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先天性端粒(缺陷)综合征的发病机制与治疗研究进展

2018-07-10辛化伟武汉科技大学生物医学研究院湖北武汉430065临沂大学药学院山东临沂76000

转化医学电子杂志 2018年6期
关键词:端粒酶端粒复合体

王 琼,王 美,辛化伟, (武汉科技大学生物医学研究院,湖北 武汉430065;临沂大学药学院,山东 临沂 76000)

0 引言

先天性端粒(缺陷)综合征(telomere syndrome或telomeropathies)是由端粒相关基因突变引起的一组先天遗传性端粒维护缺陷(defects in telomere mainte⁃nance)疾病,临床表现包括先天性角化不良(dyskera⁃tosis congenita,DC)及相关疾病、再生障碍性贫血(aplastic anemia,AA)、肺纤维化(pulmonary fibrosis,PF)、肝脏病变等病症[1-5]。 但由于端粒缺陷可广泛影响各种干细胞的功能,对活跃增殖细胞的影响尤为显著,可累及多个系统,造成器官衰竭、组织衰退、免疫功能受损等多种异常表征,具有较大的临床异质性,易造成误诊、漏诊、确诊年龄滞后等问题,影响治疗。随着端粒生物学的发展和基因检测等方法在临床上的应用,先天性端粒(缺陷)综合征的诊断逐步系统化和精准化,治疗方法也进一步改进。

1 端粒缺陷综合征的致病机制研究进展

先天性端粒(缺陷)综合征通常为符合孟德尔遗传规律的单基因遗传疾病,基因突变通过影响端粒酶活性、端粒酶转运与定位、端粒复制、端粒稳定性或引起其它端粒异常变化而致病[6]。为了便于对发病机制的分析和理解,我们将端粒(缺陷)综合征划分为三大类:即由端粒酶及其复合体组分(包括端粒酶转运及定位相关蛋白)、端粒蛋白复合体组分及其它端粒相关因子的基因突变导致的端粒缩短或端粒结构的维护能力下降或(部分)丧失引起的致病变异类型。

1.1 端粒酶及其复合体组分基因突变引起端粒酶活性变化 端粒是真核生物(包括人类)线性染色体末端的保护性结构[7]。正常细胞保持一定的端粒长度以确保端粒形成特定的高级结构,维护染色体和基因组的稳定性和完整性。由于存在末端DNA复制不完全的问题,端粒DNA的复制需要端粒酶催化的末端DNA合成过程。因此,如果端粒酶相关基因发生突变,可导致端粒长度维护功能受损,端粒缩短,引发疾病,故有报道称之为端粒缩短综合征(syndromes of telomere shortening)或短端粒综合征(short telomere syndrome)[3-4]。

最早发现的DC的致病基因DKC1属于端粒酶复合体组分[8-9]。端粒酶是一种特殊的逆转录酶,含有催化亚基(TERT)和 RNA 亚基(hTR/TERC)两部分[10]。 端粒酶分子与 DKC1、NOP10、NHP2、GAR1等构成的四蛋白复合体(及其它辅助蛋白质)结合形成端粒酶复合体,在细胞中发挥端粒延伸的功能[11](图1A)。DKC1起着稳定hTR的作用,DKC1的功能缺失影响hTR分子的稳定性和分子水平,导致端粒酶活性下降,是致病的起因。

继发现DKC1基因突变引起的DC病例后,由端粒酶的RNA亚基(hTR/TERC)和催化亚基(TERT)的基因突变导致的DC等病例也相继被发现并被鉴定[12-13]。 TERC 或 TERT 突变导致端粒酶活性下降或丧失,引起端粒维护障碍,端粒缩短,引发疾病。端粒酶复合体的其他组分(如NOP10、NHP2)的基因突变也可引发DC 等疾病[14-15],但尚无 GAR1基因突变致病的报道。

另外,端粒酶的转运及端粒定位还需要其它分子的协助,如TCAB1(WRAP53)协助端粒酶通过卡哈尔体(Caja body)的转运过程;端粒蛋白组分TPP1募集端粒酶定位到端粒的过程。这些分子对于端粒酶正常功能的行使不可或缺,其基因突变也发现与DC等疾病相关[16-18]。 除了DC,端粒酶及其复合体组分基因突变还可引起 AA、PF 等疾病[1,19-20]。

