TBX1基因影响22q11.2微缺失综合征表型的作用机制研究进展

路 玥，刘乐乐综述，李亚丽审校

0 引 言

22q11.2微缺失综合征是指染色体22q11.2微缺失导致的一系列疾病，这些疾病包括DiGeorge综合征(DiGeorge syndrome,DGS)、腭心面综合征(velo-cardio-facial,VCFS)和椎干异常面容综合症(conotruncal anomaly face syndrome,CAFS)。其中，DGS主要表现为先天性心脏病、免疫缺陷和低钙血症，且常见于新生儿；VCFS主要表现为腭裂、先天性心脏病、特殊面容、手指纤长、精神行为异常等；CAFS主要表现为特殊面容和心脏流出道畸形。这种微缺失通常可以通过荧光原位杂交(FISH)检测到[1]。22q11.2微缺失综合征通常与常见的3MB(包含大约30个基因)、2MB或1.5MB近端缺失有关，三者缺失的片段都包含一个剂量敏感基因T-BOX1TBX1 [MIM 602054]，它编码转录因子T-box[2]。TBX1与22q11.2微缺失综合征的五大主要表型(异常面容、心脏缺陷、胸腺发育不良、腭裂-腭咽闭合不全、甲状旁腺功能不全与低血症)相关[3]。有研究显示：转录因子TBX1的单倍剂量不足是造成22q11.2微缺失综合征的主要原因[4]。

1 22q11.2微缺失综合征的临床表型

22q11.2微缺失综合征是由于22号染色体长臂1区1带约30～40万个基因缺失造成得一类综合症，表型多样，主要包括：先天性心脏病、胸腺发育不全、腭裂、低钙血症、异常面容等。此外，部分患者可表现出一些精神症状，比如认知障碍，精神分裂症，癫痫和帕金森病[5]。

2 TBX1基因

TBX1是系统发育上保守的基因家族的成员，其具有共同的DNA结合结构域。T-box家族中的基因是参与发育过程调节的转录因子。人和小鼠TBX1蛋白总体上具有98%的氨基酸同一性，除了T-box结构域内的两个残基外是相同的[6]。TBX1属于T-box家族，T-box家族的转录因子在整个胚胎发育过程中发挥着各种作用，并且据报道它们会影响许多组织的发育，包括面部，骨骼，肢体和心脏。T-box家族成员共享一个以序列特异性方式结合DNA的保守T-box结构域，起着转录抑制因子和/或激活因子的作用[7]。位于染色体22q11.2上的TBX1 在第三和第四咽弓分化和发育为咽弓动脉，并且在心脏流出道、胸腺、甲状旁腺和颅面结构中具有重要作用。有研究表明，TBX1功能的丧失或获得可能是导致22q11.2微缺失综合征的主要原因。TBX1有3种亚型，即TBX1a、TBX1b和TBX1c，这些亚型已在末端外显子不同的人类中被鉴定出来[1]。

3 TBX1在22q11.2微缺失综合征各表现型的作用机制

3.1TBX1在心脏病变中的作用先天性心脏病是最常见的先天异常和在胎儿子宫内死亡的主要原因。最近的研究表明[8]，T-box转录因子(TBX)蛋白家族，特别是TBX1，与胎儿先天性心脏病的发生和发展密切相关。TBX1在胚胎咽器内的中胚层中高度表达，在前心场中胚层中有特异性表达。TBX1在前心场中的主要功能是维持形成主动脉和肺动脉干所需的关键心脏发育基因表达的正常平衡，在22q11.2微缺失和22q11.2微重复患者中这些关键发育基因遭到破坏[9]。动物实验表明，TBX1过表达与先天性心脏病呈正相关，表明TBX1可能与胎儿先天性心脏病发生有关[10]。其他基因，如HIRA，UFD1L(位于LCR A-B之间)和CRKL(位于LCR C-D之间)也被确定为与心脏畸形有关的候选基因，但它们的作用不太确定[11]。

