成纤维细胞生长因子受体3基因突变致胎儿四肢发育异常的研究进展

霍竞，郭子显，全宇璐，王涛，张萍萍，罗艳，王方娜，李娟，李亚丽

1 河北省人民医院生殖遗传科，石家庄 050000；2 河北医科大学研究生院

胎儿四肢骨骼发育异常是临床常见的一种出生缺陷，其发病主要与调节骨形成的基因突变有关。成纤维细胞生长因子受体3（FGFR3）是酪氨酸激酶受体家族成员之一，在全身组织器官中广泛表达，但其主要影响长骨的生长发育。FGFR3 基因突变能够通过抑制软骨细胞增殖使胎儿长骨发育不良，是导致胎儿四肢发育异常最重要的遗传因素［1-2］。本文结合文献就FGFR3 基因突变致胎儿四肢发育异常的研究进展作一综述。

1 FGFR3概述

FGFR3 是一种调节发育的跨膜蛋白，属于酪氨酸激酶受体超家族，由三个胞外免疫球蛋白样结构域和一个胞内酪氨酸激酶结构域构成［3］。FGFR3基因定位于人染色体4p16.3，由19 个外显子和18 个内含子组成，覆盖超过16.5 kD的基因组片段［4］。

成纤维细胞生长因子是一类广泛存在于机体多种组织的多肽生长因子，可调控多种细胞的增殖、分化、代谢以及组织修复和再生等。成纤维细胞生长因子主要通过与靶细胞膜表面受体结合而发挥其生物学功能。FGFR3 的胞外部分通过与成纤维细胞生长因子结合，启动下游级联信号，从而影响细胞有丝分裂和分化。FGFR3 可与酸性和碱性成纤维细胞生长因子结合，在骨骼发育和维持中发挥重要作用。而FGFR3 基因突变可导致颅缝早闭和多种类型四肢骨骼发育不良。

2 FGFR3基因突变致胎儿四肢发育异常表型

FGFR3 基因突变可导致至少10 种胎儿四肢发育异常，如软骨发育不全（ACH）、CATSHL 综合征、季肋发育不全（HCH）、LADD 综合征、Muenke 综合征、严重软骨发育不全伴发育迟缓和黑棘皮病（SADDAN）、致死性骨发育不全Ⅰ型（TDⅠ）、致死性骨发育不全Ⅱ型（TDⅡ）等。FGFR3 基因突变致胎儿四肢发育异常的表型、遗传方式、临床表现以及突变位点见表1。

2.1 ACH ACH 是一种常见的短肢侏儒病，属于常染色体显性遗传病，在活产婴儿中发病率为2.5/10 万～6.7/10 万，90% 以 上 病 例 为 散 发 型［5，15］。1994 年有学者首次发现FGFR3 基因突变与ACH 发生有关［4］。FGFR3 基因中有两种特异性突变，即1138G＞A（98%）和1138G＞C（1%），可导致FGFR3 基因跨膜结构域第380位氨基酸出现甘氨酸-精氨酸替换。其他不常见的位点有p.Ser217Cys、p.Ser279Cys、p. Ser344Cys 和p. Gly375Cys。研究报道，几乎所有FGFR3 基 因 突 变 发 生 在 父 系 染 色 体［5，16］。ZHAO等［17］研究发现，FGFR3 基因具有维持精子产生、精子质膜激活等睾丸正常的生理功能。随着年龄增加，尤其是35岁以上时，男性精子质量、睾丸功能大大降低，FGFR3 基因突变概率显著增加，胎儿ACH的发生率也逐渐升高。

2.2 CATSHL综合征 CATSHL综合征是一种常染色体显/隐性遗传病，以细长指（趾）、身材高大和听力丧失为主要特征，并且大多数症状始于胎儿期。CATSHL 综合征是由FGFR3 基因第15 外显子c.1915G＞A转变导致p.Arg621His突变所致［6］。全外显子测序发现，FGFR3基因第12外显子存在一个新的纯合错义突变，该位点为p. Thr546Lys，这是人类FGFR3纯合错义突变导致骨骼过度生长综合征的首次报道。SUN 等［18］研究发现，FGFR3 基因敲除可导致Wnt/β-catenin信号上调，而下调Wnt/β-catenin信号则可改善FGFR3基因突变引起的临床症状。

