單純性并/多指（趾）畸形的臨床分型及遺傳研究進展

蒲思宇 陳靜 向波 江君

并指（趾）畸形（syndactyly）與多指（趾）畸形（polydactyly）是常見的遺傳性肢體畸形，發病率高，出生活胎患兒并指發生率為（0.3～1）/1 000，多指為（0.3～3.6）/1 000，男性發病率約為女性兩倍［1］。并/多指（趾）畸形表現為手腳指（趾）的畸形，臨床外顯率差異較大，在家系間和家系內均存在表型差異，上肢較下肢更易受累［2］。其中并指為某些手指和/或腳趾的融合，融合部位可僅為部分指（趾）間皮膚軟組織，較重者出現所有指（趾）間的融合、指（趾）骨間骨性融合、甚至掌骨的畸形融合與發育不良。而多指為手和/或腳有其他指（趾），可以是指（趾）遠端在縱軸上分叉，也可是骨性/非骨性連接贅生指，重者出現多根指（趾）完全重復伴掌骨、腕骨/跖骨、跗骨的參與［1-3］。并/多指（趾）可以獨立出現（單純型），也可表現在綜合征的異常表現中（綜合征型）［3］。

本文介紹了單純性并/多指（趾）的臨床表型及當前遺傳研究進展，包括并/多指（趾）的分型、遺傳模式和已知突變位點，以及引起遠端肢體（手腳）畸形的信號通路及相應的調控機制。

一、當前單純性并/多指（趾）分型及遺傳變異

1.并指（趾）

Malik M 等［3］在2012 年對Temtamy-Mckusick 分型擴大延伸，將并指（趾）分為九種，并對各種分型做了詳細描述，其內容涵蓋了各種表型、基因和分子學的差異。2012年至今，在國內外學者的進一步研究下，將分型進一步完善，見表1。

表1 單純性并指目前分型的對應臨床表現與基因突變定位

在各類型并指中，Ⅰ型并指（趾）是最常見的類型，主要表現為中間指（趾）的皮膚融合，即3/4 指和（或）2/3 趾的非骨性并指（趾），涵蓋四個亞型；Ⅱ型是唯一合并多指的類型，表現為3/4手指和4/5腳趾皮膚/骨融合，可伴中軸多指或足后軸多趾，根據表型嚴重程度分為三個亞型；Ⅲ型表現為雙側4/5或3/4/5手指融合伴小指的中節指骨缺失或發育不全，無足部改變；Ⅳ型表現為所有手指的完全融合，伴橈側或尺側多指，根據是否合并足部改變分為兩個亞型；Ⅴ型的標志是4/5 掌骨融合伴發育不全，可合并短指、并指、屈曲異常、掌紋異常等，足部表現為第一跖骨增生、其余跖骨不同程度發育不全；Ⅵ型表現為對稱或不對稱的2/3/4/5手指骨與皮膚的完全融合，手外形類似連指手套，合并2/3腳趾的并趾；Ⅶ型類似于Apert綜合征，表現為所有指骨難以識別的嚴重紊亂，骨性融合包括腕骨、掌骨、指骨、甚至橈骨和尺骨，合并縮短和發育不全，常合并下肢同樣改變，根據是否少指分為兩個亞型；Ⅷ型為4/5 掌骨的融合伴短縮，合并明顯的小指尺偏，而無其它異常表現；Ⅸ型表現為3/4 掌骨完全融合后與單根指骨相連，合并中遠端指（趾）節發育不良，伴部分非骨性并趾。

此分型除了依據臨床表現，還涵蓋分子和遺傳學差異。在并指（趾）發病因素中，遺傳成分起重要作用，大多數的單純性并指為常染色體顯性遺傳，但ⅧA型和Ⅸ型為常染色體隱性遺傳，而ⅧA為X染色體隱性遺傳?；蛲蛔兺ǔＲ詥位蜃儺悶橹?，目前關于并指（趾）致病基因的研究已經取得了巨大進展，已有多個致病基因得到了確認，包括HOXD13基因、FBLN1基因、GLl3基因、GJA1基因、LRP4基因、GREM1-FMN1基因等［4-6］。