3.1.1TBX1在第二心脏区域的作用心脏是从早期原肠胚细胞群中发展而来的。体内标记和遗传克隆分析已经鉴定出至少两个不同的群体，第一心脏区域和第二心脏区域。第二心脏区域细胞的特征是编码转录因子的基因的表达，如ISl1、SIX2、TBX1和生长因子FGF10(成纤维细胞生长因子10)[12]。TBX1是祖细胞在心脏导管的两极分布所必需的，并调节第二心脏区域的增殖、分化和其上皮特性[8]。第二心脏区域细胞的缺陷会导致一系列常见形式的先天性心脏病。22q11.2微缺失综合征是最常见的微缺失综合征，胎儿先天性心脏病是一种发病率较高的严重心脏缺陷。其发病率在世界范围内约为1/1000-40/1000[10]。据报道，它与各种类型的先天性心脏缺陷有关，特别是圆锥干心脏缺损，如GATA4，NKX2-5和TBX5这些心脏内核成员的突变，是造成一系列冠心病的基础，TBX1变异体与22q11.2缺失综合征的心脏表型有关，它在心脏流出道的发育中起着至关重要的作用[13]。Alfano等[14]使用了两个独立的模型，小鼠胚胎和培养细胞，以确定TBX1在建立小鼠第二心脏区域的形态和动态特征中的作用。他们发现两种模型中TBX1的缺失都会损害细胞外基质 - 整合素 - 粘着斑信号。胚胎中的镶嵌分析表明该功能是非细胞自主的，并且在培养的细胞中，TBX1的损失损害细胞迁移和黏着斑。他们的研究结果表明，TBX1需要维持第二心脏区域中外基质细胞相互作用的完整性，并且这种相互作用对于心脏外流道发育至关重要。而他们的数据确定了一种新型TBX1下游途径，TBX1是第二心脏区域组织结构和心脏形态发生的重要参与者。

3.1.2TBX1与心脏副交感神经(迷走神经)支配的关系T-box转录因子TBX1的单倍剂量不足与22q11.2缺失综合征的许多特征有关。在小鼠发育过程中，TBX1在咽器官中动态表达，而TBX1纯合子突变体表现出许多严重缺陷，包括异常的颅神经节形成和神经嵴细胞缺陷。Calmont等[15]发现，神经嵴细胞正常地迁移到TBX1+/-的心脏。此外，他们还发现脑神经节在TBX1neo2/-中融合，但神经元分化完整。他们使用遥测技术监测了对胆碱能受体激动剂卡巴胆碱的心脏反应，发现与对照组相比，TBX1+动物的心率恢复更快。所以，他们做出了推测：在22q11.2微缺失综合征患者中，副交感神经驱动力降低的这种情况可能导致促心律失常基质。他们为了能够操纵TBX1表达以更好地模拟22q11.2微缺失综合征患者的表现型，使用一系列TBX1小鼠突变体、胚胎组织外植体和心脏电生理等位基因来详细描述TBX1在心脏迷走神经支配中的功能。他们发现，表达50%和15%TBX1水平的TBX1+/X和TBX1neo2/-突变体心脏的总神经分支长度显著减少。他们的数据表明心脏神经支配在TBX1突变体胚胎的发育中心中是异常的。他们还使用TBX1-CRE小鼠系与R26RYFPallele组合产生TBX1CRE-RosaYFP胚胎来进行研究，最终得出结论，通过以非细胞自主方式控制神经嵴细胞迁移，TBX1是心脏适当迷走神经支配所必需的，在TBX1突变体胚胎中观察到的颅神经嵴细胞迁移缺陷和心脏神经嵴细胞缺陷可以解释在后期阶段心脏迷走神经支配的丧失。TBX1可能在神经发生中发挥细胞自主作用。

3.1.3心脏相关的TBX1影响因子转录辅阻遏物RIPPLY3作为关键心脏转录因子TBX1的负调节因子，在心脏发育中起关键作用[16]。RIPPLY3也被称为唐氏综合征临界区6，在心脏流出道发育中起着关键作用。先前的研究表明，RIPPYL3基因敲除可能导致心脏流出道的异常发育，包括小鼠主动脉的肥大和室间隔的不完全形成[17]。人类RIPPLY3基因由四个外显子组成，编码190个氨基酸的蛋白质，并映射到染色体21q22.13。进一步的功能分析显示，其中3个变异体p.p30l、p.t52s和p.v179d在杂合子和纯合子中均表现出对TBX1转录活性的抑制受损，并且p.t52s变异体在体外影响了RIPPLY3与TBX1的相互作用。此外，在携带RIPPLY3变异体的患者中，先天性心脏病致病基因(TBX1、GATA4、NKX2.5和TBX5)中没有发现有害变异体。除此之外，Jaouadi等[6]报道了一种新的错义突变c.569C> A，这种突变可以改变TBX1蛋白的功能和稳定性，他们研究结果表明c.569C> A突变的有害作用，并强化了这一突变可能与22q11.2微缺失综合征具有相同的表型的假设。新突变c.569C> A(P190Q)可能影响蛋白质特性，新型c.569C> Ainexon 5TBX1基因将脯氨酸残基替换为谷氨酰胺(P190Q)。对来自不同物种的多肽序列的分析表明，TBX1蛋白中的脯氨酸残基位于进化上稳定的结构域中，因此，它似乎对于正确的TBX1功能是必需的。

