标题：腭心面综合征
简述
腭心面综合征(velo- cardio- facial syndrome, VCFS)是人类常见的染色体缺失综合征之一,缺失基因大多定位于22q 染色体长臂的 22q11.21～q11.23 区。
临床表现
本综合征临床表型差异较大, 如 DGS 是以CTD、免疫缺陷和低钙血症为特点, 而 VCFS 则主要表现为腭裂、面容畸形、CTD 及学习障碍, CAFS 则以 CTD 和特殊面容为特征。目前并无证据显示, 缺失片段大小与临床症状的严重程度相关。
1 心脏畸形本综合征约 75%患有先天性心脏畸形, 主要为动脉锥体干畸形(conotruncal defects, CTD), 包括法洛四联症(Tetralogy of Fallot, ITF)、主动脉弓离断(ventricular septal defect, IAA)、永存动脉干(truncusarteriosus, TA)、室间隔缺损(ventricular septal defect,VSD)等。各类心脏畸形在 22q11DS 中的发生率并不相同, 其中 17.2%为主动脉弓离断, 永存动脉干为10.4%, 法洛四联症为 25.5%, 肺动脉狭窄为 14.4%。
2 颅面畸形腭异常是综合征的主要表现之一,75%的患者有腭部发育不良, 其中大部分是黏膜下裂或者腭隐裂。面部特征在幼儿患者中比较明显, 在新生儿或者成年患者中无明显表现。腭部异常也是导致喂养困难、语言障碍的重要原因。其他畸形有: 眶距过宽,睑裂过短,小眼,眼下斜,睑裂小,眼距宽;鼻梁低凹,鼻根狭小,鼻翼小,鼻道狭窄,鼻尖突呈灯泡样;小耳, 叠耳, 方形耳郭; 小口, 唇薄, 人中长, 长脸等。
3 免疫异常本综合征常伴细胞免疫缺陷。表现为 T 细胞数量减少, 胸腺体积变小。随着儿童年龄增大, 细胞数量增加, 感染减少; 但也存在胸腺萎缩、T 细胞缺如等现象。患者免疫功能与胸腺大小、缺失片段长短无明确关联。综合征中除常见细胞免疫缺陷外, 还可出现体液免疫缺陷。
4 内分泌异常甲状旁腺发育不良可导致低钙血症, 新生儿发生低钙性抽搐、碱性磷酸酶升高、甲状旁腺素降低。约 70%的腭心面综合征患者在新生儿期出现低钙血症, 主要表现为血清中甲状旁腺素低。因甲状旁腺功能在不同患者乃至不同时期内并非一致, 低钙血症的发生率或许更高。Taylor 等的研究显示了低钙血症出现与血浆生化指标的差异, 建议对 VCFS 患者行血清学筛查。隐性低甲状旁腺激素血症也可能转变为低钙性低甲状旁腺激素血症。此外, VCFS 患者还可表现为生长迟缓, 其中部分存在生长激素缺乏。
5 认知与精神异常学习障碍、认知异常、精神分裂危险增高通常是腭心面综合征患者的伴随症状, 其中 35%可以发展为精神分裂,成为精神分裂症的第二大致病因素。注意力缺陷或多动症是综合征中最常见的精神错乱表现。成年患者中,强迫症发病率较高,占 32.6%; 之后近 30%的患者表现为精神分裂。精神异常可表现为焦虑、抑郁、强迫等。而 92.3%的患者有智力障碍。关于精神异常相关基因的研究, 目前认为其与 COMT、PRODH、ZDHHC8、CLDN5、DGCR14 和 DGCR2 等基因存在关联,其中对 COMT 的研究较多。
形成机制及候选基因
1 早期咽弓系统的形成本综合征是咽弓系统发育性缺陷。咽弓系统双侧对称,在前后轴上分隔,并发育成最终器官,其中包括多种胚胎细胞类型。 每一个咽弓均包括内胚层、外胚层、中胚层核心以及咽弓动脉。头颅神经嵴细胞从后脑尾部的神经褶迁徙分化形成间充质, 围绕咽弓动脉和中胚层核心。中胚层形成面颈部肌及心脏流出道各部分。神经嵴细胞源性的间充质形成骨骼结构和心血管结构。咽囊由内胚层上皮以后发育形成胸腺和甲状旁腺。鳃裂被覆的外胚上皮形成外周和感觉神经元的前体细胞。神经嵴细胞迁徙进入第3 、4 、6 咽弓及流出道后, 称之为心脏神经嵴细胞,形成双侧对称的 6 对咽弓动脉, 这些咽弓动脉最终特异性地分化为升主动脉、锁骨下动脉、颈动脉干、肺动脉的近心段。与此同时, 动脉干的主动脉和肺动脉进行分割,室间隔形成。2 心血管畸形的形成及基因调控Tbx1 基因编码蛋白的 DNA 结合区域, 全长约180 个氨基酸, 在细胞核内, 与 DNA 双螺旋的大沟或小沟上一段全长 24 个碱基的富含 T 碱基的保守序列即 T 盒结合, 形成二聚体, 对其下游基因的表达起着调控作用。