原發(fā)性小頭畸形的臨床特征及相關基因的研究進展

楊仁凱　唐曉軍

原發(fā)性小頭畸形（Congenital Microcephaly）又稱為真性小頭畸形或常染色體隱形遺傳小頭畸形（Autosomal Recessive Primary Microcephaly，MCPH），是一種神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙疾病，其主要臨床特征是頭圍減小伴隨一定程度非進行性智力退化[1]。小頭畸形的病因包括環(huán)境因素、遺傳因素和感染因素等。目前普遍認為MCPH是一種多基因隱形遺傳的疾病。全世界各地報道的發(fā)病率差異較大，其中巴基斯坦北部及亞洲一些盛行近親結婚的國家發(fā)病率最高，北歐國家發(fā)病率較低[2]。國內在該領域報道較少，本文通過復習文獻，將其臨床特征及相關基因研究進展綜述如下。

1命名和歷史

人們對小頭畸形的形態(tài)描述可以追溯至一個多世紀以前，1885年，Giacomini首次在文獻中描述了小頭畸形的基本特征[3]，隨著人們對小頭畸形認識的不斷加深，大量的文獻報道中其名稱也隨之變化。從最初形態(tài)學描述性稱謂逐漸向基因學病因學名稱過渡，對于小頭畸形的診斷標準及分類也不斷發(fā)展。1959年，Van Den Bosch[4]根據(jù)形態(tài)學采用了原發(fā)性小頭畸形這個診斷名稱，主要指獨立存在的、非綜合征的小頭畸形。該定義十分模糊，沒有涉及病因學及神經(jīng)病理學診斷。1964年，Kloepfer[5]認為原發(fā)小頭畸形是一種染色體隱性遺傳疾病，并把它與其他原因（如創(chuàng)傷、感染等后天因素）導致的小頭畸形區(qū)分開，稱為真性小頭畸形。自1998年Jackson等[3]報道了第一個確定與小頭畸形相關的基因位點后，一系列的相關基因相繼被報道。人們開始意識到傳統(tǒng)的形態(tài)學描述并不能全面地概括小頭畸形的特征，于是逐漸提出，接受和采用了以基因學為基礎的常染色體隱形遺傳小頭畸形這個診斷名詞。

2臨床特征

大腦的發(fā)育包括胎兒階段及出生后階段，MCPH主要影響胎兒階段大腦的發(fā)育，早在孕24周左右即可應用超聲波技術、核磁共振掃描發(fā)現(xiàn)患兒頭圍測值及腦容量低于正常同齡胎兒[2]。盡管相比于頭顱MRI及CT等客觀標準，頭圍測量難以準確地反映腦容量的大小，但由于其方法簡單易行，出生后頭圍測量仍是診斷小頭畸形最常用的方式之一。臨床上常用小于正常同齡兒頭圍3個標準差作為診斷小頭畸形的標準[1]。使用頭圍測量值作為診斷小頭畸形標準時應當注意年齡、性別和種族等相關因素的修正。臨床還以中-輕度的智力退化作為重要的輔助診斷依據(jù)。散在報道中存在頭圍小于正常值3個標準差而智力正常的個體，而小于正常值4個標準差并智力正常的個體十分罕見。小頭畸形分為原發(fā)性和繼發(fā)性，該分類的重要標志是原發(fā)性小頭畸形出生后其智力退化及腦容量不足水平相對靜止，繼發(fā)性小頭畸形往往出現(xiàn)進行性腦退化。原發(fā)性小頭畸形則包擴非遺傳類原發(fā)性小頭畸形和遺傳類小頭畸形（MCPH），非遺傳類原發(fā)性小頭畸形的病因有先天性弓形蟲感染及母體妊娠階段酒精攝入過量等。MCPH是排除了繼發(fā)因素及非遺傳性小頭畸形，由基因突變導致的一類常染色體隱性遺傳疾病。

