楊嫻嫻 綜述 穆雄錚 審校
顱縫早閉癥是常見的先天性顱頜面畸形,其發(fā)病率居常見顱面發(fā)育畸形發(fā)病率的第二位(約為1/2500,僅次于唇腭裂畸形)。由于顱縫提早發(fā)生骨性閉合可導(dǎo)致顱腔狹小,形成三角頭、舟狀頭、斜頭等復(fù)雜的顱頜面畸形綜合征,不僅造成顱面骨畸形,而且可導(dǎo)致顱內(nèi)壓升高、視力減退甚至失明,嚴(yán)重者可使腦發(fā)育受阻,影響患兒的智力發(fā)育[1],或因危險(xiǎn)的并發(fā)癥而危及生命。目前尚無理想的治療方法能夠完全予以修復(fù),對(duì)患者及其家庭的社會(huì)生活和心理健康產(chǎn)生了諸多負(fù)面影響。所以,對(duì)該疾病遺傳機(jī)制的研究具有重要意義。本文就先天性顱縫早閉畸形的遺傳學(xué)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展進(jìn)行綜述。
顱骨由腦顱(顱頂)和面顱(顱底)兩部分構(gòu)成,顱骨發(fā)育約開始于胚胎第23天,顱頂骨與顱底骨的發(fā)育表現(xiàn)為兩種不同的方式。顱底骨起源于外胚層神經(jīng)嵴,由間充質(zhì)主要以軟骨內(nèi)成骨的方式發(fā)育形成,與長骨類似。顱頂骨起源于中胚層,由腦組織周圍的間充質(zhì)以膜內(nèi)成骨的方式發(fā)育而成。在胎兒期和嬰兒期,顱頂骨骨化尚未完成,各扁平骨之間存在致密結(jié)締組織構(gòu)成的膜性連接,包括囟門以及顱縫。后囟出生后不久即封閉,前囟在出生后1.5~2年間消失,顱縫的閉合時(shí)間則較遲。
國際上關(guān)于顱骨發(fā)育、顱縫閉合的理論認(rèn)為[2],來自發(fā)育大腦的信號(hào)是顱骨形成的關(guān)鍵因素,硬腦膜分泌的可溶性生長因子介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)在傳送從大腦到腦顱的信號(hào)方面起非常重要的作用,大腦、硬腦膜和發(fā)育的顱骨、顱縫之間復(fù)雜的相互作用,最終引起顱縫的閉合。一旦顱縫周圍的生化環(huán)境變化及基因遺傳的改變干擾了此復(fù)雜的生長發(fā)育體系,便可導(dǎo)致顱縫的異常閉合。
顱頂骨的發(fā)育由多能間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的增殖、分化而形成,具體為間充質(zhì)干細(xì)胞—骨祖細(xì)胞—前成骨細(xì)胞—成骨細(xì)胞的分化過程,歷經(jīng)成骨細(xì)胞增殖、細(xì)胞外基質(zhì)成熟、細(xì)胞外基質(zhì)礦化和成骨細(xì)胞凋亡四個(gè)階段,最終形成新骨。顱蓋的形成最初來源于部分間充質(zhì)的濃集,稱初級(jí)骨化中心。隨著顱縫兩側(cè)顱骨間充質(zhì)細(xì)胞增殖、向成骨細(xì)胞分化,顱骨成骨前緣不斷向顱縫側(cè)靠攏,顱縫逐漸閉合[3]。纖維顱縫組織如同顱骨間靈活的關(guān)節(jié)連接,調(diào)節(jié)頭顱的發(fā)育和外形結(jié)構(gòu),正常的顱縫閉合過程依賴顱骨成骨前緣以及顱縫區(qū)細(xì)胞的增殖與分化維持良好的平衡,此外,細(xì)胞的正常凋亡過程也發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用[4]。上述任何一個(gè)過程發(fā)生改變,均可導(dǎo)致顱縫早閉或顱裂,其中以顱縫提早閉合較為多見。
