脆性X綜合征分子病理及治療研究進展

丁 寧 李芳芳綜述 鄒檢平，*審校

1.國家人口計生委科研所內分泌室(北京，100081);2.沈陽藥科大學生命科學與生物制藥學院

脆性X綜合征(FXS)是一種常見的遺傳性智力低下綜合征，其發病率僅次于唐氏綜合征，呈X連鎖遺傳。FXS的發病率男性為1/4 000，女性為1/6 000。99%以上的FXS患者，其發病的分子遺傳學基礎是FXS智力低下基因1(FMR1)動態突變，使其編碼的脆性X蛋白(FMRP)表達減少或者缺失。本文擬探討FXS的分子遺傳學發病機理和治療新進展。

1 發病機理

1.1 X染色體脆性位點

脆性位點得名于含有突變基因的X染色體長臂的特殊表現，即在顯微鏡下觀察，某一位點細如絲線，脆性很大，故而得名。迄今發現的26種罕見脆性位點，只有Xq27～q28區域的脆性位點與遺傳性疾病有關。FXS因與Xq27.3處葉酸敏感性脆性位點(FraXA)相關而命名，幾乎所有的男性患者及約半數女性攜帶者可檢測到該位點。此外在Xq27～q28區域分布的脆性位點FraXD、FraXE、FraXF也與人類智力低下有關，在細胞遺傳學水平上不易與FraXA 位點鑒別［1］。

1.2 脆性X基因家族

FXS智力低下基因(FMR1)定位于 Xq27.3，其5'端非編碼區(CGG)n三核苷酸重復序列的異常擴增及CpG島的異常甲基化可引起編碼產物蛋白(FMRP)表達下降或缺失。脆性X相關基因1和2(FXR1/2)分別定位于3q28及17q13.1，其序列及結構與FMR1具有高度的相似性，且可兩兩以同源或異源二聚體形式存在，三者統稱為脆性X基因家族［2］。FXR1和FXR2類似于FMR1，也具有與蛋白質結合及與mRNA結合的功能，而且本身也可以與FMR1 mRNA、FMRP相互作用，且可能與FXS的發病密切相關［2］。

1.3 FMR1基因結構及AGG單元的嵌入

FMR1基因由17個外顯子和16個內含子組成，全長約38kb。5’非翻譯區存在一段數目可變的(CGG)n重復序列，其上游250bp處有一個CpG島。正常人(CGG)n重復數具有多態性，范圍在6～50之間;FMR1基因(CGG)n結構中AGG單元的丟失可影響(CGG)n結構的穩定性，因為AGG單元數目的減少或缺失通常伴隨著(CGG)n結構的擴展，但絕大多數FMR1基因的(CGG)n結構中嵌入了13個AGG三核苷酸單元［3］。

1.4 FXS的分子病理

FMR1基因內(CGG)n重復序列的不穩定性擴增及CpG島的異常甲基化，以及基因缺失和基因點突變是導致FXS的分子機制。

1.4.1 FMR1 基因5'端(CGG)n重復序列異常擴增根據CGG擴增程度可將其突變分為以下3種類型:①前突變。CGG重復52～200拷貝，一般不甲基化，并具有相對正常的轉錄和蛋白水平，但不能穩定遺傳給下一代，有發展成全突變的潛能。②全突變。CGG重復高于200拷貝，由于(CGG)n序列位于轉錄起始點和翻譯起始點之間，解鏈酶在此不能有效地打開雙鏈，從而形成局部單鏈，且所形成的單鏈內也易形成“發夾”結構，阻礙后續的轉錄，所以患者細胞中FMR1 mRNA拷貝數減少或缺乏［4］。另外即使完成mRNA的轉錄，由于mRNA 5'端非翻譯區過長，易形成二級結構，翻譯過程受到抑制，FMRP量減少。有研究表明，全突變患者體細胞中FMR1 mRNA和FMRP的量均少于正常人，甚至缺乏［2］。③嵌合型。屬于一種中間類型，約占基因突變類型的15%，具有前突變的基因型以及較低程度的CpG島甲基化和體細胞不穩定性。CGG重復序列不同程度的擴增可導致鄰近CpG島內不同程度甲基化，而CpG島的過度甲基化可能抑制FMR1基因的正常轉錄、表達，從而出現臨床癥狀。

1.4.2 FMR1基因 5’端 CpG 島的異常甲基化FMR1 CGG重復序列不同程度的擴增可引起鄰近CpG島內不同程度甲基化，而CpG島的過度甲基化可能抑制FMR1基因的正常轉錄、表達，從而出現臨床癥狀。FXS是CGG重復過度增加和相鄰區異常甲基化的結果，幾乎所有患者FMR1的mRNA及其蛋白產物不表達或低表達［4］。

