Noonan综合征发病机制的研究进展

罗光月综述 陆韦审校

Noonan综合征(Noonan syndrome，NS)是一种累及多系统的遗传异质性疾病，多属于常染色体显性遗传，但也有少数病例呈常染色体隐性遗传[1]。活产婴儿中发生率为(4～10)/万[2]。随着分子诊断技术的发展，对其病因有了更全面的认识，大约80%的NS患者与丝裂原活化蛋白激酶信号传导通路(RAS-mitogen-activated protein kinase，RAS-MAPK)基因突变有关。然而，10%～20%的患者临床诊断没有得到分子学证实。目前认为，NS主要特征是身材矮小、特殊面容、发育迟缓、先天性心脏病，其他还包括蹼状颈、胸阔畸形、隐睾、各种凝血缺陷、淋巴发育不良、眼部异常和罕见的儿童时期恶性血液病[3-4]。其中先天性心脏病以肺动脉瓣狭窄(pulmonary valvar stenosis，PVS)、房间隔缺损(atrial septal defect，ASD)及肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopahy，HCM)多见。目前尚无有效治疗NS的方案，以对症治疗为主。临床医生有必要了解NS各基因的致病机制及相关的基因型—表型，进而找到潜在的治疗靶点。因而，本文拟对 NS发病机制做一简要综述，为治疗提供更多的研究方向。

1 发病机制

RAS-MAPK途径是一种广为人知的细胞内信号传导途径，它携带细胞外配体(如激素、细胞因子和生长因子)的信号，直到在细胞核中发生转录，从而参与细胞的增殖、分化和代谢过程。RAS充当分子开关，刺激MAPK级联的顺序激活，这三个水平的激酶(RAF、MEK和ERK)在一系列磷酸化后最终通过转录修饰产生其作用。现已明确20个与NS相关的基因，根据ClinGen基因策划框架策划的每个基因—疾病关联分类，权威水平包括KRAS(14)、NRAS(13.5)、PTPN11(13.5)、RAF1(13.5)、RIT1(13.5)、SOS1(12.5)，强等级水平包括LZTR1(12)，中等水平包括BRAF(10.5)、SOS2(9.5)，有限水平包括MAP2K1(3.5)、MAP2K2(1)、LZTR1(AR)(8.75)、MRAS(4.5)、RASA2(2)、RRAS(3.25)，具有争议的是A2ML1、RASA1、SHOC2，没有证据的是HRAS(-)、PPP1CB(-)[5]；这些基因编码产物参与RAS-MAPK信号通路的转导，而NS发病与该通路信号上调相关。除LZTR1基因导致的NS可能为常染色体隐性遗传[1]，其他均为常染色体显性遗传。

2 NS相关基因

2.1 权威水平基因

2.1.1 KRAS： KRAS是具有GTP酶活性的RAS蛋白(属于一类信号转导GTP酶，其在与GTP和GDP结合的构象之间循环)，KRAS突变是NS的第二个报道基因，所占比例小于5%[6]。异亮氨酸替代位于14位的缬氨酸残基是最常见的KRAS突变之一。具有KRAS突变的NS患者表现出更严重的临床表现和认知缺陷，约85%NS患儿伴有PVS、HCM、ASD等心脏受累表现，并且全部患有轻度至中度智力障碍[7]。K-Ras V14I小鼠显示出心脏增生，这是由于与主动脉瓣增厚有关的心肌细胞数量增加所致[8]。

2.1.2 NRAS： NRAS是RAS蛋白家族的另一成员，在极少数NS个体也发现了NRAS突变。NRAS的Switch Ⅱ区域内或附近发现了突变，并被认为干扰了GTP酶的功能，突变可导致MEK和ERK磷酸化增强[9]。这些NRAS突变的患者通常表现出相对温和的典型Noonan特征[10]。

2.1.3 PTPN11： PTPN11是NS中第一个被发现且最常见的致病基因，约占所有病例的50%[11]。SHP2是PTPN11的蛋白产物，是一种非受体蛋白酪氨酸磷酸酶(PTP)，由N和C端SH2域和一个催化PTP域组成。PTPN11中大多数引起NS的错义突变都集中在与N-SH2和PTP结构域之间相互作用有关的残基中。该区域的突变破坏了 SHP2 无催化活性形式的稳定性，削弱了蛋白质从活性构象转变为非活性构象的能力，并导致 RAS-MAPK 通路的信号传导增加[12]。