在過去的文獻中對原發(fā)性小頭畸形、真性小頭畸形及MCPH的描述可能是同一種疾病的表現(xiàn)型。但由于對該類疾病缺乏較深刻的認識，導致診斷標準無法確定。例如：真性小頭畸形把額部傾斜作為重要的診斷依據(jù)，但后來發(fā)現(xiàn)并不是所有的MCPH都存在這一特征[6]。而原發(fā)性小頭畸形把伴有神經(jīng)癥狀的小頭畸形也涵蓋于診斷范圍內，而顯得特異性不強。2002年，Jackson和Robert等[7]對MCPH提出了最早的診斷標準：①MCPH為先天性疾病，出生時頭圍測量小于正常同齡兒4個標準差；②非進行性智力退化，但不伴有其他的神經(jīng)異常癥狀，如癲癇、持續(xù)痙攣等；③體重、身高、外貌基本正常，基因組檢查及大腦結構無異常。MCPH患兒出生時頭圍測量值一般小于正常同齡兒4～12個標準差，相應的頭圍減少程度終生不變。在同一個MCPH家族中不同的發(fā)病個體間頭圍相差一般不大于2個標準差。CT、MRI影像學檢查常提示MCPH患者大腦的結構基本正常而皮層發(fā)育明顯不足[8-9]，發(fā)育成熟后個體身高、體重、外貌一般無特異性變化[10-12]。多數(shù)患者在出生后的第1年智力發(fā)育呈現(xiàn)中度滯后和語言發(fā)育遲緩。隨后的發(fā)育過程中可觀察到患者極度活躍，并可伴有攻擊行為、注意力低下和癲癇發(fā)作等神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育不良癥狀[13]。通過后天學習MCPH患者可以掌握一些基本生活技能。

隨著MCPH基因的發(fā)現(xiàn)，對基因型和臨床表現(xiàn)型研究深入后，人們逐漸認識到原先的MCPH診斷標準需要修正。例如：原先的診斷標準中將伴有癲癇、身高發(fā)育不足及異常腦細胞發(fā)育的病例剔除，而在MCPH1基因突變家族中往往存在此類表現(xiàn)。目前修正的MCPH診斷標準為：①MCPH為先天性疾病，出生時頭圍測量小于正常同齡兒4個標準差；②非進行性智力退化，一般不伴有其他的神經(jīng)異常癥狀，如癲癇、持續(xù)痙攣等，若出現(xiàn)神經(jīng)異常癥狀，則不能作為排除標準；③體重、身高、外貌基本正常，基因組檢查及大腦結構無異常，但對于MCPH1變異個體，常存在身高發(fā)育不足、室周神經(jīng)元細胞異位[1]。

3MCPH相關基因研究

臨床表現(xiàn)的多樣化提示MPCH具有遺傳異質性，復習文獻，迄今為止已有7個MPCH相關基因位點被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)（MPCH1-7），其命名順序是根據(jù)發(fā)現(xiàn)時間先后確定的[3，14-20]。每一個基因位點的發(fā)現(xiàn)都是通過對一個已知的小頭畸形家族成員基因圖譜分析得來的[21]。

3.1 Microcephalin：Microcephalin（MCPH1）基因位于8號染色體短臂2區(qū)3帶（8p23）上，長度為241905bp，包涵14個外顯子，編碼835個氨基酸。具有3個功能域：BRCT1-3，其中BRCT1靠近N末端，而BRCT2、3靠近C末端[22]。MCPH1蛋白參與細胞DNA損傷修復及染色體凝集過程，在細胞分裂G2到M期檢測點與磷酸化的細胞周期依賴性蛋白激酶相互作用可以阻止DNA復制損傷后進入有絲分裂M期[23]。在胎兒器官中可普遍發(fā)現(xiàn)轉錄有MCPH1的mRNA，尤其是腦組織、肝臟及腎臟表達濃度較高，提示MCPH1蛋白與人類器官成熟相關。繼1998年Jackson等[3]通過對一個患有小頭畸形的巴基斯坦家族基因序列的研究首次確定了突變位置。后來Trimborn等[24]通過對2個PCC綜合征（premature chromosome condensation syndrome，PCC）家族成員的研究中發(fā)現(xiàn)了新的MCPH1基因變異。2010年，F(xiàn)arooq等[25]又報道了1例由于MCPH1D的4號位缺失而引起的顱縫早閉-小頭畸形-染色體破壞綜合征。目前，Trimborn和Liang等[26-27]已成功建立了MCPH1功能缺損的哺乳動物模型，更有力地闡明了MCPH1在細胞周期及染色體凝集過程中發(fā)揮重要作用。

