陳付英 李 明

膽固醇代謝異常與相關(guān)角化異常性遺傳性皮膚病研究進(jìn)展

陳付英 李 明

膽固醇(cholesterol)是含有環(huán)戊烷多氫菲骨架的一種脂質(zhì)小分子,是維持細(xì)胞膜穩(wěn)定性的一個(gè)重要成份，代謝異常會(huì)引起多種角化異常性遺傳性皮膚病。本文就膽固醇代謝異常與相關(guān)角化異常性遺傳性皮膚病的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

膽固醇代謝； 基因突變； 遺傳性皮膚病

膽固醇代謝異常會(huì)導(dǎo)致一系列非常嚴(yán)重的疾病。膽固醇過多會(huì)引起動(dòng)脈粥樣硬化、脂肪肝、冠心病等疾病，膽固醇過少則不能存活。另外，編碼膽固醇代謝通路中間產(chǎn)物的基因發(fā)生突變可能會(huì)引起一系列遺傳性皮膚病，如非綜合征型視網(wǎng)膜色素變性(Nonsyndromic retinitis pigmentosa)、汗孔角化癥(Porokeratosis，PK)、毛囊性魚鱗病伴隨禿發(fā)和畏光綜合征(Ichthyosis follicularis 、atrichia and photophobia，IFAP)、魚鱗病(Ichthyosis)、先天性半側(cè)發(fā)育不良、魚鱗病樣紅斑及肢體缺陷綜合征(Congenital hemidysplasia、ichthyosiform erythroderma、limb defects，CHILD綜合征)、禿發(fā)性棘狀毛囊角化病(Keratosis follocularis spinulosa decalvans, KFSD)等。本文主要就近期研究發(fā)現(xiàn)的參與膽固醇代謝的基因突變引起遺傳性皮膚病的研究進(jìn)展做一綜述。

1 膽固醇代謝與調(diào)控過程

膽固醇是含有環(huán)戊烷多氫菲骨架的一種脂質(zhì)小分子,是血脂的主要成份，另外，膽固醇也是維持細(xì)胞膜穩(wěn)定性的一個(gè)重要成份。機(jī)體所需膽固醇可以由食物攝取也可以由自身合成。細(xì)胞以乙酰輔酶A為原料，中間產(chǎn)物甲羥戊酸輔酶A由3-羥基3-甲基戊二酸輔酶A還原酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase，HMGCR)催化生成甲羥戊酸，膽固醇合成的關(guān)鍵酶甲羥戊酸激酶(Mevalonate kinase, MVK)催化其合成5-磷酸甲羥戊酸,戊酸脫羧酶(Mevalonate diphosphate, MVD)催化磷酸化的5-磷酸甲羥戊酸成為5-二磷酸異戊烯，法尼基二磷酸合酶(Farnesyl diphosphate synthase, FDPS)可催化多種中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為二磷酸法尼基，進(jìn)一步經(jīng)過多步酶促反應(yīng)合成膽固醇，磷酸甲羥戊酸代謝途徑對(duì)細(xì)胞多種代謝過程起重要作用, 提供細(xì)胞必要的生物活性分子。該過程嚴(yán)格受到其下游產(chǎn)物的負(fù)反饋調(diào)控:一方面,膽固醇調(diào)控元件結(jié)合蛋白裂解激活蛋白(SREBP cleavage activating protein，SCAP),通過SCAP-SREBP途徑在轉(zhuǎn)錄水平抑制膽固醇合成基因的表達(dá)；另一方面,膽固醇合成中間體羊毛甾醇可促進(jìn)HMGCR降解, 從而降低膽固醇合成[1]。

