原发性小头畸形的临床特征及相关基因的研究进展

杨仁凯　唐晓军

原发性小头畸形（Congenital Microcephaly）又称为真性小头畸形或常染色体隐形遗传小头畸形（Autosomal Recessive Primary Microcephaly，MCPH），是一种神经系统发育障碍疾病，其主要临床特征是头围减小伴随一定程度非进行性智力退化[1]。小头畸形的病因包括环境因素、遗传因素和感染因素等。目前普遍认为MCPH是一种多基因隐形遗传的疾病。全世界各地报道的发病率差异较大，其中巴基斯坦北部及亚洲一些盛行近亲结婚的国家发病率最高，北欧国家发病率较低[2]。国内在该领域报道较少，本文通过复习文献，将其临床特征及相关基因研究进展综述如下。

1命名和历史

人们对小头畸形的形态描述可以追溯至一个多世纪以前，1885年，Giacomini首次在文献中描述了小头畸形的基本特征[3]，随着人们对小头畸形认识的不断加深，大量的文献报道中其名称也随之变化。从最初形态学描述性称谓逐渐向基因学病因学名称过渡，对于小头畸形的诊断标准及分类也不断发展。1959年，Van Den Bosch[4]根据形态学采用了原发性小头畸形这个诊断名称，主要指独立存在的、非综合征的小头畸形。该定义十分模糊，没有涉及病因学及神经病理学诊断。1964年，Kloepfer[5]认为原发小头畸形是一种染色体隐性遗传疾病，并把它与其他原因（如创伤、感染等后天因素）导致的小头畸形区分开，称为真性小头畸形。自1998年Jackson等[3]报道了第一个确定与小头畸形相关的基因位点后，一系列的相关基因相继被报道。人们开始意识到传统的形态学描述并不能全面地概括小头畸形的特征，于是逐渐提出，接受和采用了以基因学为基础的常染色体隐形遗传小头畸形这个诊断名词。

2临床特征

大脑的发育包括胎儿阶段及出生后阶段，MCPH主要影响胎儿阶段大脑的发育，早在孕24周左右即可应用超声波技术、核磁共振扫描发现患儿头围测值及脑容量低于正常同龄胎儿[2]。尽管相比于头颅MRI及CT等客观标准，头围测量难以准确地反映脑容量的大小，但由于其方法简单易行，出生后头围测量仍是诊断小头畸形最常用的方式之一。临床上常用小于正常同龄儿头围3个标准差作为诊断小头畸形的标准[1]。使用头围测量值作为诊断小头畸形标准时应当注意年龄、性别和种族等相关因素的修正。临床还以中-轻度的智力退化作为重要的辅助诊断依据。散在报道中存在头围小于正常值3个标准差而智力正常的个体，而小于正常值4个标准差并智力正常的个体十分罕见。小头畸形分为原发性和继发性，该分类的重要标志是原发性小头畸形出生后其智力退化及脑容量不足水平相对静止，继发性小头畸形往往出现进行性脑退化。原发性小头畸形则包扩非遗传类原发性小头畸形和遗传类小头畸形（MCPH），非遗传类原发性小头畸形的病因有先天性弓形虫感染及母体妊娠阶段酒精摄入过量等。MCPH是排除了继发因素及非遗传性小头畸形，由基因突变导致的一类常染色体隐性遗传疾病。

在过去的文献中对原发性小头畸形、真性小头畸形及MCPH的描述可能是同一种疾病的表现型。但由于对该类疾病缺乏较深刻的认识，导致诊断标准无法确定。例如：真性小头畸形把额部倾斜作为重要的诊断依据，但后来发现并不是所有的MCPH都存在这一特征[6]。而原发性小头畸形把伴有神经症状的小头畸形也涵盖于诊断范围内，而显得特异性不强。2002年，Jackson和Robert等[7]对MCPH提出了最早的诊断标准：①MCPH为先天性疾病，出生时头围测量小于正常同龄儿4个标准差；②非进行性智力退化，但不伴有其他的神经异常症状，如癫痫、持续痉挛等；③体重、身高、外貌基本正常，基因组检查及大脑结构无异常。MCPH患儿出生时头围测量值一般小于正常同龄儿4～12个标准差，相应的头围减少程度终生不变。在同一个MCPH家族中不同的发病个体间头围相差一般不大于2个标准差。CT、MRI影像学检查常提示MCPH患者大脑的结构基本正常而皮层发育明显不足[8-9]，发育成熟后个体身高、体重、外貌一般无特异性变化[10-12]。多数患者在出生后的第1年智力发育呈现中度滞后和语言发育迟缓。随后的发育过程中可观察到患者极度活跃，并可伴有攻击行为、注意力低下和癫痫发作等神经系统发育不良症状[13]。通过后天学习MCPH患者可以掌握一些基本生活技能。

