Prader-Willi综合征代谢表型与遗传研究进展

赵春晖 李占斌 辛静昕 张新焕 高 聆

1.山东大学齐鲁医学院附属省立医院内分泌科，山东济南 250021；2.山东省糖尿病与代谢疾病临床医学研究中心，山东济南250021；3.山东省内分泌与脂代谢重点实验室，山东济南 250021；4.山东第一医科大学附属省立医院内分泌科，山东济南 250118；5.山东第一医科大学第二附属医院，山东泰安 271000

普拉德-威利综合征（Prader-Willi syndrome，PWS）由 Andrea Prader，Alexis Labhart 和 Heinrich Willi 于1956年首次发现并报道，是一种由父系遗传染色体15q11 ～q13上的印记基因缺失或沉默引起的多系统的复杂表观遗传病。主要有3种遗传亚型：父系15q11 ～q13缺失、15号染色体母系单亲二倍体和印迹缺陷［1］。DNA 甲基化分析可以诊断这三个分子遗传类别的PWS，也可区分PWS与Angelman综合征。最近的流行病学研究估计，PWS患病率约为1/30 000 ～1/15 000，大多数病例为散发性，没有种族和性别差异［2］。

PWS的主要临床表现为：婴儿期肌张力低和吸吮无力，导致无法茁壮成长；随后在婴幼儿后期或儿童早期出现贪食、能量消耗减少和代谢率低，逐渐发展为肥胖、身材矮小、生长速度减慢，智力残疾以及行为问题；中年期肥胖会导致阻塞性睡眠呼吸暂停、2型糖尿病和其他代谢综合征，PWS患者还可能有骨密度低、甲状腺疾病、隐睾、性腺功能减退以及青春期延迟或停滞等表现［3］。PWS对患者的健康和寿命造成严重影响，导致每年约3%的死亡率（大约是正常人群的 3 倍）［4］。PWS 患者的内分泌代谢系统受到的影响最大，本研究总结了PWS代谢表型与遗传机制的相关性的研究进展。

1 PWS的代谢疾病

PWS 是一种以下丘脑-垂体轴功能障碍为特征的遗传疾病［5］，会导致多种内分泌代谢疾病，包括肥胖、生长激素缺乏症、性腺功能减退症、甲状腺功能减退症、骨质疏松症、中枢性肾上腺功能不全等，本研究总结了常见的PWS中这些代谢疾病的发病率，以期改善患者健康和发育结果，见表1。

表1 PWS既往代谢疾病研究

1.1 肥胖及其共存病

肥胖是导致PWS 代谢并发症和生活质量下降的最常见原因［6］，从营养不良和无法茁壮成长到食欲亢进、肥胖的转变是复杂的，有7 个营养阶段：0期（阶段1，在子宫内）胎动减少，出生体重减低；1a期（阶段2，0 ～ 9 个月）喂养困难；1b 期（阶段3，9 ～25个月）无喂养困难；2a期（阶段4，2.1 ～4.5岁）体重增加而不增加食欲；2b 期（阶段5，4.5 ～ 8 岁）体重随着食欲的增加而增加；3 期（阶段6，8 岁～成年）食欲亢进，很少感到饱腹感；4 期（阶段7，成年）食欲不再贪得无厌。值得注意的是，PWS患者的肥胖与单纯性肥胖有不同的特点：与体重指数（BMI）相近的单纯性肥胖患者相比，PWS患者的瘦体重较低，而脂肪质量较高；PWS患者空腹甘油三酯较低；PWS患者的内脏脂肪含量较低，这可能是PWS患者检测到的胰岛素敏感性较高和血脂异常患病率较低的原因［7］。

了解PWS 中肥胖的原因是护理该综合征患者的首要问题，目前普遍认为，其肥胖主要与下丘脑饱腹感中枢及其激素调节回路的功能障碍有关，从而导致持续的、永不满足的食欲，吞食过多和饥饿相关的进食行为。几个脑区（下丘脑、杏仁核、海马、眶额叶和内侧前额叶皮质）的改变在PWS 的摄食调节异常中起重要作用，磁共振成像数据表明，与非PWS肥胖对照组相比，PWS患者在餐后对边缘区和边缘区（下丘脑、杏仁核、海马）的食物激活中心的刺激较大，而单纯性肥胖的对照组皮层抑制区（眶额皮层、内侧前额叶皮层）的活动显著增加。与非PWS肥胖患者相比，PWS患者对高热量和低热量食物的反应过度刺激了与饱腹感相关的下丘脑神经元回路。这些脑功能研究表明，下丘脑对饱腹感控制的破坏、相关奖赏回路区域的功能障碍和抑制控制区域的损伤共同导致了PWS 的极度嗜食和肥胖［8］。既往研究还对PWS 肥胖的病因学提出了其他机制，包括调节食欲和饱腹感的激素紊乱、身体成分差异、低肌张力导致能量消耗减少和具有自闭症谱系障碍特征的行为改变等［9］。