表1 FGFR3基因突变致胎儿四肢发育异常的表型、遗传方式、临床表现以及突变位点

2.3 HCH HCH 是一种相对ACH 较轻的侏儒症，与ACH 有许多相同的表型特征。HCH 是酪氨酸激酶结构域Ⅰ区p. Asn540Lys 错义突变所致，而该突变是最常见的错义突变，发生于60%以上病例中。酪氨酸激酶结构域Ⅱ区和细胞外域中也存在不常见的错义突变，如p.Lys650Asn。p.Lys650Asn 突变分析显示，FGFR3 基因酪氨酸激酶结构域存在微小激活。p.Asn540Lys 突变分析显示，ERK1/2 激活而非STAT1 激活［5］。XUE 等［7］在324 例FGFR3 基因突变患者中发现，75.9%病例存在p. Asn540Lys 突变，6.9%病例存在p. Gly380Arg 和p. Lys650Gln 突变，并且还发现了1例罕见的p.Tyr278Cys突变。

2.4 LADD 综合征 LADD 综合征是一种常染色体显性遗传病，主要影响胎儿泪腺、唾液腺、耳朵、牙齿和远端肢体节段，而肢体缺陷最常见的是拇指，如拇指发育不全、双拇指、三拇指等，手指或脚趾并指和下肢异常则不常见。LADD 综合征可由FGFR2、FGFR3、FGF10基因杂合突变所致，其中一部分胎儿四肢发育异常是由FGFR3 基因酪氨酸激酶结构域的杂合突变所致，FGFR3 基因第11 外显子第1 537处核苷酸G 到A 突变导致TK1 结构域D513N 突变，在酪氨酸激酶结构域上D513N突变发生于连接β和酪氨酸激酶核心αC螺旋的一个环上。此外，FGFR3基因第14外显子出现了一个新的杂合错义突变，第1 882 处核苷酸G 到A 点突变导致D628N 突变。在FGFR3 基因酪氨酸激酶结构域中，天冬酰胺D628N取代了天冬氨酸628，这种取代造成了负电荷和酸性极性侧链的损失及含有中性电荷和极性侧链的残基取代，这种替代在不同物种间具有高度保守性［19］。

2.5 Muenke 综合征 Muenke 综合征是一种常染色体显性遗传病，具有不完全外显率和表型变异性。Muenke 综合征的主要特征为颅骨冠状缝早闭、听力丧失、发育迟缓、腕关节和跗骨融合等。Muenke综合征是p.Pro250Arg突变所致的。p.Pro250Arg突变位于第二、三免疫球蛋白样结构域之间的连接区域，可导致成纤维细胞生长因子结合增强、亲和力增加和特异性改变。FGFR3 过度激活会导致骨分化加速，造成胎儿发育异常［20］。

2.6 SADDAN 综合征 SADDAN 综合征是一种常染色体显性遗传病，其主要特征是严重软骨发育不全、发育迟缓和黑棘皮病［4］。FGFR3基因中K650M突变可导致内质网/高尔基体中未成熟受体合成受损，从而影响胎儿生长板组织，导致严重四肢发育异常，即SADDAN 综合征。FGFR3基因通过PLCγ1/Src介导Paxillin 过度磷酸化，从而导致细胞骨架紊乱。在细胞模型中，Paxillin 是局灶粘连和肌动蛋白动力学调节的关键因子。FGFR3 基因通过诱导Paxillin 在第118位点酪氨酸过度磷酸化，导致肌动蛋白紊乱，而肌动蛋白紊乱则可导致软骨细胞成熟受损和细胞骨架改变［21-22］。

2.7 TD TD 是一种常染色体显性遗传病，病例均为散发，胎儿表现为骨骼畸形，如短肢、股骨弯曲、三叶草颅骨、扁脊柱和颞叶发育不良等。根据骨形态学表现可分为TDⅠ、TDⅡ两个亚型，TDⅠ以弯曲的股骨和扁平的椎骨为特征，TDⅡ以直的股骨和三叶草形颅骨为特征。TD 的超声特征：①严重的肢体短小；②同一胎儿下肢图像显示股骨和胫腓骨明显缩短；③小胸腔；④无多指畸形；⑤其中一种类型的致死性软骨发育不良胎儿显示三叶草形颅骨。TDⅠ大部分为单个氨基酸突变为半胱氨酸，如p.Arg248Cys、p.Ser249Cys、p. Tyr373Cys、p. Gly370Cys，以p. Arg248Cys 突变最常见。p.Lys650Glu是TDⅡ唯一的突变位点。有研究在TDⅠ中发现了数十个突变位点，这些位点要么是错义突变，要么是终止密码子突变，而在TDⅡ中始终表现为同源错义突变［4］。

