胆固醇代谢异常与相关角化异常性遗传性皮肤病研究进展

陈付英 李 明

胆固醇代谢异常与相关角化异常性遗传性皮肤病研究进展

陈付英 李 明

胆固醇(cholesterol)是含有环戊烷多氢菲骨架的一种脂质小分子,是维持细胞膜稳定性的一个重要成份，代谢异常会引起多种角化异常性遗传性皮肤病。本文就胆固醇代谢异常与相关角化异常性遗传性皮肤病的研究进展进行综述。

胆固醇代谢； 基因突变； 遗传性皮肤病

胆固醇代谢异常会导致一系列非常严重的疾病。胆固醇过多会引起动脉粥样硬化、脂肪肝、冠心病等疾病，胆固醇过少则不能存活。另外，编码胆固醇代谢通路中间产物的基因发生突变可能会引起一系列遗传性皮肤病，如非综合征型视网膜色素变性(Nonsyndromic retinitis pigmentosa)、汗孔角化症(Porokeratosis，PK)、毛囊性鱼鳞病伴随秃发和畏光综合征(Ichthyosis follicularis 、atrichia and photophobia，IFAP)、鱼鳞病(Ichthyosis)、先天性半侧发育不良、鱼鳞病样红斑及肢体缺陷综合征(Congenital hemidysplasia、ichthyosiform erythroderma、limb defects，CHILD综合征)、秃发性棘状毛囊角化病(Keratosis follocularis spinulosa decalvans, KFSD)等。本文主要就近期研究发现的参与胆固醇代谢的基因突变引起遗传性皮肤病的研究进展做一综述。

1 胆固醇代谢与调控过程

胆固醇是含有环戊烷多氢菲骨架的一种脂质小分子,是血脂的主要成份，另外，胆固醇也是维持细胞膜稳定性的一个重要成份。机体所需胆固醇可以由食物摄取也可以由自身合成。细胞以乙酰辅酶A为原料，中间产物甲羟戊酸辅酶A由3-羟基3-甲基戊二酸辅酶A还原酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase，HMGCR)催化生成甲羟戊酸，胆固醇合成的关键酶甲羟戊酸激酶(Mevalonate kinase, MVK)催化其合成5-磷酸甲羟戊酸,戊酸脱羧酶(Mevalonate diphosphate, MVD)催化磷酸化的5-磷酸甲羟戊酸成为5-二磷酸异戊烯，法尼基二磷酸合酶(Farnesyl diphosphate synthase, FDPS)可催化多种中间产物转化为二磷酸法尼基，进一步经过多步酶促反应合成胆固醇，磷酸甲羟戊酸代谢途径对细胞多种代谢过程起重要作用, 提供细胞必要的生物活性分子。该过程严格受到其下游产物的负反馈调控:一方面,胆固醇调控元件结合蛋白裂解激活蛋白(SREBP cleavage activating protein，SCAP),通过SCAP-SREBP途径在转录水平抑制胆固醇合成基因的表达；另一方面,胆固醇合成中间体羊毛甾醇可促进HMGCR降解, 从而降低胆固醇合成[1]。

SCAP-SREBP通路：Brown等研究发现了胆固醇调控原件(Sterol regulatory element, SRE)，SRE可被转录因子识别并结合从而调控低密度脂蛋白受体(Low density lipoprotein receptor，LDLR)、HMGCR、3-羟基3-甲基戊二酸辅酶A合成酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A synthase，HMGCS)等基因的转录表达[2]。随后Wang等发现可以识别并结合SRE元件的胆固醇调控元件结合蛋白(Sterol regulatory element binding protein，SREBP)，SREBP是膜结合转录因子，对控制脂肪酸及胆固醇合成、摄取的基因转录进行反馈调节[3]。SREBP蛋白通过被位点-1蛋白酶(Site-1 Protease，S1P)，位点-2蛋白酶(Site-2 Protease，S2P)蛋白酶剪切调控活性,剪切可被高胆固醇所抑制。在胆固醇缺乏时，S1P裂开SREBPα/β亚单位前体，激活SREBP促进其下游靶基因的表达，同时,SREBP-SCAP复合物从内质网泌出经COP-II-包被的小泡转向高尔基体，促进HMGCR转录，从而上调脂质合成[4]。Nohturfft等发现SCAP基因突变后使SREBP剪切不再受胆固醇的调控[5,6]。Yang等发现SCAP结合的蛋白为SREBP的靶基因:Insig-1,当细胞内高胆固醇水平时,Insig-1蛋白主要通过与SCAP的SSD区域结合,抑制SREBP成熟剪切，从而得到调控胆固醇代谢的目的[7]。

