脆性X综合征FMR1基因研究进展

脆性X综合征FMR1基因研究进展 中国妇幼健康研究2006年第17卷第5期415 脆性X综合征FMR1基因研究进展 罗莉,邬晋芳,夏露 (西安交通大学医学院第二附属医院,陕西西安71ooo4) [摘要]脆性x综合征是常见的遗传性智力低下综合征,是x连锁不完全显性遗传病, 其发病机理是脆性x智力 端非翻译区(cGG)n三核苷酸串联重复序列大量扩增和CpG岛异低下1号基因5, 常甲基化,引起脆性x智力低下1号 基因失活,导致脆性X智力低下1号蛋白的缺失引起智力低下.该文对脆性X智力 低下1号蛋白生物学功能.脆性X智 力低下1号基因异常的分子等方面国内外研究最新进展作以综述. [关键词]脆性x综合征;脆性x智力低下1号基因;脆性x智力低下1号蛋白;三核 苷酸串连重复 [中图分类号]R394[文献标识码]A[文章编号]1673—5293(2006)05-0415-03 ProgressinresearchonFMR1geneinfragileXsyndrome LUOLi.WUJin—fang,XIALu (DepartmentofGynecologyandObstetrics,TheSecondAffiliatedHospitalofMedicalCollege, xi'anJiaotongUh阴i匐P,ShaanxiXi'an710004,China) [Abstract]FragileXsyndrome,amostcommonhereditaryfeeblemindednesssyndrome,isaX—linkedincompletedominantgenetic disease.Theprogressiveexpansionofpolymorphie(CGG)ntrinueleotiderepeatsinpromoterregionofFMR1geneatXq27.3and methylationofCpGislandcauseinactivationofFMR1,ThemutationsinFMR1leadtolackofFMRP,resultinginfeeblemindedness (fragileXsyndrome),Inthisreview,wesummarizedbiologicalfunctionsofFMRP,andmole cularmechanismoffragileXsyndrome, [Keywords]fragileXsyndrome;FMR1gene;FMRP;tnucleotiderepeat 脆性x综合征(fragileXsyndrome,FraX)是一种发病率 仅次于先天愚型的遗传性先天性智力低下综合征,是x连锁 不完全显性遗传病,在人群中发病率男性约1/4000,女性约 1/8000,该病是由x染色体上的脆性x智力低下1号基因 (fragileXretardation一1,FMR1)缺陷引起FMR1蛋白(fragileX retardation.1protein,FMRP)合成减少,导致FraX.患者的体 征,认知及行为特征取决于性别和分子突变情况,主要临床特 征为:?轻度到重度的智力低下,并随着年龄有加重趋势,伴 有不同程度的体型异常,过长的脸,突出的下颌和额头,大耳, 高腭弓等;?交流和行为障碍,大多数患者害羞,目光接触逃 避,自闭样行为,或者多动,注意力不集中.阐述这一常见遗 传病的发病机理是近几年的研究热点,现将这方面国内外的 新进展予以综述. 1脆性X智力低下1号基因的结构 Verkert等(1991年)应用定位克隆法在Xq27.3处克隆 了FMR1基因.FMR1基因是一个高度保守的基因,含17个 外显子,全长38Kb,在3末端剪接可形成不同的mRNA和蛋 白质,在5端的非翻译区有一个(CGG)n的重复序列,其上游 250bp存在CpG岛. 2脆性X智力低下1号基因的功能研究 FMRP是脆性X相关蛋白(FXRP)的成员之一.现在已 知至少有两种脆性x相关蛋白1和2(FXRP1和FXRP2),对 其他FXRP鉴定并且明确它们与FMRP的关系有助于深入了 解FMRP的功能和FraX的发病机理.FMRP主要位于细胞 质,结构中含有结合RNA的结构域:在外显子8,10,15处的2 个内源重复序列KH结构域及富含精氨酸和甘氨酸的RGG 盒.同时还有1细胞核定位信号(nuelearlocalizationsignal, NLS)区域和细胞核输出信号(nuclearexpertsignal,NES)区 域.FMRP借助NIS转位到神经元细胞核,在细胞核内通过 KH区域和RGG盒与特定RNA转录子组装成信使核糖核蛋 白(messengerribonueleoprotein,mRNP)复合物.FMRP—mRNP 复合物借助NES转运出细胞核,在胞体直接结合核糖体或与 RNA介导的沉默复合体(RNA.inducedsilencingcomplex, RISC)连接后再与核糖体结合,FMRP—mRNP复合体(有或无 RISC)在神经细胞内调节蛋白合成或输送到树突局部参与调 节突触信号反应特定蛋白的达. 2.1脆性x智力低下1号蛋白相互作用的RNA FMRP与mRNA的结合需要G一四聚体结构…,FMRP结 合于G一四聚体的RGG盒编码区,RGG盒决定了特异的 mRNA与FMRP结合.