近期,有报道[21]发现一个新的NAF1基因变异与端粒缩短引起的肺纤维化及肺气肿疾病有关,

NAF1是hTR/TERC生物合成的必需因子。另外,一种DKC1结合蛋白SHQ1的基因突变导致其与DKC1结合缺陷,是引起严重的DC和Hoyeraal⁃Hreiderasson综合征(HH)的病因[22]。

图1 端粒缺陷综合征致病蛋白分子的结构与功能示意图

1.2 端粒蛋白复合体组分基因突变导致的端粒维护缺陷 端粒是由端粒特异DNA重复序列、端粒蛋白质及其它附属蛋白质组成的核酸⁃蛋白质复合体构成,其基本结构单位是以端粒DNA的特异结合蛋白为基础的六蛋白复合体 Shelterin(图 1B)[23-24]。 其中包含两种双链DNA结合蛋白TRF1和TRF2、一种单链DNA结合蛋白POT1、两种重要的架桥蛋白TIN2和TPP1、TRF2的结合蛋白RAP1。

在六蛋白复合体Shelterin的组装过程中,TRF1和TRF2起着先导作用,通过TIN2和TPP1两种架桥蛋白的辅助将POT1引导到端粒。端粒蛋白复合体起着重要的端粒末端保护作用;另外,其中的TPP1组分还起着募集端粒酶并增强端粒酶延伸活性的作用,同时发挥着调节端粒长度的功能[25-26]。 以端粒蛋白复合体Shelterin为核心,还有多种蛋白与Shel⁃terin结合和相互作用,形成复杂的蛋白质复合体网络,共同维护端粒的稳定。

已发现的端粒蛋白复合体组分变异引起的端粒综合征病例包括 TIN2、TPP1和 POT1基因突变等[2,5-6]。 TIN2 突变可引起严重的 DC、Revesz、HH 综合征及 PF等疾病[27-30],在这类患者中,端粒的长度缩短严重,但致病机制还不明确。有研究[31]报道突变体可能通过影响TIN2与异染色质蛋白HP1的结合、导致端粒结构改变而致病;也有研究报道,某些突变体可能引发端粒酶募集障碍,引起端粒维护缺陷,导致端粒 DNA 缺失而致病[32],但存在很大争议[33]。另外,也存在突变导致蛋白质不稳定,影响TIN2与TRF1的结合而加重病情等情形[34]。

TPP1突变引起端粒缺陷疾病的机制可分为两类:一类是由于影响TPP1与端粒酶的结合导致端粒酶到端粒的定位发生障碍,端粒延伸受到影响,端粒缩短而致病[17-18];另一类是影响了 Shelterin 复合体的组装,因突变蛋白与TIN2的相互作用降低引起的端粒部分脱保护,引发端粒不稳定而导致疾病[18]。另外,POT1突变可导致肿瘤易感性及罕见的Coats plus综合征[35],推测突变导致其对端粒酶及CST复合体的调节作用出现缺陷而致病。端粒蛋白复合体Shelterin的其它组分还未见基因突变引起端粒缩短,从而致病的报道。

1.3 其它端粒相关因子的基因突变导致端粒维护缺陷 端粒的结构组成包括端粒DNA和多种蛋白质,端粒DNA本身的结构稳定性对于端粒的稳态维护也起着重要作用。端粒DNA包括双链和3'单链部分,3'单链悬挂链可插入到双链部分形成端粒特有的T⁃环(和D⁃环)结构(图1B)。由于端粒DNA富含G碱基,单链DNA还可形成G聚体结构(G⁃quadru⁃plex)。DNA的复杂高级结构的动态维护及复制需要多种DNA解旋酶等相关酶分子的参与,包括RTEL1、RECQ(WRN、BLM)解旋酶基因突变引起的端粒缺陷已在临床病例中被发现,是重要的致病基因[36-39]。

