唐氏综合征神经系统发育障碍疾病模型的构建及发病机制的研究进展▲

梁文垦 龚蔚蔚 侯显良 莫春娥 欧明林

(1 桂林医学院第二附属医院中心实验室，广西桂林市 541199，电子邮箱：wenken199510@163.com； 2 广西师范大学生命科学学院，桂林市 541006)

【提要】 唐氏综合征是人类常见的染色体数目异常疾病，临床上，先天性智力障碍是唐氏综合征的主要表型之一，为此，探讨唐氏综合征神经系统发育障碍的机制尤为重要。建立动物和细胞疾病模型是研究疾病的关键，本研究报道了较为成熟的唐氏综合征疾病小鼠模型及细胞模型，同时综合了国内外近年研究结果，对唐氏综合征神经系统发育障碍的发病机制，包括氧化应激、线粒体功能障碍和21号染色体基因剂量异常的相关内容进行综述，以期为唐氏综合征患儿早期预防和治疗神经系统异常提供参考。

唐氏综合征又被称为21-三体综合征，是人类常见的染色体数目异常疾病，其发病与患者的21号染色体数目异常有关。唐氏综合征的发病率约为1 ∶800～1 ∶750，并且胎儿的发病率随着孕妇年龄的增加而增高。随着产前诊断技术的不断进步，该病发病率呈下降趋势[1]。但是，我国城乡医疗发展水平与城市并不平衡，且部分家庭缺乏产前诊断意识，导致我国每年新增唐氏综合征患儿高达2.6万例。据统计，每例唐氏综合征患儿出生所带来的经济负担为人民币45万元，其中2003年全国的总经济负担高达81.40亿元[2]。唐氏综合征患儿常伴有先天性智力低下、发育迟缓、面容体征异常、先天性心脏疾病、急性白血病、先天性消化器官畸形以及阿尔茨海默病等严重临床病症[3-4]。目前，该病尚无有效的根治方法，仅限于简单的对症治疗，对症治疗在一定程度上可改善患者的智力水平及自理能力。在临床上，先天性智力障碍是唐氏综合征的主要表型之一[5]，其发病与患者神经系统发育障碍有关。目前，不少研究证实了该病神经系统发育障碍与患者体细胞21号染色体(homo sapiens chromosome 21，HSA21)基因剂量改变引起的氧化应激有关[6-7]。通过基因芯片及其他分子生物学技术证实大多数基因剂量敏感型的HSA21基因表达量与基因拷贝数成正比，即HSA21三倍体与二倍体基因相对表达量比值约为1.5[2,8]。因此，建立唐氏综合征疾病模型，不仅能深入认识先天性智力障碍的发病机制，也有助于治疗药物的筛选。本文主要对唐氏综合征神经系统发育障碍模型的构建及发病机制的研究进展进行综述。

1 唐氏综合征神经系统发育障碍模型的构建

1.1 动物模型 目前，通过电离辐射构建唐氏综合征小鼠模型较为成熟，其中该方法建立的Ts65Dn小鼠模型应用最为广泛[9]。Davisson等[10]利用电离辐射雄性小鼠精巢，随后与未经电离辐射处理的雌鼠进行杂交，并选育16号染色体易位的子代作为模型小鼠。一些研究发现，在小鼠体内重复HSA21的同源片段能够展示唐氏综合征患者的部分表型，其中包括类似的认知、行为、生理及神经细胞形态等[11]。例如，唐氏综合征模型小鼠的神经细胞发育存在明显障碍，可观察到树突分支数量及形态异常、树突棘成熟障碍和神经元之间的连接较少等现象[12]。但是，唐氏综合征小鼠模型的应用也存在较大的局限性。首先，由于存在种间差异，小鼠与人类的遗传背景并不完全相同，使得同一基因型导致的疾病表型不同[13]。其次，与人类HSA21相同的基因分布于小鼠的不同染色体上，如16、17和10号染色体[14-15]。最后，人类神经系统的构造更为复杂，利用小鼠模型模拟患者的神经系统存在极大的困难。

1.2 细胞模型 患者来源的原代细胞具有与患者相同的遗传背景，是研究唐氏综合征神经系统发育障碍的重要工具之一[16]。然而，原代细胞数量有限且难以在体外培养扩增，其应用前景相对有限。近年来，不少研究证实了患者来源的疾病特异诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cell，iPSC)是人类染色体遗传性疾病研究的理想工具之一[17]。iPSC是诺贝尔奖获得者山中伸弥2006年利用病毒载体将四种转录因子(Oct4、Sox2、Klf4及c-Myc)转入体细胞，使其重新编程为类似胚胎干细胞的一种细胞类型[18-19]。针对唐氏综合征iPSC细胞系的多个研究证实，唐氏综合征特异iPSC分化后，其神经元形态异常以及功能障碍[20-21]。此外，Sobol等[22]发现，唐氏综合征iPSC在分化过程中关键信号通路及细胞功能发生失调，且HSA21上的相关基因异常表达，其中包括导致神经细胞发育紊乱的淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein,APP)。但是，人类脑组织是由不同类型的细胞相互作用而成，一般的疾病细胞模型并不能重现人脑的复杂结构，其应用前景相对有限[23]。值得关注的是，唐氏综合征特异iPSC来源的类脑器官似乎可以突破细胞模型的局限性，Sutcliffe等[23]将唐氏综合征患者体细胞来源的iPSC置于三维旋转生物反应器中培养数月，生成的类脑器官具有三维结构，能够重现人脑的部分功能，为进一步研究唐氏综合征神经系统发育障碍及其致病机理提供了模型基础。