HMGCR降解通路：HMGCR是胆固醇合成的限速酶，在转录水平上,HMGCR mRNA含量主要受到SREBP的调控。在翻译后水平上,HMGCR蛋白主要受到泛素-蛋白酶体途径的调节。当细胞内胆固醇水平升高时,Insig-1结合HMGCR,同时还结合HMGCR蛋白泛素-蛋白酶体途径降解的泛素连接酶：gp78,使HMGCR泛素化，泛素化的HMGCR被迅速递送到蛋白酶体进行降解, 从而降低细胞内合成胆固醇的速率[8]。Cao等发现蛋白降解过程相关的调控蛋白：Ufd1蛋白[9]。Ufd1可以加速HMGCR降解, 减少细胞内胆固醇的合成。gp78也参与了Insig-1的泛素化-蛋白酶体降解途径,降解Insig-1,解除Insig-1对SREBP通路的抑制, 激活其下游靶基因的表达, 从而上调脂质合成，以实现对胆固醇代谢的精密调控[10]。

2 胆固醇代谢通路与角化异常性遗传性皮肤病

最新研究发现编码胆固醇代谢通路中间产物的相关基因突变会引起数种角化异常性遗传性皮肤病，如汗孔角化症、毛囊性鱼鳞病伴随秃发和畏光综合征、秃发性棘状毛囊角化病等。

2.1 汗孔角化症(Porokeratosis,PK) 汗孔角化症是一种罕见的表皮角化异常的常染色体显性遗传性皮肤病，临床表现为离心分布的多个中央萎缩、周边隆起的角化皮损，其特征性组织病理特点为角样板的出现。临床上通常分为五型：播散性浅表性光化性汗孔角化症(Disseminated superficial actinic porokeratosis,DSAP)，播散性表浅性汗孔角化症(Disseminated superficial porokeratosis, DSP)，经典型Mibelli汗孔角化症(Porokeratosis of Mibelli,PM)，掌跖合并播散性汗孔角化症(Porokekratosis palmaris plantataris et dissiminata, PPPD)，线性汗孔角化症(Linear porokeratosis, LP)。

2012年，Lu[11]等发现在33%的家族性DSAP病人和16%的散发患者中MVK基因存在突变。MVK基因编码的甲羟戊酸激酶参与胆固醇和类异戊二烯的生物合成[12]。Zeng等在两例同时患DSAP和PM的病人中发现MVK基因突变，提示PM和DSAP可能源于同一个MVK基因突变[13]。MVK基因突变同时也会引起甲羟戊酸尿，呈常染色体隐性遗传模式，所以该基因突变可能引起多种疾病的表型。2015年，Zhang等对134例汗孔角化症患者的12个胆固醇代谢通路相关基因进行大规模测序及外显子CNV筛选，发现除甲羟戊酸途径的MVK突变外，还存在PMVK、MVD和FDPS基因突变[14]。随后，Zhang等在4个生殖器型汗孔角化症患者中发现PMVK基因突变，推测该基因突变可能是导致此型PK的原因。Zhang等观察到50%(19/38)的MVK突变病人有直径5 cm 以上伴随皮损的斑块样汗孔角化症(Porokeratosis ptychotropica, PPt)，在MVD、PMVK、FDPS突变的患者中未观察到这一表型，推测其可能是MVK突变的特异表型，另外，MVK突变患者的表型变异通常较大，MVD和FDPS患者的表型有一定同源性，如MVD突变汗孔角化症患者的皮损直径通常在2 cm以下，伴随FDPS突变的患者通常皮损数目较多而直径小于1 cm。MVD和FDPS突变皮损相较于MVK和PMVK突变表浅。通过等位基因表达差异分析,Zhang等发现野生型等位基因在大多数皮损组织(>77%)的表达有不同程度明显下降，在多数病例可能源于未知的DNA甲基化依赖的表观遗传机制[14]。随后，本课题组对21例PK家系进行研究，通过对PCR产物进行直接测序我们发现3个异常的以及7个以前发现过的突变。在该PK群体中最常见的突变是MVD基因编码的p.Phe249Ser和p.Asn292Ser突变，他们的发生率分别为27.3%及13.6%。遗憾的是，在5例散发病例中我们没有发现突变，该突变的发现有助于汗孔角化症的基因诊断及产前咨询。同时我们也首次发现MVD基因突变跟掌跖型汗孔角化症的播散发展有关[15]。

