致死性发育不良Ⅰ型与成纤维细胞生长因子受体-3致病基因

陈 畅 鲁艳芹,2,*

1.山东第一医科大学(山东省医学科学院)生物医学科学学院(省医药生物技术研究中心) (山东 济南 250117)

2.山东第一医科大学第一附属医院内分泌科 (山东 济南 250014)

致死性发育不良(thanatophoric dysplasia，TD)是一种罕见的常染色体显性遗传病，发病率为1∶20,000～50,000[1]。80%病例是由编码成纤维细胞生长因子受体的4p16染色体上的FGFR3基因杂合突变引起的[2]。TD主要表现为严重的四肢短小，皮肤褶皱、胸腔狭窄、大脑畸形等[2-3]。根据患者是否有弯曲的股骨，将TD分为TDⅠ和TDⅡ两种亚型，TDⅡ患者股骨弯曲，伴有或不伴有三叶草头骨；TDⅡ患者有直的股骨，均具有严重的三叶草头骨[4]。TDI是最常见的亚型，每60000个婴儿中有1个发病[5-6]。

1 致死性发育不良I型临床表现

TDⅠ患者的主要临床表现为四肢短小，股骨弯曲，皮肤褶皱，大头畸形，腹部隆起。胎儿面部扁平，鼻桥凹陷，低位耳[7]。尚有1例患者伴有严重的水肿，但水肿是否与TDⅠ直接相关，目前尚未证实[8]。通常母亲在产检发现异常症状后一般会选择终止妊娠，而活产婴儿的存活率很低[9]。母亲在妊娠时会伴有羊水过多而导致早产[10]，由于患者胸腔过度狭窄，肺部张力过高，肺功能不全，最终患者会死于呼吸衰竭[7,11]。但也有生存期长达4～9年的，这些患者通常伴有听力、语言、精神障碍，生长迟缓，癫痫等，也有少数患者并发黑荆皮病[12-15]。影像学显示患者伴有或不伴有三叶草头骨，股骨弯曲呈“电话听筒样”，短管状骨干骺端变宽长有骨刺，肋骨和骨骼较短，长骨弓形，椎间盘间隙较宽，板状脊椎和H形椎骨，颅底和上颈椎明显狭窄。骨盆短而宽[8,11]。

2 FGFR3基因结构与功能

FGFR3是成纤维细胞生长因子受体(FGFR)家族的一员，在细胞周期和血管生成过程，特别是在软骨发育中发挥重要作用[16]。此外，FGFR3的过表达和突变已在多种癌症中被报道[17-18]。FGFR3是目前已知的唯一导致TD的基因，定位于4P16.3染色体上，由19个外显子组成，分子量为16.5kb[9]。FGFR3是一种单通道跨膜蛋白，主要由3部分组成，即胞外区、跨膜区和胞内区。其N端胞外结构域包括三个免疫球蛋白样亚结构域(IgⅠ、IgⅡ、IgⅢ)，跨膜区由单个α螺旋组成，胞内区包含酪氨酸激酶结构域[19]。FGFR3是一种受体酪氨酸激酶(RTK)，与所有RTK一样，FGFs与FGFR3结合后，FGFR3发生二聚化，酪氨酸激酶(tyrosine kinase，TK)磷酸化酪氨酸，然后募集并磷酸化STAT分子，STAT分子发生二聚化后可以将信号从细胞质传导到细胞核中，从而调控下游基因的转录过程[20-21]。在正常状态下FGFR3调节骨和大脑皮层细胞的增殖、分化和发育。FGFR3在不同结构域的异常突变使酪氨酸激酶独立激活后，可导致多种不同的骨骼发育不良疾病，如软骨发育不全症(achondroplasia，ACH)、软骨发育不良(hypochondroplasia，HCH)等[22-23]。

陈 畅，山东第一医科大学本科生，研究方向为遗传学骨病。获得校级奖学金、泰山班奖学金，荣获“优秀团员”“优秀团干部”“优秀学生”等荣誉。第七届“互联网＋”比赛项目负责人，获得校赛三等奖，第十三届“挑战杯”省奖负责人，拥有软著4项，在申专利2项。

鲁艳芹，硕士生导师，现任山东第一医科大学（山东省医学科学院）研究员。主要研究方向为遗传学骨病，擅长骨生化与分子生物学、罕见病学。兼任中国研究型医院罕见病分会理事，中华预防医学会生物信息学分会委员，山东省罕见疾病防治协会常务理事，山东省医学会罕见病分会委员。《中国骨质疏松杂志》常务编委，《Journal of Musculoskeletal Disorders and Treatment》与《Intractable ＆ Rare Diseases Research》等杂志编委。主持或为主参与国家级、省级课题47项，发表学术论文111篇，授权发明专利11项（为首8项）、公开发明专利5项，出版论著两部，其中联合副主编书籍《骨内科学》1部，参加及应邀国内外会议报告60余次。曾获国家级省级奖励9项，包括山东省科技进步奖一等奖1项(第4位)、二等奖3项(第2、3、3位)、中华医学科技奖三等奖1项(第4位)、山东省医学科技创新成果二等奖1项(首位)、三等奖2项(首位、第2位)；山东省软科学优秀成果二等奖(第2位)；市级及校级科研奖励6项。