2.多指（趾）

Temtamy-McKusick 根據解剖形態學將多指（趾）分為三個大類，即軸前多指（趾）、軸后多指（趾）和復雜多指，各大類又可細分為數個亞型。2014年Malik S等［1］通過整合每類多指的最新臨床和分子進展，對該方案進行了更新，見表2。

表2 單純性多指目前分型的對應臨床表現與基因突變定位

軸前多指（趾）被分為四個亞型：拇指（趾）多指（Ⅰ型）、三指節拇指（Ⅱ型）、食指多指（Ⅲ型）和手腳差異混合多指（趾）（Ⅳ型），四種亞型可單獨存在也可混合出現。目前多項研究表明軸前多指多為常染色體顯性遺傳，伴有外顯率的降低［7］。其中Ⅰ型拇指（趾）多指是最常見的類型，主要表現為拇指（趾）骨重復，輕度僅為末節指（趾）骨變寬（鴨嘴狀外觀）或末節指（趾）骨重復，重度者復制整個拇指（趾），包括一個掌（跖）骨和兩節指（趾）骨；Ⅱ型三指節拇指常雙側對稱存在，表現為拇指有一個額外的中節指骨，常有異常長與纖細的第一掌骨，在腳上可伴重復的大腳趾；Ⅲ型食指多指，除食指的重復外合并三指節拇指，有時伴有第一、二腳趾的多指；Ⅳ型手腳差異混合多指（趾）表現為手腳多指的軸向不一致，Ⅰ型軸后多指，軸前多趾，Ⅱ型與之相反。Ⅳ型臨床表現手部多指程度輕，表現為末節指骨增寬、分叉和偏斜，偶有不同程度的第三、四指并指，足部第1 或2 趾多指，第一跖骨縮短，脛骨偏斜，可伴有第二、三趾（或所有趾）的并趾。

軸后多指（趾）表現與軸前多指（趾）相反，為尺側指（趾）的重復表現，根據嚴重程度分為AB 兩組，遺傳模式和外顯率也有區別。軸后A 型贅生指（趾）發育良好，擁有1 ～ 3 節完整的指（趾）骨，指甲和皮膚皺褶，與第五或額外掌（跖）骨呈關節連接。軸后A 型可根據不同突變位點再分為6個亞型，遺傳模式可為常染色體顯性或隱性［1，8］。軸后B 型是最常見的類型之一，贅生指（趾）發育不良，僅有小指尺側/第五趾腓側軟組織突起或小骨粒附著，與正常部分呈非骨性連接，外顯率約為43%［9］。雖然目前認為A 型和B 型是遺傳異質性的兩種類型，但有報道發現在同一家系甚至個體中同時存在A、B 兩型，因此這兩種是否確為遺傳異質性尚未被證實［8］。

復雜多指包含不能歸納于常見軸前或軸后表型的多指（趾），例如鏡像多指（趾），Haas型并多指（趾），中央多指（趾）和非軸線多指（趾）等。Haas 型并多指（趾）又被稱作Ⅳ型并指（趾），極為罕見，約為1/300 000，只在文獻中零星報道［10］。臨床表現為雙手所有手指完全性的并指，伴有多指表現，多指可能是掌骨加指骨的完全多指，或為三指節拇指。指骨可能融為一個骨團，但是掌骨間不存在骨性聯結。指骨融合后向內彎曲，使整個手呈杯狀。指甲也常完全融合，或僅有一凹槽作為分界。根據有無腳部的改變將Ⅳ型并指（趾）分為兩個亞型，Ⅳa 型（典型Haas 型）患者腳部無異常，而Ⅳb 型（Andersen-Hansen 型）伴有腳趾的異常改變，可為并趾或多趾［3］。