随着MCPH基因的发现，对基因型和临床表现型研究深入后，人们逐渐认识到原先的MCPH诊断标准需要修正。例如：原先的诊断标准中将伴有癫痫、身高发育不足及异常脑细胞发育的病例剔除，而在MCPH1基因突变家族中往往存在此类表现。目前修正的MCPH诊断标准为：①MCPH为先天性疾病，出生时头围测量小于正常同龄儿4个标准差；②非进行性智力退化，一般不伴有其他的神经异常症状，如癫痫、持续痉挛等，若出现神经异常症状，则不能作为排除标准；③体重、身高、外貌基本正常，基因组检查及大脑结构无异常，但对于MCPH1变异个体，常存在身高发育不足、室周神经元细胞异位[1]。

3MCPH相关基因研究

临床表现的多样化提示MPCH具有遗传异质性，复习文献，迄今为止已有7个MPCH相关基因位点被陆续发现（MPCH1-7），其命名顺序是根据发现时间先后确定的[3，14-20]。每一个基因位点的发现都是通过对一个已知的小头畸形家族成员基因图谱分析得来的[21]。

3.1 Microcephalin：Microcephalin（MCPH1）基因位于8号染色体短臂2区3带（8p23）上，长度为241905bp，包涵14个外显子，编码835个氨基酸。具有3个功能域：BRCT1-3，其中BRCT1靠近N末端，而BRCT2、3靠近C末端[22]。MCPH1蛋白参与细胞DNA损伤修复及染色体凝集过程，在细胞分裂G2到M期检测点与磷酸化的细胞周期依赖性蛋白激酶相互作用可以阻止DNA复制损伤后进入有丝分裂M期[23]。在胎儿器官中可普遍发现转录有MCPH1的mRNA，尤其是脑组织、肝脏及肾脏表达浓度较高，提示MCPH1蛋白与人类器官成熟相关。继1998年Jackson等[3]通过对一个患有小头畸形的巴基斯坦家族基因序列的研究首次确定了突变位置。后来Trimborn等[24]通过对2个PCC综合征（premature chromosome condensation syndrome，PCC）家族成员的研究中发现了新的MCPH1基因变异。2010年，Farooq等[25]又报道了1例由于MCPH1D的4号位缺失而引起的颅缝早闭-小头畸形-染色体破坏综合征。目前，Trimborn和Liang等[26-27]已成功建立了MCPH1功能缺损的哺乳动物模型，更有力地阐明了MCPH1在细胞周期及染色体凝集过程中发挥重要作用。

3.2 WDR62 （MCPH2）：WDR62基因位于人染色体19q13.12位置，长度为50230bp，具有32个外显子[28]。WDR62蛋白具有两个亚基，包含1523个氨基酸残基及15个WD重复序列。该基因在人类和小鼠的脑室及脑室旁神经干细胞中可观察到表达。3篇最近的报道中指出WDR62基因变异与MCPH2连锁，提示WDR62可能包含于MCPH2中，而且是MCPH2的功能序列[28-30]。从WDR62基因变异个体中可观察到多种大脑皮层发育障碍症状，包括小头畸形、脑回肥厚、胼胝体发育不全等。2010年，Bilguvar等[28]从小头畸形患者中找到了5例WDR62变异纯合子。Nicholas等[30]对7个MCPH家族研究中指出WDR62基因变异中占第2位。关于该基因表达产物在神经干细胞分裂中的作用机制目前意见尚不一致。Yu等[29]认为WDR62蛋白与细胞有丝分裂没有明确的关系，而Bilgü等[28]提出WDR62蛋白作用机制与另一种MCPH基因ASPM类似，他们观察到在细胞分裂间期WDR62分散在细胞质中，在分裂期可见WDR62聚集到纺锤体两极。Nicholas等[30]则认为WDR62在细胞周期中发挥定位功能。尽管目前关于WDR62蛋白的作用机制尚无统一认识，但他们的研究结论都证明了WDR62即MCPH2基因。

