FBN1基因與馬凡綜合征及其相關表型關系研究進展

康小翠 徐昳 林璦琪 馮笑抄 韓翔

FBN1基因突變可導致其編碼的蛋白fibrillin-1異常，引起一系列Ⅰ型纖維蛋白病，包括馬凡綜合征(MFS)、顯性Weill-Marchesani綜合征、Geleophysic異型增生、硬皮病、晶狀體異位等，其中以MFS最為常見。MFS是一種可累及多器官、多系統的常染色體顯性遺傳病。臨床中，典型的MFS主要累及骨骼、心血管、眼、皮膚、肺等。FBN1基因突變類型多樣，致病機制仍需深入挖掘，MFS及相關臨床表型錯綜復雜，因此，本文對三者的相關性進行綜述，旨在為將來深入研究奠定基礎。

一、FBN1基因、fibrillin-1結構及生物學意義

1.FBN1基因及fibrillin-1結構及作用

FBN1基因位于人類第15號常染色體，含有65個外顯子(exons)，1991年Sakai最先從人胎盤cDNA克隆出FBN1基因[1]。FBN1基因編碼的fibrillin-1由K?hler和Milstein于1975年首次提出并命名。fibrillin-1是長度為350 kD的大分子肽鏈，結構包括1個脯氨酸富集結構域、2個雜合結構域、47個表皮生長因子樣(EGF)結構域[2]、7個轉化生長因子β結合蛋白樣結構域(TB)以及首尾的N端和C端。EGF結構域中具有特征性保守半胱氨酸殘基，兩兩形成二硫鍵；43個EGF結構域為鈣結合序列(cb-EGF)，能與Ca2+特異性結合，這些結構有利于fibrillin-1肽鏈維持結構穩定及發揮功能。人類fibrillin-1肽鏈第4個TB(TB4)中含有唯一甘氨酸-精氨酸-天冬氨酸位點(RGD)，該位點可通過與整合素結合上調基質金屬蛋白酶(MMP)表達[3]。Fibrillin-1作為細胞外基質(ECM)的組成成分之一，經過自身折疊后參與微纖維和彈性纖維的形成。彈性纖維與膠原纖維共同構成結締組織支架，廣泛分布于各器官及系統中[4]。Fibrillin-1和彈性纖維具有獨一無二的兩種功能：(1)結構上賦予組織拉伸的強度和彈性；(2)與機械感受器、整合素和多配體聚糖受體相互作用，調節局部轉化生長因子-β(TGF-β)信號的生物利用度以調節細胞活性[5]。

2.fibrillin-1與整合素介導的信號轉導通路

內皮細胞整合素和細胞內Ca2+水平在胚胎發育和血管生成過程中具有重要意義[6]，fibrillin-1與內皮細胞結合在動脈形態發生和生理過程中起重要作用[7]，二者相互作用可能導致MFS血管功能障礙和血管重塑的發生。含有RGD的fibrillin-1片段可通過與整合素結合調節細胞粘附和擴散[8]。其中，涉及的整合素分別為成纖維細胞中的αvβ3和α5β1、平滑肌細胞中的β1[9-10]和內皮細胞中的αv、α5及β1[11]。進一步支持該假說的證據包括：(1)突變為其他微纖維成分(如fibulin-5或emilin-1)的小鼠出現嚴重的血管發育和結構異常[12-13]；(2)彈性纖維的另一個主要成分彈性蛋白相關的基因突變會導致Weill-Marchesani綜合征，彈性蛋白片段和fibrillin-1已被證明會影響血管及其他類型細胞中Ca2+信號轉導、增殖等功能[14]；(3)主動脈微纖維以及含有RGD片段的fibrillin-1可誘導內皮細胞胞漿和細胞核內游離Ca2+水平顯著升高，且呈劑量依賴性[5]。眾所周知，細胞核的Ca2+水平升高可以調節轉錄因子的活性，刺激基因表達和細胞增殖，由此可推斷fibrillin-1或可促進細胞增殖。