雖然各分型的表型不同，但目前研究發現部分不同表型多指（趾）擁有相似的遺傳突變基礎，軸前多指、部分軸后多指及Haas型并多指（趾）皆與ZRS/Shh 及Gli 突變有關［7，11］。但大多數多指表型存在其他的遺傳變異，特別是復雜多指存在顯著遺傳異質性，多指（趾）畸形病因中涉及的遺傳因素仍有待進一步確定［12］。

二、指（趾）的形成與調控通路

并/多指（趾）的異常表型來源于遺傳突變，各突變影響著胚胎早期肢芽的正常發育。胎兒的手腳發育是一種圖式發育過程，包含三個軸的發育：遠近軸、前后軸、背腹軸。在胚胎早期細胞在三個軸上增殖、分化，第4周末聚集成肢芽，肢芽逐漸增長增粗，并分化出骨、肌肉、皮膚等，形成初步的四肢，至第7～8周，蹼膜消失，形成具有特定外形和數目的手足［13］。其中頂端外胚層嵴（apical ectodermal ridge， AER） 和極性決定區（zone of polarizing activity，ZPA）是肢芽形成的主要形態發生源，兩者相互依存［14］。

1.頂端外胚層嵴與信號調節通路

AER由中胚層的肌肉、骨骼前體細胞增殖覆蓋外胚層形成，位于肢芽遠端邊緣背腹交界處，是肢芽上重要的生長信號中心，決定遠近軸極性形成，它的缺失會導致遠端肢體骨性缺失［15］。AER的形成和發育受維甲酸、成纖維細胞生長因子（fibroblast growth factor，FGF） 和骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）調控，其中指（趾）間細胞凋亡是由FGF 和BMP 共同作用于AER 的結果［16］。

AER 三個調控因子中，維甲酸拮抗FGF 信號，是前肢出芽的必需條件［17］。而FGF編碼肢芽生長所需要的AER特異性活性因子，家族內有四個成員在AER區域內表達，包括Fgf4、8、9和17，其中Fgf8作用范圍大、時間長，貫穿AER形成到凋亡的全過程，信號失活會導致Shh 表達的延遲和肢芽顯著減?。?8］。BMP作用于肢體發育的各種不同方面，包括手指形態確定、肢體的前后軸和背腹軸的形成以及AER調節。BMP控制指（趾）間組織的凋亡，防止并指（趾）的出現，作用方式包括直接和間接作用［19］。正常的凋亡首先需要BMP介導細胞凋亡信號作用于AER，在肢體發育后期Bmp2、4和7在指間表達上調，提供凋亡信號［20-21］。其次BMP信號傳遞到AER 區域使區域內Fgf基因表達下調，而Fgf基因表達的下調使指（趾）間組織的細胞存活活性降低，任何一個條件的缺失都會導致并指發生［18］。

2.極性決定區與信號調節通路

（1）ZRS/SHH調節通路

ZPA位于肢芽后部，決定前后軸極性形成，即從第一到第五指（趾）的方向，調控手足的掌骨跖骨及指（趾）的數量與外形形成［21］。在發育過程中，信號分子的不同濃度聚集梯度提供信息、指導發育，這種信號分子被稱為形態發生素，而Shh基因的轉錄產物即為ZPA 的形態發生素［14］。Shh基因定位于人7號染色體長臂遠端（7q36），Shh蛋白表達于脊索、背神經管底板、大腦、腸和肢芽的ZPA，參與肢體、神經管及消化道的發育［22］。Shh蛋白經過剪切加工后形成含有C端和N端的多聚體而擁有活性，其C 端有分子內膽固醇轉移酶活性，N 端可與膽固醇共價結合形成復合物。Shh的表達具有空間特異性，它在肢芽前部的異位信號是導致多指的主要原因，而Shh的缺失也會導致手的完全缺失和腳僅余一根腳趾［23］。

