Ⅰ型和Ⅶ型糖原貯積病的致病基因及其作用機制研究進展

彭春梅，謝文光，何泳龍,3，游智驍，周京國

(1 川北醫學院附屬醫院，四川南充637000；2 成都醫學院第一附屬醫院；3 成都中醫藥大學)

糖原貯積病(glycogen storage disease，GSD)是一類因機體糖原代謝酶缺陷使糖原在組織中分解障礙而沉積過多，或由于糖原合成酶缺陷而致組織中糖原耗竭而引起的代謝性疾病[1]。根據糖原代謝過程中缺陷酶被發現時間的先后和受累器官的不同進行分型，可分為14型，即0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅸ、Ⅺ、Ⅻ、ⅩⅢ、ⅩⅣ、ⅩⅤ，除Ⅸ型為X染色體隱性遺傳外，其余類型均為常染色體隱性遺傳。GSD常累及全身多個組織、器官，以肝臟、腎臟、心臟和肌肉受累為主，大多數患者表現為肝大、低血糖、貧血及生長發育滯后。除上述主要癥狀外，Ⅰ型和Ⅶ型GSD還表現為高尿酸血癥和痛風，是痛風發病的一個罕見原因[2]。診斷GSD除具有相應臨床表現外，主要依靠突變基因檢測和(或)組織中相應酶活性檢測。GSD基因突變不僅表現出人種差異性，而且其致病基因的突變種類和位點也不完全相同，因此通過突變基因檢測來診斷GSD常常需要花費大量精力。現將Ⅰ型和Ⅶ型GSD的分子生物學機制研究進展綜述如下。

1 Ⅰ型GSD的致病基因及其作用機制

Ⅰ型GSD，又稱Von Gierke病，是一組由葡萄糖-6-磷酸酶(G6Pase)缺陷引起的常染色體隱性遺傳病，總體發病率為1/100 000，以新生兒和嬰幼兒多見，分為Ⅰa、Ⅰb兩個亞型，其中Ⅰa型約占80%[3]。Ⅰa型GSD是由于葡萄糖-6-磷酸酶催化亞基(G6PC)基因突變致編碼的G6Pase活性不足，而Ⅰb型GSD是由溶質載體家族37成員4(SLC37A4)基因突變致編碼的葡萄糖-6-磷酸轉運蛋白(G6PT)缺乏所致[4]。Ⅰ型GSD在高加索人、猶太人、西班牙人、韓國人及中國人中均發現有基因突變。

1.1 G6Pase及其編碼基因 G6Pase是存在于細胞內質網(ER)膜上的多亞基整合膜蛋白，是高度疏水性蛋白。G6Pase由357個氨基酸組成，分子量為36.5 kDa，通過9次跨膜螺旋錨定到ER上，它的氨基末端活性位點位于ER管腔側，羧基末端位于細胞質側。通過氨基酸序列分析發現，G6Pase的活性位點在結構上類似于在彎孢菌中發現的含釩氯過氧化物酶的活性位點[5]。由于G6Pase與ER連接緊密，目前對于G6Pase的確切結構仍然不清楚，但多數學者都認同1975年由Arion等[6]提出的substrate-transport model假設，認為G6Pase主要由4個部分組成：1個催化亞基和3個轉運蛋白，即G6PC、葡萄糖-6-磷酸轉位酶、無機磷酸鹽轉位酶及葡萄糖轉位酶，分別行使葡萄糖-6-磷酸的水解、葡萄糖-6-磷酸的轉位、磷酸鹽運輸和葡萄糖的運輸，使其穿梭于細胞內液和內質網。隨著研究的深入，學者們認為葡萄糖-6-磷酸轉位酶、無機磷酸鹽轉位酶及葡萄糖轉位酶的運輸功能都是由G6PT行使，因此將這3個轉位酶統稱為G6PT[7]。

G6Pase的磷酸酶功能主要由G6PC執行，該亞基的編碼基因有G6PC、G6PC2、G6PC3，分別編碼葡萄糖-6-磷酸酶(又名葡萄糖-6-磷酸酶-α,G6Pase-α)、葡萄糖-6-磷酸酶2(又名胰島特異性G6Pase相關蛋白)、葡萄糖-6-磷酸酶3(又名葡萄糖-6-磷酸酶-β,G6Pase-β)，三者在體內互為同工酶。G6PC基因在肝腎組織中高表達，G6PC2基因在胰腺組織中特異性表達，而G6PC3基因在機體各組織中廣泛表達。G6Pase-α和G6Pase-β都是功能性磷酸水解酶，二者有36%相同氨基酸序列，其活性部位、拓撲結構、作用機理和動力學性質均與葡萄糖-6-磷酸的水解有關；葡萄糖-6-磷酸酶2幾乎不具有水解酶活性，可能在刺激胰島素分泌中發揮作用[8]。全基因組關聯分析[9]發現，G6PC2基因突變參與了空腹血糖水平的調控，G6PC3基因突變與先天中性粒細胞減少癥密切相關。