3 致死性发育不良Ⅰ型发病机制

目前已经发现TD1存在19种不同类型的突变，包括9种错义突变、1种插入突变和9种终止密码子突变(见表1)。而TD2仅有659Glu(K650E)一种突变类型[24]。在9种错义突变中有6种(p.Arg248Cys、p.Tyr373Cys、p.Ser249Cys、p. Ter807Cys、p.Ser371Cys、p. Gly370Cys)是主要的突变类型。其中Arg248Cys和Tyr373Cys占所有TDⅠ病例的60%～80%[3]。这些突变发生在FGFR3的Ig2～Ig3连接结构域或胞外近膜结构域，都涉及野生型氨基酸残基突变为半胱氨酸残基。在这种情况下，突变的半胱氨酸残基可以在没有配体的情况下激发受体磷酸化，促进受体的激活，从而促进下游信号信号相关的激酶传导[6,20,25]，FGFR3的过度活化抑制成骨细胞的形成，阻碍骨的正常生长[20]。通过阻断配体与受体的结合，阻断酪氨酸酶活性或拮抗FGFR3下游信号通路等方法来调节FGFR3诱导的信号通路为改善FGFR3基因相关的骨骼发育不良表型提供了可能性[16]。Farmakis等[20]在2014年报道一例发生Lys650Met突变的患者，该患者的临床表型比较复杂，既有表现出TDⅠ的临床症状如大头畸形、额突、腹部隆起等却不伴有弯曲的股骨，同时患者还患有黑荆皮病，由此推测该类突变与患者的严重表型有关。

表1 与TD1相关FGFR3的所有突变类型

L i n d y 等[24]在2 0 1 5 年首次报道了一例患者发生c.742_743insTGT插入突变，推测该突变和c.742C＞T、c746C＞G有相似的作用机制。通过插入一个新的半胱氨酸残基可以和已存在的半胱氨酸残基之间形成二硫键，从而导致FGFR3蛋白的二聚化增强。

Gomes等[25]在2018年通过对123个患有不同骨骼发育不良疾病的患者进行测序发现一例存在复合突变的患者，该患者发生c.1130 T＞C和c.1138G＞A两种突变类型。这种突变可能对FGFR3的激活有加强效应，类似于纯合子作用，这可能是导致患者具有严重表型的原因。9种终止密码子的突变[c.2418G＞T(Ter807Leu)，c.2419 T＞G(Ter807Gly),c.2419 T＞C(Ter807Arg), c.2419 T＞A(Ter807Arg),c.2420G＞T(Ter807Leu), c.2420G＞C(Ter807Ser),c.2421A＞T(Ter807Cys), c.2421A＞C(Ter807Cys), 和c.2421A＞G(Ter807Trp)]导致了6种不同蛋白质序列的扩展和1个由链终止密码子突变导致的编码框架的延长[11]。

4 致死性发育不良Ⅰ型早期诊断与预防

虽然致死性发育不良的发病率比较低，但是患者基本在围产期变会死亡，因此早期的产前诊断是有必要的。TDⅠ的产前诊断包括超声检查和FGFR3的分子遗传学分析。Wang等[26]发现TDⅠ患者的双顶骨直径与股骨长度比值(BPD/FL)均高于正常值，推测BPD/FL的比值可作为筛查妊娠早期发育不良的有效超声检查标志物。John Wiley等人发现通过超声检查TDⅠ患者的颈透明度明显增厚[29]。但2D超声检查并不能很好的观察到患者的表型，3D超声能够增强与TD相关的皮肤褶皱和颅面和肢体畸形的可视化，因此3D超声检查辅助2D检查是有必要的[11,30]。然而早期诊断虽然可以检查出患者的异常症状，但很难与其他骨骼发育不良性疾病进行区分，有报告曾指出仅有65%的胎儿通过产前超声诊断可以得到准确诊断，因此准确及时的产前诊断致死性发育不良是一个艰巨的挑战，需要更多的辅助检查来确诊疾病[31-32]。有实验初步证实当游离胎儿DNA浓度≥3%时，母体游离胎儿DNA检测在筛查胎儿新发软骨发育不良症和致死性侏儒症的基因突变或父源遗传性中具有较高的质控水平和准确性[33]。Tan等[5]首次提出TDⅠ患者伴有顶盖板发育不良和脑导水管狭窄，胎儿的MRI具有描绘TD神经影像学特征的潜力，这是超声检查无法做到的，并可谓预后、产前死亡率预测和早期父母咨询提供额外的信息。在遗传咨询和未来靶向治疗的精准医学时代，通过分子研究来识别FGFR3的突变对于TD的诊断是必不可少的，因此可以通过羊水穿刺进行基因诊断[23,32]。然而羊水穿刺等诊断具有挑战性，通常需要有创检测。随着高分子通量测序的发展，基因测序在分析母体血液中游离的DNA具有较大的潜力，可以用于单基因疾病的产前诊断，提供了一种准确、灵活的无创产前诊断，该方法在怀孕11周后便可使用[34]。

尽管该病的复发率小于2%，但是早期的产前诊断和遗传咨询是有必要的[8]。对于存活的患者，由于患者胸腔狭窄、呼吸困难，也因此给予患者正确的家庭护理和营养供给是必需的[7]。

5 展 望

国内外学者对致死性发育不良的发病机制与致病基因功能及遗传方式进行了广泛的理论研究，该病是由4p染色体上的FGFR3基因突变所致的，属于常染色体显性遗传，但对其准确及时的产前诊断和治疗的研究还比较欠缺。致死性发育不良患者及家庭承担着巨大的生活压力和心理负担，因此对该病的产前诊断和治疗方案仍是今后的研究方向。