遺傳學(xué)研究證實(shí)多種基因突變、致畸物質(zhì)、機(jī)械壓力或血液、代謝紊亂等將導(dǎo)致顱縫早閉[5-6]。截至2008年,與顱縫早閉相關(guān)的突變基因已明確有11個(gè),常見的包括:成纖維細(xì)胞生長因子受體(FGFR1,F(xiàn)GFR2,F(xiàn)GFR3)、轉(zhuǎn)化生長因子 β受體(TGFBR1,TGFBR2)、酪氨酸激酶 Eph/Ephrin 家族蛋白(EFNB1)、胚胎發(fā)育基因 TWIST1、同源盒基因 MSX2、小 GTP酶蛋白家族 RAB(RAB23)、原纖維蛋白基因(FBN1)、細(xì)胞色素P450還原酶基因(POR)等[7-10]。對(duì)上述基因及相關(guān)信號(hào)通道介導(dǎo)的顱縫細(xì)胞增殖與分化的研究,闡明了顱縫發(fā)育分子調(diào)控機(jī)制的重要性與復(fù)雜性。
目前國際上關(guān)于顱縫早閉分子發(fā)病機(jī)理研究的實(shí)驗(yàn)?zāi)P?,主要包括:①正常?dòng)物顱縫組織或細(xì)胞;②基因修飾動(dòng)物模型顱縫組織或細(xì)胞;③少數(shù)取材于患者的顱縫組織或細(xì)胞。其中以前兩者為主[11-14],研究結(jié)果主要反映了非靈長類動(dòng)物顱縫組織的體內(nèi)發(fā)育情況,以及體外環(huán)境下應(yīng)用各種培養(yǎng)基以促進(jìn)細(xì)胞增殖、人為誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化的一系列表型特征,而無法實(shí)際反映人體內(nèi)顱縫閉合的過程與分子調(diào)控機(jī)制。
針對(duì)這一弊端,一些學(xué)者采用了以人為對(duì)象的顱縫早閉研究模型,如取材于同一患者受累顱縫區(qū)及正常顱縫區(qū)標(biāo)本,進(jìn)行基因表達(dá)的比較(稱體內(nèi)-體內(nèi)比較),以篩選發(fā)現(xiàn)新的致病基因。由于體內(nèi)受多因素制約且與外界環(huán)境相互影響,所得的結(jié)果往往是最終呈現(xiàn)的表現(xiàn),而非研究者最為關(guān)心的顱縫閉合中間過程。因此,最常用于人顱縫早閉研究的方法為:取材自同一患者受累顱縫區(qū)及正常顱縫區(qū)體外培養(yǎng)細(xì)胞之間的比較(稱體外-體外比較),該方法不僅可用于基因差別表達(dá)的分析,還可用于顱縫復(fù)合組織不同細(xì)胞群間增殖、分化潛能的功能研究[15-16]。由于倫理道德問題及復(fù)雜實(shí)驗(yàn)技術(shù)的挑戰(zhàn),從患者或正常人群中獲取顱縫組織、細(xì)胞用于大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)研究相當(dāng)困難,上述兩種研究方法主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物如鼠顱縫早閉的研究[13,17-18]。
目前的體外培養(yǎng)系統(tǒng),多為人工二維單層培養(yǎng)技術(shù),與體內(nèi)組織細(xì)胞三維的生長環(huán)境不同。越來越多的研究發(fā)現(xiàn),組織細(xì)胞在體外環(huán)境下生長,逐漸喪失了原有的性狀,所取得的研究結(jié)果與體內(nèi)的情況不相符,包括導(dǎo)致的基因表達(dá)的顯著差異[19]。因此,目前開展的顱縫細(xì)胞研究,多采用原代或早期傳代培養(yǎng)的細(xì)胞,以減少體外培養(yǎng)對(duì)細(xì)胞真實(shí)性狀的影響,但由于原代細(xì)胞生存期短,傳代數(shù)局限致所產(chǎn)生的細(xì)胞量不足等原因,致病基因表達(dá)及調(diào)控機(jī)制的研究仍具有明顯的限制性。少數(shù)學(xué)者嘗試應(yīng)用轉(zhuǎn)化細(xì)胞系以延長細(xì)胞的生存期,發(fā)現(xiàn)它們可能引起細(xì)胞不典型表征,從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
