唐氏綜合征神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙疾病模型的構(gòu)建及發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展▲

梁文墾 龔蔚蔚 侯顯良 莫春娥 歐明林

(1 桂林醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院中心實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林市 541199，電子郵箱：wenken199510@163.com； 2 廣西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，桂林市 541006)

【提要】 唐氏綜合征是人類(lèi)常見(jiàn)的染色體數(shù)目異常疾病，臨床上，先天性智力障礙是唐氏綜合征的主要表型之一，為此，探討唐氏綜合征神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙的機(jī)制尤為重要。建立動(dòng)物和細(xì)胞疾病模型是研究疾病的關(guān)鍵，本研究報(bào)道了較為成熟的唐氏綜合征疾病小鼠模型及細(xì)胞模型，同時(shí)綜合了國(guó)內(nèi)外近年研究結(jié)果，對(duì)唐氏綜合征神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙的發(fā)病機(jī)制，包括氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙和21號(hào)染色體基因劑量異常的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行綜述，以期為唐氏綜合征患兒早期預(yù)防和治療神經(jīng)系統(tǒng)異常提供參考。

唐氏綜合征又被稱(chēng)為21-三體綜合征，是人類(lèi)常見(jiàn)的染色體數(shù)目異常疾病，其發(fā)病與患者的21號(hào)染色體數(shù)目異常有關(guān)。唐氏綜合征的發(fā)病率約為1 ∶800～1 ∶750，并且胎兒的發(fā)病率隨著孕婦年齡的增加而增高。隨著產(chǎn)前診斷技術(shù)的不斷進(jìn)步，該病發(fā)病率呈下降趨勢(shì)[1]。但是，我國(guó)城鄉(xiāng)醫(yī)療發(fā)展水平與城市并不平衡，且部分家庭缺乏產(chǎn)前診斷意識(shí)，導(dǎo)致我國(guó)每年新增唐氏綜合征患兒高達(dá)2.6萬(wàn)例。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每例唐氏綜合征患兒出生所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)為人民幣45萬(wàn)元，其中2003年全國(guó)的總經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)高達(dá)81.40億元[2]。唐氏綜合征患兒常伴有先天性智力低下、發(fā)育遲緩、面容體征異常、先天性心臟疾病、急性白血病、先天性消化器官畸形以及阿爾茨海默病等嚴(yán)重臨床病癥[3-4]。目前，該病尚無(wú)有效的根治方法，僅限于簡(jiǎn)單的對(duì)癥治療，對(duì)癥治療在一定程度上可改善患者的智力水平及自理能力。在臨床上，先天性智力障礙是唐氏綜合征的主要表型之一[5]，其發(fā)病與患者神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙有關(guān)。目前，不少研究證實(shí)了該病神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙與患者體細(xì)胞21號(hào)染色體(homo sapiens chromosome 21，HSA21)基因劑量改變引起的氧化應(yīng)激有關(guān)[6-7]。通過(guò)基因芯片及其他分子生物學(xué)技術(shù)證實(shí)大多數(shù)基因劑量敏感型的HSA21基因表達(dá)量與基因拷貝數(shù)成正比，即HSA21三倍體與二倍體基因相對(duì)表達(dá)量比值約為1.5[2,8]。因此，建立唐氏綜合征疾病模型，不僅能深入認(rèn)識(shí)先天性智力障礙的發(fā)病機(jī)制，也有助于治療藥物的篩選。本文主要對(duì)唐氏綜合征神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙模型的構(gòu)建及發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 唐氏綜合征神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙模型的構(gòu)建

1.1 動(dòng)物模型 目前，通過(guò)電離輻射構(gòu)建唐氏綜合征小鼠模型較為成熟，其中該方法建立的Ts65Dn小鼠模型應(yīng)用最為廣泛[9]。Davisson等[10]利用電離輻射雄性小鼠精巢，隨后與未經(jīng)電離輻射處理的雌鼠進(jìn)行雜交，并選育16號(hào)染色體易位的子代作為模型小鼠。一些研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠體內(nèi)重復(fù)HSA21的同源片段能夠展示唐氏綜合征患者的部分表型，其中包括類(lèi)似的認(rèn)知、行為、生理及神經(jīng)細(xì)胞形態(tài)等[11]。例如，唐氏綜合征模型小鼠的神經(jīng)細(xì)胞發(fā)育存在明顯障礙，可觀察到樹(shù)突分支數(shù)量及形態(tài)異常、樹(shù)突棘成熟障礙和神經(jīng)元之間的連接較少等現(xiàn)象[12]。但是，唐氏綜合征小鼠模型的應(yīng)用也存在較大的局限性。首先，由于存在種間差異，小鼠與人類(lèi)的遺傳背景并不完全相同，使得同一基因型導(dǎo)致的疾病表型不同[13]。其次，與人類(lèi)HSA21相同的基因分布于小鼠的不同染色體上，如16、17和10號(hào)染色體[14-15]。最后，人類(lèi)神經(jīng)系統(tǒng)的構(gòu)造更為復(fù)雜，利用小鼠模型模擬患者的神經(jīng)系統(tǒng)存在極大的困難。

