脉管畸形相关信号通路和分子遗传学研究进展

沈禹辰 王德明 范新东

上海交通大学医学院附属第九人民医院介入科，上海 200011

脉管性疾病是由于血管发育过程中的缺陷导致局部异常血管生成的一类疾病统称[1]。1982年，Mulliken和Glowaski[2]根据血管细胞的生物学特点将脉管性疾病分为血管肿瘤和脉管畸形两大类。血管肿瘤可以分为婴幼儿血管瘤、先天性血管瘤及其他肿瘤等；而脉管畸形可以分为低流速脉管畸形（微静脉畸形、静脉畸形、淋巴管畸形）、高流速脉管畸形（动静脉瘘、动静脉畸形）及混合型脉管畸形等[1]。多数脉管畸形在患者出生或出生后不久即出现症状且病灶会伴随着患者成长而不断增大[3]。

脉管性疾病可以通过遗传发病或者由体细胞突变引起[4-6]。2002年，Vikkula等[5]发现局部病变的细胞中存在蛋白功能完全丧失，研究将其归因于体细胞的“二次打击”突变。与之不同的是，在绝大多数非遗传性的、独立发病的脉管畸形中，功能获得性体细胞突变才是主要病因[7]。2009年，Limaye等[8]研究发现，静脉畸形是由酪氨酸激酶受体2（tyrosine kinase receptors2，TIE2）的体细胞突变导致。脉管性疾病中的多数突变基因在血管生成和淋巴管生成、血管细胞生长、凋亡和增殖等功能中均发挥重要作用，而这其中的许多基因同样与肿瘤发生密切相关[9]。脉管性疾病涉及主要通路包括血管生成素/TIE2通路，磷脂酰肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）通路，肝配蛋白B型受体4（ephrin type-B receptor 4，EPHB4）/鼠肉瘤病毒基因（rat sarcoma，RAS）/促分裂素原活化蛋白激酶激酶（mitogen-activated protein kinase kinase，MEK）/细胞外调节蛋白激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）通路和转化生长因子β（transforming growth factor，TGF-β）信号通路。研究发现，G蛋白偶联受体相关信号分子，如G蛋白α亚单位Q/11/14（G protein subunit alpha Q/11/14，GNAQ/GNA11/GNA14）也参与脉管性疾病的发生[9]。本文主要对脉管畸形发生发展中可能起到重要作用的信号通路及其研究进展进行综述。

1 脉管畸形与PI3K/AKT/mTOR信号通路

在生理状态下，PI3K/AKT/mTOR信号通路中配体与酪氨酸激酶受体（receptor tyrosine kinase，RTK）结合后被激活，进而控制细胞增殖、黏附、迁移、代谢[10]。配体与RTK的结合能够进一步导致磷脂酰肌醇二磷酸的磷酸化，这一过程会招募并激活PI3K的下游基因AKT[11]。磷酸酶-张力蛋白基因（phosphatase and tensin homolog，PTEN）能够通过竞争性结合PI3K来负向调节这一过程。在脉管性疾病中，多种低流速脉管畸形（特别是静脉畸形和淋巴管畸形）是由这条通路的激活突变所引起。

1.1 静脉畸形与血管生成素/TIE2/PI3K/AKT/mTOR信号通路

静脉畸形属于低流速脉管畸形，通常发生于皮肤或黏膜，表现为蓝色、柔软可压缩的包块[12-13]。静脉畸形的组织学特点是增大迂曲的静脉样管道，其中单层内皮细胞被杂乱无章的细胞外基质和平滑肌细胞包围[13-14]。

在多数散发性静脉畸形中，蓝色橡皮疱痣样综合征（blue rubber bleb nevus syndrome，BRBNS）及遗传性皮肤黏膜静脉畸形中，均可以检测到TIE2基因的功能获得性突变。TIE2可以被血管生成素1（angiopoietin-1，ANGPT1）激活，而血管生成素2（angiopoietin-2，ANGPT2）则能够通过内环境来调节TIE2的活性[15]。配体与受体的结合导致受体的交叉磷酸化进而引起TIE2的激活，这一过程最终引起PI3K/AKT/mTOR通路的活化[16]。在散发性静脉畸形中发生频率最高的突变基因是TIE2-L914F[17-18]。与之相反，在常染色体显性遗传的皮肤黏膜静脉畸形中，最多见的突变基因是TIE2-R849W[19]。