SCAP-SREBP通路：Brown等研究發(fā)現(xiàn)了膽固醇調(diào)控原件(Sterol regulatory element, SRE)，SRE可被轉(zhuǎn)錄因子識(shí)別并結(jié)合從而調(diào)控低密度脂蛋白受體(Low density lipoprotein receptor，LDLR)、HMGCR、3-羥基3-甲基戊二酸輔酶A合成酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A synthase，HMGCS)等基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)[2]。隨后Wang等發(fā)現(xiàn)可以識(shí)別并結(jié)合SRE元件的膽固醇調(diào)控元件結(jié)合蛋白(Sterol regulatory element binding protein，SREBP)，SREBP是膜結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子，對(duì)控制脂肪酸及膽固醇合成、攝取的基因轉(zhuǎn)錄進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)[3]。SREBP蛋白通過被位點(diǎn)-1蛋白酶(Site-1 Protease，S1P)，位點(diǎn)-2蛋白酶(Site-2 Protease，S2P)蛋白酶剪切調(diào)控活性,剪切可被高膽固醇所抑制。在膽固醇缺乏時(shí)，S1P裂開SREBPα/β亞單位前體，激活SREBP促進(jìn)其下游靶基因的表達(dá)，同時(shí),SREBP-SCAP復(fù)合物從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)泌出經(jīng)COP-II-包被的小泡轉(zhuǎn)向高爾基體，促進(jìn)HMGCR轉(zhuǎn)錄，從而上調(diào)脂質(zhì)合成[4]。Nohturfft等發(fā)現(xiàn)SCAP基因突變后使SREBP剪切不再受膽固醇的調(diào)控[5,6]。Yang等發(fā)現(xiàn)SCAP結(jié)合的蛋白為SREBP的靶基因:Insig-1,當(dāng)細(xì)胞內(nèi)高膽固醇水平時(shí),Insig-1蛋白主要通過與SCAP的SSD區(qū)域結(jié)合,抑制SREBP成熟剪切，從而得到調(diào)控膽固醇代謝的目的[7]。

HMGCR降解通路：HMGCR是膽固醇合成的限速酶，在轉(zhuǎn)錄水平上,HMGCR mRNA含量主要受到SREBP的調(diào)控。在翻譯后水平上,HMGCR蛋白主要受到泛素-蛋白酶體途徑的調(diào)節(jié)。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)膽固醇水平升高時(shí),Insig-1結(jié)合HMGCR,同時(shí)還結(jié)合HMGCR蛋白泛素-蛋白酶體途徑降解的泛素連接酶：gp78,使HMGCR泛素化，泛素化的HMGCR被迅速遞送到蛋白酶體進(jìn)行降解, 從而降低細(xì)胞內(nèi)合成膽固醇的速率[8]。Cao等發(fā)現(xiàn)蛋白降解過程相關(guān)的調(diào)控蛋白：Ufd1蛋白[9]。Ufd1可以加速HMGCR降解, 減少細(xì)胞內(nèi)膽固醇的合成。gp78也參與了Insig-1的泛素化-蛋白酶體降解途徑,降解Insig-1,解除Insig-1對(duì)SREBP通路的抑制, 激活其下游靶基因的表達(dá), 從而上調(diào)脂質(zhì)合成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)膽固醇代謝的精密調(diào)控[10]。

2 膽固醇代謝通路與角化異常性遺傳性皮膚病

最新研究發(fā)現(xiàn)編碼膽固醇代謝通路中間產(chǎn)物的相關(guān)基因突變會(huì)引起數(shù)種角化異常性遺傳性皮膚病，如汗孔角化癥、毛囊性魚鱗病伴隨禿發(fā)和畏光綜合征、禿發(fā)性棘狀毛囊角化病等。

2.1 汗孔角化癥(Porokeratosis,PK) 汗孔角化癥是一種罕見的表皮角化異常的常染色體顯性遺傳性皮膚病，臨床表現(xiàn)為離心分布的多個(gè)中央萎縮、周邊隆起的角化皮損，其特征性組織病理特點(diǎn)為角樣板的出現(xiàn)。臨床上通常分為五型：播散性淺表性光化性汗孔角化癥(Disseminated superficial actinic porokeratosis,DSAP)，播散性表淺性汗孔角化癥(Disseminated superficial porokeratosis, DSP)，經(jīng)典型Mibelli汗孔角化癥(Porokeratosis of Mibelli,PM)，掌跖合并播散性汗孔角化癥(Porokekratosis palmaris plantataris et dissiminata, PPPD)，線性汗孔角化癥(Linear porokeratosis, LP)。

