Sandhoff 病的发病机理及其致病基因HEXB 的研究进展

鲁航甫，李云

(湖北民族大学附属荆门市第一人民医院肝胆外科，湖北 荆门)

0 引言

GM2(monosialoganglioside2)神经节苷脂沉积症是一种较罕见的常染色体隐性遗传病，该病主要是因为缺乏氨基己糖苷酶而导致GM2 神经节苷脂在神经元内大量沉积[1]。氨基己糖苷酶是一种催化水解N-乙酰氨基己糖糖苷键的酶，主要有两种同工酶，即氨基己糖苷酶A 和B，氨基己糖苷酶 A 由1 个α亚基和1 个β 亚基组成，氨基己糖苷酶B 则是由2 个β 亚基组成[2]。α 亚基由HEXA 基因编码，该基因突变可导致氨基己糖苷酶A 的活性降低，临床上表现为Tay-Sachs 病；β 亚基由HEXB 基因编码，该基因突变会导致氨基己糖苷酶A 和 B 的活性均降低，临床上表现为Sandhoff 病[3]。Sandhoff 病主要是GM2 神经节苷脂在中枢神经系统的溶酶体内沉积，从而引起一系列临床表现，包括渐进性的神经功能障碍、肌张力降低、樱桃红点和癫痫发作等[1,4]。本文目的是通过综述以往文献，总结Sandhoff 病的发病机理以及其致病基因HEXB 的研究进展。

1 Sandhoff病的临床表现及其诊断

Sandhoff 病是一种神经节苷脂沉积症，沉积的部位主要在脑细胞中，包括神经元和神经胶质[5]，其发病表现具有显著的异质性，而常被误认为是其他的神经退行性疾病。其临床表现可根据发病年龄划分为 3 种亚型：婴儿型、青少年型以及成年型[6]。婴儿型：出生时无特殊表现，但在生后4～6 月时逐渐起病，初期表现为听力下降、发声逐渐减少、易激惹、肌张力减低、精神运动发育倒退，在之后则出现肌张力增高、惊厥、肢体痉挛，眼底检查时可看见特征性樱桃红斑，该眼部征象是由视网膜神经节细胞中鞘脂的堆积引起的，而随着病情的发展，会出现视神经萎缩[7]，此型预后较差，常在5 岁前便死亡[1,8]；青少年型：常于1～18 岁开始起病，轻症者会出现语言障碍、动作不协调、异常步态、肌力衰弱等，较严重者会出现发音困难，智力退化等，随着病情进展会逐渐表现为痴呆的症状[9]；成年型：起病年龄大于18 岁，病情进展比较缓慢，其主要表现为自主神经功能障碍、小脑性共济失调、下运动神经元运动障碍等[10,11]。其中婴儿型较常见，而青少年型以及成年型国内报导较少，都属于晚发型Sandhoff 病[6]。从其临床表现可知，虽然樱桃红斑可用做参考诊断早期疑似患者[12]，但该表现不是会完全地呈现特征性，也会常被误诊为其他类似的神经退行性疾病，所以疑似病例的诊断在临床上主要依赖于测定氨基己糖苷酶的活性及基因检测，近年来研究显示更准确可靠的是对HEXB 进行基因层面的分子分析，鉴于目前尚无特殊治愈的方法，早期诊断就显得尤为重要。

2 Sandhoff病发生的分子基础

Ernst Klenk[13]首先发现在死亡的婴儿患者脑组织中有一种新型糖脂类物质的积累，并将其命名为神经节苷脂，随后Makita[14]等报道阐明了其确切的结构是一种N-乙酰神经氨酸。Terry[15]等从死亡Sandhoff 病患者的脑组织神经元中发现含有丰富的神经节苷脂。之后Brady[16]提出积累的GM2神经节苷脂的水解障碍是此类疾病发病的关键因素。

1967 年Robinson[17]等发现了氨基己糖苷酶有两种亚型。Srivastava[18]发现氨基己糖苷酶A 是由α 和β 亚基组成，氨基己糖苷酶B 是由两个β 亚基组成。而在Sandhoff 病中，氨基己糖苷酶A 和B 的活性均显著降低，并伴有β 亚基的突变[19]，从而导致GM2 神经节苷脂无法正常地降解。随后，又不断出现了关于该病的报道，并且通过研究分析可得到Sandhoff 病是β 亚基的基因HEXB 突变所致，亦进一步阐明了Sandhoff 病发病的分子基础。

人们根据Srivastava 的发现，通过对氨基己糖苷酶A 和B 表达到染色体上的映射，发现其分别所在染色体为15 和5 号染色体[20]。后人们通过遗传学的检测，发现HEXB 基因位于染色体5q13.3，全长大约有40kb，包含有14 个外显子，该基因编码了含556 个氨基酸的β 亚基[21]，HEXB 基因突变则可引起氨基己糖苷酶A 和B 的同时缺乏，导致GM2 神经节苷脂在中枢神经系统的溶酶体内沉积。到目前为止，大约有110 多种HEXB 基因突变被报导出来和Sandhoff 病有关[22]，其中多数是错义突变以及无义突变，异常剪接、小片段插入和微缺失则稍次之，比较少见的是插入缺失。基因的某些点突变可导致m RNA 正常合成，酶蛋白亦可保留部分活性，疾病的早期表现以及预后可能与基因突变造成m RNA 出现异常的程度相关，晚发型Sandhoff 病可能是因为基因点突变造成酶的活性部分保留引起的[23]。