小鼠模型中, 此基因表达在外胚层、内胚层以及中胚层的核心部位, 但是在神经嵴细胞中没有表达。同源性失活此基因后, 其表现型与综合征高度一致, 如果是亚等位基因的 Tbx1 失活, 则表现出部分综合征的特征。在人类也找到了无22q11 片段缺失, 仅有 TBX1 突变的病例, 表明其在综合征的形成中起着重要作用。一些研究表明, 本基因在早期咽系统发育中起着关键作用。Tbx1 失活后, 早期的咽弓形成不全或者功能不全。另外因为 Tbx1 在后部咽弓和鳃裂中高度表达, 所以第二到第四咽囊受累严重。最近有报告称, 在小鼠胚胎 7.5(E7.5d)Tbx1 诱导失活和体内细胞命运图都发现, 其表现型与生殖细胞基因敲除的小鼠表现型一致。
内胚层发育异常使得神经嵴细胞不能完全进入,如 Tbx1–/–模型中,细胞迁徙进入咽系统后部大打折扣。由此表明, Tbx1 缺失后,内胚层不能内陷进入中胚层,咽囊不能形成, 因而咽系统的分隔和神经嵴细胞的迁入关系十分密切。
T     bx1 下游的分子通路对正常咽系统也发挥重要作用。小鼠模型证实, 内皮素基因(Edn1)在咽弓上皮、间充质核心轴旁、咽动脉内皮、主动脉盘、甚至动脉干的内皮上表达; 其产物内皮素(ET1)通常处于失活状态,但受金属蛋白酶激活。神经嵴细胞拥有的膜糖蛋白内皮素受体(ETA)结合到 ET1 而使其激活。
实验证明,如果缺乏 ET1,则神经嵴细胞的 ETA 受体不能被结合,所以后期咽弓动脉发育畸形,永存动脉干就会产生。如果 ET1-ETA 开关激活,神经嵴细胞可以产生转录因子 d-HAND 及其下游的 Msx1。实验小鼠表明, ET1- /- ; d- HAND- /- ; Msx1- /- 胚胎中, 咽弓及动脉细胞会产生退化性凋亡。另有研究证明,TGF b 也是 ET1 的激活因子。
尽管大量证据表明, Tbx1 基因具有关键作用,近来有病例表明, 在无 22q11 缺失的患者依然表现典型的综合征表型, 例如包括动脉锥体干畸形而无学习障碍, 临床表型和实验数据基因型之间的差异说明, 综合征和非综合征性质的 CTD 仍然需要进一步研究,且并非单一基因控制表型形成。也许是 Tbx1下游的信号发挥了关键作用, 例如UFD1L 和 HIRA基因参与了表型调控,并且与心脏表型密切相关。另外,在 5q11.2 区域的缺失中, 包含的 Islet- 1 基因同样作用于 Tbx1 下游的 FGF8 和 FGF10。这些证据需要进一步研究, 来阐明缺失之间的关系。
除 Tbx1 外 , Crkl 也 是 候 选 基 因 之 一 , 位 于22q11 区域。它编码的连接蛋白受生长因子及局部信号的调控。剂量依赖性的 Tbx1、Crkl 受局部视黄酸信号的作用。然而 Crkl 缺失的小鼠一开始可以形成对称的咽弓动脉, 与 Tbx1 不同, 说明主动脉弓缺陷发生在咽弓动脉塑形期间。磷酸化的 Crkl 在神经嵴细胞来源的组织中高度表达。在体内外实验中, Crkl 受到 TGFb 信号的调控; 在神经嵴中特异地阻断 TGFb 信号,既不影响神经嵴细胞的迁徙, 也不影响咽弓动脉的成形,而影响成熟主动脉系统。这些研究表明, TGFb 和 Crkl 调控迁徙后的神经嵴细胞。心脏畸形的形成多由心脏神经嵴细胞迁徙延迟或者分化异常所致, 而这些过程由多种信号通路控制, 例如 Wnt/b- catenin、Notch、TGFb 超家族成员。
最近, 有研究发现, 神经嵴细胞中转录生长因子受体2(transforming growth factor receptor type2, TGFbr2)缺陷, 心脏神经嵴细胞仍然可以正确迁徙主肺动脉分隔区域,但是不能形成平滑肌,最终胚胎死亡。然而,主动脉和大血管的平滑肌不受 TGFbr2 的影响,说明心脏流出道的平滑肌来源于另外的咽中胚层区域即前心区。在此区中, Tbx1 受 Fox 蛋白调控,并在FGF8 和 FGF10 上游发挥作用。所以, Fox 蛋白、Tbx1、FGF8 和 FGF10 可能调控内胚层和前心区前体细胞分化。