肥胖是PWS过早发病和死亡的主要原因，共存病指的是与原发疾病同时存在且相互独立的一种或多种疾病或临床状态。PWS 患者通常与超重相关的共存病包括呼吸系统问题（肺栓塞、呼吸衰竭、肺动脉高压）、睡眠障碍（阻塞性睡眠呼吸暂停）、右心功能障碍、心肌梗死和高血压等相关。至于代谢疾病，有研究表明，约三分之一的受试者报告了高脂血症［10］；PWS 患者中最常见的糖尿病是 2 型糖尿病（T2DM），患病率大约为7%～24%，肥胖和体重增加是胰岛素抵抗和T2DM发展的危险因素，然而，肥胖在PWS 患者T2DM 发病机制中的作用仍有争议［11］。T2DM 的 PWS 患者大多无症状，糖尿病相关并发症很少见。对PWS 患者进行预防肥胖的早期干预和定期监测血糖水平是非常有必要的。

1.2 生长激素缺乏症

胎儿出生后生长速度减慢、身材矮小、肌张力减低、身体成分异常、能量消耗低是PWS 患者的典型临床特征，与非PWS的生长激素缺乏患者的临床特征相似。对PWS 儿童的多项临床研究表明［12-13］，80%的患者对刺激试验的生长激素反应降低，自然生长激素分泌减少，几乎所有患者IGF-I值低；患有PWS 的成年人中有0 到70%符合严重成人生长激素缺乏的标准［14］。已有研究表明，生长激素缺乏可能是由于神经内分泌转换酶1缺陷导致生长激素释放激素神经肽成熟降低［15］。生长激素治疗可改变该病的自然病史，经过治疗，患有PWS 的幼儿和儿童有50%的病例是正常体型，合并疾病也更少［16］。研究表明，接受长期（中位时间=20年）生长激素治疗对身高、身体成分、代谢状态没有不良的影响［17］。

1.3 性腺功能减退症

性腺功能减退症是PWS 中最常见的激素缺乏症［18］，在不同性别和各个年龄段都有表达。出生时，大多数男孩（92.7%～100%）患有双侧或单侧隐睾症，女孩表现出小阴唇发育不良的迹象。在大多数患有PWS的男性个体中，睾丸组织学显示精原细胞数量减少或缺失，这与早熟或侵袭性早熟有关［19］。患有PWS 的女性患者中，或者没有卵泡发育，或者卵巢组织结构异常，少数人的抑制素B浓度低或正常，这表明测定抑制素浓度的重要性［20］。PWS 的性腺功能减退症的治疗尚未达成共识，因此，个体化的方法很重要。由于研究较少，尚不清楚性类固醇治疗是否应该以完全替代为目标，或者是否低剂量就足以达到预期的临床目标。

2 PWS的遗传机制与代谢表型相关性

2.1 遗传亚型与代谢表型相关性

既往研究揭示了PWS 的四种遗传亚型，包括：（1）大约65%～75%的PWS患者表现出典型的父系15q11 ～q13 区域的缺失（Ⅰ型、Ⅱ型或不同长度的非典型缺失，取决于染色体的近端断点）；（2）20%～30%的患者表现为母源15 号染色体单亲二倍体（maternal uniparental disomy，UPD）；（3）1% ～ 3%的患者为印记中心突变或微缺失；（4）极少患者出现染色体平衡易位［21］。这些分子的缺陷最终会造成15q11 ～q13 区域父本基因功能缺失。目前还没有已知的表型特征与PWS 的三种主要亚型中的某一种完全相关，但是，很多研究表明PWS 最常见的两种遗传亚型（缺失和UPD）之间存在生理、智力和行为上的差异：父源缺失的患者与进食问题、睡眠障碍、面部外观、色素减退以及言语障碍相关性更强［1］；而与缺失患者相比，UPD的患者过期产更为常见［22］，患者言语智商更高，也更有可能患有精神病和自闭症谱系障碍［23-25］。我们总结了两种主要遗传亚型（缺失和UPD）之间的代谢表型差异如下。

