簡述
齶心面綜合徵(velo- cardio- facial syndrome, VCFS)是人類常見的染色體缺失綜合徵之一,缺失基因大多定位於22q 染色體長臂的 22q11.21～q11.23 區。
臨床表現
本綜合徵臨床表型差異較大, 如 DGS 是以CTD、免疫缺陷和低鈣血症為特點, 而 VCFS 則主要表現為齶裂、面容畸形、CTD 及學習障礙, CAFS 則以 CTD 和特殊面容為特徵。目前並無證據顯示, 缺失片段大小與臨床症狀的嚴重程度相關。
心臟畸形
本綜合徵約 75%患有先天性心臟畸形, 主要為動脈錐體乾畸形(conotruncal defects, CTD), 包括法洛四聯症(Tetralogy of Fallot, ITF)、主動脈弓離斷(ventricular septal defect, IAA)、永存動脈乾(truncusarteriosus, TA)、室間隔缺損(ventricular septal defect,VSD)等。各類心臟畸形在 22q11DS 中的發生率並不相同, 其中 17.2%為主動脈弓離斷, 永存動脈乾為10.4%, 法洛四聯症為 25.5%, 肺動脈狹窄為 14.4%。
顱面畸形
齶異常是綜合徵的主要表現之一,75%的患者有齶部發育不良, 其中大部分是黏膜下裂或者齶隱裂。面部特徵在幼兒患者中比較明顯, 在新生兒或者成年患者中無明顯表現。齶部異常也是導致餵養困難、語言障礙的重要原因。其他畸形有: 眶距過寬,瞼裂過短,小眼,眼下斜,瞼裂小,眼距寬;鼻樑低凹,鼻根狹小,鼻翼小,鼻道狹窄,鼻尖突呈燈泡樣;小耳, 疊耳, 方形耳郭; 小口, 唇薄, 人中長, 長臉等。
免疫異常
本綜合徵常伴細胞免疫缺陷。表現為 T 細胞數量減少, 胸腺體積變小。隨著兒童年齡增大, 細胞數量增加, 感染減少; 但也存在胸腺萎縮、T 細胞缺如等現象。患者免疫功能與胸腺大小、缺失片段長短無明確關聯。綜合徵中除常見細胞免疫缺陷外, 還可出現體液免疫缺陷。
內分泌異常
甲狀旁腺發育不良可導致低鈣血症, 新生兒發生低鈣性抽搐、鹼性磷酸酶升高、甲狀旁腺素降低。約 70%的齶心面綜合徵患者在新生兒期出現低鈣血症, 主要表現為血清中甲狀旁腺素低。因甲狀旁腺功能在不同患者乃至不同時期內並非一致, 低鈣血症的發生率或許更高。Taylor 等的研究顯示了低鈣血症出現與血漿生化指標的差異, 建議對 VCFS 患者行血清學篩查。隱性低甲狀旁腺激素血症也可能轉變為低鈣性低甲狀旁腺激素血症。此外, VCFS 患者還可表現為生長遲緩, 其中部分存在生長激素缺乏。
認知與精神異常
學習障礙、認知異常、精神分裂危險增高通常是齶心面綜合徵患者的伴隨症狀, 其中 35%可以發展為精神分裂,成為精神分裂症的第二大致病因素。注意力缺陷或多動症是綜合徵中最常見的精神錯亂表現。成年患者中,強迫症發病率較高,占 32.6%; 之後近 30%的患者表現為精神分裂。精神異常可表現為焦慮、抑鬱、強迫等。而 92.3%的患者有智力障礙。關於精神異常相關基因的研究, 目前認為其與 COMT、PRODH、ZDHHC8、CLDN5、DGCR14 和 DGCR2 等基因存在關聯,其中對 COMT 的研究較多。
形成機制及候選基因
