FREM1 基因的研究进展

2024-03-27刘静静任蓬伟张淑二王泉水朱明霞

山东畜牧兽医 2024年1期

肖煜，杨柳，刘静静，任蓬伟，张淑二，王泉水，朱明霞*

（1.聊城大学农学与农业工程学院，山东聊城 252059；2.山东省畜牧总站，山东济南；3.山东省威海市文登区大水泊畜牧兽医工作站，山东威海）

眼睑残缺是一种罕见的眼部发育异常，其特征是下眼睑或上眼睑的缺失或部分缺失。一些研究表明，某些先天性眼睑缺失可能与基因突变有关[1]。FRAS1 相关胞外基质基因（FRAS-related extracellular matrix1，简称FREM1 基因）突变是可能引起眼睑残缺的原因之一。除了遗传因素外，眼睑缺失也可能是由于环境因素，例如外伤、感染、神经系统疾病、手术等引起的。

五龙鹅作为中国宝贵的地方水禽遗传资源，豁眼是其独有的品种标志[2]。研究豁眼性状有利于在保护其品种特征、纯种选育和杂交利用等方面提供科学的参考依据。目前，对于FREM1 基因与五龙鹅豁眼性状之间是否存在相关联系还需要进行进一步的分析论证，以及分子机制还有待揭示。此外，眼睑发育异常也出现于两类罕见的人类常染色体隐性遗传疾病：马勒斯综合征（Manitoba-oculo-tricho-anal，简称MOTA 综合征）和鼻裂或合并肛肠肾脏畸形（Bifid nose and anorectal and renal anomalies，简称BNAR 综合征）[3-4]。本文综述了FREM1 基因在五龙鹅豁眼形成中的作用及其在小鼠、斑马鱼和畜禽等动物模型中的研究进展，深入了解FREM1 基因的研究现状和未来发展方向，为FREM1 基因在五龙鹅豁眼形成的功能验证研究提供指导，并推动其在动物遗传育种和医学领域中的应用。

1 眼睑缺失形成的候选基因

眼睑缺失是一种罕见的先天性疾病，可能由多个基因突变引起。目前已经确定了一些与形成眼睑缺失相关的候选基因，这些基因包括：FREM1、FOXL2、PAX6 和TP63 等。这些基因都参与了细胞外基质（ECM）的形成和维护。其中，FOXL2 是一个转录因子，它在卵巢和其他组织中发挥重要作用。研究表明，FOXL2 基因的突变可能导致眼睑发育不全，从而导致眼睑残缺，是在哺乳动物中发育和维持眼睑组织的关键基因。PAX6 基因编码转录因子，这是一种关键的胚胎发育调节因子，参与眼睛、脑和其他组织的发育，也是调控眼睑、角膜和晶状体等组织的基因，其变异也与眼睑发育异常和眼部畸形有关。TP63 基因则与表皮发育和干细胞分化等过程有关，其变异也可能导致眼睑缺失[5-6]。FREM1 基因突变可以导致蛋白质结构和功能的改变，从而影响胚胎发育和成年后的组织修复能力。例如，Fraser 综合征[7]是一种罕见的遗传性疾病，特征包括肾、皮肤和肺部异常、眼睛畸形和听力损失。了解FREM1 基因的功能和突变对于相关疾病的诊断和治疗具有重要意义。需要注意的是，豁眼性状是由多个基因的调控作用所致，不同动物物种之间的豁眼基因可能存在差异。

2 五龙鹅豁眼性状的研究现状

五龙鹅体型轻小而紧凑，全身羽毛洁白，主要产于莱阳市五龙河流域，在辽宁、吉林、黑龙江等地均有分布，是我国优质的肉蛋兼用鹅品种。五龙鹅也以其出色的产蛋和繁殖性能而闻名[2]。五龙鹅最大的品种特征是豁眼性状。本质上讲，豁眼是遗传缺陷，属于质量性状，是胚胎在发育期间出现的一种表型缺陷型特征。推测豁眼是鹅在胚胎发育过程中，上眼睑形成基因发生突变或其表达受到影响所致。研究表明：在胚胎发育过程中，间充质细胞和上皮细胞之间的相互作用和信号传递对角膜和眼睑的形态发生、器官发生、细胞分化和生长至关重要[8]。朱峰伟等[9]为了探究五龙鹅群体内豁眼性状的遗传，设定特定的分子标志，采用随机扩增片段多态性 DNA（Random ampli-fied polymorphic DNA，简称RAPD）分子标志技术分析了五龙鹅的遗传多样性。这项研究比较了五龙鹅中无豁眼与有豁眼两个群体的相似度及遗传距离，结果表明了无豁眼组个体之间具有显著性差异，而豁眼组个体之间显著性不明显。于金成等[8]通过设计五龙鹅与四川白鹅正反交的遗传性状模式分析其后代F1、F2基因型分离比，推测豁眼性状是由隐性遗传控制呈伴性遗传，其中在Z 染色体上的H 基因与眼睑性状有密切的关联。随后从生物信息学角度对这一结果进行验证。2017 年于金成等[10]通过对FREM1 基因进行克隆，在分子水平上对该基因进行多态性分析，验证了FREM1 基因能够决定Z 染色体上的H 基因发生纯合突变，导致了FREM1 蛋白稳定性的破坏。目前，对五龙鹅的豁眼性状的研究多通过分子标记、杂交和性状测定法等技术，但都尚具有局限性，需要系统的从基因和蛋白组水平对FREM1 基因功能进行研究。