因此,現(xiàn)有顱縫細(xì)胞研究模型存在的問題主要為:①如何跨越體外培養(yǎng)顱縫細(xì)胞和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)間的鴻溝,更好地模擬活體組織的內(nèi)環(huán)境,最大程度地維持顱骨發(fā)育的體內(nèi)性狀,保持細(xì)胞的功能活性,以全面研究顱縫閉合的過程。②如何將體內(nèi)、體外兩大研究系統(tǒng)更好地結(jié)合,對(duì)二者基因表達(dá)的差異進(jìn)行同期比較研究,以更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)相關(guān)基因在顱縫閉合過程中的作用。③如何克服原代細(xì)胞生存期短,體外培養(yǎng)傳代細(xì)胞性狀逐漸發(fā)生改變而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果等問題,有賴于開發(fā)既能延長顱縫細(xì)胞的生存期,又能最低程度影響細(xì)胞表征的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。
近年來的研究趨勢(shì)是,制造相關(guān)致病基因修飾小鼠模型,進(jìn)行顱縫早閉遺傳分子機(jī)制及基因或細(xì)胞治療的研究。目前較成熟的為成纖維細(xì)胞生長因子及其受體(FGF/FGFR)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的研究。FGFR突變可導(dǎo)致Apert、Pfeiffer和Crouzon等顱縫早閉綜合征,基因修飾小鼠模型有:FgfR2+/S252W、FgfR2-Ⅲc+/Δ 基因修飾小鼠模型 (Apert綜合征)[20-22];FGFR2+/C342Y基因修飾小鼠模型 (Crouzon綜合征)[23];FGFR1+/P250Arg基因修飾小鼠模型(Pfeiffer綜合征)[24-25]。TGF-β 動(dòng)物模型包括 TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3、TgfbrⅠ、TgfbrⅡ、TgfbrⅢ,和相關(guān)細(xì)胞間信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路基因如Smad2、Erk1/2等基因敲除小鼠模型。此外,先天性雙側(cè)冠狀縫早閉兔模型亦常用于顱縫早閉TFG-β信號(hào)通路的研究[26-28]。
隨著顱縫早閉發(fā)病機(jī)理的深入研究,新的致病基因不斷被發(fā)現(xiàn),它們之間的相互作用形成了一個(gè)非常復(fù)雜的顱縫閉合分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)體系。截至目前,已有研究較為明確地闡明了BMPs蛋白介導(dǎo)的TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)在嚙齒動(dòng)物顱縫形成過程中的作用機(jī)制[29-32],尚需進(jìn)一步研究全面揭示上述基因的信號(hào)通路作用過程。
研究發(fā)現(xiàn),同一基因突變可致不同的畸形表現(xiàn)型,提示同一基因在不同顱縫間具有特殊的分子信號(hào)通路。以額縫的表現(xiàn)最為明顯,人類額縫在出生后不久即閉合,而其他顱縫在1歲以后逐漸融合形成鋸齒狀,相互扣鎖,12歲或以后顱縫才緊閉。與嚙齒動(dòng)物的情況相近,嚙齒動(dòng)物的額縫由神經(jīng)嵴來源的間充質(zhì)形成并分隔額骨,屬于神經(jīng)嵴起源,而其它顱縫與神經(jīng)嵴并列或來源于軸旁中胚層[33-35]。許多研究比較了鼠閉合過程中的后額縫與未閉合的冠狀縫、矢狀縫間基因表達(dá)譜的差異,以了解顱縫閉合的基因調(diào)控機(jī)制[36-41]。