3.3 CDK5RAP2（MCPH3）：人类CDK5RAP2（cyclin dependant kinase 5 regulatory associated protein 2）基因位于9号染色体长臂3区3带2亚带上，长度为191290bp，其中有5682bp的开放读码框，编码1893个氨基酸序列。该基因被认为是MCPH3基因[31]。Bond等[31]还描述了CDK5RAP2蛋白的N端存在一个与γ微管蛋白环形复合体（γTuRC）反应位点，C端存在着与细胞周期蛋白依赖性激酶调节亚基1的反应位点，中间存在一些螺旋结构。CDK5RAP2蛋白与中心体功能相关，携带此基因的mRNA在人类及哺乳动物细胞中广泛存在，在神经系统中含量最高。CDK5RAP2蛋白在海拉细胞周期中被定位在中心体周围，其N端反应位点在γ微管蛋白环形复合体与中心体的结合过程中发挥作用。扰乱人类的CDK5RAP2蛋白功能可导致γ微管蛋白无法定位在中心体上，抑制了微管成核。从而形成纺锤丝紊乱、星状体缺如的细胞模型[32]。Zhang等[33]最近论证了CDK5RAP2蛋白參与纺锤体检测点调控。他们发现如果CDK5RAP2蛋白功能缺陷可导致染色体分离障碍及纺锤体检测点蛋白减少。Graser论证了CDK5RAP2蛋白还与染色质浓缩及中心粒旁体蛋白形成有关[34]。但通过观察发现，纺锤体形成障碍的果蝇模型中只表现出了轻度的不对称有丝分裂而没有脑容量的缩小[35]。

3.4 CEP152 （MCPH4）：人类中心体蛋白152（CEP152）是由CEP152基因编码，2010年，Guernsey等[36]通过对3例加拿大小头畸形患者的基因研究发现CEP152基因与MCPH4基因相关，大胆提出CEP152位于已报道的MCPH4基因中。MCPH4基因位于15号染色体长臂2区1带1亚带上（15q21.1），长度为72835bp，最多编码1710个氨基酸序列[37]。人类CEP152基因与果蝇的Asl基因同源，Blachon等[38]利用动物细胞模型论证了果蝇的Asl基因与中心体及鞭毛形成有关。Guernsey等则在胚胎大鼠的脑细胞中发现了CEP152表达，这与其他的MCPH基因表达区域相符，他们利用RT-PCR技术测定鼠CEP152序列及长度。

3.5 ASPM （MCPH5）：人类异常纺锤体样小头畸形相关蛋白基因（ASPM）全长为62567bp，其中开放编码框长度为10906bp，编码的蛋白质（Aspm）包涵3477个氨基酸。Aspm的N末端包涵一个微管结合区域[12]，一个钙调蛋白同源区（CH），以及81个与钙调蛋白结合的异亮氨酸-谷氨酰胺基序（IQ）[39]。其C末端暂未发现可辨认的功能位点。IQ基序的数量在不同的哺乳动物中数目不同，可能与进化过程中大脑皮层的增大相关[40-41]。2006年，Fish等在鼠模型中证明Aspm蛋白在有丝分裂过程中起到维持对称分裂的作用，他们通过导入SiRNA技术阻遏细胞的Aspm蛋白合成可以观察到小鼠神经系统发育过程中不对称分裂的细胞比例增加[42]。Paramasivam发现Aspm蛋白的N末端和C末端在有丝分裂中分别位于纺锤体极和中间体内[43]。ASPM在有丝分裂纺锤体功能实现及分裂平面的定向上起重要作用[44]。多种结论证明ASPM基因的表达与细胞增殖有关，在祖细胞中表达最高，随着细胞分化进行逐渐下调。而阻抑Aspm蛋白的功能可抑制细胞的自我更新及增殖能力[45]。较近的研究表明转化细胞和肿瘤细胞的ASPM转录RNA含量增加而被放射治疗过的肿瘤细胞ASPM表达降低，ASPM表达的程度与恶性胶质细胞瘤的增殖呈正相关[46]。2010年，Pulvers等培育出2个ASPM基因突变的小鼠品系，他们通过观察小鼠的脑皮质解剖特征来确定ASPM基因的功能。在他们的试验中，可见ASPM突变小鼠的脑容量减少，虽然不及人类小头畸形脑容量减少的程度，但病理生理机制是一致的[47]。考虑ASPM突变引起脑容量的减少与哺乳动物自身脑容量的大小相关。同时，研究者还观察到ASPM的突变可影响雄性小鼠的生殖能力而不改变它们的交配频率。结合目前的研究结果不难推断，ASPM的改变可能是通过影响了纺锤体的定向功能，致使神经祖细胞在增殖过程中出现非对称分裂，从而影响了哺乳动物脑皮质发育[44]。