3.2TBX1是肺动脉表型的候选基因Mastromoro等[18]评估了58例没有心脏缺陷的22q11.2微缺失综合征患者，研究结果显示没有心脏缺陷的22q11.2微缺失综合征儿童与健康受试者相比，左肺动脉直径较小。他们还杂交TBX1+/-小鼠并收获胎儿，检测了8例野生型，37例杂合子(TBX1+/-)和6例空胎(TBX1-/-)的心血管表型。他们还将TBX1Cre/+小鼠与R26RmT-mGCre reporter小鼠杂交，用来研究TBX1在肺动脉中的表达。小鼠的研究表明由于TBX1的单倍剂量不足导致了无心脏缺陷的22q11.2微缺失综合征患儿与健康儿童相比，左肺动脉直径较小。并且他们发现了TBX1在肺动脉的起源和外膜附近表达。他们分析了TBX1基因敲除小鼠的肺动脉的直径，发现其单倍剂量不足与肺动脉不对称有关，表明该基因是肺动脉表型的候选基因。最近的一项研究表明，维生素B12治疗可上调单倍剂量不足小鼠模型中TBX1基因的表达，显著改善表型[19]。

3.3TBX1调节胸腺发育胎儿胸腺是T细胞发育的部位。T细胞前体细胞在骨髓中发育并迁移到胸腺进行最终分化。T细胞在胸腺中的发育导致产生至少四种主要类型的T细胞，包括CD4T细胞，CD8T细胞，调节性T细胞和γδT 细胞细胞。胸腺发育不全的主要影响是限制T细胞的产生。22q11.2微缺失综合征中缺失的调节胸腺发育的关键转录因子被认为是TBX1。视黄酸是一种生物介质，过少或过多的视黄酸都可能通过改变TBX1.95的表达来干扰胸腺发育。这被认为是维生素A对胸腺发育的影响以及异维甲酸对胸腺发育的致畸作用的潜在机制[20]。

患有22q11.2微缺失综合征的患者通常具有三种常见缺失大小中的一种：3Mb,2Mb和1.5Mb，分别指定为A-D，A-C和A-B的低拷贝重复序列(LCR)。Crowley等[21]比较了TBX1缺失(AB，AC，AD缺失)与没有TBX1缺失(B-D，C-D，D-E，D-F缺失)和22q11.2微缺失综合征患者的淋巴细胞计数，通过t检验分析每组的淋巴细胞亚群绝对计数。TBX1缺失群组中的CD3计数显着更低。与其他两个队列相比，TBX1缺失患者的CD4计数较低。在22q11.2微缺失中观察到的最常见的删除是A-D，这其中包括了TBX1基因。

3.4TBX1基因在咽腭发育中的发挥作用染色体22q11.2微缺失综合征，它的特征有颅面畸形，包括不同的腭裂亚型，腭咽功能不全和面部肌肉发育不全。关于对唇腭裂病因学中重要的候选基因的研究中发现，Wnt基因家族在唇腭裂的发生过程中扮演着角色[22]。除此之外，TBX1在咽腭发育中也发挥了重要作用。TBX1的突变，在具有特征性表型的患者中已有报道。Funato等[23]证明TBX1是次级腭突肌肉发育中基因表达所必需的。TBX1影响与人腭裂相关的同源基因的表达，特别是在小鼠中发育腭突的肌球蛋白重链3，伴肌动蛋白和γ-氨基丁酸A型受体β受亚基。这些研究结果强调了TBX1在腭发育中的先前未知作用，并确定了TBX1与腭裂致病基因之间的新型联系。多种因素的贡献可导致各种腭裂表型，包括22q11.2微缺失综合征中存在的粘膜下腭裂和软腭裂。

