FBN1基因与马凡综合征及其相关表型关系研究进展

康小翠 徐昳 林瑷琪 冯笑抄 韩翔

FBN1基因突变可导致其编码的蛋白fibrillin-1异常，引起一系列Ⅰ型纤维蛋白病，包括马凡综合征(MFS)、显性Weill-Marchesani综合征、Geleophysic异型增生、硬皮病、晶状体异位等，其中以MFS最为常见。MFS是一种可累及多器官、多系统的常染色体显性遗传病。临床中，典型的MFS主要累及骨骼、心血管、眼、皮肤、肺等。FBN1基因突变类型多样，致病机制仍需深入挖掘，MFS及相关临床表型错综复杂，因此，本文对三者的相关性进行综述，旨在为将来深入研究奠定基础。

一、FBN1基因、fibrillin-1结构及生物学意义

1.FBN1基因及fibrillin-1结构及作用

FBN1基因位于人类第15号常染色体，含有65个外显子(exons)，1991年Sakai最先从人胎盘cDNA克隆出FBN1基因[1]。FBN1基因编码的fibrillin-1由Köhler和Milstein于1975年首次提出并命名。fibrillin-1是长度为350 kD的大分子肽链，结构包括1个脯氨酸富集结构域、2个杂合结构域、47个表皮生长因子样(EGF)结构域[2]、7个转化生长因子β结合蛋白样结构域(TB)以及首尾的N端和C端。EGF结构域中具有特征性保守半胱氨酸残基，两两形成二硫键；43个EGF结构域为钙结合序列(cb-EGF)，能与Ca2+特异性结合，这些结构有利于fibrillin-1肽链维持结构稳定及发挥功能。人类fibrillin-1肽链第4个TB(TB4)中含有唯一甘氨酸-精氨酸-天冬氨酸位点(RGD)，该位点可通过与整合素结合上调基质金属蛋白酶(MMP)表达[3]。Fibrillin-1作为细胞外基质(ECM)的组成成分之一，经过自身折叠后参与微纤维和弹性纤维的形成。弹性纤维与胶原纤维共同构成结缔组织支架，广泛分布于各器官及系统中[4]。Fibrillin-1和弹性纤维具有独一无二的两种功能：(1)结构上赋予组织拉伸的强度和弹性；(2)与机械感受器、整合素和多配体聚糖受体相互作用，调节局部转化生长因子-β(TGF-β)信号的生物利用度以调节细胞活性[5]。

2.fibrillin-1与整合素介导的信号转导通路

内皮细胞整合素和细胞内Ca2+水平在胚胎发育和血管生成过程中具有重要意义[6]，fibrillin-1与内皮细胞结合在动脉形态发生和生理过程中起重要作用[7]，二者相互作用可能导致MFS血管功能障碍和血管重塑的发生。含有RGD的fibrillin-1片段可通过与整合素结合调节细胞粘附和扩散[8]。其中，涉及的整合素分别为成纤维细胞中的αvβ3和α5β1、平滑肌细胞中的β1[9-10]和内皮细胞中的αv、α5及β1[11]。进一步支持该假说的证据包括：(1)突变为其他微纤维成分(如fibulin-5或emilin-1)的小鼠出现严重的血管发育和结构异常[12-13]；(2)弹性纤维的另一个主要成分弹性蛋白相关的基因突变会导致Weill-Marchesani综合征，弹性蛋白片段和fibrillin-1已被证明会影响血管及其他类型细胞中Ca2+信号转导、增殖等功能[14]；(3)主动脉微纤维以及含有RGD片段的fibrillin-1可诱导内皮细胞胞浆和细胞核内游离Ca2+水平显著升高，且呈剂量依赖性[5]。众所周知，细胞核的Ca2+水平升高可以调节转录因子的活性，刺激基因表达和细胞增殖，由此可推断fibrillin-1或可促进细胞增殖。

