FREM1 基因的研究進展

肖 煜，楊 柳，劉靜靜，任蓬偉，張淑二，王泉水，朱明霞*

（1.聊城大學農學與農業工程學院，山東 聊城 252059；2.山東省畜牧總站，山東 濟南；3.山東省威海市文登區大水泊畜牧獸醫工作站，山東 威海）

眼瞼殘缺是一種罕見的眼部發育異常，其特征是下眼瞼或上眼瞼的缺失或部分缺失。一些研究表明，某些先天性眼瞼缺失可能與基因突變有關[1]。FRAS1 相關胞外基質基因（FRAS-related extracellular matrix1，簡稱FREM1 基因）突變是可能引起眼瞼殘缺的原因之一。除了遺傳因素外，眼瞼缺失也可能是由于環境因素，例如外傷、感染、神經系統疾病、手術等引起的。

五龍鵝作為中國寶貴的地方水禽遺傳資源，豁眼是其獨有的品種標志[2]。研究豁眼性狀有利于在保護其品種特征、純種選育和雜交利用等方面提供科學的參考依據。目前，對于FREM1 基因與五龍鵝豁眼性狀之間是否存在相關聯系還需要進行進一步的分析論證，以及分子機制還有待揭示。此外，眼瞼發育異常也出現于兩類罕見的人類常染色體隱性遺傳疾?。厚R勒斯綜合征（Manitoba-oculo-tricho-anal，簡稱MOTA 綜合征）和鼻裂或合并肛腸腎臟畸形（Bifid nose and anorectal and renal anomalies，簡稱BNAR 綜合征）[3-4]。本文綜述了FREM1 基因在五龍鵝豁眼形成中的作用及其在小鼠、斑馬魚和畜禽等動物模型中的研究進展，深入了解FREM1 基因的研究現狀和未來發展方向，為FREM1 基因在五龍鵝豁眼形成的功能驗證研究提供指導，并推動其在動物遺傳育種和醫學領域中的應用。

1 眼瞼缺失形成的候選基因

眼瞼缺失是一種罕見的先天性疾病，可能由多個基因突變引起。目前已經確定了一些與形成眼瞼缺失相關的候選基因，這些基因包括：FREM1、FOXL2、PAX6 和TP63 等。這些基因都參與了細胞外基質（ECM）的形成和維護。其中，FOXL2 是一個轉錄因子，它在卵巢和其他組織中發揮重要作用。研究表明，FOXL2 基因的突變可能導致眼瞼發育不全，從而導致眼瞼殘缺，是在哺乳動物中發育和維持眼瞼組織的關鍵基因。PAX6 基因編碼轉錄因子，這是一種關鍵的胚胎發育調節因子，參與眼睛、腦和其他組織的發育，也是調控眼瞼、角膜和晶狀體等組織的基因，其變異也與眼瞼發育異常和眼部畸形有關。TP63 基因則與表皮發育和干細胞分化等過程有關，其變異也可能導致眼瞼缺失[5-6]。FREM1 基因突變可以導致蛋白質結構和功能的改變，從而影響胚胎發育和成年后的組織修復能力。例如，Fraser 綜合征[7]是一種罕見的遺傳性疾病，特征包括腎、皮膚和肺部異常、眼睛畸形和聽力損失。了解FREM1 基因的功能和突變對于相關疾病的診斷和治療具有重要意義。需要注意的是，豁眼性狀是由多個基因的調控作用所致，不同動物物種之間的豁眼基因可能存在差異。

2 五龍鵝豁眼性狀的研究現狀

五龍鵝體型輕小而緊湊，全身羽毛潔白，主要產于萊陽市五龍河流域，在遼寧、吉林、黑龍江等地均有分布，是我國優質的肉蛋兼用鵝品種。五龍鵝也以其出色的產蛋和繁殖性能而聞名[2]。五龍鵝最大的品種特征是豁眼性狀。本質上講，豁眼是遺傳缺陷，屬于質量性狀，是胚胎在發育期間出現的一種表型缺陷型特征。推測豁眼是鵝在胚胎發育過程中，上眼瞼形成基因發生突變或其表達受到影響所致。研究表明：在胚胎發育過程中，間充質細胞和上皮細胞之間的相互作用和信號傳遞對角膜和眼瞼的形態發生、器官發生、細胞分化和生長至關重要[8]。朱峰偉等[9]為了探究五龍鵝群體內豁眼性狀的遺傳，設定特定的分子標志，采用隨機擴增片段多態性 DNA（Random ampli-fied polymorphic DNA，簡稱RAPD）分子標志技術分析了五龍鵝的遺傳多樣性。這項研究比較了五龍鵝中無豁眼與有豁眼兩個群體的相似度及遺傳距離，結果表明了無豁眼組個體之間具有顯著性差異，而豁眼組個體之間顯著性不明顯。于金成等[8]通過設計五龍鵝與四川白鵝正反交的遺傳性狀模式分析其后代F1、F2基因型分離比，推測豁眼性狀是由隱性遺傳控制呈伴性遺傳，其中在Z 染色體上的H 基因與眼瞼性狀有密切的關聯。隨后從生物信息學角度對這一結果進行驗證。2017 年于金成等[10]通過對FREM1 基因進行克隆，在分子水平上對該基因進行多態性分析，驗證了FREM1 基因能夠決定Z 染色體上的H 基因發生純合突變，導致了FREM1 蛋白穩定性的破壞。目前，對五龍鵝的豁眼性狀的研究多通過分子標記、雜交和性狀測定法等技術，但都尚具有局限性，需要系統的從基因和蛋白組水平對FREM1 基因功能進行研究。