2.1.1 BMI 2007年Galassetti等［26］报道了在37名PWS患者中，缺失（n=20）的受试者与UPD（n=17）的受试者之间有相似的BMI；2018年Manzardo 等［27］也报道了缺失（n=36）的受试者与UPD（n=29）的受试者之间有相似的 BMI；2019 年 Butler 等［28］同样报道了缺失（n=26）的受试者与UPD（n=21）的受试者BMI差异无统计学意义。然而，2014年Laurier等［29］报道过缺失（n= 101）的受试者比没有缺失（n= 42）的受试者有更高的 BMI；2020 年Shepherd等［30］研究表明，与非缺失（n=53）的受试者相比，缺失（n=72）的受试者的体重和BMI 更高，差异的大小随着体重、年龄的增长而增加。综上所述，遗传亚型与BMI之间的相关性尚不能确定。

2.1.2 脂肪分布 2016 年 Coupaye 等［31］的研究招募了73名PWS患者，其中47例为缺失亚型，26例为UPD，他们的平均年龄、性别比例、身高、性腺功能减退症患病率、性激素治疗和目前的生长激素治疗在两组之间没有显著差异。研究表明，他们在脂肪的分布上也存在一些差异，UPD患者有相对较高的脂肪量。他们认为，缺失的患者的脂肪细胞增殖能力可能会增强，可以通过生长激素治疗部分纠正，而UPD 患者的脂肪细胞对生长激素治疗可能不敏感。解释脂肪细胞扩增能力和对GH处理敏感性差异的分子机制仍有待确定。

2.1.3 肥胖相关因素 2007年Talebizadeh 等［32］在对 55 例 PWS 患者（其中有 20 例缺失型，17 例 UPD）的研究中发现，PWS缺失受试者的腰臀比更低，臀围更高，而BMI、空腹甘油三酯、空腹胆固醇、瘦素、葡萄糖、皮下脂肪面积、内脏脂肪面积差异无统计学意义。肥胖相关因素的相关分析还揭示了两个遗传亚组之间的差异，如在PWS 缺失受试者中，胆固醇与葡萄糖、甘油三酯和内脏脂肪面积之间存在显著的正相关，但在PWS 的UPD 组中不存在这些相关性。因此，结果可能表明PWS 的两个遗传亚组（缺失和UPD）之间与肥胖模式相关的机制存在差异。

2.2 与代谢表型相关候选基因

由着丝粒至染色体长臂端粒方向，15q11 ～q13区域大体可分为4个区域（图1）［33］：（1）位于近端断裂点BP1 和BP2 之间的近端非印迹区域，包含4 个双亲表达基因 GCP5、CYF1P1、NIPA2 和 NIPA1；（2）PWS 父源表达区域，包含 MKRN3、MAGEL2、NECDIN、双顺反子基因SNURF-Snrpn、C15orf2（在睾丸中双等位表达，但在大脑中父系等位基因表达）、C/D盒小核仁RNA基因簇（SnoRNAs）和几个反义转录本（包括UBE3A 的反义转录本）；（3）Angelman综合征（AS）区，包含母系优先表达基因UBE3A 和ATP10A；（4）远端非印迹区，包含3个GABA受体基因簇、眼皮肤白化病2 型（OCA2）基因、HERC2 和远端断裂点BP3。目前还没有研究证明单个基因突变可以导致PWS，我们总结了一些与PWS患者代谢表型相关的候选基因。