3 FGFR3 基因突变致胎儿四肢发育异常的分子机制

FGFR3 基因多个位点突变能够改变生长板软骨细胞的分化潜能，使其分化为肥大软骨细胞的数量减少，从而使生长板软骨内成骨过程延缓，最终导致骨生长停滞［2］。

成纤维细胞生长因子在骨骼形成和发育过程中具有重要作用。成纤维细胞生长因子家族包含22种配体和4 种受体［23］。该家族已被证实能够激活的信号通路有磷酸肌醇3-激酶、细胞分裂控制蛋白42、Ras 相关C3 肉毒素底物1、STAT、ERK1/2、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、磷脂酶C、蛋白激酶C、Src、蛋白激酶B、Wnt［2，24］。在人类长骨发育过程中均存在这些信号通路的激活。在软骨细胞表达MEK1 的小鼠模型中，生长板软骨细胞肥大不全，软骨内成骨速度普遍降低，而软骨细胞增殖未受影响。转基因胚胎颅底免疫组化分析显示，X 型胶原染色减少，软骨细胞Sox9 持续表达。结果提示，MAPK 通路可抑制软骨细胞肥大分化，负向调控骨生长，但不抑制软骨细胞增殖［25］。在FGFR3 基因缺失的小鼠软骨细胞中，MEK1 表达可抑制骨骼过度生长，表明FGFR3 对骨骼的调控部分是由MAPK 途径介导的。STAT1 基因缺失造成肥厚带减少、继发性骨化中心形成延迟和软骨发育不全样表型。以上结果表明，FGFR3 可通过MAPK 通路抑制软骨细胞分化并通过STAT1 通路抑制软骨细胞增殖，从而抑制骨生长［26］。FGFR3 基因Ser365Cys 突变通过激活甲状旁腺素相关肽-印第安刺猬蛋白（IHH/PTHrP）信号，促使IHH、PTHrP 表达下调。FGFR3基因缺失导致IHH 信号增强和Wnt/β-catenin 信号上调，这可能是导致软骨细胞增殖增加、生长板软骨细胞异常肥大和排列紊乱的重要原因。FGFR3 基因突变导致成骨细胞增殖分化减少，颅骨矿化降低。上述机制结合可能会引起FGFR3 基因突变，导致软骨形成中断和骨化，从而引起骨骼发育畸形［18］。ERK 信号与FGFR3 异常表达导致的长骨生长迟缓和软骨融合过早有关，软骨细胞ERK1和ERK2基因失活可扩大椎管，促进骨骼生长。在FGFR3 缺失的原代软骨细胞中也观察到同样情况，其中使用MEK 抑制剂可上调IHH 表达。更重要的是，MEK 抑制剂能够降低FGFR3 基因突变小鼠软骨瘤样病变的发生率［27］。这是首次报道FGFR3基因功能丧失通过MEK/ERK信号下调和IHH 信号上调导致软骨瘤样病变形成的研究，提示FGFR3 基因在软骨形成中具有肿瘤抑制作用。KOMORI 等［28］研究同样发现，在关节软骨细胞中IHH信号和转录因子Runx2表达上调，Runx2可直接调控IHH、FGFR（FGFR2 和FGFR3）、Wnt（Tcf7、Wnt10b 和Wnt1）、PTHrP（PTHrP1）信号通路，有利于间充质细胞增殖，并诱导其向成骨细胞分化。而抑制IHH 信号则可抑制FGFR3 基因缺陷软骨组织Runx2、MMP-13等因子表达增加。结果表明，FGFR3 基因在一定程度上通过下调关节软骨细胞IHH 信号来延缓膝关节炎进展。由此可见，FGFR3基因突变会破坏生长板正常的发育和稳态，并通过下调MAPK、上调IHH等通路造成骨骼发育异常。

综上所述，FGFR3 是一种调节发育的跨膜蛋白，其基因突变能够改变生长板软骨细胞的分化潜能，使其分化为肥大软骨细胞的数量减少，从而使生长板软骨内成骨过程延缓，最终导致胎儿四肢发育异常。但目前FGFR3 基因突变致胎儿四肢发育异常的分子机制尚不完全清楚，仍需进一步研究。