Carpenter综合征的分子遗传学研究进展

白珊珊 综述 韦敏 审校

·综述·

Carpenter综合征的分子遗传学研究进展

白珊珊 综述 韦敏 审校

Carpenter综合征，又名Ⅱ型尖头多指（趾）并指（趾）畸形，是一种导致颅缝早闭的常染色体隐性遗传病，临床表现主要以颅缝早闭、多指（趾）、并指（趾）、肥胖等先天畸形为主，可引起智力发育迟缓、颅内高压等一系列并发症。目前发现其基因突变主要定位于RAB23，编码的蛋白是Rab蛋白家族的一员：小GTP结合蛋白。Rab蛋白是HH信号通路的负性调节因子，突变后的Rab蛋白结构和功能产生变化，很可能通过扰乱HH信号通路而导致Carpenter综合征，但具体发病机制尚未明确；也有少数Carpenter综合征患者是因为MEGF8基因的突变。

Ⅱ型尖头多指（趾）并指（趾）畸形颅缝早闭基因信号通路

Carpenter综合征是一种罕见疾病，发病率约为百万分之一[1]，为常染色体隐性遗传病，属于颅缝早闭的一种[2]。颅缝是胎儿期头颅诸扁平骨被致密的结缔组织膜所分隔，形成的一种纤维性关节。颅缝内骨的边缘是骨形成的活跃部位，能使骨的生长和脑发育相互协调，如果颅缝提前闭合，即称为颅缝早闭。狭小的颅腔无法适应脑的生长发育，可出现颅内高压、发育迟缓、智力低下、精神活动异常、癫痫等症状。目前发现和颅缝早闭相关综合征约有70种[3]，其中以Apert、Crouzon、Pfeifer、Beare-Stevenson等较常见，Carpenter综合征发病率相对较低，早在1901年即被发现并报道。该综合征发病呈散发性，临床表现多样，患者病情较严重，主要特征为颅缝早闭导致的尖头畸形，多涉及额缝和矢状缝的早闭，甚至会出现三叶草形颅缝闭合，合并多指（趾），并指（趾）畸形，约75%患者有智力缺陷[1]。其他伴随症状包括肥胖，磨牙发育不全，先天性心脏病，脐疝，生殖腺机能减退，后天学习能力障碍等[2]。目前，在细胞、分子包括基因水平对颅缝早闭相关综合征的基因学研究大多已被证实，比如Apert综合征主要是由于FGFR2的突变，Crouzon综合征涉及FGFR2、FGFR3的突变，Saethre-Chotzen基因定位主要是TW1ST1和FGFR2。此类疾病的治疗仍以手术为主，基因和分子机制等相关治疗仍处于探索阶段，但已有研究尝试利用FGFR受体抑制剂PLX052来阻止小鼠冠状缝的早期闭合[4]。Gilbert等[5]在冠状缝早闭的新西兰大白兔手术后，注射TGF-β3蛋白，阻止颅缝再次骨化。遗传学相关分子机制是近年来颅缝早闭的研究热点，为探索新的治疗方法提供依据和基础。我们回顾并总结了关于Carpenter综合征遗传学分子机制等方面的相关研究，从基因突变和信号通路方面对其发病机制进行综述。

1 Carpenter综合征基因定位主要位于RAB23

RAB23是RAS原癌基因的成员，定位于人染色体6p11-6p12，其编码的蛋白为小GTP结合蛋白，是Ras超家族Rab家族成员，因其突变可导致小鼠开脑综合征，又被称为opb基因[6]。Rab23蛋白在小鼠脑、性腺、乳腺和胃组织中均有特异性表达，表明其对这些器官正常功能的维持具有一定的作用[7]。该基因在细胞内囊泡运输中也有重要作用，通过募集马达分子到达靶膜，从而调节细胞器或者囊泡的转运[8]。Jenkins等[2]利用纯合子定位法对Carpenter综合征患者的基因进行分析，发现了17个患者中存在5种类型RAB23基因的突变，最常见的是c.434T>A,pL145X，其中4对等位基因（E47fsX7、Y78fsX30、E137X、L145X）的突变，造成了蛋白质结构的缺失；错义突变C85R导致编码的不带电氨基酸变成带电氨基酸，这一替代可能会破坏Rab23蛋白的折叠。这17名患者表现为颅缝早闭，多指（趾）畸形，出生体重过高，心脏缺陷和智力低下。Alessandri等[8]发现了一种新的突变：c. 86dupA,p.Y29X，相比Jenkins之前发现的患者，新的患者出生体重并没有过高且智力均正常；2011年，Jenkins等[9]又发现了来自8个不同家庭的10个患者，出现6种新的RAB23的等位基因突变类型，这些突变均被认为是影响了RAB23蛋白的主要结构，进而影响其功能，且男性患者普遍存在外生殖器的畸形；2012年，Bensalem等[1]发现新的剪接突变：c. 482-G>A,p.V161fsX3，突变的基因破坏了外显子5的剪接位点受体，使得编码RAB23的mRNA缺失8个核苷酸，造成转录终止。2013年，Haye等[10]发现c.481G>C,p.VaI161Leufs*16。目前报道过约100多名Carpenter综合征患者，其中RAB23突变有35个，13种不同类型的突变，包括9个截断突变（5个插入或者删除突变，2个无义突变，2个剪接位点突变），3个错义突变，1个框内氨基酸删除。