SHP2参与调控RAS-MAPK信号通路与一系列生因子和细胞因子的信号转导相关，如生长激素、胰岛素样生长因子和成纤维细胞生长因子等，从而导致NS患儿生长迟缓和骨骼异常等多种临床表现。对 PTPN11 基因缺陷小鼠进行的研究表明，PTPN11 编码的SHP2蛋白对于胚胎心脏瓣膜的发育至关重要。与非PTPN突变型患者相比， PTPN11突变患者更多源于家族遗传，具有典型的NS特殊面容，PVS、ASD、身材矮小、胸廓畸形、隐睾、容易瘀伤等的发生率较高。

N-甲基-D-天门冬氨酸(NMDA)受体(NMDARs)对于突触可塑性和学习与记忆至关重要，GluN2亚基的酪氨酸磷酸化调节NMDAR功能。NS相关的SHP2使GluN2B去磷酸化，从而调节NMDAR功能，导致NS认知功能障碍[13]。PTPN11突变相关NS的头颅影像学显示双侧纹状体的灰质体积减少，颞叶区域的表面积减少，额叶区域的皮质厚度增加，并减少了边缘区域的皮质厚度，包括海马回路中必不可少的边缘结构，从而影响正在发育的人脑的注意力和记忆力，表现出注意力不集中、活动过度和记忆力障碍水平很高[14]。

在NS患者中PTPN11突变的存在与其容易瘀伤密切相关，SHP2催化失调增加了血小板反应不良，表型为出凝血缺陷[15]。PTPN11激活突变在干细胞微环境中有致白血病的作用，间充质干/祖细胞和骨祖细胞中的PTPN11突变，导致CC趋化因子CCL3过度产生，该因子可将单核细胞招募到造血干细胞所在的区域。因此，造血干细胞被IL-1β和可能由单核细胞产生的其他致炎细胞因子过度激活，导致干细胞移植后儿童时期的骨髓增生性肿瘤(myeloproliferative neoplasm，MPN)加重和供体细胞来源的MPN。有研究揭示了骨髓微环境中PTPN11突变在白血病发生中的关键作用，并确定CCL3是控制NS白血病进展和改进NS相关白血病干细胞移植治疗的潜在治疗靶点[16]。

2.1.4 RAF1： 在NS患者中，8%的患者存在RAF1突变。RAF1基因位于第3号染色体上，编码648个氨基酸的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，是下游Ras直接的效应子之一。与NS相关的大多数RAF1突变都聚集在2个区域中：保守区域2(S259侧翼)和保守区域3(围绕激活片段)。这些突变导致RAF1的不同功能，因为残基S259和S621的磷酸化负责RAF1的调节。RAF1基因突变与肥厚性心肌病、智力缺陷、身材矮小和伴有雀斑综合征的NS样皮肤特征(多发性雀斑、咖啡色斑痣、多发性痣)。超过90%的RAF1保守区域2突变的NS患者表现出严重的肥厚性心肌病，是由异常的ERK5和MEK1/2信号传导所致，MEK1/2的过度激活导致肌原纤维紊乱，ERK5信号增加介导心肌细胞肥大，抑制MEK1/2可以逆转诱导型多能干细胞来源的心肌细胞中肌节紊乱，而抑制MEK5/ERK5可以逆转心肌肥大的表型。RAF1的L613V突变使皮质中神经胶质细胞数增加，与学习增强有关[17]。

2.1.5 RIT1： RIT1突变占NS病例的5%～9%[18]。RIT1是与RAS亚家族相关的小GTP酶，与经典的RAS GTP酶(KRAS、HRAS、NRAS)有50%的序列同源性，并显示出典型的GTP酶活性，可调节细胞存活率，RIT1在胚胎和成年阶段普遍存在表达[19]。虽然RIT1在正常的RAS-ERK通路激活中可能不起主要作用，但突变的RIT1等位基因在异种细胞中的表达增加了MAPK-ERK通路的激活或ELK的反式激活，显示了功能获得效应，并进一步支持了RIT1在NS发病机制中的致病作用[20]。具有RIT1突变的个体常见于产前异常(围产期异常，包括颈部半透明、胎儿积水、胸腔积液或乳糜胸和先天性心脏缺陷)，心血管疾病(肥厚型心肌病、房间隔缺损和肺动脉狭窄)和淋巴管异常，而身材矮小、智力问题、眼部异常和外胚层异常则较不常见[18-20]。该突变菌株易于部分通过AKT介导的信号传导而受到肾上腺素刺激，导致心脏肥大[21]。具有早发性HCM表型(年龄<2岁)的患者，特别是在双心室梗阻的患者中，预后较差，MEK抑制剂可逆转RIT1突变的NS的肥厚型心肌病[22]。