早期咽弓系統的形成
本綜合徵是咽弓系統發育性缺陷。咽弓系統雙側對稱,在前後軸上分隔,並發育成最終器官,其中包括多種胚胎細胞類型。 每一個咽弓均包括內胚層、外胚層、中胚層核心以及咽弓動脈。頭顱神經嵴細胞從後腦尾部的神經褶遷徙分化形成間充質, 圍繞咽弓動脈和中胚層核心。中胚層形成面頸部肌及心臟流出道各部分。神經嵴細胞源性的間充質形成骨骼結構和心血管結構。咽囊由內胚層上皮以後發育形成胸腺和甲狀旁腺。鰓裂被覆的外胚上皮形成外周和感覺神經元的前體細胞。神經嵴細胞遷徙進入第3 、4 、6 咽弓及流出道後, 稱之為心臟神經嵴細胞,形成雙側對稱的 6 對咽弓動脈, 這些咽弓動脈最終特異性地分化為升主動脈、鎖骨下動脈、頸動脈乾、肺動脈的近心段。與此同時, 動脈乾的主動脈和肺動脈進行分割,室間隔形成。
心血管畸形的形成及基因調控
Tbx1 基因編碼蛋白的 DNA 結合區域, 全長約180 個胺基酸, 在細胞核內, 與 DNA 雙螺旋的大溝或小溝上一段全長 24 個鹼基的富含 T 鹼基的保守序列即 T 盒結合, 形成二聚體, 對其下游基因的表達起著調控作用。小鼠模型中, 此基因表達在外胚層、內胚層以及中胚層的核心部位, 但是在神經嵴細胞中沒有表達。同源性失活此基因後, 其表現型與綜合徵高度一致, 如果是亞等位基因的 Tbx1 失活, 則表現出部分綜合徵的特徵。在人類也找到了無22q11 片段缺失, 僅有 TBX1 突變的病例, 表明其在綜合徵的形成中起著重要作用。一些研究表明, 本基因在早期咽系統發育中起著關鍵作用。Tbx1 失活後, 早期的咽弓形成不全或者功能不全。另外因為 Tbx1 在後部咽弓和鰓裂中高度表達, 所以第二到第四咽囊受累嚴重。最近有報告稱, 在小鼠胚胎 7.5(E7.5d)Tbx1 誘導失活和體內細胞命運圖都發現, 其表現型與生殖細胞基因敲除的小鼠表現型一致。
內胚層發育異常使得神經嵴細胞不能完全進入,如 Tbx1–/–模型中,細胞遷徙進入咽系統後部大打折扣。由此表明, Tbx1 缺失後,內胚層不能內陷進入中胚層,咽囊不能形成, 因而咽系統的分隔和神經嵴細胞的遷入關係十分密切。
T bx1 下游的分子通路對正常咽系統也發揮重要作用。小鼠模型證實, 內皮素基因(Edn1)在咽弓上皮、間充質核心軸旁、咽動脈內皮、主動脈盤、甚至動脈乾的內皮上表達; 其產物內皮素(ET1)通常處於失活狀態,但受金屬蛋白酶激活。神經嵴細胞擁有的膜糖蛋白內皮素受體(ETA)結合到 ET1 而使其激活。
實驗證明,如果缺乏 ET1,則神經嵴細胞的 ETA 受體不能被結合,所以後期咽弓動脈發育畸形,永存動脈乾就會產生。如果 ET1-ETA 開關激活,神經嵴細胞可以產生轉錄因子 d-HAND 及其下游的 Msx1。實驗小鼠表明, ET1- /- ; d- HAND- /- ; Msx1- /- 胚胎中, 咽弓及動脈細胞會產生退化性凋亡。另有研究證明,TGF b 也是 ET1 的激活因子。