然而,鑒于不同發(fā)育來源的顱縫閉合信號(hào)通路各異,上述比較的結(jié)果無法闡明顱縫閉合的分子機(jī)制。因此,Coussens等[42]研究同一發(fā)育來源的閉合顱縫與未閉顱縫間的基因表達(dá)差異。研究發(fā)現(xiàn),與已閉合或正在閉合期顱縫的基因表達(dá)相比,未閉顱縫的 RBP4、GPC3、C1QTNF3、IL11RA、PTN、POSTN 等基因表達(dá)水平較高,提示上述基因在保持顱縫開放或調(diào)控成骨細(xì)胞早期分化中起關(guān)鍵作用;已閉合或正在閉合期的顱縫WIF1、ANXA3、CYFIP2等基因表達(dá)水平較高,提示它們與顱縫早閉發(fā)病的相關(guān)性。此外,他們的研究還發(fā)現(xiàn),綜合征性與非綜合征性顱縫早閉的基因表達(dá)譜差異甚微,而不同的未閉合顱縫間基因表達(dá)卻有顯著的差異,尤以額縫最為特殊。盡管普遍認(rèn)為顱蓋發(fā)育并未產(chǎn)生軟骨前體,在Coussens的研究中發(fā)現(xiàn),人字縫和后矢狀縫的形態(tài)發(fā)生過程中可檢測(cè)出軟骨特殊基因表達(dá)與組織學(xué)改變,提示顱縫發(fā)育可能存在軟骨生長過程。上述研究深入至不同顱縫水平分析致病基因的差異表達(dá),為顱縫早閉分子機(jī)制的探索開辟了一種新的途徑,通過闡明不同顱縫間各異的發(fā)育機(jī)制,為顱縫疾病的非手術(shù)治療奠定了更充實(shí)的理論依據(jù)。
為克服體內(nèi)、體外研究系統(tǒng)下檢測(cè)的基因表達(dá)結(jié)果與實(shí)際顱縫閉合的基因表達(dá)間的差異,Coussens等[19]對(duì)顱縫閉合研究模型進(jìn)行了改良,將體內(nèi)、體外兩大研究系統(tǒng)相結(jié)合,對(duì)顱縫早閉取材標(biāo)本及同一組織來源的體外培養(yǎng)顱縫細(xì)胞二者間基因表達(dá)的差異進(jìn)行同期比較研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),同一基因通過體內(nèi)-體外研究模型檢測(cè)的差異程度較體內(nèi)-體內(nèi)模型所表現(xiàn)的差異程度更為突出,這為基因表達(dá)的靈敏檢測(cè)提供了便捷,并更能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)相關(guān)基因在顱縫閉合過程中的作用。此外,通過對(duì)完全分化的受累顱縫組織及體外培養(yǎng)非分化成骨細(xì)胞群基因表達(dá)的比較,可篩選出成骨細(xì)胞分化、礦化相關(guān)的基因;與培養(yǎng)細(xì)胞相比,在顱縫組織中表達(dá)下調(diào)的基因則與顱骨發(fā)育、顱縫閉合早期細(xì)胞的分化抑制或誘導(dǎo)成骨前體細(xì)胞的增殖關(guān)系密切。
表1 顱骨發(fā)育、顱縫閉合相關(guān)研究基因Table 1 Genes related to skull growth and cranial suture fusion
表1 續(xù)
表1列出了近年來顱骨發(fā)育、顱縫閉合相關(guān)的主要基因,包括成骨分化相關(guān)基因、轉(zhuǎn)錄相關(guān)基因、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因、骨塑形相關(guān)基因、細(xì)胞凋亡相關(guān)基因、細(xì)胞周期相關(guān)基因等[42]。通過對(duì)上述基因功能及傳導(dǎo)通路系統(tǒng)、深入地研究,有望進(jìn)一步探索顱縫閉合的分子生物學(xué)機(jī)制。
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