1.2 細(xì)胞模型 患者來(lái)源的原代細(xì)胞具有與患者相同的遺傳背景，是研究唐氏綜合征神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙的重要工具之一[16]。然而，原代細(xì)胞數(shù)量有限且難以在體外培養(yǎng)擴(kuò)增，其應(yīng)用前景相對(duì)有限。近年來(lái)，不少研究證實(shí)了患者來(lái)源的疾病特異誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cell，iPSC)是人類(lèi)染色體遺傳性疾病研究的理想工具之一[17]。iPSC是諾貝爾獎(jiǎng)獲得者山中伸彌2006年利用病毒載體將四種轉(zhuǎn)錄因子(Oct4、Sox2、Klf4及c-Myc)轉(zhuǎn)入體細(xì)胞，使其重新編程為類(lèi)似胚胎干細(xì)胞的一種細(xì)胞類(lèi)型[18-19]。針對(duì)唐氏綜合征iPSC細(xì)胞系的多個(gè)研究證實(shí)，唐氏綜合征特異iPSC分化后，其神經(jīng)元形態(tài)異常以及功能障礙[20-21]。此外，Sobol等[22]發(fā)現(xiàn)，唐氏綜合征iPSC在分化過(guò)程中關(guān)鍵信號(hào)通路及細(xì)胞功能發(fā)生失調(diào)，且HSA21上的相關(guān)基因異常表達(dá)，其中包括導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞發(fā)育紊亂的淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein,APP)。但是，人類(lèi)腦組織是由不同類(lèi)型的細(xì)胞相互作用而成，一般的疾病細(xì)胞模型并不能重現(xiàn)人腦的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用前景相對(duì)有限[23]。值得關(guān)注的是，唐氏綜合征特異iPSC來(lái)源的類(lèi)腦器官似乎可以突破細(xì)胞模型的局限性，Sutcliffe等[23]將唐氏綜合征患者體細(xì)胞來(lái)源的iPSC置于三維旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器中培養(yǎng)數(shù)月，生成的類(lèi)腦器官具有三維結(jié)構(gòu)，能夠重現(xiàn)人腦的部分功能，為進(jìn)一步研究唐氏綜合征神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙及其致病機(jī)理提供了模型基礎(chǔ)。

2 唐氏綜合征神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙的發(fā)病機(jī)制

2.1 氧化應(yīng)激 近些年，不少研究證實(shí)了患者腦組織氧化應(yīng)激水平上調(diào)是唐氏綜合征的早期病理特征之一[24-26]。唐氏綜合征氧化還原蛋白質(zhì)組學(xué)分析表明，唐氏綜合征患者體內(nèi)許多參與細(xì)胞生理過(guò)程的蛋白質(zhì)被氧化修飾，進(jìn)而導(dǎo)致患者體細(xì)胞能量代謝及線粒體功能障礙[27]。值得關(guān)注的是，HSA21上的一些基因直接或間接地促進(jìn)自由基的產(chǎn)生進(jìn)而改變了腦細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)[8]，其中超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1，SOD1)、APP以及轉(zhuǎn)錄因子BACH1已被證實(shí)是活性氧誘導(dǎo)劑[26,28]， 活性氧水平上調(diào)是導(dǎo)致氧化應(yīng)激的關(guān)鍵因素之一[6,29]。

隨著唐氏綜合征神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙的作用機(jī)理得到進(jìn)一步的闡明，抗氧化劑似乎成為一種有效的治療手段。Lockrow等[30]發(fā)現(xiàn),給予唐氏綜合征小鼠模型每日補(bǔ)充50 mg維生素E，5個(gè)月后小鼠的氧化應(yīng)激水平下降并且空間記憶能力得到改善。另一項(xiàng)研究報(bào)道了唐氏綜合征小鼠從早期發(fā)育階段開(kāi)始給予維生素E處理(每千克食物加入1 g維生素E)，發(fā)現(xiàn)小鼠脂質(zhì)過(guò)氧化物水平下調(diào)，且海馬齒狀回組織中神經(jīng)細(xì)胞數(shù)量明顯提高[31]。在一項(xiàng)臨床試驗(yàn)中，給予唐氏綜合征患者每日維生素E 400 mg及維生素C 500 mg進(jìn)行治療，發(fā)現(xiàn)6個(gè)月后患者脂質(zhì)過(guò)氧化物水平下調(diào)，全身性氧化損傷減輕[32]。輔酶Q10是一種脂溶性抗氧化劑，具有清除自由基的作用[33]，Zaki等[34]發(fā)現(xiàn)唐氏綜合征患兒的血小板及淋巴細(xì)胞中的輔酶Q10表達(dá)顯著下調(diào)，且輔酶Q10的表達(dá)與患兒的智商成正比。另一項(xiàng)唐氏綜合征患兒的雙盲試驗(yàn)結(jié)果表明，輔酶Q10可抑制患兒DNA中嘧啶堿基的氧化損傷[35]。考慮其原因?yàn)?，輔酶Q10具有良好的抗氧化潛能，能夠阻止DNA及神經(jīng)細(xì)胞受到氧化損傷[36]。