2 RAB突变导致Carpenter综合征的相关机制

RAB23突变导致Carpenter综合征的机制主要是影响了Rab蛋白的折叠和或其效应蛋白的结合等。Jenkins等[9]发现了一种新的机制：无义介导的mRNA降解（Nonsense-Mediated mRNA Decay，NMD）。NMD是细胞的重要RNA监控机制，是转录mRNA质量控制的重要环节，识别并降解开放阅读框中含有提前终止密码子（Premature termination codon，PTC）的RNA，以避免因截短的蛋白质产物积累对细胞造成毒害。NMD还调控正常生理基因的表达，改变人类疾病的表现型，比如NMD可以通过清除编码负性效应蛋白基因的转录产物来降低疾病的严重程度。同时，疾病表现型的严重程度取决于终止密码子在基因中的位置，如果PTC位于3’端最后一个或者倒数第二个外显子，则很容易失去NMD作用[9]。为了研究NMD在RAB23突变导致Carpenter综合征中的意义，Jenkins等利用焦磷酸测序技术，分别将突变类型为c. 434T>A的患者与正常者进行了突变体转录相对水平的量化对比。结果发现，Carpenter综合征患者突变体的转录体相对不稳定，由于PTC位于RAB23倒数第二个外显子的3’端，很有可能没有进行NMD过程，说明NMD在RAB23突变导致Carpenter综合征的过程中有非常重要的作用。

3 MEGF8突变也可导致Carpenter综合征

MEGF8（Multiple EGF-like-domains）首次被发现是在1998年分析EGF蛋白基序中[11]，位于19q13.2，是一种编码蛋白质的基因，该蛋白是一个单跨膜的Ⅰ型膜蛋白，包含类似于表皮生长因子（EGF）、kelch、PSI、CUB等多种结构域的大分子量蛋白，进化高度保守。2012年，Twigg等[12]发现5名Carpenter综合征患者的RAB23基因均正常，经过纯合子定位法，发现突变基因定位于MEGF8，且包含5种类型的突变：1个无义突变、3个错义突变和2个剪接突变。这5名患者的临床表现以器官异位为主，其中3名患者表现出完全性的内脏异位，右位心或大血管转位，颅缝早闭症状也较RAB23突变患者轻，主要涉及额缝的早闭，常伴发颅面部畸形，如鼻梁塌陷、内眦赘皮、睑裂等，而脐疝、膝外翻则更倾向于RAB23突变导致的表现。相对于RAB23突变患者，目前发现的MEGF8突变患者较少，因此猜测MEGF8突变可能属于一种亚效等位基因突变，即突变后产生的表现型在性质上相同于野生型，但是在程度上次于野生型突变基因。目前关于MEGF8基因的研究相对较少，其功能尚未清楚，可能与细胞表面识别相关。Zhang等[13]发现，如果在斑马鱼胚胎中用吗琳代敲除MEGF8基因，75%胚胎会出现内脏异位，其可能和胚胎时期内脏位置发育相关。Engelhard等[14]在小鼠三叉神经发育中发现，MEGF8在BMP4信号通路中有重要作用，BMP4可以抑制三叉神经的发育和生长，而MEGF8则是调节这一抑制效应的重要角色。BMP即骨形态发生蛋白，是一大类分泌型生长因子的统称，参与胚胎发育、细胞分化和器官形成等多个重要的生物学过程，BMP参与颅缝早闭已被证实[15]。所以，MEGF8突变可能是通过调控BMP通路影响颅缝发育。