2012年，Lu[11]等發(fā)現(xiàn)在33%的家族性DSAP病人和16%的散發(fā)患者中MVK基因存在突變。MVK基因編碼的甲羥戊酸激酶參與膽固醇和類異戊二烯的生物合成[12]。Zeng等在兩例同時(shí)患DSAP和PM的病人中發(fā)現(xiàn)MVK基因突變，提示PM和DSAP可能源于同一個(gè)MVK基因突變[13]。MVK基因突變同時(shí)也會(huì)引起甲羥戊酸尿，呈常染色體隱性遺傳模式，所以該基因突變可能引起多種疾病的表型。2015年，Zhang等對(duì)134例汗孔角化癥患者的12個(gè)膽固醇代謝通路相關(guān)基因進(jìn)行大規(guī)模測(cè)序及外顯子CNV篩選，發(fā)現(xiàn)除甲羥戊酸途徑的MVK突變外，還存在PMVK、MVD和FDPS基因突變[14]。隨后，Zhang等在4個(gè)生殖器型汗孔角化癥患者中發(fā)現(xiàn)PMVK基因突變，推測(cè)該基因突變可能是導(dǎo)致此型PK的原因。Zhang等觀察到50%(19/38)的MVK突變病人有直徑5 cm 以上伴隨皮損的斑塊樣汗孔角化癥(Porokeratosis ptychotropica, PPt)，在MVD、PMVK、FDPS突變的患者中未觀察到這一表型，推測(cè)其可能是MVK突變的特異表型，另外，MVK突變患者的表型變異通常較大，MVD和FDPS患者的表型有一定同源性，如MVD突變汗孔角化癥患者的皮損直徑通常在2 cm以下，伴隨FDPS突變的患者通常皮損數(shù)目較多而直徑小于1 cm。MVD和FDPS突變皮損相較于MVK和PMVK突變表淺。通過等位基因表達(dá)差異分析,Zhang等發(fā)現(xiàn)野生型等位基因在大多數(shù)皮損組織(>77%)的表達(dá)有不同程度明顯下降，在多數(shù)病例可能源于未知的DNA甲基化依賴的表觀遺傳機(jī)制[14]。隨后，本課題組對(duì)21例PK家系進(jìn)行研究，通過對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行直接測(cè)序我們發(fā)現(xiàn)3個(gè)異常的以及7個(gè)以前發(fā)現(xiàn)過的突變。在該P(yáng)K群體中最常見的突變是MVD基因編碼的p.Phe249Ser和p.Asn292Ser突變，他們的發(fā)生率分別為27.3%及13.6%。遺憾的是，在5例散發(fā)病例中我們沒有發(fā)現(xiàn)突變，該突變的發(fā)現(xiàn)有助于汗孔角化癥的基因診斷及產(chǎn)前咨詢。同時(shí)我們也首次發(fā)現(xiàn)MVD基因突變跟掌跖型汗孔角化癥的播散發(fā)展有關(guān)[15]。

除了以上4個(gè)膽固醇代謝相關(guān)基因以外，有學(xué)者通過對(duì)患DSAP的兩個(gè)中國家系進(jìn)行全外顯子組測(cè)序發(fā)現(xiàn)SLC17A9基因存在兩個(gè)錯(cuò)義突變[16]。Lu等通過全基因組連鎖及Sanger測(cè)序發(fā)現(xiàn)SSH1基因和SART3基因在兩個(gè)患DSAP的中國家系中被發(fā)現(xiàn)，推測(cè)其可能是DSAP的致病基因[11]。然而，這一發(fā)現(xiàn)沒有在后續(xù)診斷的其他的DSAP家系中得到證實(shí)，據(jù)此，F(xiàn)rank等推測(cè)SSH1及SART3變異可能只是一個(gè)單核苷酸多態(tài)而不是一個(gè)真正的突變[17]。