除了以上4个胆固醇代谢相关基因以外，有学者通过对患DSAP的两个中国家系进行全外显子组测序发现SLC17A9基因存在两个错义突变[16]。Lu等通过全基因组连锁及Sanger测序发现SSH1基因和SART3基因在两个患DSAP的中国家系中被发现，推测其可能是DSAP的致病基因[11]。然而，这一发现没有在后续诊断的其他的DSAP家系中得到证实，据此，Frank等推测SSH1及SART3变异可能只是一个单核苷酸多态而不是一个真正的突变[17]。

2.2 毛囊性鱼鳞病伴随秃发和畏光综合征(Ichthyosis follicularis 、atrichia and photophobia，IFAP) 毛囊性鱼鳞病伴随秃发和畏光综合征(IFAP)是一种少见的X连锁遗传的疾病[12]。临床表现为毛囊性鱼鳞病、部分或全部秃发及畏光，可能伴随角膜炎、睑炎、牙釉质发育不全。

Oeffner等研究发现其致病基因为膜结合转录因子肽酶，位点2蛋白酶(Membrane-bound transcription factor peptidase，site-2-protase, MBTPS2)[18]，他们对IFAP患者的mRNA进行RT-PCR分析发现MBTPS2基因内含子突变导致外显子错误剪接，影响MBTPS2拼接，继而引起IFAP综合征。MBTPS2是一种膜包被的锌金属蛋白酶，激活胆固醇控制转录的信号蛋白和内质网压力反应。在负反馈调控机制中，SREBP活性域被MBTPS2裂开 ，随后被转运至胞核作为LDL受体基因等多种靶基因的转录因子。同时参与另外一种裂解酶，即膜结合转录因子肽酶，位点1蛋白酶(Membrane-bound transcription factor peptidase，site-1-protase, MBTPS1)。该酶MBTPS1基因编码，是一种膜结合的丝氨酸蛋白酶。典型的膜结合S1P亚基是胆固醇调控原件结合蛋白SREBP1和SREBP2,在脂质代谢和胆固醇稳态中起主要作用。当胆固醇缺乏时,S1P会激活SREBP，但 MBTPS1基因突变导致人类何种疾病，目前仍未知。

2.3 秃发性棘状毛囊角化病(Keratosis follocularis spinulosa decalvans, KFSD) 秃发性棘状毛囊角化病是一种少见的X连锁隐性遗传病，临床表现以头皮过度角化丘疹为特征，随后出现头皮、睫毛、眉毛进行性秃发[19]。研究发现KFSD的致病基因同样为MBTPS2基因，该基因突变导致MBTPS2酶活性下降，从而影响蛋白正常功能，表现为对胆固醇反应能力明显降低[20]。研究发现，MBTPS2活性下降影响表皮结构分化并引起多种表型[20]。