3.2 WDR62 （MCPH2）：WDR62基因位于人染色體19q13.12位置，長度為50230bp，具有32個外顯子[28]。WDR62蛋白具有兩個亞基，包含1523個氨基酸殘基及15個WD重復序列。該基因在人類和小鼠的腦室及腦室旁神經(jīng)干細胞中可觀察到表達。3篇最近的報道中指出WDR62基因變異與MCPH2連鎖，提示W(wǎng)DR62可能包含于MCPH2中，而且是MCPH2的功能序列[28-30]。從WDR62基因變異個體中可觀察到多種大腦皮層發(fā)育障礙癥狀，包括小頭畸形、腦回肥厚、胼胝體發(fā)育不全等。2010年，Bilguvar等[28]從小頭畸形患者中找到了5例WDR62變異純合子。Nicholas等[30]對7個MCPH家族研究中指出WDR62基因變異中占第2位。關于該基因表達產(chǎn)物在神經(jīng)干細胞分裂中的作用機制目前意見尚不一致。Yu等[29]認為WDR62蛋白與細胞有絲分裂沒有明確的關系，而Bilgü等[28]提出WDR62蛋白作用機制與另一種MCPH基因ASPM類似，他們觀察到在細胞分裂間期WDR62分散在細胞質中，在分裂期可見WDR62聚集到紡錘體兩極。Nicholas等[30]則認為WDR62在細胞周期中發(fā)揮定位功能。盡管目前關于WDR62蛋白的作用機制尚無統(tǒng)一認識，但他們的研究結論都證明了WDR62即MCPH2基因。

3.3 CDK5RAP2（MCPH3）：人類CDK5RAP2（cyclin dependant kinase 5 regulatory associated protein 2）基因位于9號染色體長臂3區(qū)3帶2亞帶上，長度為191290bp，其中有5682bp的開放讀碼框，編碼1893個氨基酸序列。該基因被認為是MCPH3基因[31]。Bond等[31]還描述了CDK5RAP2蛋白的N端存在一個與γ微管蛋白環(huán)形復合體（γTuRC）反應位點，C端存在著與細胞周期蛋白依賴性激酶調節(jié)亞基1的反應位點，中間存在一些螺旋結構。CDK5RAP2蛋白與中心體功能相關，攜帶此基因的mRNA在人類及哺乳動物細胞中廣泛存在，在神經(jīng)系統(tǒng)中含量最高。CDK5RAP2蛋白在海拉細胞周期中被定位在中心體周圍，其N端反應位點在γ微管蛋白環(huán)形復合體與中心體的結合過程中發(fā)揮作用。擾亂人類的CDK5RAP2蛋白功能可導致γ微管蛋白無法定位在中心體上，抑制了微管成核。從而形成紡錘絲紊亂、星狀體缺如的細胞模型[32]。Zhang等[33]最近論證了CDK5RAP2蛋白參與紡錘體檢測點調控。他們發(fā)現(xiàn)如果CDK5RAP2蛋白功能缺陷可導致染色體分離障礙及紡錘體檢測點蛋白減少。Graser論證了CDK5RAP2蛋白還與染色質濃縮及中心粒旁體蛋白形成有關[34]。但通過觀察發(fā)現(xiàn)，紡錘體形成障礙的果蠅模型中只表現(xiàn)出了輕度的不對稱有絲分裂而沒有腦容量的縮小[35]。

3.4 CEP152 （MCPH4）：人類中心體蛋白152（CEP152）是由CEP152基因編碼，2010年，Guernsey等[36]通過對3例加拿大小頭畸形患者的基因研究發(fā)現(xiàn)CEP152基因與MCPH4基因相關，大膽提出CEP152位于已報道的MCPH4基因中。MCPH4基因位于15號染色體長臂2區(qū)1帶1亞帶上（15q21.1），長度為72835bp，最多編碼1710個氨基酸序列[37]。人類CEP152基因與果蠅的Asl基因同源，Blachon等[38]利用動物細胞模型論證了果蠅的Asl基因與中心體及鞭毛形成有關。Guernsey等則在胚胎大鼠的腦細胞中發(fā)現(xiàn)了CEP152表達，這與其他的MCPH基因表達區(qū)域相符，他們利用RT-PCR技術測定鼠CEP152序列及長度。