2.2 毛囊性魚鱗病伴隨禿發(fā)和畏光綜合征(Ichthyosis follicularis 、atrichia and photophobia，IFAP) 毛囊性魚鱗病伴隨禿發(fā)和畏光綜合征(IFAP)是一種少見的X連鎖遺傳的疾病[12]。臨床表現(xiàn)為毛囊性魚鱗病、部分或全部禿發(fā)及畏光，可能伴隨角膜炎、瞼炎、牙釉質(zhì)發(fā)育不全。

Oeffner等研究發(fā)現(xiàn)其致病基因?yàn)槟そY(jié)合轉(zhuǎn)錄因子肽酶，位點(diǎn)2蛋白酶(Membrane-bound transcription factor peptidase，site-2-protase, MBTPS2)[18]，他們對(duì)IFAP患者的mRNA進(jìn)行RT-PCR分析發(fā)現(xiàn)MBTPS2基因內(nèi)含子突變導(dǎo)致外顯子錯(cuò)誤剪接，影響MBTPS2拼接，繼而引起IFAP綜合征。MBTPS2是一種膜包被的鋅金屬蛋白酶，激活膽固醇控制轉(zhuǎn)錄的信號(hào)蛋白和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力反應(yīng)。在負(fù)反饋調(diào)控機(jī)制中，SREBP活性域被MBTPS2裂開 ，隨后被轉(zhuǎn)運(yùn)至胞核作為L(zhǎng)DL受體基因等多種靶基因的轉(zhuǎn)錄因子。同時(shí)參與另外一種裂解酶，即膜結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子肽酶，位點(diǎn)1蛋白酶(Membrane-bound transcription factor peptidase，site-1-protase, MBTPS1)。該酶MBTPS1基因編碼，是一種膜結(jié)合的絲氨酸蛋白酶。典型的膜結(jié)合S1P亞基是膽固醇調(diào)控原件結(jié)合蛋白SREBP1和SREBP2,在脂質(zhì)代謝和膽固醇穩(wěn)態(tài)中起主要作用。當(dāng)膽固醇缺乏時(shí),S1P會(huì)激活SREBP，但 MBTPS1基因突變導(dǎo)致人類何種疾病，目前仍未知。

2.3 禿發(fā)性棘狀毛囊角化病(Keratosis follocularis spinulosa decalvans, KFSD) 禿發(fā)性棘狀毛囊角化病是一種少見的X連鎖隱性遺傳病，臨床表現(xiàn)以頭皮過度角化丘疹為特征，隨后出現(xiàn)頭皮、睫毛、眉毛進(jìn)行性禿發(fā)[19]。研究發(fā)現(xiàn)KFSD的致病基因同樣為MBTPS2基因，該基因突變導(dǎo)致MBTPS2酶活性下降，從而影響蛋白正常功能，表現(xiàn)為對(duì)膽固醇反應(yīng)能力明顯降低[20]。研究發(fā)現(xiàn)，MBTPS2活性下降影響表皮結(jié)構(gòu)分化并引起多種表型[20]。