3.fibrillin-1與TGF-β信號轉導通路

fibrillin-1可通過調節TGF-β的生物利用度和局部活性參與TGF-β信號轉導通路。TGF-β家族由潛伏相關肽(LAP)和成熟的TGF-β組成，形成小的潛伏復合物(SLC)，再與潛在的TGF-β結合蛋白(LTBP)結合后，組成巨大的潛在復合物(LLC)并通過LTBP的C-端結構域與ECM結合。通常情況下，TGF-β細胞因子以非活性形式分泌，LLC錨定在fibrillin-1的細胞外基質上[15]。彈性蛋白酶和(或)某些生理刺激能導致fibrillin-1降解，釋放活性TGF-β并作為病理生理反應的中樞調節器，上調TGF-β、結締組織生長因子(CTGF)和ECM的表達。MFS中FBN1基因突變后導致fibrillin-1異常斷裂，TGF-β隔離失敗，釋放出更多的TGF-β。過量的TGF-β后續可通過經典的Smad信號轉導通路或非經典的ERK1/2(細胞外調節蛋白激酶1/2)通路將細胞外信號傳遞至細胞核內，并形成正反饋，導致信號通路級聯擴大。TGF-β信號轉導通路的過度活躍是MFS發病的核心機制[16]。

4.FBN1突變類型

目前已有2 700多種FBN1基因突變和1 096種相應的fibrillin-1蛋白變體被報道[17]。FBN1基因突變可大致分為以下幾類：(1)錯義突變(55%)：最為常見，若影響cb-EGF結構域中高度保守的半胱氨酸，導致fibrillin-1蛋白水解酶降解增加[18]；(2)移碼突變或無義突變(25%)：可能過早產生終止密碼子，導致fibrillin-1截短變異，截短的轉錄產物通常被非編碼mRNA衰變機制降解，導致fibrillin-1表達減少或不表達[19]；(3)剪切位點突變(11%)：導致框內外顯子跳躍，fibrillin-1肽鏈缺乏完整cb-EGF結構域[20]；(4)單個或多個外顯子片段基因組缺失，以及較罕見的整個FBN1基因組缺失[21]。值得注意的是，fibrillin-1整條肽鏈均可發生突變，但致病性突變大多累及保守的半胱氨酸。

二、FBN1動物模型和人類誘導多能干細胞模型

早在1993年，Aoyama等[22]即已認為在MFS中FBN1基因突變以顯性-負效應方式影響fibrillin-1及微纖維組裝。Eldadah等[23]的體外試驗結果支持該假說：利用來自嚴重MFS患者突變的FBN1基因通過穩定轉染在正常人和鼠成纖維細胞中表達，對細胞系行免疫組化染色發現fibrillin-1的沉積顯著減少，細胞微纖維結構紊亂。該實驗結果說明FBN1等位基因的表達足以破壞正常的微纖維組裝并重現MFS細胞表型。Pereira等[24]在1997年制作出了FBN1 exons 19～24缺失的小鼠模型(稱之為mgΔ小鼠)，雜合子小鼠FBN1基因轉錄水平較正常小鼠低90%，純合子小鼠則于嬰兒期就死于主動脈夾層。Cikach等[25]制造出mgR小鼠模型，純合小鼠的fibrillin-1表達量約為20%，可迅速進展為升主動脈瘤，且骨骼和肺表現出不完全性MFS特征，病理研究發現了巨噬細胞浸潤、內膜增生、彈性纖維斷裂、介質鈣化和蛋白多糖積聚等病理改變；雜合小鼠(mgR/+)可正常存活及繁殖，且與野生型在形態上難以區分。有研究認為，FBN1基因突變后fibrillin-1水平一旦低于某個臨界閾值，主動脈瘤和夾層就會發生[26]。

除顯性-負效應外，FBN1基因突變亦可通過單倍體不足方式導致MFS。酵母人工染色體轉基因技術在正常小鼠中過表達人類致病性FBN1基因突變(C1663R)后，小鼠并未出現任何異常。同源重組技術產生具有錯義突變(C1039G)雜合子小鼠，結果則顯示微纖維沉積受損，骨骼畸形，主動脈壁結構進行性惡化，靶向再現了MFS表型。Jude等[27]認為野生型fibrillin-1單倍體不足是微纖維組裝失敗的主要決定因素。