Shh 信號通路受多種因子調節，其中最重要的是ZPA 調控序列（ZPA regulation sequence，ZRS）。ZRS 也被稱為哺乳動物-魚類-保守序列-1（mammals-fishes-conserved-sequence-1；MFCS-1），長度約800 bp，在物種間高度保守，定位于人染色體7q36.3 上的LMBR1基因的第5 內含子內，位于Shh 基因上游約1 Mb 處，為Shh 基因表達的肢體特異性增強子，它的突變會引起Shh 的異位表達，導致肢體畸形［24-25］。ZRS 序列可以被分成兩個區域：位于5’端的活性空間結構域和沒有獨立活性的3’端結構域，但3’端的信息沿著ZRS傳遞，影響5’端增強子與Shh 啟動子的結合，也通過對整個遠程作用的調控來保持長期活性［25］。

（2）ZRS相關綜合征

ZRS基因上單個核苷酸突變或者結構改變導致的多種遠端肢體畸形被稱為“ZRS 相關綜合征”，目前已有報道與多種發育畸形聯系密切，外在畸形表現均累積手指［10］。根據ZRS突變類型，可劃分為點突變型和重復型，雖然突變的位點和序列重復的長度不同，但卻有相似的臨床表現［7］。目前已報道點突變位點有105C>G，295T>C，305A>T，323T>C，396C>T，446T>A等，表型為三指節拇指多指和II 型軸前多指，而404G>A，404G>C 改變將導致Werner Mesomelic 綜合征，除手指表型外還合并足部的多趾和脛腓骨發育不良［26-27］。重復突變的序列長度不定，可為ZRS 序列內的小片段重復或包含ZRS 區域在內的長段重復，臨床體征手部均受累，常表現為含三指節拇指的復雜型多指，Ⅳ型并指也被報道與ZRS 序列長段重復有關［10］。Lohan S 等的研究發現ZRS區域內小段的微重復（＜80 kb）會導致嚴重的Laurin-Sandrow 綜合征，表現為手足鏡面多指畸形、橈骨脛骨缺如、尺骨腓骨重復伴鼻部缺陷。而Andersen-Hansen 型并指雖被報道可能也與ZRS區域的基因重復有關，但目前尚未明確［28］。目前尚無報道人類ZRS序列的缺失，Sagai T等在小鼠實驗中發現敲除ZRS 段序列將會導致小鼠Shh 表達完全喪失，近端肢體正常，但肱骨遠端和膝關節遠端肢體變形缺失［24］。Kvon EZ 等也通過對不同進化階段的蛇的基因測序，發現殘存有骨盆與不成熟后肢的基礎階段蛇與蜥蜴的ZRS 序列有80%的同一性，而完全失去四肢骨骼結構的高級階段蛇的ZRS序列被大量替代，完全丟失了對ZPA的特異活性［29］。

（3）與ZRS協同調節Shh表達的因子

因為Shh-ZRS在肢芽發育上的重要作用，其詳細的調節機制一直是研究熱點，目前認為ZRS與多種調節因子協同調控Shh基因轉錄活性來發揮作用，例如ETS轉錄因子（E26 transformation-specific）、核不均一核糖核蛋白（heterogeneous nuclear ribonu?cleoprotein，HnRNPs）家族等［30］。

ETS 家族蛋白在Shh 的表達空間特異性調控中發揮重要作用，既將Shh 的表達限定在肢芽后緣，同時抑制了其在前緣的異位表達。ZRS 上的ETS 因子結合位點與其他因子結合位點，共同賦予ZRS精確決定Shh時空特異表達的屬性［31］。Lettice LA等報道GABPα、ETS1 與ZRS 結合激活Shh基因的轉錄，而ETV4、ETV5與ZRS結合將會抑制轉錄，兩種效應共同介導Shh 的差異效應，從而確定其空間分布的邊界及表達模式［30］。ZRS 的突變導致ETS 因子結合位點數量的改變，將導致Shh 表達異常，引起畸形發生。