3 对FREM1 基因的研究讨论

FREM1 蛋白属于FRAS1/FREM 细胞外基质蛋白家族，定位于基底膜，形成包括FRAS1、FREM1 和FREM2 的三元复合物，并在胚胎发育过程中的上皮-间充质相互作用中起关键作用[11]。以稳定和交联表皮基底膜附着在发育中的真皮上，其中每个组分对于整个复合物的稳定都是必需的[12]。FRAS/FREM 家族的蛋白质具有与NG2 蛋白多糖中发现的类似与硫酸软骨素蛋白多糖（ chondroitin sulfate proteoglycans ，简称CSPG）核心结构域序列相似的中心区域，由大约130 个氨基酸的CSPG 基序的12 个重复组成，其结构类似于钙粘蛋白折叠[13]。从美国生物技术信息中心（National Center for BiotechnologyⅠnformation，简称NCBⅠ）数据库中查询，所有的FREM 蛋白都含有多个N-连接糖基化的共识位点，而且一些含有保守的糖胺聚糖修饰位点，表明这些蛋白质被广泛地翻译后修饰和修改[14]。FRAS1 和FREM1 蛋白进一步显示出一个或多个与钠钙转运蛋白（Calcium Trisodium Pentate，简称Calx）的钙β 交换域相关的钙结合基序[12]。这些蛋白质中的每一种都对基底膜上整个复合物的稳定至关重要。FREM1 属于一个结构相关的细胞外基质蛋白家族，起源于上皮细胞和间充质细胞。蛋白质以绝对重叠的方式定位于不同的上皮基底膜中，其还可以在与表皮分化相关的过程中独立发挥作用[13]。

FREM1 是一种进化保守的基因，在上皮-间充质相互作用和表皮重塑区域的发育胚胎中广泛表达，并且是胚胎发育过程中表皮粘附所必需的。FREM1 在发育中的皮肤表皮和一些分化中的表皮结构中表达，如乳腺和睑板腺、牙齿和毛囊。值得注意的是，FREM1 在许多器官中的表达包括皮肤和眼睑，仅限于真皮层。根据真皮细胞中FREM1 的细胞内检测得知FREM1 可能对胚胎眼睑的正确闭合至关重要[11]。

3.1 有关FREM1 的临床疾病

迄今为止，大多数FREM1 相关疾病都与功能缺失突变有关。在人类临床中，FREM1 的隐性突变与两种罕见的遗传性疾病Manitoba-oculotricho-anal（MOTA）综合征和Bifid nose with or without anorectal and renal anomalies（BNAR）有关。这些疾病包括广泛的发育缺陷，包括隐眼、并指、肾发育不全、生殖器模糊和呼吸道缺陷等[3-4]。

MOTA 综合征是由FREM1 突变引起的，由位于人类染色体9p22.3 的FREM1 中的双侧突变引起临床变现，如眼球过度偏斜、异常的发际线延伸到同侧眼睛、鼻尖分叉或宽大、上眼睑结节、隐性眼球、肛门狭窄和或肛门前移以及脐疝或脐带绕颈等[3]。ALAZAMⅠ[4]等发现在人类染色体9p22.2-p23 有一个共同的同源区，候选基因分析显示了FREM1 的同源框移和错义突变，并通过原位杂交实验证明该基因在内侧鼻突中线的表达，同时证明了Frem1 基因在鼻腔内侧中线的表达并得出结论，该基因在颅面部结构的融合中起作用。Lee M K[16]等通过面部形态学的全基因组关联（Genome Wide Association，简称GWAS），观察到 FREM1 中的单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphism，简称SNP）与捕获上唇中央部分高度的因子之间存在新的关联，揭示了FREM1 可能会影响面部变异。MOTA 病例中发现了FREM1 编码突变，对此类额外变体的特征描述为进一步了解FREM1 在颅面部生物学中的作用提供了空间，并可能有助于在MOTA 高发病率人群中进行遗传咨询，以降低这种疾病的发病率。BNAR 综合征是一种非常罕见的疾病：自2002 年首次描述以来，仅有9 例来自于三个无关家族的病例报告。显著的临床特征有面部畸形包括明显的鼻翼两裂、牙齿异常等[17]。FREM1 的突变与多种人类疾病有关，突出了其在组织形态发生和体内平衡中的重要性。对FREM1 的结构和功能及其在疾病中的作用的进一步研究可能会影响针对这些疾病的新治疗策略的发展。