3 對FREM1 基因的研究討論

FREM1 蛋白屬于FRAS1/FREM 細胞外基質蛋白家族，定位于基底膜，形成包括FRAS1、FREM1 和FREM2 的三元復合物，并在胚胎發育過程中的上皮-間充質相互作用中起關鍵作用[11]。以穩定和交聯表皮基底膜附著在發育中的真皮上，其中每個組分對于整個復合物的穩定都是必需的[12]。FRAS/FREM 家族的蛋白質具有與NG2 蛋白多糖中發現的類似與硫酸軟骨素蛋白多糖（ chondroitin sulfate proteoglycans ， 簡稱CSPG）核心結構域序列相似的中心區域，由大約130 個氨基酸的CSPG 基序的12 個重復組成，其結構類似于鈣粘蛋白折疊[13]。從美國生物技術信息中心（National Center for BiotechnologyⅠnformation，簡稱NCBⅠ）數據庫中查詢，所有的FREM 蛋白都含有多個N-連接糖基化的共識位點，而且一些含有保守的糖胺聚糖修飾位點，表明這些蛋白質被廣泛地翻譯后修飾和修改[14]。FRAS1 和FREM1 蛋白進一步顯示出一個或多個與鈉鈣轉運蛋白（Calcium Trisodium Pentate，簡稱Calx）的鈣β 交換域相關的鈣結合基序[12]。這些蛋白質中的每一種都對基底膜上整個復合物的穩定至關重要。FREM1 屬于一個結構相關的細胞外基質蛋白家族，起源于上皮細胞和間充質細胞。蛋白質以絕對重疊的方式定位于不同的上皮基底膜中，其還可以在與表皮分化相關的過程中獨立發揮作用[13]。

FREM1 是一種進化保守的基因，在上皮-間充質相互作用和表皮重塑區域的發育胚胎中廣泛表達，并且是胚胎發育過程中表皮粘附所必需的。FREM1 在發育中的皮膚表皮和一些分化中的表皮結構中表達，如乳腺和瞼板腺、牙齒和毛囊。值得注意的是，FREM1 在許多器官中的表達包括皮膚和眼瞼，僅限于真皮層。根據真皮細胞中FREM1 的細胞內檢測得知FREM1 可能對胚胎眼瞼的正確閉合至關重要[11]。

3.1 有關FREM1 的臨床疾病

迄今為止，大多數FREM1 相關疾病都與功能缺失突變有關。在人類臨床中，FREM1 的隱性突變與兩種罕見的遺傳性疾病Manitoba-oculotricho-anal（MOTA）綜合征和Bifid nose with or without anorectal and renal anomalies（BNAR）有關。這些疾病包括廣泛的發育缺陷，包括隱眼、并指、腎發育不全、生殖器模糊和呼吸道缺陷等[3-4]。

MOTA 綜合征是由FREM1 突變引起的，由位于人類染色體9p22.3 的FREM1 中的雙側突變引起臨床變現，如眼球過度偏斜、異常的發際線延伸到同側眼睛、鼻尖分叉或寬大、上眼瞼結節、隱性眼球、肛門狹窄和或肛門前移以及臍疝或臍帶繞頸等[3]。ALAZAMⅠ[4]等發現在人類染色體9p22.2-p23 有一個共同的同源區，候選基因分析顯示了FREM1 的同源框移和錯義突變，并通過原位雜交實驗證明該基因在內側鼻突中線的表達，同時證明了Frem1 基因在鼻腔內側中線的表達并得出結論，該基因在顱面部結構的融合中起作用。Lee M K[16]等通過面部形態學的全基因組關聯（Genome Wide Association，簡稱GWAS），觀察到 FREM1 中的單核苷酸多態性（Single Nucleotide Polymorphism，簡稱SNP）與捕獲上唇中央部分高度的因子之間存在新的關聯，揭示了FREM1 可能會影響面部變異。MOTA 病例中發現了FREM1 編碼突變，對此類額外變體的特征描述為進一步了解FREM1 在顱面部生物學中的作用提供了空間，并可能有助于在MOTA 高發病率人群中進行遺傳咨詢，以降低這種疾病的發病率。BNAR 綜合征是一種非常罕見的疾?。鹤?002 年首次描述以來，僅有9 例來自于三個無關家族的病例報告。顯著的臨床特征有面部畸形包括明顯的鼻翼兩裂、牙齒異常等[17]。FREM1 的突變與多種人類疾病有關，突出了其在組織形態發生和體內平衡中的重要性。對FREM1 的結構和功能及其在疾病中的作用的進一步研究可能會影響針對這些疾病的新治療策略的發展。