咽器是一种进化上保守的结构，在脊椎动物胚胎早期形成。咽器最终发育为一系列凸起，位于胚胎头部区域的外侧表面。在哺乳动物发育过程中，五对编号为PA1、PA2、PA3、PA4和PA6的咽弓(第五个PA是暂时性的)随后形成，随着时间的推移，从胚胎头部区域的头端到尾端部分。每个弓形的形成过程被称为咽部分割。每个弓形有助于不同的颅面肌肉，神经和骨骼结构。对咽器分段非常重要的一个特定基因是TBX1，TBX1在早期小鼠胚胎头部区域的中胚层中表达，然后在咽器的内胚层、中胚层和远端外胚层中表达[24]。

3.5TBX1在淋巴管生成中起关键作用22q11.2微缺失综合征经典特征包括先天性心脏缺陷，腭异常，低钙血症，免疫缺陷，发育迟缓和学习差异。一些不常见的临床症状，如喉裂或网状和特发性血小板减少症，可能有助于增加其发病率。从未报道过22q11.2微缺失综合征患者患有原发性淋巴水肿，Unolt等[25]通过国际22q11.2微缺失综合征联盟确定了4例22q11.2微缺失综合征和原发性淋巴水肿患者，并报道了原发性淋巴水肿与22q11.2微缺失综合征的新型相关性。动物模型证明TBX1减少淋巴管内皮细胞中的VEGFR3表达，这在淋巴管生成中起到了关键作用。此外，VEGFR3途径对淋巴管生成至关重要，其遗传性原发性淋巴水肿确定了突变。这鼓励临床医师在22q11.2微缺失综合征患者和罕见的TBX1突变病例中寻找原发性淋巴水肿以及全身淋巴受累(例如胎儿水肿，胃肠道淋巴管扩张，肺淋巴管扩张，心包或胸腔积液，乳糜腹水)。他们的研究结果为临床管理和了解淋巴管生成障碍的细胞机制提供了重要的见解。

3.6TBX1缺乏可能是甲状旁腺肿瘤低增殖性原因TBX1在成人甲状旁腺细胞中的作用尚不清楚。但是TBX1广泛参与胚胎发育。在6周早期的人类胚胎中，第一、第二和第三咽弓的核心间质和第三咽囊内胚层(甲状旁腺细胞的起源区域)中可检测到TBX1的表达。在孕19～25周的人胎儿组织进行免疫组化分析，发现TBX1在骨骼肌和平滑肌细胞及气管上皮基底层均有表达[26]。在甲状旁腺良性肿瘤和大多数甲状旁腺癌中，TBX1的表达与TBX1表达细胞的比例降低有关。Verdelli等[26]在研究中发现，甲状旁腺肿瘤中TBX1表达细胞的丢失与高钙血症呈负相关。在大约一半的腺瘤和三分之二的癌症中，TBX1表达细胞显著减少。TBX1在成人甲状旁腺细胞中表达，在甲状旁腺肿瘤中，TBX1缺失可能导致甲状旁腺肿瘤的低增殖特性。

4 展 望

如今我们还面临着很多未知和挑战，唇腭裂的发病受多种因素、多基因的影响，现阶段研究侧重于分析基因与大环境相互作用的关系[27]。我们已经知道T-box蛋白和胶原α链蛋白家族参与人类腭裂表型[28]，因此需要进一步研究以确定小鼠中其他T-box蛋白的缺失是否会影响胶原α链基因和胶原蛋白的表达，这需要进一步的研究来阐明TBX1的遗传，细胞和分子作用，并改善腭裂患者的管理。并且，通过对22q11.2微缺失综合征患者的研究还发现了心脏形态中的关键基因，这会使我们更好的理解心血管发育的遗传机制。

22q11.2微缺失综合征患者具有特征性的面部外观，腭异常，甲状旁腺功能减退，胸腺发育不全和先天性心脏病。张敏等[3]报道过一例先天性肛门闭锁锁合并 22q11.2微缺失综合征的病例，但是先天性肛门闭锁和22q11.2微缺失综合征多数均为散发病例，是发育过程中的偶然事件，两者之间是否有共同的作用因子发挥作用需进一步研究明确。Hasegawa等[29]报道了一例患有新型杂合子TBX1突变的婴儿患有低血钙性癫痫发作的病例。该患者没有腭异常，心脏异常或22q11.2微缺失综合征中观察到的典型面部外观。以往也有报道在患有心颌面综合征或DiGeorge综合征的22q11.2缺失阴性患者中发生TBX1突变。在这些患者中，基因与临床表现相关性尚未完全了解。现在，最大的挑战之一是找到基因和临床表型之间的联系，以确定基因组和分子途径，我们希望有一天能够操纵基因和临床表型之间的联系，并且期待新的治疗策略。