图1 15q11 ～q13区域基因

2.2.1 PWS患者摄食行为相关的候选基因 MAGEL2是黑色素瘤抗原基因家族（melanoma antigen gene family，MAGE家族）成员，MAGEL2 基因缺失的小鼠表现出与PWS类似的内分泌代谢障碍：新生儿生长迟缓；断奶后肥胖增加，体重过度增长；下丘脑调节受损和昼夜节律改变［34-35］。在PWS患者中常见的摄食增多与下丘脑弓状核的缺陷有关，下丘脑弓状核是神经肽 Y（neuropeptide Y，NPY）、刺鼠相关肽（agouti-related protein，AgRP）、促黑素细胞皮质素原（pro-opiomelanocortin，POMC）和瘦素（leptin）的主要作用部位，其功能包括调节摄食量和体重。NPY/AgRP 相互作用刺激摄食量，而POMC 则减少摄食量。MAGEL2的缺失干扰了瘦素介导的POMC神经元的去极化，表明食物摄入受到的抑制较少，瘦素调节的脂肪储存不受控制［36-38］。

对罕见的小缺失或易位的PWS 患者的临床研究已经确定了以SNORD116 基因为中心的PWS 的最小临界区域［39］。SNORD116 基因主要在大脑中表达，作为表观遗传调节因子参与中枢神经系统的成熟，引起脑功能、神经元成熟和突触形成的变化。它如何执行功能的问题一直是PWS 的病因学研究热点。2015 年 Purtell 等［40］将双等位 Snord116基因敲除的小鼠与成年早期的对照组小鼠进行了比较，发现了早期研究中未注意到的现象：小鼠的原位杂交实验证实，下丘脑NPY 和POMC 神经元（控制摄食行为的主要食欲调节神经元）的mRNA表达明显上调；同时，观察到它们的食物摄入量增加。这些现象表明Snord116 与摄食行为之间存在功能联系。

2.2.2 PWS 患者性腺功能减退相关的候选基因 MKRN3（makorin ring finger protein 3）是第15号染色体上PWS区域的第一个基因，它参与控制青春期的开始。该基因可以直接或通过神经激肽B（NKB）途径抑制促性腺激素释放激素（GnRH）的表达［41］，导致黄体生成素（LH）和卵泡雌激素（FSH）水平下降，从而导致下游效应。该基因与抑制青春期启动有关，其功能失去突变被认为是中枢性性早熟的主要遗传原因［42］。小鼠模型也支持MKRN3 突变与青春期功能障碍之间的相关性，表明其可能在下丘脑-垂体-性腺轴中发挥作用［35］。总之，MKRN3成为PWS 患者性腺功能减退和不育症的有力候选基因。

此外，MageL2 表达的缺失会损害小鼠的生殖功能，MageL2 缺失的雌鼠表现出延长和不规则的发情周期，而雄鼠表现为睾酮水平降低，信息素检测减少［43］。这些结果表明MAGEL2 的表达缺失是PWS生殖缺陷的原因之一，同时也凸显了正常昼夜节律在维持生育能力中的作用。

Necdin（NDN）基因编码NECDIN 蛋白，是一种DNA 结合蛋白，在成熟的下丘脑神经元中高度表达［44］。既往研究发现，它在体外和体内都是GnRH水平的关键调节因子，缺乏NDN会降低GnRH基因的表达，导致GnRH 神经元数量减少，可能是PWS性腺功能减退和不育症的原因之一［44-46］。

已有动物实验表明，SNORD116基因簇的丢失会导致无义螺旋环螺旋2（nescient helix loop helix 2，NHLH2）和前蛋白转化酶枯草溶菌素1（prohormone convertase kexin type 1，PCSK1）的表达减少，而胃饥饿素（ghrelin）、GnRH 和胰岛素被PCSK1 转化为它们的活性形式［47］。胃饥饿素参与生长激素（GH）的分泌，所以生长激素会减少；GnRH 缺乏，促性腺激素水平较低，从而也会导致性腺功能减退。

3 总结与展望

PWS是一种复杂的遗传性疾病，其代谢表型尤为突出，从出生时的低体重到暴饮暴食的体重增加，以及伴有激素缺乏、行为问题和自主神经异常的严重肥胖。生长激素缺乏、性腺功能减退、甲状腺功能减退、肾上腺早熟、促肾上腺皮质激素缺乏、青春期早熟和糖代谢紊乱是主要的内分泌代谢障碍。本研究认为，不同遗传亚型PWS 患者，代谢表型不同；多种候选基因可能以不同机制引起同一种代谢表型。目前尚无有效的药物可以治愈PWS，只能对症治疗，针对不同表型特征、内分泌代谢紊乱进行干预。更好地了解PWS 的遗传机制与代谢表型的关系可以为新的治疗方法开辟空间。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突