3 Sandhoff病致病基因HEXB 的研究

3.1 HEXB 突变的分子基础

利用蛋白质晶体结构分析得出，β 亚基主要是结构域Ⅰ和结构域Ⅱ在起关键作用，前者位于N 端，后者位于C 端以及中央区，酶的活性中心也存在于后者[23]。

Banerjee P[24]等曾对一例青少年型Sandhoff 病患者进行了基因检测，发现其HEXB 基因中编码区核苷酸1367 处碱基A 变为C，而位于结构域Ⅱ中456 处酪氨酸被丝氨酸取代，随后Maier T[25]等报道称，可能是该突变导致酶活性部位的空间结构异常，致使酶活性降低，并且，在β 亚单位形成二聚体时456 处的酪氨酸也发挥了重要的作用，因此突变对β 亚单位形成二聚体造成影响，从而导致酶活性的降低。Bolhuis[26]等在对一例成年型Sandhoff 病患者检测时，发现HEXB 编码区核苷酸1514 处碱基G 变为A，而原本位于结构域Ⅱ中的505处精氨酸被谷氨酸所取代，Maier T[25]等人通过研究505 处精氨酸，发现它的胍基能与451 处的亮氨酸之间形成短氢键，而此处的亮氨酸与450 处酪氨酸以及452 处的天冬氨酸构成了一个相对稳定的环状结构，此结构对于酶与底物的结合起到了重要作用，因此他推测该突变使得酶和底物的结合出现了异常，此外，505 处的精氨酸的胍基也能与501 处的精氨酸之间形成短氢键，而501 处的精氨酸又与β 亚单位形成二聚体相关，所以该突变也可能影响β 亚单位的二聚体化。随着对患者检测的增多，包括Zhang、Gomez-Lira M、Kuroki 等[23]在内的学者，都检测出了HEXB 基因突变，而与突变处相对应的氨基酸被其他氨基酸所替代，导致β 亚基的二聚体化受到了影响，酶蛋白的空间结构产生变化，酶的活性相对下降。

3.2 针对HEXB 的基因治疗

关于Sandhoff 病已经探索了许多治疗方法，包括酶替代疗法、底物还原疗法、神经干细胞移植、抗炎药物结合底物还原疗法、骨髓移植结合底物还原疗法、生酮饮食结合底物还原疗法，其中酶代替疗法与底物还原疗法已经被投入使用治疗其他类型神经节苷脂沉积症，效果尚可，但在Sandhoff 病的治疗上，包括上述几种疗法进入临床试验阶段的都很少，动物实验取得的结果也不理想，其确切治疗效果仍需进一步深入研究[27]。目前最有前景的是能够从根本上治疗疾病的基因疗法，近几年关于基因治疗的研究也取得了不错的进展。以腺病毒群(Adenoassociated virus，AAV)作为载体输入人体治疗Sandhoff 病的基因疗法是目前最可行的治疗手段，而在AAV 中，重组腺相关病毒(recombinant Adeno-associated Viruses，rAAV) 在治疗多种疾病方面显示出巨大的潜力，已成为神经系统的首选传递载体[28]，包括AAV9、AAVrh8、AAVrh10 等在内一些AAV 血清型在静脉注射时可以跨越血脑屏障，广泛传播到神经轴，这一发现是神经退行性疾病治疗的重大飞跃。在测试潜在的治疗方法时，可靠的疾病动物模型是非常重要的。在20 世纪90 年代，Proia 和Gravel 他们分别通过靶向破坏编码溶酶体内氨基己糖胺酶A 和B 的β 亚基的基因HEXB，各自独立地培养出了HEXB 基因被破坏的小鼠品系，得到了Sandhoff 病小鼠品系模型，为Sandhoff 病的动物实验发展打下了坚实的基础[28]。

Walia 等将表达HEXB 的rAAV9 载体静脉注射到新生和成年Sandhoff病小鼠体内，发现实验组的平均寿命达到了43周，明显高于对照组的17 周，在延长了Sandhoff 病小鼠的寿命的同时也减少了细胞中神经节苷脂的沉积和神经炎症[29]。最新研究[30]报道了两种新的双顺反子AAV 载体AAV- bic 和AAVp2i 的治疗效果，它们同时编码了小鼠氨基己糖苷酶A 的α 和β 亚基，这是第一个用同时编码了α 和β 亚基的AAV9 载体全身给药治疗Sandhoff 病小鼠的报道，该研究中实验组的小鼠寿命都得到了相对的延长，并且一些小鼠的寿命达到了对照组的4 倍以上，活到了2 岁。在这项研究中，我们还发现了血管内给药AAV9-Bic 载体与颅内给药两种单顺反子载体疗效相同，这是目前治疗Sandhoff 病所能达到的最佳临床前效果，这些发现使AAV9-Bic 载体成为治疗Sandhoff 疾病的优秀候选疗法。此外，微创血管内给药途径在大多数临床中心都可以很容易地实施，而且适度的剂量使其与目前的AAV 生产技术兼容。

4 小结

Sandhoff 病为常染色体隐性遗传病，由KonradSandhoff 于1968 年首先报道，由于HEXB 基因突变，氨基己糖胺酶A 和氨基己糖胺酶B 的活性均显著降低或缺失，导致GM2 神经节苷脂无法正常降解，成为一种脂类代谢障碍病，临床表现为神经退行性变的相关症状。针对HEXB 突变的基因治疗是目前最具潜力的研究方向，以腺病毒群为载体过表达HEXB 的治疗方式的疗效在临床研究中已得到初步验证，构建更多合适的基因表达载体并进一步验证相关基因疗法的疗效及安全性是接下来的研究重点，相信不远的将来，基因治疗将成为Sandhoff 病的新希望。