3.6 CENPJ（MCPH6）： 人类着丝粒蛋白J（Cenp J）由CENPJ基因编码，也被称为中心体P4，1相关蛋白（CPAP），基因全长40672bp，位于13号染色体长臂1区2带2亚带，含有5187bp长度开放读码区，包含17个外显子，共编码1338个氨基酸。CENPJ基因在组织中表达比较广泛，在脑组织及脊髓中表达最高，主要表达位于神经发育中额叶神经上皮细胞[31]。Cenp J蛋白包含一个微管移动结构域（PN2-3），长度为112个氨基酸。CenpJ蛋白在有丝分裂过程中存在于中心体中，细胞分裂前、中期聚集在纺锤体极[48]。2006年，Cho等[49]观察到缺少CenpJ蛋白可影响完整中心体的形成，出现中心体紊乱及多级纺锤体。在体外实验中已证明缺少CenpJ蛋白可阻碍微管成核和解集[50]。Koyanagl等[51]在实验中运用SiRNA阻遏CenpJ表达来增加多极纺锤体出现概率，实现分裂中止、细胞凋亡。2006年，Basto等[52]观察到尽管dsas-4敲除果蝇能够存活至成年，但协调能力、繁殖能力明显低下。显微镜下可见细胞中心体缺失，因此推断CENPJ在果蝇体内的同源基因是dsas-4。同时，dsas-4基因突变的果蝇存在纤毛缺失、存活率下降等问题[53]。利用荧光漂白恢复技术（FRAP）可以观察到dsas-4蛋白在一个细胞周期内被募集至中心体内一次，而且募集的时期为细胞器复制初期，这特征也提示dsas-4蛋白在中心体复制过程中的重要作用[54]。

3.7 STIL/SIL （MCPH7）：2009年，Kumar等[20]報道了纯合型STIL基因突变在人类中可造成小头畸形，由此确立MCPH第7个相关基因的位置。STIL基因位于1号染色体断臂3区3带至3区2带3亚带之间（1p33-p32.3）。基因长度为63018bp，含有5225bp长度的开放读码区[55]。全长包括20个基因外显子，编码蛋白包含1287个氨基酸残基。STIL蛋白是一种细胞质基质蛋白，大小为150千道儿顿。目前对于该蛋白的功能尚未完全清楚，也未发现任何与之同源的蛋白家族或基序[55]。对STIL蛋白的结构研究提示它存在一个细胞核定位信号区和一个类似于TGF-β的C末端结构域[56]。在发现STIL基因与小头畸形的关系前，学者们关注的是STIL基因重组与急性淋巴细胞白血病的关系[57]。STIL在整个细胞质中均有表达，在核周区域浓度稍高。他在细胞开始分裂、细胞凋亡控制及中心体功能发挥等过程中起作用[58]。STIL蛋白在有丝分裂初期被磷酸化，随即与肽酰-脯氨酸异构酶（PIN1）反应，调节下游一系列与有丝分裂相关的蛋白磷酸化[59]。在斑马鱼细胞和海拉细胞研究中可发现STIL蛋白不仅在中心体复制及功能实现过程中起作用，而且还参与了纺锤体的构建。斑马鱼sil功能缺失突变模型存在胚胎期的致命缺陷[58]。在小鼠体内Sil mRNA在多种组织细胞中都有表达，表达最活跃的区域为骨髓、胸腺、脾脏、结肠和胃部[59]。sil基因敲除的纯合子小鼠于胚胎7.5～8.5天表现出多种发育异常，10.5天后死亡[60]。同时，他们还描述了sil突变小鼠表现出体格减小、发育受限、中央神经管缺损、左右发育不对称、细胞凋亡比例增大、繁殖率降低等特点，还伴有一些重要基因的表达异常如Lefty2、Nodal、Pitx2、Patched等。

5 小结

人类脑容量与体重的比例显著大于其他哺乳动物，这在人类进化和环境适应过程中意义非凡。在人类MCPH病例中可见明显的脑容量减小，伴随着认知能力的下降。研究此类病例时，人们发现大脑容量大小主要取决于神经系统发育时细胞增殖能否正常进行。由MCPH基因编码的一系列蛋白在细胞有丝分裂关键步骤中起到作用，通过建立MCPH突变的细胞及动物模型，人们逐渐确定MCPH基因在分裂过程中的具体作用。对MCPH发生病理机制的研究不仅加深了对该疾病本身的理解，也提高了我们对正常人类大脑发育的认识，更为研究类似的多基因相关疾病提供模板作用。同时，我们应当清晰地认识到，目前部分相关基因的动物模型研究十分缺乏，导致具体的作用机制仍无法确定。是否还存在其他的MCPH相关基因？掌握了相关基因位点及作用机制后能否结合影像学、遗传学等相关学科对该疾病的预防、早期诊断及治疗方面做出更大贡献？这些都是我们日后工作的重点。

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[收稿日期]2012-07-24 [修回日期]2012-09-14

编辑/李阳利