3.fibrillin-1与TGF-β信号转导通路

fibrillin-1可通过调节TGF-β的生物利用度和局部活性参与TGF-β信号转导通路。TGF-β家族由潜伏相关肽(LAP)和成熟的TGF-β组成，形成小的潜伏复合物(SLC)，再与潜在的TGF-β结合蛋白(LTBP)结合后，组成巨大的潜在复合物(LLC)并通过LTBP的C-端结构域与ECM结合。通常情况下，TGF-β细胞因子以非活性形式分泌，LLC锚定在fibrillin-1的细胞外基质上[15]。弹性蛋白酶和(或)某些生理刺激能导致fibrillin-1降解，释放活性TGF-β并作为病理生理反应的中枢调节器，上调TGF-β、结缔组织生长因子(CTGF)和ECM的表达。MFS中FBN1基因突变后导致fibrillin-1异常断裂，TGF-β隔离失败，释放出更多的TGF-β。过量的TGF-β后续可通过经典的Smad信号转导通路或非经典的ERK1/2(细胞外调节蛋白激酶1/2)通路将细胞外信号传递至细胞核内，并形成正反馈，导致信号通路级联扩大。TGF-β信号转导通路的过度活跃是MFS发病的核心机制[16]。

4.FBN1突变类型

目前已有2 700多种FBN1基因突变和1 096种相应的fibrillin-1蛋白变体被报道[17]。FBN1基因突变可大致分为以下几类：(1)错义突变(55%)：最为常见，若影响cb-EGF结构域中高度保守的半胱氨酸，导致fibrillin-1蛋白水解酶降解增加[18]；(2)移码突变或无义突变(25%)：可能过早产生终止密码子，导致fibrillin-1截短变异，截短的转录产物通常被非编码mRNA衰变机制降解，导致fibrillin-1表达减少或不表达[19]；(3)剪切位点突变(11%)：导致框内外显子跳跃，fibrillin-1肽链缺乏完整cb-EGF结构域[20]；(4)单个或多个外显子片段基因组缺失，以及较罕见的整个FBN1基因组缺失[21]。值得注意的是，fibrillin-1整条肽链均可发生突变，但致病性突变大多累及保守的半胱氨酸。

二、FBN1动物模型和人类诱导多能干细胞模型

早在1993年，Aoyama等[22]即已认为在MFS中FBN1基因突变以显性-负效应方式影响fibrillin-1及微纤维组装。Eldadah等[23]的体外试验结果支持该假说：利用来自严重MFS患者突变的FBN1基因通过稳定转染在正常人和鼠成纤维细胞中表达，对细胞系行免疫组化染色发现fibrillin-1的沉积显著减少，细胞微纤维结构紊乱。该实验结果说明FBN1等位基因的表达足以破坏正常的微纤维组装并重现MFS细胞表型。Pereira等[24]在1997年制作出了FBN1 exons 19～24缺失的小鼠模型(称之为mgΔ小鼠)，杂合子小鼠FBN1基因转录水平较正常小鼠低90%，纯合子小鼠则于婴儿期就死于主动脉夹层。Cikach等[25]制造出mgR小鼠模型，纯合小鼠的fibrillin-1表达量约为20%，可迅速进展为升主动脉瘤，且骨骼和肺表现出不完全性MFS特征，病理研究发现了巨噬细胞浸润、内膜增生、弹性纤维断裂、介质钙化和蛋白多糖积聚等病理改变；杂合小鼠(mgR/+)可正常存活及繁殖，且与野生型在形态上难以区分。有研究认为，FBN1基因突变后fibrillin-1水平一旦低于某个临界阈值，主动脉瘤和夹层就会发生[26]。

除显性-负效应外，FBN1基因突变亦可通过单倍体不足方式导致MFS。酵母人工染色体转基因技术在正常小鼠中过表达人类致病性FBN1基因突变(C1663R)后，小鼠并未出现任何异常。同源重组技术产生具有错义突变(C1039G)杂合子小鼠，结果则显示微纤维沉积受损，骨骼畸形，主动脉壁结构进行性恶化，靶向再现了MFS表型。Jude等[27]认为野生型fibrillin-1单倍体不足是微纤维组装失败的主要决定因素。