端粒酶在细胞中的作用需要多因子参与,包括转运、端粒定位、酶活性激活与抑制因子的作用相互协调。其中由CTC1、STN1和TEN1组成的CST蛋白复合体对端粒酶起着负调节作用,已发现CTC1、STN1突变导致端粒后随链合成缺陷、端粒缩短或染色体融合等异常引起疾病发生[40-41]。 另外,一种RNA核酸酶PARN的突变可导致包括多种端粒相关基因的表达受到影响,患者端粒缩短导致严重的DC和HH综合征[42]。

2 端粒(缺陷)综合征的临床特征及分子诊断

端粒缺陷综合征的临床表现主要包括DC、AA、PF、肝脏病变、继发性骨髓衰竭、免疫缺陷(反复感染)等,严重的可影响发育和智力[1-4]。 DC 是最早被发现和描述的先天遗传性端粒缺陷疾病,同时也是鉴定出端粒酶相关基因突变的最初病例类型。随着对临床病例的深入了解分析及基础研究的进展,除了端粒酶相关基因突变,其它影响端粒维护的致病基因突变也相继被发现,与端粒维护缺陷相关的、仅表现为再生障碍性贫血或肺纤维化等非典型DC特征的病例也被发现,端粒缺陷综合征的基因型和表现型的范围在进一步扩展[43-46]。

2.1 先天性角化不良(DC) DC由Zinsser于1910年首次报道,此后Engman和Cole相继作了更为全面的临床描述,因此DC也曾被称为“Zinsser⁃Engman⁃Cole综合征”。DC的发病率约为1/106,可累及机体的多个脏器系统,以细胞更新较快的组织,如上皮细胞、黏膜、骨髓组织的病变最为常见和突出,患者可出现典型的网格状皮肤色素沉着、指/趾甲角化不良和口腔黏膜白斑等特征性临床“三联征”表现及其它临床症状(包括牙齿、毛发、胃肠道、神经系统、眼睛、肺和骨骼等异常),症状有进行性加重趋势[47-48]。

DC可在儿童和成年人中发病,通常在儿童时期开始发病,如先出现皮肤色素沉着、指甲萎缩、退化等症状,之后口腔白斑等临床三联征逐步出现,并多在20岁前出现骨髓衰竭。患者的主要临床风险包括骨髓衰竭(再生障碍性贫血),免疫缺陷,肺、肝脏病变及肿瘤易感性等。事实上,DC在临床上也被划分为遗传性骨髓衰竭综合征(inherited bone marrow failure syndrome,IBMFS)的范围[发病率仅次于范可尼贫血(fanconi anemia,FA)]。 据统计,骨髓衰竭(再生障碍性贫血)是该病主要的死因(60%~70%),其次为肺部并发症(10%~15%)及恶性肿瘤等(10%)[49]。DC患者具有骨髓异常增生综合征(myelodysplastic syndrome,MDS)高易感性,易患急性髓系白血病(acute myelogenous leukemia,AML),头颈部鳞状上皮细胞癌及食管癌,结、直肠癌,非黑色素瘤皮肤癌等。DC患者可能并发肺纤维化和其它器官(如眼、牙齿、头发等)的异常以及骨质疏松等。DC通常不影响精神运动发育和神经发育,但在严重的DC疾病亚型、HH综合征和Revesz综合征患者中可见明显的发育迟缓。除了典型的发育障碍,HH综合征患者还发生小脑发育不良等症状;在Revesz综合征患者中,患者发生视网膜发育缺陷等症状[47,50]。

1995年,英国伦敦Hammersmith医院成立DC登记处(2006年迁至皇家伦敦医院),至今已累计病例数百例[51]。国内60多例多属于个案或小样本报道,尚缺乏大样本病例资料[52]。据统计,近10年来国内45例DC临床报道资料显示,DC患儿临床三联征等临床症状出现年龄(中位年龄)在4.5~5.0岁之间,约80%DC患者出现不同程度骨髓衰竭特征。平均发病年龄5.6岁,临床检验指标显示骨髓增生、有核细胞降低、粒系和红系造血细胞减少、巨核细胞明显减少或缺乏等,并与之对应,表现外周血白细胞、红细胞和血小板下降等,如逐渐进展至重型再生障碍性贫血则可能危及生命[52]。