有研究表明FMRP借助树突处非编码 RNABC1作用于靶mRNA,BC1RNA紧靠多聚腺嘌呤,有丰 富的嘧啶碱基,与多聚鸟嘌呤互补配对,同时BC1可以与 FMRP及mRNA结合,故认为是BCI介导FMRP与特定的 mRNA结合,完成对靶mRNA的翻译调控J.最近有研究认 为RNA相互作用蛋白(FMRPandanRNAtransportfactor, IMP1)是FMRP和mRNA结合的中介. [收稿日期]2006-01.26 [作者简介]罗莉(1978一),女,在读硕士研究生,主要从事优生遗传及不孕症的研究 [通讯作者]邬晋芳,副教授. 416ChineseJournalofMaternalandChilditealthResearchVo1.17No.52006 有些酶蛋白[4j(thekinesinsuperfamilyofproteins,KIFs) 参与FMRP—mRNP的转运.最近KIF5与FMRP—mRNAs 结合后可双向移动复合体,同时通过KIF5表达的上调和下调 调整移动的快慢.酶与FMRP—mRNP间如何相互作用仍在 研究中.因此,FMRP连接和转运RNA是动态的,可调节的 过程. 2.2脆性x智力低下1号蛋白以mRNA为中介调节翻译 许多研究都提示FMRP通过调节mRNA的翻译和蛋白 质的合成来影响突触的形成和功能.FMRP通过两种机制调 节翻译:?FMRP结合的多核糖体的磷酸化.哺乳动物和 果蝇中人FMR1的同系物dFMR1在磷酸化位点磷酸化后, FMRP对与之结合的mRNA的翻译抑制作用加强,而磷酸酶 去磷酸化则抑制作用减弱.因此FMRP结合的多核糖体磷酸 化和去磷酸化可以作为FMRP调节翻译的信号;?新近发现 RNA干涉(RNAinterference,RNAi)是FMRP调节翻译的主要 机制.在果蝇中发现dFMR1可以与多种成分组成复合体,这 些复合体是RNA诱导的沉默复合体(RNA—inducedsilencing complex,msc)的基本成分.最近研究发现AGO1是RISC的 关键成分,可以减少dFMR1过度表达的凋亡,同时AGO1对 dFMR1调节突触可塑性是必需的"j. 2.3脆性x智力低下1号蛋白对突触可塑性的调节 脆性x综合征患者的树突常不能达到成熟的尺寸和形 状,不成熟的树突是早期发育的特征,也是缺乏感知经验的特 征表现.埘果蝇的研究表明FMRP对突触的发生和轴突树状 分枝起重要作用,FMRP以何种机制参与突触的可塑性?现 已明确一些蛋白在突触的发育成熟过程中发挥重要作用,如 微管相关蛋白(themicrotubuleassociatedprotein,MAP)1B,是 保证微管稳定性的重要成分,dFMR1蛋白调整微管的稳定 性.新生小鼠大脑突触形成的活跃阶段,FMRP抑制 MAP1B的翻译,使MAP1B含量急剧下降,而在FMR1敲除 小鼠则增加了MAP1B的表达,产生微管异常的稳定性.这些 结果表明FMRP通过调控靶蛋白的翻译影响微管的稳定性, FMRP缺失使局部特定蛋白合成失控,引起突触可耀性改变. 3脆性x智力低下1号基因异常的分子机理 3.1脆性x智力低下1号基因5端(CGG)n重复序列异常扩增 (CGG)n具有高度多态性,根据霞复序列的稳定性及其与 FraX发生的关系可分为4种类型:?正常重复范围(n=6—45); ?中间重复范围(n=45,54);?前突变(n=55—200);?全 突变(n>200).(CGG)n的稳定性反映在传代过程中是否扩 展.当基因遗传自母亲才会发生全突变并使后代表现疾病, 携带者的母亲生出患儿的风险又取决于她在系谱中的位置的 特殊现象称为"sherman悖论".(CGG)n重复范围的定义没 有绝对界限,一般n值愈大愈不稳定.当(CGG)n重复超过 200时,FMR1基因启动子(CpG岛)常发生甲基化,导致 FMR1转录受抑制或减弱,FMRP表达受阻. 以灵长类SV40复制系统CAG/CTG模型研究(CGG)11 重复序列不稳定扩增的分子机理,结果发现复制起始位点 序列类型和复制叉的方向及复制长度决定的复制效率可引起 CAG/CTG不同类型和不同频率的不稳定重复.而CpG甲基 化能调节复制的频率,数龟及效率.对Fra(X)患者研究发现 其FMR1基缺乏明确的复制叉位点. 3.2脆性x智力低下1号基因5端CpG岛的异常甲基化 (CGG)n重复序列引发CpG岛甲基化的分子机制仍不 清楚.CpG岛甲基化程度在个体内有异质性.有研究者提出 RNA介导基因沉默的起始(RNA—inducedinitiatorof transcriptionalgenesilencing,RITS)假说:Argonaute与siRNA 结合后再结合新转录链或同源DNA序列的靶位点引起 FMRP基因沉默.最近研究发现前突变(CGG)n重复序列 3端可形成单个稳定的发夹结构,作用是使(CGG)n重复序列 不问断.而(CGG)n重复序列可以被Dicer切割为含20个核 苷的siRNA13].根据以上结论有研究者认为RNAi对染色质 特殊的基因位点进行基因沉默介导了(CGG)n重复序列甲基 化.转录早期,全突变的FMR1等位基因未甲基化,能够 翻译mRNA包括(CGG)n重复序列的RNA,随着(CGG)n重 复到一定程度(大于200),形成发夹结构,成为Dicer作用的 底物,Dicer切割双链(CGG)n重复序列为siRNA,这些siRNA 与新转录的RNA配对或直接与靶DNA结合后,加入RITS复 合体并引导复合体结源DNA序列,RITS补充组蛋白转 甲基酶和DNA转甲基酶,从而引起重复序列的全部甲基化, 抑制FMR1的转录.