4 Carpenter综合征与Hedgehog信号通路

分泌蛋白Hedgehog（HH）家族的成员，在脊椎动物和非脊椎动物的发育中起重要调控作用，包括细胞增殖、分化和组织的形成等。HH信号的异常会引起先天性缺陷和癌症，HH基因首次在果蝇中发现，哺乳动物中存在3个HH的同源基因：Sonic Hedgehog（SHH）、Indian Hedgehog（IHH）和Desert Hedgehog（DHH），分别编码Shh、Ihh和Dhh蛋白[16]。Eggenschwiler等[17]发现，RAB23是SHH信号通路的负性调控因子，可作用于靶分子Gli2激活子，调节Smo蛋白下游、Gli蛋白上游来负性调节HH信号通路，从而影响胚胎发育和多种器官组织的定向分化。另外，Carpenter综合征某些临床表现和因HH信号通路被扰乱而导致的疾病非常相似[2]。如Greig综合征，是由于Gli3的单倍剂量不足[18]；A1型短指症，是由于IHH的错义突变[19]。因此，RAB23突变很可能是通过调控HH信号通路，继而造成Carpenter综合征的发生；MEGF8突变导致Carpenter综合征是由于扰乱了HH信号通路。因为，HH信号通路被扰乱而造成的疾病的相关临床表现和其有相似点。HH信号通路被公认在颅颌面的发育中有重要作用[20]，但其在颅缝生长中的作用一直不明确。Marti等[21]发现，SHH对人类颅面部中缝发育有重要作用，在小鼠胚胎17 d时头颅的矢状缝和额缝中大量表达，同时测得BMP的表达模式与其非常相似，推测SHH很有可能是通过影响BMP信号通路来影响颅缝发育；2007年，Jacob等[22]发现IHH信号通路通过控制Ptch1的表达来影响颅缝的生长；2011年，Klopocki等[23]发现，IHH信号通路的增强可加快细胞成骨和颅缝区的过度生长；2015年，Barroso等[24]检测出颅缝早闭患者IHH基因的上游元件发生了复制。这些研究均表明，HH信号通路在颅缝的生长发育中有一定作用，但具体机制仍需进一步探索。

5 总结及展望

目前已明确，Carpenter综合征的基因定位于RAB23和MEGF8，突变类型多而复杂，RAB23是SHH信号通路的负向调节因子，而HH信号通路扰乱所造成的相关疾病临床表现和Carpenter综合征相似，所以RAB23突变很可能是通过影响HH信号通路导致了Carpenter综合征。MEGF8突变患者多呈现器官异位等表现，在三叉神经中已发现其和BMP通路相关。MEGF8是否可通过调控BMP通路影响颅缝发育，上述基因变异和信号通路又是否与目前研究相对较明确的FGFR、TGF-β信号通路有相互作用，具体的调控机制和各机制间的关系仍有待深入研究，阐明Carpenter综合征相关分子机制或将有助于该疾病的预防和治疗。

[1]Bensalem S,Begum MA,Ali BR,et al.A novel aberrant splice site mutation in RAB23 leads to an eight nucleotide deletion in the mRNA and is responsible for carpenter syndrome in a consanguineous Emirati family[J].Mol Syndromol,2013,3(6):255-261.

[2]Jenkins D,Seelow D,Jehee FS,et al.RAB23 mutations in carpenter syndrome imply an unexpected role for hedgehog signaling in cranial-suture development and obesity[J].Am J Hum Genet, 2007,80(6):1162-1170.

[3]郭璐,胡仁明.Crouzon综合征发病机制研究进展[J].医学综述, 2007,13(24):1992-1993.

[4]Eswarakumar VP,Ozcan F,Lew ED,et al.Attenuation of signaling pathways stimulated by pathologically activated FGF-receptor 2 mutants prevents craniosynostosis[J].Proc Natl Acad Sci U S A, 2006,103(49):18603-18608.

[5]Gilbert J,Karski M,Smith TD.Transforming growth factor-β3 therapy delays postoperative ressification and improves craniofacial growth in craniosynostotic rabbits[J].Cleft Palate Craniofac J, 2016,53(2):210-221.

[6]唐利,刘博强,李承新.Rab23研究进展[J].现代生物医学进展, 2012,12(26):5192-5194.

[7]Olkkonen VM,Peterson JR,Dupree P,et al.Isolation of a mouse cDNAencodingRab23,asmallnovelGTPaseexpressed predominantly in the brain[J].Gene,1994,138(1-2):207-211.

[8]Alessandri J,Dagoneau N,Laville JM,et al.RAB23 mutation in a large family from comoros islands with carpenter syndrome[J]. Am J Med Genet,2009,152A(4):982-986.

[9]Jenkins D,Baynam G,Catte LD,et al.Carpenter syndrome: extended RAB23 mutation spectrum and analysis of nonsensemediated mRNA decay[J].Hum Mutation,2011,32(4):2069-2078.