3.2 FREM1 的動物模型

國內外學者對FREM1 基因引起的疾病進行了研究，它是細胞粘附、遷移和分化的關鍵調節因子，在多個器官和組織的發育中起著至關重要的作用。到目前為止有關FREM1 的動物模型比較有限，大體上分為兩種：FREM1 基因缺失型和FREM1 基因突變型。

Petrou 等發現現有存活的缺少 FRAS1、FREM1 和FREM2 三種基因的動物顯示永久性的畸形，如一個或兩個眼瞼完全融合。FREM1 缺失型，表現出更嚴重的隱眼癥、并指癥和腎發育不全[18]。先天性膈疝（congenital diaphragmatic hernia，簡稱CDH）是一種常見的危及生命的出生缺陷，FREM1 缺乏會導致人類和小鼠先天性膈疝。Wiradjaja F 等證實了FREM1 基因在隔膜發育中起著關鍵作用，并且FREM1 基因缺乏癥可導致人類和小鼠的CDH。通過小鼠FREM1 純合子截斷突變，發現小鼠有眼睛缺陷、腎臟缺失，并出現胸骨后膈疝等癥狀[19]。小鼠中FREM1 基因的缺失可導致腎臟和前肢等器官的發育異常，進而影響小鼠的生存。

FREM1 的時空表達受到嚴格控制，與一系列其他發育調控基因定義的調控元件和組織特異性增強子保持一致。在眼部和全身性疾病中都有這種突變序列的例子，其中一種是頭皰突變型，表現出明顯溫和的表型：眼瞼張開，無隱眼、并指或腎異常。FREM1 與血小板衍生生長因子受體（Platelet-derived Growth Factor Receptor，簡稱PDGFR）的相互作用可以調節血小板衍生生長因子受體α（Platelet-Derived Growth Factor Receptor Alpha，簡稱PDGFR-α）下游細胞外基質的重塑，一旦該基因發生突變，FREM1 的功能除了在基底膜中的穩定作用喪失外，小鼠會出現胎兒皮膚水皰和一系列其他發育缺陷[20]。Slavotinek等人重新研究了FREM1 突變體小鼠，發現新的證據支持該基因參與眼睛和肛門的發育。因此，可以在MOTA 綜合征中觀察到一些動物表現出類似于眼瞼缺陷，以及結膜形成缺陷、角膜上皮缺失、角膜纖維化和混濁。此外，FREM1 突變與三頭畸形有關，FREM1 小鼠作為三頭畸形和面部不對稱的新動物模型[21]。Ⅴissers 報道了FREM1 是一種顯性作用的中位顱縫造口癥基因，證明了FREM1 在閉合中位以及上頜前-上頜骨縫合線中的作用，并提出了對單腔滑膜細胞增生的進一步研究途徑。所有這些小鼠模型都增加了對FREM1 的病理生理學的了解，與FREM1相關疾病的病理生理學知識[22]。

斑馬魚也是一種廣泛用于發育生物學研究的模型動物。FREM1 基因在斑馬魚的胚胎神經管發育中具有重要作用。研究發現，FREM1 基因敲除或缺失可導致斑馬魚胚胎的神經管發育異常，包括脊髓、頭部和眼睛等結構的異常[23]。另外也發現，FREM1 基因在斑馬魚眼睛的晶狀體和視網膜發育中起著重要作用，敲除或缺失會導致斑馬魚眼睛發育不全和視網膜結構異常。FREM1 基因在斑馬魚的發育中具有多種功能，包括神經管、眼睛、鰓弓和尾鰭等結構的發育，這些研究結果為更深入地了解FREM1 基因在動物發育中的作用提供了重要參考[24]。

總之，FREM1 基因在多個動物模型中均扮演著重要角色，參與了器官和組織的發育調節功能。這些研究結果為更深入地了解FREM1 基因的功能和作用機制提供了重要參考。

4 展望

通過基因克隆、基因多態性及小鼠模型證實FREM1 基因與鵝的豁眼性狀形成有關，但具體基因水平和蛋白水平的分子遺傳機制仍未可知。在今后的研究中，可以通過轉錄組學和蛋白質組學聯合分析及家系遺傳觀測，揭示FREM1 基因調控五龍鵝豁眼的分子機制，并推動其在動物遺傳育種和醫學領域的應用。