BRBNS同样与TIE2突变有关，患者会表现出多达上百个广泛分布在皮肤和胃肠道的静脉畸形病变，导致患者出现消耗性凝血疾病及慢性贫血[20]。病灶的数量也会随着患者成长而逐渐增加。有体外实验表明，所有的TIE2突变均导致受体不再依赖配体而发生过度磷酸化，且PI3K/AKT/mTOR信号通路发生了永久性的激活[21]。相比于杂合突变，纯和突变中TIE2表现出更活跃的磷酸化。表达TIE2-L914F的人脐静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cell，HUVEC）分泌较少的血小板来源的生长因子亚基（plateletderived growth factor subunit B，BPDGF-B），这是AKT依赖的叉头盒蛋白O1（forkhead box protein O1，FOXO1）磷酸化所致[22]；这一结果同时也解释了“为什么内皮细胞和平滑肌细胞之间的旁分泌作用会减少”及“为什么静脉畸形组织中相对缺乏平滑肌细胞”。

有少部分散发性静脉畸形存在磷脂酰肌醇-3-激酶催化亚基α（phosphatidylinositol-4, 5-bisphosphate 3-kinase catalytic subunit alpha，PIK3CA）的突变[23-24]。PIK3CA编码PI3K的P110α催化亚基，而PI3K是TIE2的下游效应分子。PIK3CA的突变类似于TIE2的突变，会导致AKT信号的激活。

在一些静脉畸形患者中，可以检测到PIK3CA基因突变，而且这些患者还伴有软组织或者骨组织的过度生长，因此利用PIK3CA相关过度生长综合征群（PIK3CA-related overgrowth spectrum，PROS）来对这一类疾病进行命名[25]。然而，在某些PROS患者中相较于PIK3CA热点突变，PIK3CA的非热点突变似乎更加频繁，同时在患者的组织中分布也更加广泛，譬如巨头-毛细血管畸形综合征；CLOVES综合征（先天性脂肪瘤过度生长伴血管异常、表皮痣和脊柱侧弯）[26]。

在体外实验中，与过度表达TIE2-L914F突变体的HUVEC相比，过度表达PIK3CA突变体的HUVEC检测出较低水平的转录信号转导剂和激活剂-1（signal transducer and activa- tor of transcription 1，STAT1）磷酸化，而检测不到磷酸化的ERK1/2。这些结果提示无论是PIK3CA还是TIE2突变，血管生成素/TIE2/PI3K/AKT/mTOR的发生发展中起着至关重要的作用[14]。

1.2 淋巴管畸形与PIK3CA基因突变

淋巴管疾病分为淋巴管畸形和淋巴水肿。淋巴管畸形可以独立发生或伴综合征发生，如PROS。淋巴管畸形既可以发生于外周也可以发生于中枢神经系统，后者构成一组复杂的淋巴管疾病，如Gorham-Stout病、卡波西样淋巴管瘤病等。部分淋巴管畸形和静脉畸形类似，存在PIK3CA的体细胞热点突变[27]。PIK3CA的热点突变可增加杂合状态下的致死率，这也解释了“为什么尚未出现有关遗传隔离的淋巴管畸形的报道”[28]。

基因突变方式及发生突变的时间至关重要。在小鼠发育的过程中，PIK3CAH1047R突变的发生时间决定了淋巴管畸形的类型。如果突变发生在小鼠胚胎早期，则会形成大的巨囊性淋巴管畸形；如果突变发生在小鼠出生后，则导致淋巴管过度增殖，从而形成微囊性淋巴管畸形[29]。

1.3 动静脉畸形与PI3K/AKT/mTOR信号通路

1.3.1PTEN错构瘤肿瘤综合征

磷酸酶张力蛋白同源物（phosphatase and tensin homolog，PTEN）错构瘤肿瘤综合征（PTEN hamartoma tumor syndrome，PHTS）现已被用于描述一系列疾病，如Cowden综合征、Bannayan-Riley-Ruvalcaba综合征等[30]。在PHTS中，PTEN因突变导致功能丧失表现为常染色体显性遗传[31]。PHTS患者通常有巨头、脂肪瘤、乳头状瘤等症状，并伴有非典型皮肤和深层软组织血管病变，有时也可表现为高流速血管病变。由于PTEN具有抑制PI3K/AKT/mTOR通路的作用，其突变导致功能丧失使该通路激活。此外，鉴于PTEN是一种重要的肿瘤抑制基因，因此，PHTS患者患肿瘤的风险显著增高[9]。