[10]Haye D,Collet C,Sembely-Taveau C,et al.Prenatal findings in carpenter syndrome and a novel mutation in RAB23[J].Am J Med Genet,2013,164A(11):2926-2930.

[11]Nakayama M,Nakajima D,Nagase T,et al.Identification of high-molecular-weight proteins with multiple EGF-like motifs by motif-trap screening[J].Genomics,1998,51(1):27-34.

[12]Twigg SF,Lloyd D,Jenkins D,et al.Mutations in multidomain protein MEGF8 identify a carpenter syndrome subtype associated with defective lateralization[J].Am J Hum Genet,2012,91(5): 897-905.

[13]Zhang Z,Alpert D,Franics R,et al.Massively parallel sequencing identifies the gene Megf8 with ENU-induced mutation causing heterotaxy[J].Proc Natl Acard Sci U S A,2009,106(9):3219-3224.

[14]Engelhard C,Sarsfield S.MEGF8 is a modifier of BMP signaling in trigeminal sensory neurons[J].Elife,2013,2:e01160.

[15]Warren SM,Brunet LJ,Harland RM,et al.The BMP antagonist noggin regulates cranial suture fusion[J].Nature,2003,422(6932): 625-629.

[16]Cohen MM Jr.Hedgehog signaling update[J].Am J Med Genet A,2010,152A(8):1875-1914.

[17]Eggenschwiler JT,Espinoza E,Anderson KV.Rab23 is an esential negative regulator of the Sonic hedgehog signaling pathway[J]. Nature,2001,412(6843):194-198.

[18]Démurger F,Ichkou A,Mougou-Zerelli S,et al.New insights into genotype-phenotype correlation for GLI3 mutations[J].Eur J Hum Genet,2015,23(1):92-102.

[19]Hellemans J,CouckePJ,Giedion A,et al.Homozygous mutations in IHHcause acrocapitofemoral dysplasia,an autosomal recessive disorder with cone-shaped epiphyses in hands and hips[J].Am J Hum Genet,2003,72(4):1040-1046.

[20]Xavier GM,Seppala M,Barrell M,et al.Hedgehog receptor function during craniofacial development[J].Dev Biol,2016,415 (2):198-215.

[21]Marti E,Takada R,Bumcrot DA,et al.Distribution of Sonic hedgehog peptides in the developing chick and mouse embryo[J]. Development,1995,121(8):2537-2547.

[22]Jacob S,Wu C,Freeman TA,et al.Expression of Indian Hedgehog, BMP-4 and Noggin in craniosynostosis induced by fetal constraint [J].Ann Plast Surg,2007,58(2):215-221.

[23]Klopocki E,Lohan S,Brancati F,et al.Copy-number variations involving the IHH locus are associated with syndactyly and craniosynostosis[J].Am J Hum Genet,2011,88(1):70-75.

[24]Barroso E,Berges-Soria J,Benito-Sanz S,et al.Identification of the fourth duplication of upstream IHH regulatory elements,in a family with craniosynostosisphiladelphia type,helps to define the phenotypic characterization of these regulatory elements[J].Am J Med Genet,2015,167A(4):902-906.

Research Progress on the Molecular Genetics of Carpenter Syndrome

BAI Shanshan,WEI Min．
Department of Plastic and Reconstructive Surgery,Shanghai Ninth People's Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200011,China.Corresponding author:WEI Min(E-mail:drweimin@163.com).

Carpenter Syndrome;Craniosynostosis;Gene;Signaling pathway

R682.1+1

B

1673－0364（2017）03－0169－03

2017年2月16日；

2017年4月3日）

10.3969/j.issn.1673-0364.2017.03.014

200011上海市上海交通大学医学院附属第九人民医院整复外科。

韦敏（E-mail：drweimin@163.com）。

【Summary】Carpenter syndrome,also called acrocephalo-polysyndactyly type II,is an autosomal recessive dominant inherited disease with craniosynostosis,characterized by a combination of craniosynostosis,polysyndactyly,obesity,and other congenital malformations.CS will result in some complications including mental retardation,intracranial hypertension.To date,the majority of CS is caused by mutations in the RAB23 gene,which encodes a small GTPase of the Rab superfamily. Rab acts as an essential negative regulator of the Sonic hedgehog signaling pathway.The mutation of RAB23 in CS result in the structure and function of the protein,which probably through perturbation of signaling by hedgehog.However,the pathogenesis is not exactly clear.Some of the CS is caused by mutations in multiple EGF-like-domains(MEGF8).