩。多囊性肾发育不良仅限于单侧肾的患者，多预后良好，出生后的主要并发症为高血压、输尿管返流、感染等；多囊性肾发育不良累及双侧肾的病例则预后较差。另外HNF1β基因突变不仅表现在肾方面的异常，HNF1β基因突变最开始被描述为MODY5的病因，后来HNF1β变异被证明与肾囊肿-糖尿病综合征、肾发育不全、常染色体显性遗传的肾小管间质性肾病、青少年高尿酸血症性肾病)和先天性肾和尿路异常等相关[22]。HNF1β基因也参与了肝以及胰腺生成的转录因子，而且在肾外可以表现为早发糖尿病、低镁血症、低钾血症、氮质血症、发育迟缓、早发痛风和高尿酸血症、神经精神疾病的非典型临床表现等等[23]。

4 结语与展望

胎儿超声提示肾高回声或者肾囊肿等相关的肾发育不良，应该警惕与HNF1β基因突变有关。HNF1β突变所致的疾病表现多种多样并且缺乏特异性为诊断带来了挑战，但随着对该基因突变的认识不断深入，以及产前诊断技术的日益发展，不久的未来将会发现对HNF1β基因突变所致疾病的诊断方法，尽早指导临床治疗、改善患者预后。