1.3.2 遗传性出血性毛细血管扩张症

遗传性出血性毛细血管扩张症（hereditary hemorrhagic telangiectasia，HHT）是一种常染色体显性遗传病[32]。患者表现为多发的皮肤病变或毛细血管扩张，通常与内部的动静脉畸形相关。这些症状可出现在中枢神经系统、肺部、肝脏及其他内脏。此外，三分之一的患者在十周岁前发生过反复的鼻出血并导致贫血[33]。在之后的生长发育阶段，患者的面部、口腔黏膜和手部会出现特征性的皮肤毛细血管扩张[32]。

HHT1型患者发生了内皮素因突变失去功能，而HHT2型患者发生了激活素受体样激酶1（activin receptorlike kinase 1，ALK1）功能失去突变[34]。青少年息肉病/HHT的发生是由于编码SMAD4蛋白的母亲抵抗生长因子同源物-4（mothers against decapentaplegic homolog 4，MADH4）基因发生突变导致功能丧失[35]。HHT3型患者的基因突变位点在染色体5q31.3-32，而HHT4型患者的突变位于染色体7p14位点[36-37]。

2 脉管性疾病与RAS/RAF/MEK/ERK信号通路

MEK信号通路在细胞分化、增殖、凋亡和应激反应中起到重要作用。RAS/快速增长型纤维肉瘤（rapidly accelerated fibrosarcoma，RAF）/MEK/ERK信号通路受生长因子、细胞因子及G蛋白偶联受体的配体诱导，使RAS发生鸟嘌呤核苷三磷酸到胞嘧啶核苷三磷酸的置换而被激活。RAF与RAS结合后表现出丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性并激活MEK，后者通过磷酸化激活ERK。最终，ERK二聚体化并易位至细胞核内以调节靶蛋白的活性[38]。

2.1 静脉畸形与MAP3K3基因突变

疣状静脉畸形是一种罕见的、非遗传的脉管畸形，表现为突起的、深红色病变，且随着时间的推移会出现过度角化[39-40]。促分裂素原活化蛋白激酶激酶激酶-3（mitogenactivated protein kinase kinase kinase 3，MAP3K3） 是 促 分裂素原活化蛋白激酶激酶激酶（mitogen-activated protein kinase kinase kinase，MAP3K）丝氨酸/苏氨酸激酶家族的一员，在疣状静脉畸形中已经检测出了MAP3K3的体细胞突变[39]。MAP3K3不但在ERK信号通路中发挥作用，同时参与AKT/mTOR的信号传导[39]。

2.2 淋巴管畸形与RAS/RAF/MEK/ERK信号通路

Gorham-Stout病是一种复杂的淋巴管畸形，通常为散发。患者的骨骼中显示出不规则的淋巴管，这种畸形淋巴管与骨溶解有关，最终导致骨骼完全丧失[41]。在1例Gorham-Stout病患者中，检测到Kirsten大鼠肉瘤病毒癌基因同源物（Kirsten rat sarcoma viral oncogene homolog，KRAS）基因的体细胞激活突变[42]。

卡波西样淋巴管瘤病是一种具有侵袭性的淋巴管疾病，可以发生于机体多个部位和器官中。文献显示，共11个卡波西样淋巴管瘤病组织中，有10个检测出神经母细胞瘤RAS病毒致癌基因同源物（neuroblastoma RAS viral oncogene homolog，NRAS）的p.Q61R位点突变体激活细胞[43]。以上研究表明，RAS/RAF/MEK/ERK信号通路在Gorham-Stout病和卡波西样淋巴管瘤病的进展中起到重要的作用。

2.3 微静脉畸形与RAS/RAF/MEK/ERK信号通路

0.3%的新生儿在出生时即患有微静脉畸形（葡萄酒色斑）[16]。微静脉畸形通常具有散发性，病灶区平坦，颜色为红色至紫色[44]。微静脉畸形患者中可检测到GNAQ的体细胞激活突变[45]。有研究表明，GNAQ突变的人胚胎肾细胞293T可导致细胞内ERK信号的激活[45]。