3.5 ASPM （MCPH5）：人類異常紡錘體樣小頭畸形相關蛋白基因（ASPM）全長為62567bp，其中開放編碼框長度為10906bp，編碼的蛋白質（Aspm）包涵3477個氨基酸。Aspm的N末端包涵一個微管結合區(qū)域[12]，一個鈣調蛋白同源區(qū)（CH），以及81個與鈣調蛋白結合的異亮氨酸-谷氨酰胺基序（IQ）[39]。其C末端暫未發(fā)現(xiàn)可辨認的功能位點。IQ基序的數(shù)量在不同的哺乳動物中數(shù)目不同，可能與進化過程中大腦皮層的增大相關[40-41]。2006年，F(xiàn)ish等在鼠模型中證明Aspm蛋白在有絲分裂過程中起到維持對稱分裂的作用，他們通過導入SiRNA技術阻遏細胞的Aspm蛋白合成可以觀察到小鼠神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中不對稱分裂的細胞比例增加[42]。Paramasivam發(fā)現(xiàn)Aspm蛋白的N末端和C末端在有絲分裂中分別位于紡錘體極和中間體內[43]。ASPM在有絲分裂紡錘體功能實現(xiàn)及分裂平面的定向上起重要作用[44]。多種結論證明ASPM基因的表達與細胞增殖有關，在祖細胞中表達最高，隨著細胞分化進行逐漸下調。而阻抑Aspm蛋白的功能可抑制細胞的自我更新及增殖能力[45]。較近的研究表明轉化細胞和腫瘤細胞的ASPM轉錄RNA含量增加而被放射治療過的腫瘤細胞ASPM表達降低，ASPM表達的程度與惡性膠質細胞瘤的增殖呈正相關[46]。2010年，Pulvers等培育出2個ASPM基因突變的小鼠品系，他們通過觀察小鼠的腦皮質解剖特征來確定ASPM基因的功能。在他們的試驗中，可見ASPM突變小鼠的腦容量減少，雖然不及人類小頭畸形腦容量減少的程度，但病理生理機制是一致的[47]。考慮ASPM突變引起腦容量的減少與哺乳動物自身腦容量的大小相關。同時，研究者還觀察到ASPM的突變可影響雄性小鼠的生殖能力而不改變它們的交配頻率。結合目前的研究結果不難推斷，ASPM的改變可能是通過影響了紡錘體的定向功能，致使神經(jīng)祖細胞在增殖過程中出現(xiàn)非對稱分裂，從而影響了哺乳動物腦皮質發(fā)育[44]。

3.6 CENPJ（MCPH6）： 人類著絲粒蛋白J（Cenp J）由CENPJ基因編碼，也被稱為中心體P4，1相關蛋白（CPAP），基因全長40672bp，位于13號染色體長臂1區(qū)2帶2亞帶，含有5187bp長度開放讀碼區(qū)，包含17個外顯子，共編碼1338個氨基酸。CENPJ基因在組織中表達比較廣泛，在腦組織及脊髓中表達最高，主要表達位于神經(jīng)發(fā)育中額葉神經(jīng)上皮細胞[31]。Cenp J蛋白包含一個微管移動結構域（PN2-3），長度為112個氨基酸。CenpJ蛋白在有絲分裂過程中存在于中心體中，細胞分裂前、中期聚集在紡錘體極[48]。2006年，Cho等[49]觀察到缺少CenpJ蛋白可影響完整中心體的形成，出現(xiàn)中心體紊亂及多級紡錘體。在體外實驗中已證明缺少CenpJ蛋白可阻礙微管成核和解集[50]。Koyanagl等[51]在實驗中運用SiRNA阻遏CenpJ表達來增加多極紡錘體出現(xiàn)概率，實現(xiàn)分裂中止、細胞凋亡。2006年，Basto等[52]觀察到盡管dsas-4敲除果蠅能夠存活至成年，但協(xié)調能力、繁殖能力明顯低下。顯微鏡下可見細胞中心體缺失，因此推斷CENPJ在果蠅體內的同源基因是dsas-4。同時，dsas-4基因突變的果蠅存在纖毛缺失、存活率下降等問題[53]。利用熒光漂白恢復技術（FRAP）可以觀察到dsas-4蛋白在一個細胞周期內被募集至中心體內一次，而且募集的時期為細胞器復制初期，這特征也提示dsas-4蛋白在中心體復制過程中的重要作用[54]。