临床应用DNA甲基化抑制剂和组蛋白 乙酰化药物治疗FraX,使FMR1的转录有轻微短暂的激活. 3.3脆性x智力低下1号基因的缺失和点突变 几乎所有(99%)导致FraX的FMR1突变表现为(CGG) n霞复扩展伴异常甲基化.FMR1基因点突变或缺失引起的 FraX不到1%.其中个别病例缺失可延至FMR2(FRAXE)基 因这些病人的症状较TNR病例的症状更加严重,特别是当 FMR1和FMR2基因共同缺失时. 4问题与展望 自1991年克隆了FMR1基因以来,脆性x综合征的分子 病理基础得到了广泛的研究,对脆性x综合征有了进一步的 认识,但还有许多问题需要进一步探索:(CGG)n扩展的确切 时间及引起甲基化的分子作用机制,FMRP蛋白在中枢神经 系统作用的靶基因,FMRP蛋白缺乏对认知和记忆产生影响 的分子机制等.随着分子生物学的不断发展,对脆性x综合 征将有更加深入的认识. [参考文献】 [1]DamellJC.FragileXsyndromementalretardationproteintargets GquartetmRNAsimportantforneuronalfunction【J].Cell,2001, 107:489-499. [2]ZalfaF,GorgiM,PrimeranoB,eta1.111efragileXsyndrome proteinEVIRPassociateswithBC1RNAandregulatesthe translationofspecificmRNAsatsynapses[J].Cell,2003,112(3): 317'327. 【3RackhamO,BrownCM.VisualizationofRNA-proteininteractionsin livingcells:FMRPandm1interactonmRNAs[J].E?O.20O4. 23:3346-3355. 4JOhashiS,KoikeK,OmoilA.eta1.IdentificationofmRNA/ protein(mRNP)complexescontainingPuralpha.mStaufen. fragileXprotein, andmyosinVaandtheirassociationwithrough endoplasmicreticulumequippedwithakinesinmotor[J].Biol Chem,2002,277(40):37804-3781O. 15]KanaiY,DohmaeN,HirokawaN,eta1.KinesintransportsRNA: isolationandcharacterizationofanRNA?transportinggranule[J]. Neuron,2004,43:5l3-525. [6jCemanS.PhosphorylationinfluencesthetranslationstateofR. associatedpolyribosomes[J].HumMolGenet,2003.12:3295— 3305. 中国妇幼健康研究2006年第17卷第5期417 I7lPengJ.DanielaCZP,StephanieC,ela1.Biochemicaland geneticinteractionbetweenthefragileXmentalretardationprotein andthemicroRNApathway[J].Natureneuroscience,2004,7(2): ll3.1l7. 【8]ZhangYQ.TheDrosophilafragileX—relatedgeneregulates axonemedifferentiationduringspermatogenesis[J].DevBiol, 2Oo4,270:290.307. 19IMaddalenaA,RichardsCS,McGinnissMJ,ela1.Technical standardsandguidelinesforfragileX:thef'wstofaseriesof disease—specificsupplementstotheStandardsandGuidelinesfor ClinicalGeneticsLaboratoriesoftheAmericanCollegeofMedical GeneticsIJ1.GenetMed,200l,3:200-205. IlOlKerrieNE,MichelleRL,ChristopherEP,ela1.Roleof replicationandCpGmethylatioi1infragileXsyndromeCGG Deletionsinprimatecells【J【.AmHumGenet,2005,76:302—3l1. IllNicholK.PearsonCE.CpGmethylationmodifiesthegenetic stabilityofclonerepeatsequences[J].GenomeRes,2002,l2: l246.1256. I121VerdelA.RNAi.mediatedtargetingofheterochromatinbythe RITScomplex【J.Science,2004,303:672-676. 