到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)MBTPS2基因存在21種突變，其中錯(cuò)義突變19種、剪接2種，Arg429His突變是最常見的導(dǎo)致嚴(yán)重IFAP/BRESHECK綜合征的病因， IFAP/KFSD的主要致病突變?yōu)镚ly500Asp和Asn508Ser,這兩種拼接突變常與嚴(yán)重的表型相關(guān)。而MBTPS2基因存在錯(cuò)義突變的女性攜帶者可能表現(xiàn)為輕度IFAP/KFSD表型[21]。Bornholdt等對(duì)MBTPS2突變的男性患者基因型-表型關(guān)系進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，羧基端和氨基端的基因突變更有可能和輕度IFAP綜合征表型相關(guān)；羧基端氨基酸改變大多表現(xiàn)為IFAP/KFSD綜合征伴隨進(jìn)行性禿發(fā)；跨膜位點(diǎn)的突變經(jīng)常引起嚴(yán)重的IFAP綜合征[22]。本課題組報(bào)道1例漢族IFAP/KFSD患者，并發(fā)現(xiàn)一個(gè)MBTPS2基因致病突變，即c.599C>T，推測(cè)該突變導(dǎo)致編碼的氨基酸殘基由丙氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)槔i氨酸，即p.Ala200Val，該突變位于MBTPS2蛋白的羧基端，患兒臨床表現(xiàn)為相對(duì)輕的IFAP/KFSD綜合征，符合以往研究的基因型-表型關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)存在相同突變的MBTPS2相關(guān)疾病表現(xiàn)為一定程度的表型異質(zhì)性，提示除了突變位點(diǎn)，尚存在其他影響表型的因素[23]。

3 展望

膽固醇在體內(nèi)發(fā)揮重要生理作用，其代謝在體內(nèi)受到精密調(diào)控，膽固醇代謝通路上任一過程發(fā)生異常，均有可能致體內(nèi)膽固醇水平異常，膽固醇代謝異常對(duì)于皮膚角質(zhì)形成細(xì)胞的影響是巨大的，破壞細(xì)胞屏障，導(dǎo)致角化異常性遺傳性皮膚病。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種基因突變可影響膽固醇代謝通路中間產(chǎn)物，影響膽固醇代謝。但是，我們對(duì)膽固醇代謝異常導(dǎo)致皮膚角化異常的可能機(jī)制知之甚少，尚未發(fā)現(xiàn)有效的治療方法。

[1] Liu TF, Song BL. Mechanisms of negative feedback regulation of cholesterol biosynthesis[J]. Chinese J Cell Biol,2013,35(4):401-409.

[2] Brown MS, Goldstein JL, Dietschy JM. Comparison with the rate of cholesterol synthesis in different physiological states[J]. J Biol Chem,1979,254(12):5144-5149.

[3] Wang X, Briggs MR, Hua X, et al. Nuclear protein that binds sterol regulatory element of low density lipoprotein receptor promoter. II. Purification and characterization[J]. J Biol Chem,1993,268(19):14497-14502.

[4] Marschner K, Kollmann K, Schweizer M, et al. A key enzyme in the biogenesis of lysosomes is a protease that regulates cholesterol metabolism[J]. Science,2011,333(6038):87-90.

[5] Nohturfft A, Brown MS, Goldstein JL, et al. Topology of SREBP cleavage -activating protein, a polytopic membrane protein with a sterol-sensing domain[J]. J Biol Chem,1998,273(27):17243-17250.

[6] Nohturfft A, Brown MS, Goldstein JL. Sterols regulate processing of carbohydrate chains of wild-type SREBP cleavage-activating protein (SCAP), but not sterol-resistant mutantsY298C or D443N[J]. Proc Natl Acad Sci USA,1998,95(22):12848-12853.

[7] Yang T, Espenshade PJ, Wright ME, et al. Crucial step in cholesterol homeostasis: Sterols promote binding of SCAP to INSIG-1, a membrane protein that facilitates retention of SREBPs in ER[J]. Cell,2002,110(4):489-500.

[8] Song BL, Sever N, DeBose-Boyd RA. Gp78, a membrane-anchored ubiquitin ligase, associates with Insig-1 and couplessterol-regulated ubiquitination to degradation of HMG CoA reductase[J]. Mol Cell,2005,19(6):829-840.

[9] Cao J, Wang J, Qi W, et al. Ufd1 is acofactor of gp78 and plays a key role in cholesterol metabolism by regulating the stability of HMG-CoA reductase[J]. Cell Metab,2007,6(2):115-128.