2006年Takahashi等[28]成功誘導生成人類多能干細胞(iPSC)后，為相關遺傳性疾病研究開辟了新道路?；颊邅碓囱苌膇PSC具有與患者相同的突變，對特定基因表達起決定性作用，是體外驗證基因突變功能導致功能改變的絕佳方式。2012年，Quarto等[29]將患者皮膚成纖維細胞通過Yamanaka因子重新編程為iPSC并誘導分化為骨骼肌細胞，模擬了MFS患者骨骼肌方面表型，證實FBN1基因突變后抑制骨骼肌成骨分化，促進軟骨發育。同年，Quarto等[30]證明骨形態發生蛋白-2(BMP-2)信號外源性激活后能夠逆轉MFS胚胎干細胞和MFS患者特異性誘導的多能干細胞中TGF-β介導的成骨抑制作用。Granata等[31]將患者來源iPSC誘導分化為血管平滑肌細胞，利用該體外模型及Crispre-Cas9基因編輯技術，提出了MFS治療的新靶點p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)和轉錄因子Krüppel樣因子(KLF4)，對于未來新藥研發具有重大指導意義。隨著人誘導的具有特定FBN1突變的多能干細胞系日益增加[32-33]，利用這些細胞系或可加速對FBN1突變后致病性的研究進程。

三、MFS及其相關綜合征表型與基因型

1.MFS及其相關綜合征臨床表現

MFS是一種相對普遍的常染色體顯性結締組織病，發病率約為1/5 000[34]。典型的MFS臨床上主要累及以下幾個系統：(1)心血管系統：胸主動脈瘤(TAA)、動脈夾層、二尖瓣脫垂以及心功能不全；(2)骨骼：不規則線性骨生長、四肢纖長、嚴重肢體、前胸壁、脊柱畸形；(3)眼睛：晶狀體異位、高度近視；(4)其他：聲調下降、自發性氣胸、復發性疝等[2]。

2.FBN1與MFS基因型和表型關系

由于FBN1基因突變及MFS臨床癥狀的復雜性，諸多學者進行了基因型-表型相關性研究。2007年，一項納入1 013例MFS患者的大型國際研究初步揭示了FBN1基因突變位點及突變類型與MFS表型的內在聯系。exons 60～62之間框內缺失導致臨床表現較輕的不完全性MFS，exons 24～53、32～38之間框內缺失往往導致嚴重的新生兒MFS，exons 44～46之間的缺失導致更為嚴重的表型，在嬰兒期出現典型MFS癥狀并迅速進展[21]。Palz等[35]報道，3’末端基因突變常導致較輕型表型。Comeglio等[36]對508例患者進行FBN1突變篩選，發現MFS組患者的FBN1突變(90/110)全部位于exons 24～32；不完全性MFS組患者的FBN1突變(84/315)頻率較MFS低且多位于FBN1的3’端(exons 59～65)；晶狀體異位組突變多位于exons 1～15。Gao等[37]通過文獻檢索亦發現導致心血管事件的突變多位于exons 43～65及exons 24～32，且患者癥狀較重，與前期報道結果相符。近期Siegert等[38]提出除編碼區突變可導致疾病發生，如3’端非編碼區(3’UTR)突變可導致MFS主動脈瘤的形成。由此可見，FBN1突變位置與疾病嚴重程度具有很大相關性：外顯子中段突變較兩端突變表型嚴重，非編碼區主要與動脈瘤相關。

四、小結

FBN1基因編碼的fibrillin-1在維持組織結構的完整性及發揮指導作用方面具有重要意義。FBN1基因突變種類極其多樣，其突變位置及類型與MFS表型密切相關。目前針對FBN1基因型-MFS表型的相關性研究已取得階段性進展，基因檢測對于患者臨床癥狀及預后的預測具有一定準確性。雖然目前尚無針對基因型的精準治療方案，但是針對MFS的遺傳學及病理學機制的深入研究將極大提高臨床診斷的準確性，并為MFS治療手段的研發指明方向。