儘管大量證據表明, Tbx1 基因具有關鍵作用,近來有病例表明, 在無 22q11 缺失的患者依然表現典型的綜合徵表型, 例如包括動脈錐體乾畸形而無學習障礙, 臨床表型和實驗數據基因型之間的差異說明, 綜合徵和非綜合徵性質的 CTD 仍然需要進一步研究,且並非單一基因控制表型形成。也許是 Tbx1下游的信號發揮了關鍵作用, 例如UFD1L 和 HIRA基因參與了表型調控,並且與心臟表型密切相關。另外,在 5q11.2 區域的缺失中, 包含的 Islet- 1 基因同樣作用於 Tbx1 下游的 FGF8 和 FGF10。這些證據需要進一步研究, 來闡明缺失之間的關係。
除 Tbx1 外 , Crkl 也 是 候 選 基 因 之 一 , 位 於22q11 區域。它編碼的連線蛋白受生長因子及局部信號的調控。劑量依賴性的 Tbx1、Crkl 受局部視黃酸信號的作用。然而 Crkl 缺失的小鼠一開始可以形成對稱的咽弓動脈, 與 Tbx1 不同, 說明主動脈弓缺陷發生在咽弓動脈塑形期間。磷酸化的 Crkl 在神經嵴細胞來源的組織中高度表達。在體內外實驗中, Crkl 受到 TGFb 信號的調控; 在神經嵴中特異地阻斷 TGFb 信號,既不影響神經嵴細胞的遷徙, 也不影響咽弓動脈的成形,而影響成熟主動脈系統。這些研究表明, TGFb 和 Crkl 調控遷徙後的神經嵴細胞。心臟畸形的形成多由心臟神經嵴細胞遷徙延遲或者分化異常所致, 而這些過程由多種信號通路控制, 例如 Wnt/b- catenin、Notch、TGFb 超家族成員。
最近, 有研究發現, 神經嵴細胞中轉錄生長因子受體2(transforming growth factor receptor type2, TGFbr2)缺陷, 心臟神經嵴細胞仍然可以正確遷徙主肺動脈分隔區域,但是不能形成平滑肌,最終胚胎死亡。然而,主動脈和大血管的平滑肌不受 TGFbr2 的影響,說明心臟流出道的平滑肌來源於另外的咽中胚層區域即前心區。在此區中, Tbx1 受 Fox 蛋白調控,並在FGF8 和 FGF10 上游發揮作用。所以, Fox 蛋白、Tbx1、FGF8 和 FGF10 可能調控內胚層和前心區前體細胞分化。
顱面部和腺體分化及畸形的形成
心血管的表型常常伴隨胸腺和甲狀旁腺畸形,因而患者通常伴有免疫缺陷和低鈣血征。小鼠胸腺發育從胚胎 10.5(E10.5) 天開始,與此同時, 甲狀旁腺形成。第三咽囊內胚層進入中胚層的上皮細胞, 形成胸腺原基。早期上皮細胞分化成內分泌細胞的機制目前所知甚少, 而且分化過程受到眾多因子的調控,如 Eya1、Six1、Pax- 1、Hox3 和 BMP 信號。另外, Tbx1Shh、Chrd 基因的突變也導致嚴重的胸腺畸形。在 E10.5 天敲除 Tbx1,第三咽囊形成開始後,導致胸腺發育不全,表明在胸腺發育過程中, Tbx1 的作用十分重要。在 E11 天左右,細胞分化成上皮細胞並表達轉錄因子 Foxn1,它能導致胸腺上皮的分化。如此相伴, 甲狀旁腺前體組織是由神經膠質細胞同系相似物(Gcm2)所形成。然而胸腺和甲狀旁腺的分離機制並不清楚。胸腺的分化是胸腺上皮和神經嵴細胞來源的間充質相互作用的結果。而上皮與間充質的作用機制目前並不了解。神經嵴細胞來源的間充質對胸腺前體形成並非必需, 但是自 E11.5 天開始,作用於形成胸腺的 1/3 細胞。後來的發育過程中,胸腺前體吸引淋巴前體細胞和上皮細胞, 分別形成胸腺的皮質和髓質。