2.1.6 SOS1： SOS1突变约占病例的15%。SOS1编码产物为RAS特异性的鸟嘌呤核苷酸交换因子，该蛋白负责刺激RAS从非活性GDP结合形式转变为活性GTP结合形式。SOS1是一种具有多个结构域的复杂蛋白，参与了自身抑制。改变的氨基酸残基可能解除自身抑制，导致结构性激活。SOS1基因突变的NS患者表现出相当独特的类型，表现为明显的面部畸形(巨头畸形、上睑下垂)、某些皮肤表现(角化过度、眉毛稀疏、生长缓慢的卷发)、心脏缺陷(肺动脉瓣狭窄、房间隔缺损和室间隔缺损)、淋巴疾病，而身材矮小、智力缺陷、肥厚性心肌病的发生率较低[23]。对于PTPN11筛查阴性，且发育迟滞不前，伴有心—面—皮肤综合征样的皮肤、毛发改变而身高正常者，应考虑行SOS1基因突变的筛查。MEK抑制剂曲美替尼能治疗SOS1突变相关的NS患者的严重淋巴疾病[24]。

2.2 强水平基因 亮氨酸拉链样转录调节因子1(LZTR1)是一个高度保守的基因，其编码蛋白的N端有6个Kelch基序，C端有2个BTB/POZ结构域。在NS中的发生率高达8%[1]。LZTR1是正常细胞周期的重要调节因子，并起着抑癌作用。LZTR1被发现是RAS泛素化和信号转导的保守调节因子。双等位基因LZTR1突变导致了常染色体显性及隐性遗传Noonan 综合征，隐性NS相关的LZTR1错义突变通过加速LZTR1降解或异常的亚细胞定位而可变地影响蛋白质功能，并在RAS-MAPK信号背景下表现为功能丧失突变；显性遗传NS相关的LZTR1突变特异性地影响Kelch结构域底物识别表面并增强RAS-MAPK信号。携带LZTR1突变的NS患者表现出典型的NS面部特征、蹼状颈、心血管缺陷和出血[25]。LZTR1功能的丧失导致血管功能障碍，抗血管内皮生长因子可能是治疗LZTR1突变的NS患者出血性疾病的方法[26]。

2.3 中等水平基因

2.3.1 BRAF： BRAF是苏氨酸—丝氨酸蛋白激酶家族的一员，可作为RAS的效应器和MAPK模块的上游成分。该基因位于染色体7a34 区，其突变常与心—面—皮肤综合征相关。BRAF过度的酪氨酸激酶活性促进了RAS-MAPK信号级联的失调，使细胞分子改变，从而导致受影响个体NS的发生。特征性面部和外胚层表现是BRAF突变的主要临床特征，表现为新生儿生长障碍，喂养困难，身材矮小，头颈部突出，面部特征明显，多发性痣和深色雀斑，轻到中度的认知障碍，骨骼异常，肌张力降低，无心—面—皮肤综合征样相关的皮肤异常、羊水过多和肥厚性心肌病[27]。

2.3.2 SOS2： SOS2从结构和功能上与SOS1类似，致病突变影响位于Dbl同源结构域的3个保守残基，其中2个直接参与维持SOS2自身抑制构象的分子内结合网络。致病的SOS2突变促进了SOS2中GEF功能的增强，导致RAS和RAF-MEK-ERK级联的信号增强。与引起NS的SOS1突变相似，与SOS2缺陷相关的表型特征为生长发育正常，明显的外胚层受累和易患淋巴并发症[28]。首例SOS2突变的NS产前病例发现颈部半透明层明显增加[29]。然而，与SOS1突变不同的是，SOS2突变仅限于DH区域。

3 小结与展望

NS是一种常染色体遗传性疾病，研究发现，大约80%的NS发病机制与RAS-MAPK信号通路相关的基因突变有关。国内外学者对NS发生、发展过程中可能涉及到的基因进行了研究，通过对NS动物模型应用相应靶点阻断剂后观察疾病转归，为NS的治疗提供了更多的研究方向。但是，NS临床表现复杂、缺乏有效的治疗方案，需要临床医师定期对患者疾病状态进行评估，判断疾病严重程度并采取积极治疗。然而，临床上仍无一致、有效的治疗方案，故对于NS发病机制的研究，有助于临床医师探索潜在、有效的治疗靶点。因此，不断深入研究NS发生、发展过程中各基因突变的发病机制及相关的基因型—表型，对NS的治疗具有重要的指导意义，但是从基础研究中寻找治疗靶点再到临床应用还需要很长时间的探索。