3 颅面部和腺体分化及畸形的形成心血管的表型常常伴随胸腺和甲状旁腺畸形,因而患者通常伴有免疫缺陷和低钙血征。小鼠胸腺发育从胚胎 10.5(E10.5) 天开始,与此同时, 甲状旁腺形成。第三咽囊内胚层进入中胚层的上皮细胞, 形成胸腺原基。早期上皮细胞分化成内分泌细胞的机制目前所知甚少, 而且分化过程受到众多因子的调控,如 Eya1、Six1、Pax- 1、Hox3 和 BMP 信号。另外, Tbx1Shh、Chrd 基因的突变也导致严重的胸腺畸形。在 E10.5 天敲除 Tbx1,第三咽囊形成开始后,导致胸腺发育不全,表明在胸腺发育过程中, Tbx1 的作用十分重要。在 E11 天左右,细胞分化成上皮细胞并表达转录因子 Foxn1,它能导致胸腺上皮的分化。如此相伴, 甲状旁腺前体组织是由神经胶质细胞同系相似物(Gcm2)所形成。然而胸腺和甲状旁腺的分离机制并不清楚。胸腺的分化是胸腺上皮和神经嵴细胞来源的间充质相互作用的结果。而上皮与间充质的作用机制目前并不了解。神经嵴细胞来源的间充质对胸腺前体形成并非必需, 但是自 E11.5 天开始,作用于形成胸腺的 1/3 细胞。后来的发育过程中,胸腺前体吸引淋巴前体细胞和上皮细胞, 分别形成胸腺的皮质和髓质。
颅面部的发育来源于咽弓, 依赖于颅神经嵴细胞的作用。颅神经嵴细胞来自中脑- 后脑区域,位于神经管的前方。其发育分为 3 个阶段: ①迁徙进入咽系统,并且精确地分布; ②形成外胚间充质细胞后,神经嵴细胞分化,形成咽弓; ③最终分化成器官,如颅面部的骨、软骨、结缔组织等。迁徙中的颅神经嵴细胞携带了定位信息, 并对周围的咽上皮和中胚层核心的信号产生反应。有趣的是, 当同族配体内皮素Edn1 在咽上皮和中胚层核心表达时, 内皮素受体 A型(Ednra)在迁徙中的神经嵴细胞及外胚间充质细胞中也表达。如果内皮素信号通路受损, 则导致软骨畸形。内皮素信号在神经嵴细胞到达咽系统后发挥作用, 关系到转录因子 Hand1、Hand2 的正确表达。
外胚间充质发育成骨和软骨的过程同样依赖于环境信号。颅面部的 TGFβ信号途径就是代表TGFbr1 (transforming growth factor receptor type 1)和 TGFbr2 编码基因突变, 通常导致心血管和骨骼表型异常。小鼠 TGFb2 和 TGFb3 配体失活, 导致严重的颅面畸形。另外, Hand2 转录因子不受 TGFbr2突变的影响, 表明 TGFβ信号在内皮素信号之后发挥作用, 主要针对神经嵴细胞的分化而不是细胞迁徙。也有研究发现, 2 种品系的 TGFbr2 突变小鼠中,神经嵴细胞迁徙正常。其中 TGFbr2 的外显子 2 和外显子 4 分别剔除后,其表型不太一致,前者有心血管畸形, 颅面畸形, 而无腺体发育异常。后者在出生后就已死亡,表现为综合征的各种表型, 包括心血
管、颅面部、胸腺和甲状旁腺畸形。重要的是, 外显子 4 剔除后, TGFBr2 蛋白缺失, 使此类信号不能在咽弓和眼部结构中传导。并且这些胚胎中含有Axendeld- Rieger 综合征的眼部畸形表型。受体缺陷细胞不能表达关键转录因子使器官分化。TGFβ信号对外胚间充质中神经嵴来源细胞正常表达 Sox9是必需的, 而 Sox9 是一个转录因子, 对骨- 软骨前体细胞从神经嵴中分化也是必需的。TGFβ信号缺陷的外胚间充质细胞不能使 Crkl 磷酸化, 而磷酸化Crkl 蛋白在形成流出道的心脏神经嵴细胞中并未发现, 提示 Crkl 调控外胚间充质及心脏神经嵴细胞之外的一些信号,而不依赖神经嵴细胞。另外, Crkl 和TGFbr2△ex4 突变能发展成综合征, 更加说明了TGFβ信号和 Crkl 的联合作用。然而, 与 TGFbr2△ex4 突变相比, Crkl 突变表现出较轻的症状, 表明TGFβ信号独立于 Crkl 信号。Crkl 还与 FGF 信号发生作用, Crkl 通常在咽囊中调控 FGF8 目标基因。另外,小鼠成纤维细胞中, Crkl 是 FGF8 的下游信号, 更加说明 Crkl 可以调控细胞间信号[29,36]。
对斑马鱼的研究显示, FGF 配体和受体在软骨和头颅发育中起关键作用; FGF10 纯合子突变小鼠表现为继发腭腭裂; 条件性 FGFbr2 失活导致成骨细胞分化,骨形成下降。有趣的是,在神经嵴细胞特异的 TGFbr2 失活, FGF2 及 FGFr2 下调,额骨原基分化下降, 提示 FGF 可能是头颅部 TGFβ信号的下游信号。