微静脉畸形-动静脉畸形（capillary malformationarteriovenous malformation，CM-AVM）作为一种常染色体显性遗传病，表现为微小、多局灶、红色至棕褐色的微静脉畸形病灶，通常随机分布于机体[46]。CM-AVM伴有高流速脉管畸形，如动静脉瘘即动静脉畸形[47]。CMAVM1型由RASA1基因突变所致[48]。RASA1编码鸟嘌呤核苷三磷酸酶激活蛋白-1（GTPase Activating Protein 1，p120RasGAP），受体酪氨酸激酶激活后，p120RasGAP被募集到细胞膜，抑制RAS/MAPK/ERK信号通路并调节细胞生长、分化和增殖[9]。2型与CM-AVM1型稍有不同，其患者表现出唇部和上胸部的毛细血管扩张及少许病例会出现颅内的高流速血管病变[49]。CM-AVM2型是由EPHB4基因突变导致功能丧失引起[49]。EPHB4是一种跨膜受体，在静脉发育过程中的内皮细胞上表达。EPHB4的配体是肝配蛋白-B2（ephrin B2，EFNB2），能够在动脉的内皮细胞中被检测到EFNB2的存在[50]。EPHB4通过与p120RasGAP相互作用而抑制RAS/RAF/MAPK/ERK信号通路，CM-AVM2型患者缺失了这种抑制作用而引起了RAS/RAF/MAPK/ERK通路的激活[49,50]。

2.4 动静脉畸形与RAS/RAF/MEK/ERK信号通路

动静脉畸形是所有脉管畸形中最具侵袭性的一种，因为其在发展的过程中常破坏邻近组织或重要结构。通过介入栓塞或手术切除很难完全清除动静脉畸形病灶，残余的病变通常会导致动静脉畸形的再通甚至恶化。通常动静脉畸形可以发生于机体的任何部位，包括外周结构、内脏器官甚至中枢神经系统。

Couto等[51]在一些外周及颅外的动静脉畸形病例中确定了促分裂素原活化蛋白激酶激酶-1（mitogen-activated protein kinase kinase 1，MAP2K1）基因的突变。MEK1的体细胞突变激活了RAS/MAPK信号通路。此外，Nikolaev等[52]发现KRAS的体细胞突变导致了脑动静脉畸形的发生。从脑动静脉畸形病灶区分离出的内皮细胞不但表现出迁移能力的增强，而且细胞内ERK水平显著提高，血管生成相关的NOTCH信号通路的表达水平也随之升高。Al-Olabi等[53]在动静脉畸形患者中检测出KRAS、B-Raf原癌基因（B-Raf proto-oncogene，BRAF） 及MAP2K1的 基 因 突变，再次验证了RAS/RAF/MEK/ERK信号通路在动静脉畸形中的重要作用。

2.5 脑海绵状血管瘤与RAS/RAF/MEK/ERK信号通路

脑海绵状血管瘤（cerebral cavernous malformation，CCM）既可以常染色体显性方式遗传也可以散发，其主要发生在脑部，有时也发生于脊髓[54]。脑海绵状血管瘤蛋白-1）、脑海绵状血管瘤蛋白-2及程序性细胞死亡因子-10（programmed cell death 10，PDCD10）的突变导致功能丧失分别导致了CCM1型、CCM2型及CCM3型的发生[55-56]。脑海绵状血管瘤蛋白-1在δ样经典NOTCH配体（delta-like canonical notch ligand，DLL）和4-NOTCH信号传导中起作用，激活AKT并抑制ERK活性，这或许可以解释“为什么脑海绵状血管瘤蛋白-1突变的患者ERK磷酸化水平会升高”[57]。3种CCM蛋白可以共同组成一个复合物，其中由脑海绵状血管瘤蛋白-2来连接脑海绵状血管瘤蛋白-1和PDCD10[58]。另有研究表明，该复合物的失活能够诱导MAP3K3信号的激活[59]。此外，CCM4型的突变位点确定为染色体3q26.3-27.2[60]。

3 小结

虽然脉管性疾病治疗方式比较多，但硬化治疗、介入栓塞、手术切除、激光治疗等传统治疗方式对病灶范围大，累及范围广的脉管畸形无法获得满意疗效。而且患者有时发生严重的并发症或者重要生理结构的破坏及术后生活质量改善不明显。近年来，由于分子遗传学的快速发展，在脉管畸形的信号通路及脉管畸形的病理生理机制方面已经取得了实质性的进展，靶向药物的出现更是为脉管畸形治疗提供了新的方法。如广泛应用于肿瘤治疗的雷帕霉素是一种mTOR抑制剂，已有研究表明，一些范围较大或合并综合征（Klippel-Trenaunay综合征）的静脉畸形患者，经过雷帕霉素的治疗后3个月疼痛显著减轻，病灶随之减小，生活质量也有显著提升。进一步证明了靶向药物治疗脉管畸形的有效性。