3.7 STIL/SIL （MCPH7）：2009年，Kumar等[20]報道了純合型STIL基因突變在人類中可造成小頭畸形，由此確立MCPH第7個相關基因的位置。STIL基因位于1號染色體斷臂3區(qū)3帶至3區(qū)2帶3亞帶之間（1p33-p32.3）。基因長度為63018bp，含有5225bp長度的開放讀碼區(qū)[55]。全長包括20個基因外顯子，編碼蛋白包含1287個氨基酸殘基。STIL蛋白是一種細胞質基質蛋白，大小為150千道兒頓。目前對于該蛋白的功能尚未完全清楚，也未發(fā)現(xiàn)任何與之同源的蛋白家族或基序[55]。對STIL蛋白的結構研究提示它存在一個細胞核定位信號區(qū)和一個類似于TGF-β的C末端結構域[56]。在發(fā)現(xiàn)STIL基因與小頭畸形的關系前，學者們關注的是STIL基因重組與急性淋巴細胞白血病的關系[57]。STIL在整個細胞質中均有表達，在核周區(qū)域濃度稍高。他在細胞開始分裂、細胞凋亡控制及中心體功能發(fā)揮等過程中起作用[58]。STIL蛋白在有絲分裂初期被磷酸化，隨即與肽酰-脯氨酸異構酶（PIN1）反應，調節(jié)下游一系列與有絲分裂相關的蛋白磷酸化[59]。在斑馬魚細胞和海拉細胞研究中可發(fā)現(xiàn)STIL蛋白不僅在中心體復制及功能實現(xiàn)過程中起作用，而且還參與了紡錘體的構建。斑馬魚sil功能缺失突變模型存在胚胎期的致命缺陷[58]。在小鼠體內Sil mRNA在多種組織細胞中都有表達，表達最活躍的區(qū)域為骨髓、胸腺、脾臟、結腸和胃部[59]。sil基因敲除的純合子小鼠于胚胎7.5～8.5天表現(xiàn)出多種發(fā)育異常，10.5天后死亡[60]。同時，他們還描述了sil突變小鼠表現(xiàn)出體格減小、發(fā)育受限、中央神經(jīng)管缺損、左右發(fā)育不對稱、細胞凋亡比例增大、繁殖率降低等特點，還伴有一些重要基因的表達異常如Lefty2、Nodal、Pitx2、Patched等。

5 小結

人類腦容量與體重的比例顯著大于其他哺乳動物，這在人類進化和環(huán)境適應過程中意義非凡。在人類MCPH病例中可見明顯的腦容量減小，伴隨著認知能力的下降。研究此類病例時，人們發(fā)現(xiàn)大腦容量大小主要取決于神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育時細胞增殖能否正常進行。由MCPH基因編碼的一系列蛋白在細胞有絲分裂關鍵步驟中起到作用，通過建立MCPH突變的細胞及動物模型，人們逐漸確定MCPH基因在分裂過程中的具體作用。對MCPH發(fā)生病理機制的研究不僅加深了對該疾病本身的理解，也提高了我們對正常人類大腦發(fā)育的認識，更為研究類似的多基因相關疾病提供模板作用。同時，我們應當清晰地認識到，目前部分相關基因的動物模型研究十分缺乏，導致具體的作用機制仍無法確定。是否還存在其他的MCPH相關基因？掌握了相關基因位點及作用機制后能否結合影像學、遺傳學等相關學科對該疾病的預防、早期診斷及治療方面做出更大貢獻？這些都是我們日后工作的重點。

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[收稿日期]2012-07-24 [修回日期]2012-09-14

編輯/李陽利