2.2 線粒體功能障礙 線粒體是細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸的主要場(chǎng)所，被稱(chēng)為“細(xì)胞動(dòng)力工廠”，其在神經(jīng)細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中起到關(guān)鍵的作用[37]。研究表明，細(xì)胞內(nèi)分子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑異常導(dǎo)致的線粒體功能障礙，對(duì)神經(jīng)細(xì)胞發(fā)育成熟過(guò)程及神經(jīng)可塑性產(chǎn)生了不利的影響[38-39]。此外，研究還證實(shí)了ATP的合成以及氧化還原平衡在人類(lèi)神經(jīng)細(xì)胞發(fā)育成熟過(guò)程中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用[39]。因此，深入探討線粒體功能障礙在唐氏綜合征神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙中的作用具有重要意義。

線粒體脂質(zhì)膜呼吸鏈酶復(fù)合體Ⅰ是呼吸鏈上的重要組成元件，其是第一個(gè)也是最大的復(fù)合體，是電子進(jìn)入氧化磷酸化系統(tǒng)的主要通道[40]。在線粒體內(nèi)，呼吸鏈酶復(fù)合體Ⅰ活性受到蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)介導(dǎo)的氧化磷酸化調(diào)控[40-41]，環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)/PKA分子信號(hào)通路顯著影響著線粒體功能。近年來(lái)，唐氏綜合征小鼠模型的研究結(jié)果顯示，海馬體組織中PKA活性顯著下降，呼吸鏈酶復(fù)合體Ⅰ中的NADH脫氫酶Fe-S蛋白4亞基磷酸化比例減少，活性顯著下降[40,42-43]。此外，還有研究證實(shí)唐氏綜合征患者線粒體中呼吸鏈及其內(nèi)膜氧化磷酸化受抑制時(shí)，會(huì)導(dǎo)致cAMP/PKA信號(hào)通路的關(guān)鍵調(diào)控分子活性氧水平上調(diào)、ATP產(chǎn)量下降[44]。

2.3 21號(hào)染色體基因劑量異常 目前，有研究提示唐氏綜合征患者HSA21基因劑量異常導(dǎo)致SOD1基因過(guò)度表達(dá)可能是引起細(xì)胞活性氧水平上調(diào)的重要因素[45]。當(dāng)然，另外一些研究也顯示，唐氏綜合征患者HSA21上的其他基因過(guò)度表達(dá)對(duì)疾病發(fā)展也同樣發(fā)揮著重要作用[8,46]。不少研究表明，APP基因的表達(dá)與β-淀粉樣蛋白的產(chǎn)生呈正比關(guān)系，二者都可能通過(guò)干擾線粒體功能來(lái)促進(jìn)活性氧的生成[47]。最近，有研究報(bào)道唐氏綜合征患者的腦組織中BACH1基因過(guò)度表達(dá)，其編碼的BACH1是一種亮氨酸拉鏈蛋白，起到抑制抗氧化基因轉(zhuǎn)錄的作用[48]。核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2)蛋白通過(guò)激活抗氧化反應(yīng)元件來(lái)介導(dǎo)多種抗氧化酶的產(chǎn)生，如NADPH醌氧化還原酶1、血紅素加氧酶1[49-50]。研究表明，BACH1蛋白可與Nrf2蛋白競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合抗氧化基因，當(dāng)唐氏綜合征患者體細(xì)胞BACH1蛋白上調(diào)時(shí)，抗氧化基因轉(zhuǎn)錄過(guò)程受到抑制，進(jìn)而使得患者氧化應(yīng)激水平上調(diào)[28,31]?？傊琀SA21上的SOD1、APP及BACH1基因過(guò)度表達(dá)是唐氏綜合征患者氧化應(yīng)激水平上調(diào)的重要因素，篩選無(wú)副作用的抑制性藥物具有重要意義。

3 小 結(jié)

隨著學(xué)者們對(duì)唐氏綜合征動(dòng)物疾病模型的探索和人類(lèi)唐氏綜合征發(fā)病機(jī)制了解的深入，發(fā)現(xiàn)唐氏綜合征神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙可能與氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙和SOD1、APP及BACH1基因過(guò)度表達(dá)有關(guān)。為此，筆者提出早期應(yīng)用抗氧化劑、線粒體治療及抑制致病基因表達(dá)將是治療唐氏綜合征的突破口。但由于該病涉及的致病分子機(jī)制尚未被完全闡明，動(dòng)物模型探索、致病機(jī)制研究及開(kāi)發(fā)新藥干預(yù)仍然任重而道遠(yuǎn)。