HnRNPs 主要與RNA 聚合酶Ⅱ轉錄復合體結合為hnRNP-RNA 復合物，參與mRNA 的合成、翻譯與降解過程［32］。與ZRS特異性結合的蛋白中，有多個蛋白質來自于HnRNPs家族，其中HnRNP K為家族中研究最為廣泛的成員，其具有序列特異性結合活性，能與單鏈或雙鏈DNA 相互作用。Xu C 等的體外實驗證實HnRNP K 與ZRS 及SHH 啟動子結合，HnRNP K 的缺失不僅抑制了SHH 啟動子的活性，而且完全抑制了野生型或突變型ZRS對SHH啟動子的增強作用；而ZRS 發生突變，增強其與HnRNP K的結合親和力，將導致Shh基因的表達上調［33］。

3.其他參與肢體發育的調控信號

AER與ZPA區域細胞的增殖、分化、遷移、凋亡過程除了上述信號通路外，還由多種級聯信號之間的協調互作來調節，例如HOX基因、Gli基因、HAND2基因及其相應的信號通路。

HOX基因根據染色體定位不同分為四個基因族群（HOXA、HOXB、HOXC 與HOXD），各族群又可分成13個平行同源組，按照線性排列［34］。處于不同線性位置的基因按照時間和空間發揮不同功能，例如靠近3’端的HOX基因更早表達，并且表達部位靠前，而靠近5’端的基因則相反［35］。HOX基因參與遠近軸和前后軸的調控，HOX8-11參與AER的形成和維持，促進肢體細胞的增殖分化，而HOX12、13發揮抑制作用，過量表達可使肢體遠端增長提前終止，故在AER 形成早期HOX12 和13 的轉錄活性低［36］。HOX基因主要通過與Shh基因協同表達參與ZPA 誘導，涉及HOX10-13。早期HOX基因簇按照線性排列順序依次表達，隨后Shh信號將影響HOX基因在發育上的晚期表達，特別是通過將表達域移向后方，調控指（趾）的形態發生［37］。HOX基因表達異常，包括Hoxd 11-Hoxd 13 基因在早期前肢芽中表達會誘導Shh 的鏡像表達，導致重復肢體；又例如HoxA 和HoxD 簇的完全缺失會導致shh 表達的缺失，致使遠端肢體缺失［38］。

Gli 是Shh信號下游的效應因子，與Shh形成調控胚胎發育的重要調節通路，與指（趾）的發育也密切相關，異常表達常導致多指或并指的發生［39］。1987 年Kinzler 等首次在惡性神經膠質瘤中克隆出GLI1基因，其后GLI家族三位成員依次被發現，三個基因在進化上高度保守。GLI1、GLI2、GLI3均參與遠端肢體的圖示形成，但GLI3起主要作用。GLI3基因表達產物經過分解后可形成GLI3R亞型，該亞型轉運到細胞核負性調節SHH 靶基因的表達。而Shh 信號的激活將抑制GLI3R 亞型的產生，并促進GLI 激活物（GLI2A 和GLI3A）的形成，后者上調Shh靶基因轉錄水平。因此，在肢芽發育過程中GLl3 和Shh相互制約，以保證正常的遠端肢體形成［40］。此外，早期肢芽前后軸極性的形成和肱骨/股骨的特化也是由GLI3 和HAND2 轉錄因子之間的相互作用介導的，還有研究表明GLI3也與HOXD12基因及SOXB1 蛋白等因子相互作用，參與肢芽的調控［41-42］。

堿性螺旋-環-螺旋轉錄因子（Hand2）與多種器官發育密切相關，包括心臟及顱面器官，同時也決定早期肢芽的形成［43］。Charité J 等報道Hand2 缺陷的小鼠肢芽間質細胞在胚胎早期大量凋亡，肢芽停止發育，并且無Shh 表達［44］。隨后研究發現Hand2 位于Shh 信號上游，含有Hand2 的染色質復合體與ZRS結合，促進ZRS的表達增強活性，激活Shh 表達，并且在肢芽中可通過與Hoxd13 蛋白（Shh抑制因子）結合形成轉錄復合物而使Shh表達增強。Hand2 在肢芽形成早期完全缺失會破壞Shh在肢芽后部表達域的建立；而不完全或晚期失活，Shh 都將繼續表達，但后期Hand2 也仍有助于Shh表達的轉錄上調［42，45］。