3.2 FREM1 的动物模型

国内外学者对FREM1 基因引起的疾病进行了研究，它是细胞粘附、迁移和分化的关键调节因子，在多个器官和组织的发育中起着至关重要的作用。到目前为止有关FREM1 的动物模型比较有限，大体上分为两种：FREM1 基因缺失型和FREM1 基因突变型。

Petrou 等发现现有存活的缺少 FRAS1、FREM1 和FREM2 三种基因的动物显示永久性的畸形，如一个或两个眼睑完全融合。FREM1 缺失型，表现出更严重的隐眼症、并指症和肾发育不全[18]。先天性膈疝（congenital diaphragmatic hernia，简称CDH）是一种常见的危及生命的出生缺陷，FREM1 缺乏会导致人类和小鼠先天性膈疝。Wiradjaja F 等证实了FREM1 基因在隔膜发育中起着关键作用，并且FREM1 基因缺乏症可导致人类和小鼠的CDH。通过小鼠FREM1 纯合子截断突变，发现小鼠有眼睛缺陷、肾脏缺失，并出现胸骨后膈疝等症状[19]。小鼠中FREM1 基因的缺失可导致肾脏和前肢等器官的发育异常，进而影响小鼠的生存。

FREM1 的时空表达受到严格控制，与一系列其他发育调控基因定义的调控元件和组织特异性增强子保持一致。在眼部和全身性疾病中都有这种突变序列的例子，其中一种是头疱突变型，表现出明显温和的表型：眼睑张开，无隐眼、并指或肾异常。FREM1 与血小板衍生生长因子受体（Platelet-derived Growth Factor Receptor，简称PDGFR）的相互作用可以调节血小板衍生生长因子受体α（Platelet-Derived Growth Factor Receptor Alpha，简称PDGFR-α）下游细胞外基质的重塑，一旦该基因发生突变，FREM1 的功能除了在基底膜中的稳定作用丧失外，小鼠会出现胎儿皮肤水疱和一系列其他发育缺陷[20]。Slavotinek等人重新研究了FREM1 突变体小鼠，发现新的证据支持该基因参与眼睛和肛门的发育。因此，可以在MOTA 综合征中观察到一些动物表现出类似于眼睑缺陷，以及结膜形成缺陷、角膜上皮缺失、角膜纤维化和混浊。此外，FREM1 突变与三头畸形有关，FREM1 小鼠作为三头畸形和面部不对称的新动物模型[21]。Ⅴissers 报道了FREM1 是一种显性作用的中位颅缝造口症基因，证明了FREM1 在闭合中位以及上颌前-上颌骨缝合线中的作用，并提出了对单腔滑膜细胞增生的进一步研究途径。所有这些小鼠模型都增加了对FREM1 的病理生理学的了解，与FREM1相关疾病的病理生理学知识[22]。

斑马鱼也是一种广泛用于发育生物学研究的模型动物。FREM1 基因在斑马鱼的胚胎神经管发育中具有重要作用。研究发现，FREM1 基因敲除或缺失可导致斑马鱼胚胎的神经管发育异常，包括脊髓、头部和眼睛等结构的异常[23]。另外也发现，FREM1 基因在斑马鱼眼睛的晶状体和视网膜发育中起着重要作用，敲除或缺失会导致斑马鱼眼睛发育不全和视网膜结构异常。FREM1 基因在斑马鱼的发育中具有多种功能，包括神经管、眼睛、鳃弓和尾鳍等结构的发育，这些研究结果为更深入地了解FREM1 基因在动物发育中的作用提供了重要参考[24]。

总之，FREM1 基因在多个动物模型中均扮演着重要角色，参与了器官和组织的发育调节功能。这些研究结果为更深入地了解FREM1 基因的功能和作用机制提供了重要参考。