2 唐氏综合征神经系统发育障碍的发病机制

2.1 氧化应激 近些年，不少研究证实了患者脑组织氧化应激水平上调是唐氏综合征的早期病理特征之一[24-26]。唐氏综合征氧化还原蛋白质组学分析表明，唐氏综合征患者体内许多参与细胞生理过程的蛋白质被氧化修饰，进而导致患者体细胞能量代谢及线粒体功能障碍[27]。值得关注的是，HSA21上的一些基因直接或间接地促进自由基的产生进而改变了脑细胞的氧化还原状态[8]，其中超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1，SOD1)、APP以及转录因子BACH1已被证实是活性氧诱导剂[26,28]， 活性氧水平上调是导致氧化应激的关键因素之一[6,29]。

随着唐氏综合征神经系统发育障碍的作用机理得到进一步的阐明，抗氧化剂似乎成为一种有效的治疗手段。Lockrow等[30]发现,给予唐氏综合征小鼠模型每日补充50 mg维生素E，5个月后小鼠的氧化应激水平下降并且空间记忆能力得到改善。另一项研究报道了唐氏综合征小鼠从早期发育阶段开始给予维生素E处理(每千克食物加入1 g维生素E)，发现小鼠脂质过氧化物水平下调，且海马齿状回组织中神经细胞数量明显提高[31]。在一项临床试验中，给予唐氏综合征患者每日维生素E 400 mg及维生素C 500 mg进行治疗，发现6个月后患者脂质过氧化物水平下调，全身性氧化损伤减轻[32]。辅酶Q10是一种脂溶性抗氧化剂，具有清除自由基的作用[33]，Zaki等[34]发现唐氏综合征患儿的血小板及淋巴细胞中的辅酶Q10表达显著下调，且辅酶Q10的表达与患儿的智商成正比。另一项唐氏综合征患儿的双盲试验结果表明，辅酶Q10可抑制患儿DNA中嘧啶碱基的氧化损伤[35]。考虑其原因为，辅酶Q10具有良好的抗氧化潜能，能够阻止DNA及神经细胞受到氧化损伤[36]。

2.2 线粒体功能障碍 线粒体是细胞进行有氧呼吸的主要场所，被称为“细胞动力工厂”，其在神经细胞发育过程中起到关键的作用[37]。研究表明，细胞内分子信号转导途径异常导致的线粒体功能障碍，对神经细胞发育成熟过程及神经可塑性产生了不利的影响[38-39]。此外，研究还证实了ATP的合成以及氧化还原平衡在人类神经细胞发育成熟过程中发挥着重要的调控作用[39]。因此，深入探讨线粒体功能障碍在唐氏综合征神经系统发育障碍中的作用具有重要意义。

线粒体脂质膜呼吸链酶复合体Ⅰ是呼吸链上的重要组成元件，其是第一个也是最大的复合体，是电子进入氧化磷酸化系统的主要通道[40]。在线粒体内，呼吸链酶复合体Ⅰ活性受到蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)介导的氧化磷酸化调控[40-41]，环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)/PKA分子信号通路显著影响着线粒体功能。近年来，唐氏综合征小鼠模型的研究结果显示，海马体组织中PKA活性显著下降，呼吸链酶复合体Ⅰ中的NADH脱氢酶Fe-S蛋白4亚基磷酸化比例减少，活性显著下降[40,42-43]。此外，还有研究证实唐氏综合征患者线粒体中呼吸链及其内膜氧化磷酸化受抑制时，会导致cAMP/PKA信号通路的关键调控分子活性氧水平上调、ATP产量下降[44]。

2.3 21号染色体基因剂量异常 目前，有研究提示唐氏综合征患者HSA21基因剂量异常导致SOD1基因过度表达可能是引起细胞活性氧水平上调的重要因素[45]。当然，另外一些研究也显示，唐氏综合征患者HSA21上的其他基因过度表达对疾病发展也同样发挥着重要作用[8,46]。不少研究表明，APP基因的表达与β-淀粉样蛋白的产生呈正比关系，二者都可能通过干扰线粒体功能来促进活性氧的生成[47]。最近，有研究报道唐氏综合征患者的脑组织中BACH1基因过度表达，其编码的BACH1是一种亮氨酸拉链蛋白，起到抑制抗氧化基因转录的作用[48]。核因子E2相关因子2(nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2)蛋白通过激活抗氧化反应元件来介导多种抗氧化酶的产生，如NADPH醌氧化还原酶1、血红素加氧酶1[49-50]。研究表明，BACH1蛋白可与Nrf2蛋白竞争性结合抗氧化基因，当唐氏综合征患者体细胞BACH1蛋白上调时，抗氧化基因转录过程受到抑制，进而使得患者氧化应激水平上调[28,31]。总之，HSA21上的SOD1、APP及BACH1基因过度表达是唐氏综合征患者氧化应激水平上调的重要因素，筛选无副作用的抑制性药物具有重要意义。

3 小 结

随着学者们对唐氏综合征动物疾病模型的探索和人类唐氏综合征发病机制了解的深入，发现唐氏综合征神经系统发育障碍可能与氧化应激、线粒体功能障碍和SOD1、APP及BACH1基因过度表达有关。为此，笔者提出早期应用抗氧化剂、线粒体治疗及抑制致病基因表达将是治疗唐氏综合征的突破口。但由于该病涉及的致病分子机制尚未被完全阐明，动物模型探索、致病机制研究及开发新药干预仍然任重而道远。