G6PT也是存在于ER上的一種多通道膜蛋白，具有疏水性。G6PT由451個氨基酸組成，分子量約為46 kDa，通過10次跨膜螺旋錨定在ER中，其氨基末端和羧基末端均位于ER膜的細胞質側，負責將細胞質中的葡萄糖-6-磷酸運輸到ER腔中，并將葡萄糖、磷酸及無機磷酸鹽反向運出。基因SLC37A4編碼G6PT，含9個外顯子，外顯子7在轉錄過程中會產生可變剪接，導致兩種轉錄剪接體的產生，這兩種剪接體分別編碼含429個氨基酸和451個氨基酸的蛋白質[10]。

1.2 Ⅰ型GSD的致病基因及其作用機制

1.2.1 Ⅰa型GSD致病基因G6PC及其作用機制 G6PC基因位于染色體17q21.31，全長12.5 kb，含5個外顯子。G6PC2基因位于染色體2q31.1，全長8.7 kb，含5個外顯子。G6PC3基因雖然也位于染色體17q21.31上，但較G6PC基因多含3個外顯子，目前未見其突變與Ⅰa型GSD相關。

G6PC基因于1993年被成功克隆，并鑒定出基因突變位點，而后又被Lei等[11]成功造出G6Pase缺陷動物模型。G6PC的啟動子包括糖皮質激素、環磷酸腺苷(cAMP)、胰島素等，其表達受肝細胞核因子控制。目前，Ⅰa型GSD患者中已經報道了約94種G6PC基因突變，且突變類型多樣，錯義突變最常見。

對世界各種族Ⅰa型GSD患者G6PC基因突變情況進行比較，發現該基因突變在世界各種族群體中并不普遍，但具有一定程度的種族差異性[12]：高加索人群體中Ⅰa型GSD患者常見突變為p.R83C(29%)和p.Q347X(18%)，東方人群體中Ⅰa型GSD患者最常見突變為c.648G>T和p.R83H[其中中國患者以c.648G>T(54%)和p.R83H(26%)突變普遍，而韓國和日本患者則以c.648G>T突變普遍，突變率分別為75%和91%]，西班牙人群體中Ⅰa型GSD患者以c.380_381insTA(50%)突變常見，而突尼斯人群中Ⅰa型GSD患者以p.R83C(67%)和p.R170Q(28%)突變最常見。研究[13]顯示，猶太人群體中Ⅰa型GSD患者極少數為p.Q347X突變，其余全是p.R83C突變，且該人群p.R83C的攜帶率為1.4%，遠高出其他人群。近年來研究[14]報道，在中國Ⅰa型GSD患者中發現3種新的錯義突變，分別為p.Ala274Val、p.Phe80lle和p.Gly118Asp。

1.2.2 Ⅰb型GSD致病基因SLC37A4及其作用機制 SLC37A4基因位于染色體11q23.3，全長5.3 kb，含9個外顯子。SLC37A4在人體中表達廣泛，轉錄過程也受葡萄糖、胰島素及cAMP的調節[10]。人類基因突變數據庫中可查到103種SLC37A4基因致病性突變，包括錯義突變、無義突變、剪接位點突變、插入/缺失致移碼突變等類型。研究[15]發現，SLC37A4基因的多數突變使G6PT喪失了對葡萄糖-6-磷酸、葡萄糖和無機磷酸的攝取活性，而p.Q133P突變卻使G6PT對葡萄糖-6-磷酸、葡萄糖和無機磷酸表現出不同的運輸活性。

對世界各種族Ⅰb型GSD患者SLC37A4基因突變情況進行比較，發現該基因突變也具有種族差異性[16]：高加索人群體中Ⅰb型GSD患者最常見突變為p.Leu348ValfsX53(32%)，東方人群體中Ⅰb型GSD患者最常見突變為c.870+5G>A(p.Gly149Glu)和c.443C>T(p.Ala148Val)[其中，中國患者以c.870+5G>A(p.Gly149Glu)(15%)突變常見，韓國患者以c.443C>T(p.Ala148Val)(39.9%)突變常見]，德國人群體中Ⅰb型GSD患者以p.Leu348ValfsX53(32%)和p.Gly339Cys(29%)突變最常見。邱正慶等[16]通過對我國15個Ⅰb型GSD家系患者進行突變基因篩查，發現了4種新的錯義突變(p.Gly115Arg、p.Gly281Va1、p.Arg415Gly、p.Leu23Arg)、2種新的剪接位點突變(c.784+1G>A,c.870+5G>A)和1種缺失突變c.1014_1120del107，在研究的20個等位突變基因中，p.Pro191Leu突變率最高(37%)。