[10] Lee JN, Song B, DeBose-Boyd RA, et al. Sterol-regulated degradation of Insig-1 mediated by the membrane-bound ubiquitin ligase gp78[J]. J Biol Chem,2006,281(51):39308-39315.

[11] Lu WS,Zheng XD, Yao XH, et al. A novel MVK missense mutation in one Chinese family with disseminated superficial actinic porokeratosis[J]. Mol Biol Rep,2014,41(11):7229-7233.

[12] Zhang Q, Jiang T, Li M, et al. Exome sequencing identifies MVK mutations in disseminated superficial actinic porokeratosis[J]. Nature,2012,44(10):1156-1160.

[13] Zeng K, Zhang Q, Li L, et al. Splicing mutation in MVK is a cause of porokeratosis of Mibelli[J]. Arch Dermatol Res,2014,306:749-755.

[14] Zhang ZH, Li C, Wu F, et al. Genomic variations of the mevalonate pathway in porokeratosis[J]. eLife,2015,4:e06322.

[15] Li M , Li ZL,Wang JB, et al. Mutations in the mevalonate pathway genes in Chinese patients with porokeratosis[J]. J Eur Acad Dermatol Venereol,2016,30(9):1512-1517.

[16] Cui H, Li L, Wang W, et al. Exome sequencing identifies SLC17A9 pathogenic gene in two Chinese pedigrees[J]. J Met Genet,2014,51(10):699-704.

[17] Frank J, van Geel M, van Steensel MA. Loss of heterozygosity studies on chromosome 12q in disseminated superficial actinic porokeratosis: lessons to be learned[J]. J Invest Dermatol,2007,127(8):2058-2059.

[18] Oeffner F, Martinez E, Schaffer J, et al. Intronic mutations affecting splicing of MBTPS2 cause ichthyosis follicularis, alopecia and photophobia (IFAP) syndrome[J]. Exp Dermatol,2011,20(5):447-449.

[19] Aten E, Lisa C, Bornholdt D, et al. Keratosis Follicularis Spinulosa Decalvans Is Caused by Mutations in MBTPS2[J]. Hum Mutat,2010,31(10):1125-1133.

[20] Oeffner F, Fischer G, Happle R, et al. IFAP syndrome is caused by deficiency in MBTPS2, an intramembrane zinc metalloprotease essential for cholesterol homeostasis and ER stress response[J]. Am J Hum Genet,2009,84(4):459-467.

[21] Aten E, Brasz LC, Bornholdt D, et al. Keratosis Follicularis Spinulosa Decalvans is caused by mutations in MBTPS2[J]. Hum Mutat,2010,31(10):1125-1133.

[22] Bornholdt D, Atkinson TP, Bouadjar B, et al. Genotype-phenotype correlations emerging from the identification of missense mutations in MBTPS2[J]. Hum Mutat,2013,34(4):587-600.

[23] Zhang J, Wang Y, Cheng R, et al. Novel MBTPS2 missense mutation causes a keratosis follicularis spinulosa decalvans phenotype: mutation update and review of the literature. Clin Exp Dermatol,2016,41(7):757-760.

(收稿：2016-05-23 修回：2016-05-30)

Update of the abnormal cholesterol metabolism and keratinization genodermatosis

CHENFuying,LIMing.

DepartmentofDermatology,XinhuaHospitalAffiliatedtoShanghaiJiaotongUniversitySchoolofMedicine,Shanghai200092,China

LIMing,E-mail:liming01@xinhuamed.com.cn

Cholesterol is a kind of lipid molecule and plays an important role in the maintaining the stability of cell membrane. The abnormal cholesterol metabolism can cause a variety of abnormal keratinization genodermatosis, which is reviewed in this article.

cholesterol metabolism; gene mutation; genodermatosis

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院高峰高原計(jì)劃“研究型醫(yī)師”項(xiàng)目(編號(hào)：20161417)

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院，上海，200092

李明，E-mail: liming01@xinhuamed.com.cn