三、目前尚待進一步研究的問題

雖然目前肢體的發育和指（趾）畸形的研究已經越發深入，也解決了諸多疑問，但是仍存在一些重要科學問題尚待解決。首先，大多數分型的并多指（趾）已發現其致病突變，但仍有部分類型沒有找到具體的突變位點，如并指（趾）的Ⅰd、Ⅳb、Ⅵ、Ⅷb 等型。其次，指（趾）發育畸形也存在著遺傳異質性，例如ZRS/Shh 突變不能解釋所有孤立的TPT（--）家族，也不能解釋不同類型的TPT（--）表型，應該存在其他機制調控PPD（--）。這都需要進一步的研究來揭示相關調控基因及作用機制。

近日筆者在臨床收治了一例Haas 并多指家系，出現表型者為爺爺、父親和兒子，父親與兒子皆表現為杯狀手伴腳1-3 并趾，爺爺為雙手2-4 指并指伴右腳1/2 并趾，其余家庭成員未見異常。對家系三代成員共10人外周血樣進行全基因組測序，將患者與正常親屬測序結果進行對比，通過篩查與過濾，在兒子和父親測序結果中發現在7 號染色體7q36.3區域LMBR1基因內部ZRS序列缺失，且其附近發生染色體內倒位和重復突變。此突變區域在哺乳動物中高度保守，目前未有報道定義該結構變異區域的功能和作用機制，但從患者表型來推測可能參與Shh 基因的表達調控，但具體作用機制是什么？與ZRS增強子序列是否有關仍需進一步的研究。

四、總結與展望

人的上肢功能，特別是手指功能，在全身功能中占重要比重。手的動作精細復雜，且其正常動作很大部分取決于掌弓的完整性和可活動度，任何導致掌弓破壞的疾病都會對手功能產生重大影響。而并/多指，特別是程度嚴重的類型使掌弓結構變形，腕掌關節、掌指關節、近端指間關節、遠端指間關節自由度完全喪失，手指的握、抓、捏等基本功能均無法展現，嚴重影響患者的日常生活、信息溝通、情感交流和工作能力，給家庭和社會造成沉重的負擔。

然而并/多指（趾）畸形患兒在產檢時通過常規影像學檢查難以發現，而出生后患兒及家庭將遭受來自各方面的壓力，嚴重影響患者生理和心理發育，特別是嚴重表型者。而在并/多指（趾）發病因素中，遺傳成分起重要作用，對其致病突變基因的發現及機制研究，有助于提高孕期篩查檢出的可能性，將有效降低嚴重表型指（趾）畸形胎兒的出生率。并且對并/多指（趾）的基因突變研究可幫助區別單純并/多指（趾）和各種復雜綜合征中的并/多指（趾）表現，對患兒的診斷和后續治療有重要的意義。

除了對臨床的幫助，對并/多指（趾）分子機制的研究同樣有助于相關學科發展。哺乳動物肢體的三個軸線都在手上顯著體現：由腕到手指對應遠近軸，由拇指到小指對應前后軸，手背手掌對應背腹軸。因此對并/多指（趾）的研究將增進對肢體胚胎發育過程的了解，并/多指（趾）基因的確認不僅可以解釋指（趾）發育機制和肢芽圖示發育模式，還有助于弄清復雜的發育調控模式［3］。并且由于并/多指的遺傳異質性和家族間等位基因異質性，故并/多指也是研究發育遺傳學的一個非常重要的模型。

總之，本篇綜述介紹了目前單純性并/多指的臨床分型及遺傳機制，也更深入的總結了遠端肢體發育調控機制的研究進展，希望能有助于研究者們更加地關注并/多指及遠端肢體發育畸形，繼續解決目前仍存在的問題，幫助孕期胎兒篩查及高危家庭患病預防，促進優生優育。