DC的诊断需结合临床表现、骨髓检查及分子诊断手段进行[53-54]。国际上现行的DC临床诊断标准主要参考Vulliamy等人(2006年)总结的临床指标,包括临床表征、进行性骨髓缺陷、MDS、AML或实体瘤、肺纤维化、肝硬化和纤维化等指示性指标及端粒缩短的标志性指标。临床表现以出现指甲发育不良、皮肤色素沉着、口腔黏膜白斑等标志性三联征之一,合并至少两个其它表征(如眼、毛发、牙齿病变、发育迟缓、肝脏病变、骨质疏松等)提示可能罹患DC[55]。血常规检测有助于诊断,当出现骨髓三系细胞水平下降时,可能暗示 DC的发生[53-54]。 据临床建议,对于

有肺纤维化家族史的患儿及反复肺部感染患儿,治疗后病灶持续存在,不能用其它原因解释时,需警惕DC的发生。白细胞端粒的明显缩短是DC诊断的重要依据之一,现在临床上主要应用荧光原位杂交⁃流式细胞分析技术进行端粒长度测定,通过测定中性粒细胞、总淋巴细胞、初始T细胞、记忆T细胞、B细胞、天然杀伤细胞等六种白细胞端粒长度、获得端粒缩短的证据[47]。应用Southern DNA杂交技术测定端粒平均长度的经典研究方法操作较繁琐,未用于常规临床检查,其它尝试应用实时定量PCR技术测定端粒长度的方法因存在准确率低等问题,在临床上应用较少[56-57]。 在此基础上,应进行端粒相关基因的筛查进一步确认,可通过检测端粒相关基因是否存在致病突变进行确诊。

目前,按照人类孟德尔遗传数据库(online Men⁃delian inheritance in man,OMIM)收录的DC致病基因突变的遗传方式可分为至少16种类型,涉及11个基因、遗传方式涵盖X连锁、常染色体显性和隐性遗传、自发突变等多种类型(表1)。在11个致病基因中,端粒酶基因TERT、端粒蛋白ACD/TPP1、端粒调

节蛋白RTEL1均有显性和隐性遗传突变类型,TINF2

的显性遗传突变可导致不同严重程度的DC、HH和

Revesz综合征。据报道,大约70%的DC患者带有这11个基因的致病变异,其中DKC1和TINF2突变在DC患者中出现的比例相对较高,而TINF2的自发突变的出现频率较高[1,47]。DC患者的端粒酶基因变异多为显性杂合突变,在TERT和hTR的显性杂合突变体中,端粒酶存在单倍体不足,端粒在患者家族世代间逐渐缩短,可出现后代发病期提前、发病症状改变及病情加重的临床特征(这种现象被称之为遗传预见性,genetic anticipation)[1,13,58]。 如有报道在前代患者中为成年发病的肺纤维化,而在其后续子代中则在年幼时即发病,表现为典型的DC并发再生障碍性贫血[58]。此外,近期新发现的DC致病基因在OMIM中尚未收录,如与端粒酶生物合成或稳定性相关的NAF1和SHQ1基因,其突变使端粒酶hTR的稳定性下降,导致端粒酶活性受到影响而致病[21-22]。 国内DC病例发现和鉴定的端粒相关致病基因主要包括DKC1、TINF2、 TERT、 TERC 及 RTEL1 等[52-54,59-60]。DC的准确诊断有利于疾病的对症治疗。DC对免疫抑制剂药物的反应差,骨髓移植的致死率高,需要引起重视。

2.2 Hoyeraal-Hreiderasson(HH)综合征 HH综合征是一种严重的端粒缺陷疾病[50],通常在出生后一个月即发病。患者的宫内和出生后的生长发育均受损,导致小头畸形、小脑发育不全,并具有进行性再生障碍性贫血、严重的免疫缺陷等症状。已鉴定的致病基因包括 DKC1、TERT、TINF2、RTEL1、ACD/TPP1 及PARN等。端粒酶TERT的突变位点在临床上表现为常染色体隐性遗传位点,杂合突变体携带者有较轻的DC等病征,纯合体表现为严重的HH综合征;纯合突变体主要在近亲家庭中被发现。TIN2的显性突变可引起严重的DC、HH及Revesz综合征。临床建议,对于伴有宫内发育迟缓、小头畸形、精神发育迟滞的患儿,需警惕 HH 综合征的发生[16-17,50]。 国内尚未见HH相关报道。