到目前为止，已经发现MBTPS2基因存在21种突变，其中错义突变19种、剪接2种，Arg429His突变是最常见的导致严重IFAP/BRESHECK综合征的病因， IFAP/KFSD的主要致病突变为Gly500Asp和Asn508Ser,这两种拼接突变常与严重的表型相关。而MBTPS2基因存在错义突变的女性携带者可能表现为轻度IFAP/KFSD表型[21]。Bornholdt等对MBTPS2突变的男性患者基因型-表型关系进行研究发现，羧基端和氨基端的基因突变更有可能和轻度IFAP综合征表型相关；羧基端氨基酸改变大多表现为IFAP/KFSD综合征伴随进行性秃发；跨膜位点的突变经常引起严重的IFAP综合征[22]。本课题组报道1例汉族IFAP/KFSD患者，并发现一个MBTPS2基因致病突变，即c.599C>T，推测该突变导致编码的氨基酸残基由丙氨酸转变为缬氨酸，即p.Ala200Val，该突变位于MBTPS2蛋白的羧基端，患儿临床表现为相对轻的IFAP/KFSD综合征，符合以往研究的基因型-表型关系。研究发现存在相同突变的MBTPS2相关疾病表现为一定程度的表型异质性，提示除了突变位点，尚存在其他影响表型的因素[23]。

3 展望

胆固醇在体内发挥重要生理作用，其代谢在体内受到精密调控，胆固醇代谢通路上任一过程发生异常，均有可能致体内胆固醇水平异常，胆固醇代谢异常对于皮肤角质形成细胞的影响是巨大的，破坏细胞屏障，导致角化异常性遗传性皮肤病。目前，已经发现多种基因突变可影响胆固醇代谢通路中间产物，影响胆固醇代谢。但是，我们对胆固醇代谢异常导致皮肤角化异常的可能机制知之甚少，尚未发现有效的治疗方法。

[1] Liu TF, Song BL. Mechanisms of negative feedback regulation of cholesterol biosynthesis[J]. Chinese J Cell Biol,2013,35(4):401-409.

[2] Brown MS, Goldstein JL, Dietschy JM. Comparison with the rate of cholesterol synthesis in different physiological states[J]. J Biol Chem,1979,254(12):5144-5149.

[3] Wang X, Briggs MR, Hua X, et al. Nuclear protein that binds sterol regulatory element of low density lipoprotein receptor promoter. II. Purification and characterization[J]. J Biol Chem,1993,268(19):14497-14502.

[4] Marschner K, Kollmann K, Schweizer M, et al. A key enzyme in the biogenesis of lysosomes is a protease that regulates cholesterol metabolism[J]. Science,2011,333(6038):87-90.

[5] Nohturfft A, Brown MS, Goldstein JL, et al. Topology of SREBP cleavage -activating protein, a polytopic membrane protein with a sterol-sensing domain[J]. J Biol Chem,1998,273(27):17243-17250.

[6] Nohturfft A, Brown MS, Goldstein JL. Sterols regulate processing of carbohydrate chains of wild-type SREBP cleavage-activating protein (SCAP), but not sterol-resistant mutantsY298C or D443N[J]. Proc Natl Acad Sci USA,1998,95(22):12848-12853.

[7] Yang T, Espenshade PJ, Wright ME, et al. Crucial step in cholesterol homeostasis: Sterols promote binding of SCAP to INSIG-1, a membrane protein that facilitates retention of SREBPs in ER[J]. Cell,2002,110(4):489-500.

[8] Song BL, Sever N, DeBose-Boyd RA. Gp78, a membrane-anchored ubiquitin ligase, associates with Insig-1 and couplessterol-regulated ubiquitination to degradation of HMG CoA reductase[J]. Mol Cell,2005,19(6):829-840.

[9] Cao J, Wang J, Qi W, et al. Ufd1 is acofactor of gp78 and plays a key role in cholesterol metabolism by regulating the stability of HMG-CoA reductase[J]. Cell Metab,2007,6(2):115-128.