1l3]PiowowarM,MeusJ,PiwowarP,ela1.Tandemlyrepeated trinucleotides.comparativeanalysisIJ1.ActaBiochimPol,2006, 53(2):279.287. 【l4PontesO,LiCF,NunesPC.ela1.nlearabidopsischromatin. modifyingnuclearsiRNApathwayinvolvesanucleolarRNA processingcenterlJ].Cell,2oo6,126(1):79-92. 饮食治疗的苯丙酮尿症精神行为问题 [责任编辑:于学文] 吴蔚,赵文艳,赵正言 (1.浙江大学医学院附属儿童医院,浙江杭州310003;2.浙江大学校医院,浙江杭州 310003) [摘要]早期开始低苯丙氨酸饮食治疗的苯丙酮尿症患者仍有精神行为问题,包括 认知功能,执行功能,注意力, 内向性行为问题等.精神行为问题的成因一方面与脑损伤有关,表现为脑白质的改 变,并受脑内Phe浓度的影响;另一 方面与患者所处的社会环境因素有关,包括家长的关注和饮食限制本身带来的压 力等.众多研究认为饮食治疗应尽可 能维持终身,但在实施上难度比较大,现在已有研究着眼于能够有希望替代饮食治 疗的新疗法,包括基因治疗,酶替代治 疗,大量中性氨基酸治疗等. [关键词]苯丙酮尿症;饮食治疗;精神行为问题;治疗 [中图分类号]R72[文献标识码]A[文章编号]1673.5293(2006)05-0417-03 Thebehavioralandemotionalproblemsofpatientswithphenylketonuriaearlytreatedwithdi etotherapy WUWei,ZHAOWen—yan,ZHAOZheng—yan (1.TheAffiliatedChildren#HospitalofZhejiangUniversity,ZhejiangHangzhou310003,China; 2.TheHospitalofZhejiangUniversity,ZhejiangHangzhou310003,China) [Abstract]Earlytreatedpatientswithphenylketonuriastillhavebehavioralandemotionalproblems,includingcognitivedysfunction. deficitsinexecutivefunctioning,attentionandintrovertedbehavioralproblemsandsoon.Boththebraindamagepresentingwithpathologic changesinwhitematterofbraincausedbythehighphenylalanineconcentrationandspecialsocialenvironmentalfactors,includingstress fromparentsconcernanddietlimititself,mayberesponsiblefortheseproblems.Manyscientistssuggestthatthedietotherapyshouldlast aslongaspossible,eventilllhewholelifeofthpatient,butitishardtodoso.Thus. therehavebeensomeresearchestoexplorenew alternativeapproachesforPKUtherapy,includinggenetherapy,enzymereplacementtherapyandlargedosesofneutralaminoacids therapy. [Keywords]phenylketonuria;dietotherapy;behavioralandemotionalproblem;treatment 苯丙酮尿症(phenylketonuria,PKU)是一种氨基酸代谢异 常的常染色体隐性遗传病.其中98%,99%是由于苯丙氨 酸羟化酶(phenylalaninehydroxylase,PAH)基因突变导致肝脏 PAH缺乏所致,1%,2%是由于PAH的辅酶四氢生物蝶呤 (BH4)缺乏,导致苯丙氨酸(phenylalanine,Phe)不能正常转化 为酪氨酸,从而Phe在体内异常蓄积而致病.PKU主要影响 脑的发育,造成一系列神经系统的损害.未经治疗的PKU患 儿会出现智力发育落后,及烦躁,易激惹,抑郁,多动,孤独症 倾向等精神行为异常,最终将造成中度至极重度智力低下. 自,'泛开展新生儿筛查早期发现病人,并以低苯丙氨酸饮食 治疗尽量控制血Phe浓度在正常范围以来,患者已经能够免 于严重的脑损伤,达到基本正常的智力水平. 但是,饮食治疗并没有解决所有的问题.一是早期就开 始饮食治疗的PKU患者和普通人群相比是否还存在精神行 为的缺陷?这种缺陷对患者有什么影响?二是缺陷产生的原 因是什么?和Phe浓度是否有关系?三是饮食严格的程度和 持续时间怎样才是适宜的?除饮食治疗外,是否还有必要及 可能研究其他的治疗方法? [收稿日期]2006-05.3l [作者简介]吴蔚(1977一),女,在读硕士研究生,主要从事苯丙酮尿症的研究. [通讯作者]赵正言,教授.