2.3 Revesz(Coats)及 Coats plus综合征 Revesz综合征的临床表现以眼睛病变为典型特征,患者出现双眼渗出性视网膜病变(Coats疾病),通常伴有颅内钙化,具有宫内生长迟缓、DC皮肤、黏膜和指甲症状、头发稀疏、运动神经发育迟缓、震颤等症状。已发现的致病基因有TINF2,由显性遗传突变引起,但致病

机制尚不明确。

表1 端粒(缺陷)综合征的类别、遗传方式、致病基因及其生物学功能

Coats plus综合征,又名伴钙化和囊变的脑视网膜微血管病(CRMCC),最初发现的病例由端粒相关蛋白 CTC1⁃STN1⁃TEN1 (CST)复合体基因、CTC1 突变引起,与Revesz有重叠的症状,患者出现两边渗出性视网膜病变,伴有不对称颅内钙化(与Revesz综合征不同)及脑白质病变、脑囊肿、骨质减少、反复胃肠道出血等症状。按照OMIM收录的CRMCC综合征的遗传方式和基因变异类型主要分为以下两种:CRMCC1和CRMCC2,分别由CTC1的复合杂合突变或 STN1 的纯合突变引起(表1)[40-41]。 国内可见少数CRMCC病例报道,但尚无基因分析信息。另外,近期报道端粒蛋白复合体组分POT1的突变也可引起Coats plus综合征[35],但尚未在OMIM中收录。

2.4 再生障碍性贫血(AA) 端粒酶基因突变引起的DC病征复杂,其中有DC病例在出现典型的皮肤黏膜症状之前,即发生AA病征,提示DC病征的最初描述局限于皮肤⁃指甲⁃黏膜三联征有一定局限性。在DC家族中,有患者仅表现为AA,因此AA应作为DC家族成员的端粒缺陷病症加以重视;并且有报道带有端粒酶基因突变但仅出现AA的病例,说明AA应作为端粒缺陷疾病的单独病症纳入诊断范围[61-62]。AA的发病年龄较早,是年幼 DC患者的主要临床风险和死因;AA(及MDS)与肺和肝脏病变的合并症是端粒缺陷疾病成年发病病例的重要表现形式[63-65]。

已报道的病例显示致病基因变异包括端粒酶基因TERT、TERC、TINF2等,占 AA总病例的3% ~5%[1,62,66-67]。

2.5 肺纤维化(PF)和肺气肿(Emphysema) 随着端粒缺陷疾病的范围扩展,除了DC患者合并骨髓衰竭和肺纤维化,也发现无骨髓病变及外观表征仅出现肺纤维化等端粒综合征患者,说明端粒综合征致病机制的复杂性[1,68]。

PF通常在成人中发病,早年有统计显示家族性PF的8%~15%病例是由端粒缺陷引起[1];随着研究的深入,近年有报道近1/3的家族性PF由端粒缺陷引起,比例非常高[68-71]。 在非家族性的特发性肺纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)的患者群体中也发现有端粒缺陷病例,早年统计约占总散发IPF病例的 1%~3%[1,72-73]。 PF 的发生与肺泡表皮干细胞的衰竭相关,属于以影响低更新干细胞的活力而致病的疾病类型,与常见的影响活跃增殖细胞的情形有所不同[1]。

最近,研究[74]发现端粒酶的突变在肺气肿患者中高发,端粒酶突变是肺气肿的高风险性因子,具有很高的关联性。在严重的肺气肿患者群体中,端粒酶缺陷病例的比例已经与alpha⁃1抗胰蛋白酶缺乏症病例的比例相当,端粒酶基因突变是第二个孟德尔遗传的致病基因类型。在端粒酶缺陷的患者家族,肺气肿主要在吸烟的患者中出现,肺纤维化是非吸烟患者的发病形式。这种病理表现说明同一基因型受外界影响而导致表型出现差异。有统计显示,在美国肺纤维化和肺气肿的发病率分别为 1/105和(1/5)×106,其中,端粒缺陷引起的病例占有一定比例[74]。按照OMIM收录的端粒相关肺纤维化和/或骨髓衰竭(PFBMFT)的致病基因突变的遗传方式可分为至少4种类型,涉及 4个基因(表1):PFBMFT1~4,分别由TERT,TERC,RTEL1或PARN的突变引发疾病。近期有研究[69]报道TIN2突变也可引起PF,并且TIN2突变似不影响端粒长度,推测可能是引起端粒结构变化而致病。其它已报道与PF相关的致病基因还包括端粒酶复合体组分DKC1及hTR修饰蛋白NAF1等[21,75]。 国内有报道[76]发现 IPF 病例中有 TERT 和TERC基因突变,并且鉴定出新突变位点。