2006年Takahashi等[28]成功诱导生成人类多能干细胞(iPSC)后，为相关遗传性疾病研究开辟了新道路。患者来源衍生的iPSC具有与患者相同的突变，对特定基因表达起决定性作用，是体外验证基因突变功能导致功能改变的绝佳方式。2012年，Quarto等[29]将患者皮肤成纤维细胞通过Yamanaka因子重新编程为iPSC并诱导分化为骨骼肌细胞，模拟了MFS患者骨骼肌方面表型，证实FBN1基因突变后抑制骨骼肌成骨分化，促进软骨发育。同年，Quarto等[30]证明骨形态发生蛋白-2(BMP-2)信号外源性激活后能够逆转MFS胚胎干细胞和MFS患者特异性诱导的多能干细胞中TGF-β介导的成骨抑制作用。Granata等[31]将患者来源iPSC诱导分化为血管平滑肌细胞，利用该体外模型及Crispre-Cas9基因编辑技术，提出了MFS治疗的新靶点p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)和转录因子Krüppel样因子(KLF4)，对于未来新药研发具有重大指导意义。随着人诱导的具有特定FBN1突变的多能干细胞系日益增加[32-33]，利用这些细胞系或可加速对FBN1突变后致病性的研究进程。

三、MFS及其相关综合征表型与基因型

1.MFS及其相关综合征临床表现

MFS是一种相对普遍的常染色体显性结缔组织病，发病率约为1/5 000[34]。典型的MFS临床上主要累及以下几个系统：(1)心血管系统：胸主动脉瘤(TAA)、动脉夹层、二尖瓣脱垂以及心功能不全；(2)骨骼：不规则线性骨生长、四肢纤长、严重肢体、前胸壁、脊柱畸形；(3)眼睛：晶状体异位、高度近视；(4)其他：声调下降、自发性气胸、复发性疝等[2]。

2.FBN1与MFS基因型和表型关系

由于FBN1基因突变及MFS临床症状的复杂性，诸多学者进行了基因型-表型相关性研究。2007年，一项纳入1 013例MFS患者的大型国际研究初步揭示了FBN1基因突变位点及突变类型与MFS表型的内在联系。exons 60～62之间框内缺失导致临床表现较轻的不完全性MFS，exons 24～53、32～38之间框内缺失往往导致严重的新生儿MFS，exons 44～46之间的缺失导致更为严重的表型，在婴儿期出现典型MFS症状并迅速进展[21]。Palz等[35]报道，3’末端基因突变常导致较轻型表型。Comeglio等[36]对508例患者进行FBN1突变筛选，发现MFS组患者的FBN1突变(90/110)全部位于exons 24～32；不完全性MFS组患者的FBN1突变(84/315)频率较MFS低且多位于FBN1的3’端(exons 59～65)；晶状体异位组突变多位于exons 1～15。Gao等[37]通过文献检索亦发现导致心血管事件的突变多位于exons 43～65及exons 24～32，且患者症状较重，与前期报道结果相符。近期Siegert等[38]提出除编码区突变可导致疾病发生，如3’端非编码区(3’UTR)突变可导致MFS主动脉瘤的形成。由此可见，FBN1突变位置与疾病严重程度具有很大相关性：外显子中段突变较两端突变表型严重，非编码区主要与动脉瘤相关。

四、小结

FBN1基因编码的fibrillin-1在维持组织结构的完整性及发挥指导作用方面具有重要意义。FBN1基因突变种类极其多样，其突变位置及类型与MFS表型密切相关。目前针对FBN1基因型-MFS表型的相关性研究已取得阶段性进展，基因检测对于患者临床症状及预后的预测具有一定准确性。虽然目前尚无针对基因型的精准治疗方案，但是针对MFS的遗传学及病理学机制的深入研究将极大提高临床诊断的准确性，并为MFS治疗手段的研发指明方向。