1.4.3 FMR1基因缺失和點突變1995年 Hirst等［5］報道了2例男性FMR1基因缺失型 FXS，1例是在40%的外周血細胞中FMR1基因啟動子區域缺失660bp的DNA片段，包括CpG島和(CGG)n序列及mRNA合成起始位點，另1例缺失25kb DNA片段，FMR1 mRNA完全缺乏，熒光定量聚合酶鏈反應(RT －PCR)產物陰性。此外，De Boulle等［6］發現1例FXS患者，即存在FMR1基因點突變(Ile367→Asn367)。

此外，最新的研究表明FMRP可調控微管的網絡形成［7］。當缺失時細胞核周圍的微管變得更加密集，而細胞核之間的微管密度下降，并且微管網絡破壞，呈無序纏結。FMR1基因與微管剪切蛋白基因spastin相互作用，控制微管結構和表達量的變化。微管是細胞的重要骨架蛋白，影響著神經肌肉突觸的形態發育。這些結果為FXS的發病機理以及治療藥物的篩選提供了新的思路和靶點。

2 治療研究進展

隨著分子遺傳學技術的發展，現已將細胞遺傳學方法、DNA分子診斷方法以及基因表達產物的免疫細胞化學診斷方法等應用于FXS的診斷中，診斷水平取得突破。但是，FXS在臨床上尚無有效的治療方法。近幾年試驗性治療FXS的兩種理論研究越來越受到人們的關注。

2.1 mGluR 理論

最近的研究發現，代謝性谷氨酸受體(mGluR)功能過度激活可能參與了FXS的發病過程，應用代謝性谷氨酸受體拮抗劑能改善FXS的認知障礙。

2.1.1 mGluR與神經元樹突棘FXS患者和FMR1基因被敲除的小鼠神經元樹突棘發育不成熟，不成熟的樹突棘導致突觸功能障礙，這可能是腦功能異常的基礎。mGluR是G蛋白偶聯受體，可分為3組共8個亞型。其中第1組(mGluR－I)代謝性谷氨酸受體包括 mGluR1和 mGluR5［8］，主要分布于海馬、大腦皮層淺層、基底節、嗅球、丘腦底核和小腦分子層等處，通過調節細胞內的鈣離子濃度和蛋白表達來影響樹突棘形態，在突觸的傳遞和可塑性中發揮重要作用［8］。在動物模型上激活mGluR－I所觀察到的變化與FXS的病理變化和臨床癥狀非常相似。

2.1.2 mGluR與FMRPmGluR能調節FMRP合成，當受到mGluR－I特異性激動劑刺激時，FMRP mRNA會被吸收進入突觸后多聚核糖體，幾分鐘內即出現FMRP水平升高，在突觸小體及富含多聚核糖體復合物的亞細胞區均可觀察到這種含量增加現象。此外，mGluR與 FMRP細胞內轉運也有關，mGluR，特別是 mGluR5激活，是 FMRP和 FMR1 mRNA向樹突和突觸轉運所必需的［9］。

mGluR激活會誘發一系列的蛋白合成，而FMRP可以作為負性調節因子反饋性抑制mGluR途徑相關蛋白的進一步合成。FMRP缺乏和減少可能減弱了這種抑制作用，導致mGluR激發的mRNA翻譯增多，參與神經系統發育的蛋白過度表達，從而影響樹突棘的發育。因此使用其他負性調節因子，如mGluR－I抑制劑降低mGluR－I信號，彌補FMRP的缺乏和減少，或許能改善由FMRP缺失所導致的突觸和行為缺陷。

該理論在臨床治療中已經獲得初步的驗證，并據此研究出了治療FXS的首個藥物——AFQ056，該藥物可阻止腦細胞中mGluR5的活性。試驗數據表明經過AFQ056治療的7名患者，20天之后FMR1基因啟動子完全甲基化，FMR1基因轉錄完全被阻斷，患者的行為出現了明顯改善［10］。因此抑制mGluR可能是未來改善FXS認知障礙的一個重要途徑。

2.2 GABAA理論

大腦中約有30% ～50%的中樞突觸以γ－氨基丁酸(GABA)作為遞質，目前已發現的GABA受體主要有A、B、C3種亞型。GABAA是廣泛分布于哺乳動物中樞神經系統內的一種重要的抑制性神經遞質，其受體是由5個亞基組成的五邊形異質性寡聚體，具有介導神經元的突觸前及突觸后抑制作用，與焦慮、抑郁、癲癇、睡眠障礙、認知及記憶能力低下等神經行為因素相關［11］。多項研究證明GABA能神經系統，特別是GABAA受體的變化與FXS的遺傳表型有關，GABAA受體的減少可能誘發FXS患者行為異常和癲癇發作，因此GABAA受體可能成為治療FXS的靶點。