2 Ⅶ型GSD的致病基因及其作用機制

Ⅶ型GSD，又名Tarui病，是由肌肉型磷酸果糖激酶(PFKAM)缺陷所致的常染色體隱形遺傳病。目前全球已報道近百例患者，多見于日本、意大利及猶太人，常童年發病。Ⅶ型GSD主要累及肌肉組織和紅細胞，典型表現為運動后肌肉痙攣、運動不耐受、肌紅蛋白尿、高尿酸血癥、輕度非球形紅細胞溶血性貧血等。磷酸果糖激酶(Phosphofructokinase，PFK)包括磷酸果糖激酶-1(PFK1)和磷酸果糖激酶-2(PFK2)兩型，PFK1催化果糖-6-磷酸生成果糖-1,6-二磷酸，PFK2催化果糖-6-磷酸生成果糖-2,6-二磷酸。PFK2與腫瘤發病相關，目前未見文獻報道PFK2與GSD相關，因此本研究主要討論PFK1。

2.1 PFK1及其編碼基因 PFK1是由PFK1肌肉(M)亞基、肝臟(L)亞基和血小板(P)亞基隨機組合而成的同源四聚體酶。機體中PFK1有3種同工酶，即PFKAM、肝臟型磷酸果糖激酶(PFKAL)和血小板型磷酸果糖激酶(PFKAP)。PFK1四聚體的組成根據其存在的組織類型不同而不同，例如成熟肌肉組織僅表達M型同工酶，因此PFKAM僅由M4構成同源四聚體；肝臟和腎臟組織主要表達L型同工酶，因此PFKAL僅由L4構成；血小板和成纖維細胞中主要表達P型同工酶，因此PFKAP由僅P4構成；而在紅細胞中則同時表達M、L型同工酶，二者隨機四聚化形成M4、L4、ML3、M2L2、M3L，即同時含有PFKAM和PFKAL。PFK1是糖酵解過程中的主要限速酶，由單磷酸腺苷(AMP)、二磷酸腺苷(ADP)和果糖-2,6-二磷酸變構激活，并受三磷酸腺苷(ATP)、檸檬酸變構抑制。

PFKAM、PFKAL和PFKAP的編碼基因分別為PFKM、PFKL、PFKP。PFKAM分子量為85 kDa，由780個氨基酸組成，位于細胞內液中，在機體各組織中廣泛表達，尤其在骨骼肌、心肌中高表達。PFKM基因突變使PFKAM活性部分或全部喪失而致Ⅶ型GSD。目前未見PFKL、PFKP基因突變與GSD有關的報道。Ⅶ型GSD患者中普遍存在肌肉和紅細胞中PFK1活性完全或部分喪失,而紅細胞中PFKL占紅細胞中正常PFK1活性的50%，當紅細胞PFK1活性喪失時，患者可出現溶血表現[17]。

2.2 Ⅶ型GSD的致病基因及其作用機制 人PFKM基因位于染色體12q13.11，全長41 kb，含34個外顯子，該基因突變致Ⅶ型GSD。動物模型[18]證實，Ⅶ型GSD是由PFKM基因無義突變引起其編碼蛋白快速降解及活性喪失所致，目前已經鑒定出錯義突變、無義突變、移碼突變和剪接突變等類型，但僅有少許個案報道PFKM基因突變情況，多數突變位點無法進行突變頻率的統計。對世界各種族已報道[19]的Ⅶ型GSD患者PFKM基因突變情況進行比較，發現日本人、猶太人和意大利人群體中Ⅶ型GSD患者均以PFKM基因剪接位點突變和外顯子5序列缺失最常見，其中猶太人患者群體中外顯子5缺失突變率高達68%。此外，一些國家還報道[20]了一些少見突變類型，如法國、加拿大Ⅶ型GSD患者出現p.Gly209Asp突變，西班牙患者出現c.926A>G剪接突變和p.Asp309Gly無義突變，瑞士患者出現p.Arg100Gln、p.Arg696His無義突變等。研究[21]還發現，動物紅細胞中PFKM基因出現c.550C>T剪接突變和p.Arg184Trp無義突變，可使其編碼具有熱穩定性但無催化活性的酶。

GSD屬于罕見病，分型較多，除Ⅰ型GSD常見外，其余各型鮮有文獻報道，不利于此病的深入研究。GSD各型的基因型和表現型間未發現明顯關聯，診斷該病最主要靠突變基因檢測和(或)組織中相應酶活性檢測。Ⅰ型GSD在肝臟組織中檢測到G6Pase酶活性降低甚至消失，Ⅶ型GSD在肌肉和紅細胞中檢測到PFK1活性降低或缺失[3]。目前對于Ⅰ型和Ⅶ型GSD患者的酶活性檢測不是難點，困難的是缺乏一個系統的、全面的致病基因突變譜。現有的研究發現Ⅰ型和Ⅶ型GSD致病基因突變位點不穩定、突變種類和突變位點較多并且新的突變不斷被報道，需要進一步研究其分子生物學機制，完善致病基因突變譜，為臨床診斷助力。