[10] Lee JN, Song B, DeBose-Boyd RA, et al. Sterol-regulated degradation of Insig-1 mediated by the membrane-bound ubiquitin ligase gp78[J]. J Biol Chem,2006,281(51):39308-39315.

[11] Lu WS,Zheng XD, Yao XH, et al. A novel MVK missense mutation in one Chinese family with disseminated superficial actinic porokeratosis[J]. Mol Biol Rep,2014,41(11):7229-7233.

[12] Zhang Q, Jiang T, Li M, et al. Exome sequencing identifies MVK mutations in disseminated superficial actinic porokeratosis[J]. Nature,2012,44(10):1156-1160.

[13] Zeng K, Zhang Q, Li L, et al. Splicing mutation in MVK is a cause of porokeratosis of Mibelli[J]. Arch Dermatol Res,2014,306:749-755.

[14] Zhang ZH, Li C, Wu F, et al. Genomic variations of the mevalonate pathway in porokeratosis[J]. eLife,2015,4:e06322.

[15] Li M , Li ZL,Wang JB, et al. Mutations in the mevalonate pathway genes in Chinese patients with porokeratosis[J]. J Eur Acad Dermatol Venereol,2016,30(9):1512-1517.

[16] Cui H, Li L, Wang W, et al. Exome sequencing identifies SLC17A9 pathogenic gene in two Chinese pedigrees[J]. J Met Genet,2014,51(10):699-704.

[17] Frank J, van Geel M, van Steensel MA. Loss of heterozygosity studies on chromosome 12q in disseminated superficial actinic porokeratosis: lessons to be learned[J]. J Invest Dermatol,2007,127(8):2058-2059.

[18] Oeffner F, Martinez E, Schaffer J, et al. Intronic mutations affecting splicing of MBTPS2 cause ichthyosis follicularis, alopecia and photophobia (IFAP) syndrome[J]. Exp Dermatol,2011,20(5):447-449.

[19] Aten E, Lisa C, Bornholdt D, et al. Keratosis Follicularis Spinulosa Decalvans Is Caused by Mutations in MBTPS2[J]. Hum Mutat,2010,31(10):1125-1133.

[20] Oeffner F, Fischer G, Happle R, et al. IFAP syndrome is caused by deficiency in MBTPS2, an intramembrane zinc metalloprotease essential for cholesterol homeostasis and ER stress response[J]. Am J Hum Genet,2009,84(4):459-467.

[21] Aten E, Brasz LC, Bornholdt D, et al. Keratosis Follicularis Spinulosa Decalvans is caused by mutations in MBTPS2[J]. Hum Mutat,2010,31(10):1125-1133.

[22] Bornholdt D, Atkinson TP, Bouadjar B, et al. Genotype-phenotype correlations emerging from the identification of missense mutations in MBTPS2[J]. Hum Mutat,2013,34(4):587-600.

[23] Zhang J, Wang Y, Cheng R, et al. Novel MBTPS2 missense mutation causes a keratosis follicularis spinulosa decalvans phenotype: mutation update and review of the literature. Clin Exp Dermatol,2016,41(7):757-760.

(收稿：2016-05-23 修回：2016-05-30)

Update of the abnormal cholesterol metabolism and keratinization genodermatosis

CHENFuying,LIMing.

DepartmentofDermatology,XinhuaHospitalAffiliatedtoShanghaiJiaotongUniversitySchoolofMedicine,Shanghai200092,China

LIMing,E-mail:liming01@xinhuamed.com.cn

Cholesterol is a kind of lipid molecule and plays an important role in the maintaining the stability of cell membrane. The abnormal cholesterol metabolism can cause a variety of abnormal keratinization genodermatosis, which is reviewed in this article.

cholesterol metabolism; gene mutation; genodermatosis

上海交通大学医学院高峰高原计划“研究型医师”项目(编号：20161417)

上海交通大学医学院附属新华医院，上海，200092

李明，E-mail: liming01@xinhuamed.com.cn