FXS患者對聲音誘發的癲癇發作敏感性增加，與GABAA受體在量和質上的改變有密切關系［11］。此外，更多的動物研究也證實了這點。Gantois等［12］在FXS小鼠模型大腦內進行基因組全面性篩選時發現，GABAA受體δ亞基的mRNA表達明顯減低，與正常對照相比，GABAA受體的δ亞基含量減少了42%。FMR1基因敲除小鼠，其大腦皮層、海馬、間腦及腦干區域GABAA受體的β亞基表達降低［13］，大腦皮層和海馬的神經元GABAA受體l亞基和6亞基表達量明顯減少。電生理記錄顯示FXS模型小鼠的GABA能系統效率降低，間接阻礙了膽堿能系統的效能［14］。Curia 等［15］取海馬回神經元，使用膜片鉗技術發現FXS模型小鼠與對照組相比，神經元內基礎的GABA能電流無差異，但緊張性GABA能電流明顯下調，同時，免疫組化和Western blot分析發現兩組小鼠海馬回神經元內蛋白水平上GABAA受體5和δ亞基的表達有明顯差異。2009年，D’Hulst等［16］再次從基因水平證實 GABA 能神經系統在FXS模型小鼠內的變化，結果表明與對照組相比，編碼GABA合成酶的谷氨酸脫羧酶gadl、編碼GABA轉移蛋白的gatl和gat4、編碼琥珀酸半醛脫氫酶ssadh及gephyrin等的基因在大腦皮層的表達明顯減少。

總之，GABA能系統異常與FXS有密切聯系，GABAA亞基的減少可能是FXS癲癇發作的一個重要發病因素。目前臨床上已有作用于GABAA受體的藥物，治療焦慮、癲癇、睡眠障礙等神經心理性疾病，且具有一定的療效。因此，把GABAA受體做為治療FXS患者的一個靶點具有很高的研究價值。

3 結語

目前，FXS相關基因家族已經為人所知，FMR1基因的結構、分子病理基礎相關研究也逐漸深入，為診斷、產前診斷技術的陸續建立奠定了基礎。現有研究證實mGluR和GABAA受體與FXS有關，它們可以作為FXS的治療靶點，對其研究將為FXS的治療開辟一條新途徑。

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2 D’Hulst C，Kooy RF.Fragile X syndrome:from molecular genetics to therapy［J］.J Med Genet，2009，46(9):577 – 584.

3 Jarem DA，Huckaby LV，Delaney S.AGG interruptions in(CGG)(n)DNA repeat tracts modulate the structure and thermodynamics of non － B conformations in vitro［J］.Biochemistry，2010，49(32):6826－6837.

4 Oostra BA，Willemsen R.FMR1:A gene with three faces.Biochim［J］.Biophys Acta，2009，1790(6):467 －477.

5 Hirst M，Grewal P，Flannery A，et al.Two new cases of FMR1 deletion associated with mental impairment［J］.Am J Hum Genet，1995，56(1):67－74.

6 De Boulle K，Verkerk AJ，Reynieres E，et al.A point mutation in the FMR －1 gene associated with fragile X mental retardation［J］.Nat Genet，1993，3(1):31－35.

7 Yao AY，Jin S，Li XH，et al.Drosophila FMRP regulates microtubule network formation and axonal transport of mitochondria［J］.Hum Mol Genet，2011，20(1):51 －63.

8 姜濤，易詠紅，鄧維意，等.代謝性谷氨酸受體在FXS樹突棘發育中的作用.中華神經科雜志［J］，2006，39(11):748－752.

9 毛利冰，陳勝強.關于mGluR在FXS發病機制中的研究新進展［J］.現代生物醫學進展，2010，10(7):1381－1384.

10 Jacquemont S，Curie A，des Portes V，et al.Epigenetic modification of the FMR1 gene in fragile X syndrome is associated with differential response to the mGluR5 antagonist AFQ056［J］.Sci Transl Med，2011，3(64):64ra1.

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12 Gantois l，Valldesompele J，Speleman F，et al.Expression profiling suggests underexpression of the GABAA receptor subunit delta in the fragile X knockout mouse model［J］.Neurobiol Dis，2006，21(2):346－357.

13 D’Hulst C，De Geest N，Reeve SP，et al.Decreased expression of the GABAA receptor in fragile X syndrome［J］.Brain Res，2006，1121(1):238－245.

14 D’Antuono M，Merlo D，AVoli M.Involvement of cholinergic and gabaergic systems in the fragile X knockout mice［J］.Neuroscience，2003，119(1):9－13.

15 Curia G，Papouin T，Seguela P，et al.Down regulation of tonic GABAergic inhibition in a mouse model of fragile X sydrome［J］.Cerebral Cortex，2009，19(7):1515－1520.

16 D’Hulst C，Heulens I，Brouwer JR，et al.Expression of the GABAergic system in animal models for fragile X syndrome and fragile X associated trem －or/ataxia syndrome(FXTAS)［J］.Brain Res，2009，1253(1):176 －183.