顱面部的發育來源於咽弓, 依賴於顱神經嵴細胞的作用。顱神經嵴細胞來自中腦- 後腦區域,位於神經管的前方。其發育分為 3 個階段: ①遷徙進入咽系統,並且精確地分布; ②形成外胚間充質細胞後,神經嵴細胞分化,形成咽弓; ③最終分化成器官,如顱面部的骨、軟骨、結締組織等。遷徙中的顱神經嵴細胞攜帶了定位信息, 並對周圍的咽上皮和中胚層核心的信號產生反應。有趣的是, 當同族配體內皮素Edn1 在咽上皮和中胚層核心表達時, 內皮素受體 A型(Ednra)在遷徙中的神經嵴細胞及外胚間充質細胞中也表達。如果內皮素信號通路受損, 則導致軟骨畸形。內皮素信號在神經嵴細胞到達咽系統後發揮作用, 關係到轉錄因子 Hand1、Hand2 的正確表達。
外胚間充質發育成骨和軟骨的過程同樣依賴於環境信號。顱面部的 TGFβ信號途徑就是代表TGFbr1 (transforming growth factor receptor type 1)和 TGFbr2 編碼基因突變, 通常導致心血管和骨骼表型異常。小鼠 TGFb2 和 TGFb3 配體失活, 導致嚴重的顱面畸形。另外, Hand2 轉錄因子不受 TGFbr2突變的影響, 表明 TGFβ信號在內皮素信號之後發揮作用, 主要針對神經嵴細胞的分化而不是細胞遷徙。也有研究發現, 2 種品系的 TGFbr2 突變小鼠中,神經嵴細胞遷徙正常。其中 TGFbr2 的外顯子 2 和外顯子 4 分別剔除後,其表型不太一致,前者有心血管畸形, 顱面畸形, 而無腺體發育異常。後者在出生後就已死亡,表現為綜合徵的各種表型, 包括心血
管、顱面部、胸腺和甲狀旁腺畸形。重要的是, 外顯子 4 剔除後, TGFBr2 蛋白缺失, 使此類信號不能在咽弓和眼部結構中傳導。並且這些胚胎中含有Axendeld- Rieger 綜合徵的眼部畸形表型。受體缺陷細胞不能表達關鍵轉錄因子使器官分化。TGFβ信號對外胚間充質中神經嵴來源細胞正常表達 Sox9是必需的, 而 Sox9 是一個轉錄因子, 對骨- 軟骨前體細胞從神經嵴中分化也是必需的。TGFβ信號缺陷的外胚間充質細胞不能使 Crkl 磷酸化, 而磷酸化Crkl 蛋白在形成流出道的心臟神經嵴細胞中並未發現, 提示 Crkl 調控外胚間充質及心臟神經嵴細胞之外的一些信號,而不依賴神經嵴細胞。另外, Crkl 和TGFbr2△ex4 突變能發展成綜合徵, 更加說明了TGFβ信號和 Crkl 的聯合作用。然而, 與 TGFbr2△ex4 突變相比, Crkl 突變表現出較輕的症狀, 表明TGFβ信號獨立於 Crkl 信號。Crkl 還與 FGF 信號發生作用, Crkl 通常在咽囊中調控 FGF8 目標基因。另外,小鼠成纖維細胞中, Crkl 是 FGF8 的下游信號, 更加說明 Crkl 可以調控細胞間信號[29,36]。
對斑馬魚的研究顯示, FGF 配體和受體在軟骨和頭顱發育中起關鍵作用; FGF10 純合子突變小鼠表現為繼發齶齶裂; 條件性 FGFbr2 失活導致成骨細胞分化,骨形成下降。有趣的是,在神經嵴細胞特異的 TGFbr2 失活, FGF2 及 FGFr2 下調,額骨原基分化下降, 提示 FGF 可能是頭顱部 TGFβ信號的下游信號。