2.6 其它影响端粒维护的疾病类型 除了上述典型的由端粒特异性相关基因突变引起的端粒缺陷疾病类型,由DNA复制、DNA损伤修复等生物过程中起重要作用的基因突变也可引起端粒维护缺陷而导致端粒相关疾病,其临床表现具有与以上端粒缺陷综合征相似或相近的特征,需要仔细鉴别。

2.6.1 范可尼贫血(fanconi anemia,FA) FA 与 DC分列先天性骨髓缺陷疾病发病率的前两位。FA综合征由DNA修复缺陷引起,大约有19个致病基因,是一种隐性遗传性疾病[77]。在临床上FA患者主要表现为骨髓缺陷、发育缺陷、肿瘤易感性等,对多种DNA链间交联试剂敏感。FA患者可出现多种端粒异常现象,包括端粒缺失、融合、缩短等,系由DNA修复缺陷导致。FA蛋白对于长端粒异常DNA结构的解链与修复是必需的,其突变导致长端粒异常,发生融合、缺失或缩短[77]。由于 FA蛋白对于非端粒DNA的复制和修复同样不可缺少,其缺陷可引起染色体不稳定性,不局限于端粒,造成的危害广泛影响细胞功能。与DC患者端粒显著缩短的典型病理特征不同,在FA患者中仅有少数人表现端粒缩短。FA的诊断包括临床表征的区分、血液与骨髓检查、细胞染色体端粒断裂检查及FA基因测定[77-78]。

2.6.2 布卢姆综合征(Bloom syndrome)和维尔纳综合征(Werner syndrome) 布卢姆和维尔纳综合征分别由解旋酶基因BLM和WRN的突变致病。BLM和WRN均参与端粒DNA的解旋,在端粒DNA复制及损伤修复等过程起重要作用,其突变导致染色体不稳定而致病。维尔纳综合征患者具有典型的早衰症状,而布卢姆综合征患者具有有限的早衰症状。端粒缩短加重病情,表明端粒维护变化在这两种疾病的进行性发展过程中起重要作用[79]。

总之,端粒缺陷综合征的临床病征除了典型的DC皮肤黏膜表型外,骨髓、肺及肝脏等器官衰竭是主要的提示性病征。由于在临床上器官衰竭常被当做自体免疫疾病进行治疗,端粒缺陷疾病患者使用免疫抑制剂基本表现无效,突显正确诊断的必要性。

3 端粒缺陷疾病的治疗与预防

端粒缺陷患者的治疗现在基本上依赖器官移植(骨髓、肺、肝移植),但是治疗效果并不理想。临床结果显示DC患者对骨髓移植预准备阶段的DNA损伤制剂处理极为敏感[80],患有AA的患者行骨髓移植后,患者多发生肺纤维化和肝脏病变而导致死亡或致畸,表明患者的肺和肝脏的细胞储备因缩短的端粒而枯竭,严重缺乏对化疗和放疗引起的DNA损伤的修复能力,同时可能提高肿瘤的发生率[81]。这在动物实验中也得到验证,端粒缩短的小鼠对化疗和放疗敏感[82]。总之,对于端粒缺陷综合征患者,骨髓移植的总体预后较差,因此建议采纳非清髓性的骨髓移植方案。

除了器官移植,应用雄性激素等激素治疗,对某些端粒缺陷(非TERT或TERC突变)患者有一定的疗效,推测是由于激素可激活端粒酶的基因表达,缓解干细胞衰竭改善病情[83-84]。 对于端粒酶缺陷患者,有研究应用携带端粒酶基因的腺病毒进行动物实验已取得较好的效果,可望将来用于临床试验[85]。基因治疗是端粒缺陷综合征的治疗的发展方向。

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