大前庭水管综合征及其相关的基因_SLC26A4
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大前庭水管综合征及其相关的基因—SLC26A4
赵亚丽翟所强王秋菊
中国人民解放军总医院耳鼻咽喉研究所(北京100853)
临床和流行病学研究表明,每1000名新生儿中就有1名先天性耳聋的患儿。
大前庭水管综合征(largevestibularaqueductsyndrome,LVAS)是先天性耳聋的一种。
1978年,Valvassori和Clemis[1]在对3700例颞骨连续分层摄片中发现,有50例前庭水管扩大,并将其命名为大前庭水管(dilatedvestibularaqueduct,DVA),又将临床上伴感音神经性听力损失等症状者称“大前庭水管综合征”。
近年,随着CT、MRI以及分子遗传学的发展,对此病的认识已经从影像学诊断、临床表现、发展到了分子诊断的水平。
1大前庭水管综合征的临床表现、发病机理及诊断
大前庭水管是儿童感音神经性聋最常见的内耳畸形,由其导致的大前庭水管综合征是一种独立性疾病,除了前庭水管扩大外,不合并其它畸形,属于非综合征型耳聋。
其临床表现为波动性感音神经性听力损失,多呈进行性下降。
可从出生后至青春期这一年龄段内任何时期开始起病,但多数为出生后几年内发病。
发病突然或隐匿,通常之前有感冒、轻微颅外伤或其他使颅内压增高的病史。
约81%-94%的患者为双侧发病,单侧发病者少见[2]。
听力受损以高频为主,听力图多为下降型,少数为平坦型,无一例为上升型[3]。
听力下降的程度与前庭水管的大小无关,可表现为从接近正常到极重度聋。
并且,双耳听力可不对称。
大多数患者仅表现为听力损失,只有少数患者伴有前庭症状,约占29%,但有人认为前庭症状少见可能与发病人群多为幼儿有关[4]。
目前,关于前庭水管扩大导致感音神经性聋的致病机理还不是很清楚,通常有三种假说:(1)内淋巴液返流学说,前庭水管扩大时,往往同时伴有内淋巴管和内淋巴囊的异常扩大,突然的脑压变化,迫使两层脑膜间内淋巴囊内容返流入耳蜗,囊内高渗内淋巴进入耳蜗基底周,损伤神经感觉上皮,产生感音神经性耳聋。
(2)膜迷路破裂和外淋巴漏学说,LVAS膜迷路较菲薄,在基底膜和前庭膜处可产生蜗内破裂使内外淋巴液混合,损伤毛细胞,产生进行性感音神经性聋。
(3)脑压波动殃及内耳,脑脊液压力异常波动,经宽大的前庭水管传到内耳,正常情况脑压变化,被狭窄的前庭水管和耳蜗水管缓冲,当前庭水管扩大耳蜗水管正常时,快速脑压变化使耳蜗暂时压力失衡,造成膜迷路损伤或蜗内漏管。
大多数学者赞同第一种假说。
并且,内淋巴囊内淋巴液比耳蜗内淋巴液蛋白成分高十几倍,倒流于蜗管,可损害毛细胞而出现耳聋[5]。
LVAS的诊断依据主要是:结合儿童有感冒、头部外伤或其他使颅内压增高的病史,听力检查示高频听力下降为主的感音神经性聋,高分辨率轴位CT扫描可见,颞骨岩部后缘有一深且大的三角形骨质缺损影,缺损边缘清晰,内端连接前庭或总脚,前庭水管中点(半规管总脚至前庭水管外口间1/2处)的宽度大于1.5mm。
近年,Okamoto等[6]提出,前庭水管扩大的病例几乎均有内淋巴管和内淋巴囊的扩大。
因此又给LVAS的诊断增加了一条途径。
2大前庭水管综合征相关基因的研究
近10年来,随着分子遗传学技术的发展和人类连锁图谱的绘制,使发现遗传性耳聋相关基因、破译听觉系统的遗传基因编码、探索遗传性耳聋发病机理的研究产生了革命性的飞跃。
对于LVAS的分子学病因的研究也在不断开展。
1996年,Griffith首先[7]报道了LVAS男性先证者和其患同一疾病之
・聋病基因专辑・
基金项目:国家自然基金面上项目(30370782&30470956),北京市重大科技专项子课题(H020220020610)及“863”计划滚动项目(2004AA221080)联合资助。
作者简介:赵亚丽(1980-),女,河北人,医学硕士,专业方向:遗传性耳聋基因的分子流行病学研究
通讯作者:王秋菊,副教授。
E-mail:wqcr@301ent.org
兄弟出生于无耳疾的父母,嗣后Nowake等[8]报道姐弟同患LVAS的病例。
1997年,Abe等[9]推测,LVAS是以常染色体隐性遗传的方式遗传的。
1999年,Usami等[10]把前庭水管扩大伴感音神经性聋的非综合征性聋的基因定位在7q31,与Pendred综合征的致病基因相同,即SLC26A4,又名PDS基因。
Usami等认为SLC26A4基因突变,可引起综合征或非综合征性感音神经性聋,LVAS为非综合征性的。
下面对SLC26A4基因的结构、功能、突变谱与致病机理作一阐述。
2.1SLC26A4基因的结构
Everett等[11]应用GRAIL生物信息分析软件,将SLC26A4cDNA序列与同源BACRG364P16序列进行比较,推断SLC26A4基因的mRNA全长4930bp,含外显子21个,开放阅读框架2343bp,每个内含子与外显子的界限分明,众多的外显子表明SLC26A4基因将编码一个结构和功能十分复杂的蛋白质。
SLC26A4基因的开放阅读框架起始于2号外显子,穿越剩余20个外显子。
除21号外显子之外,其它外显子长度约为55-231bp。
Haila等[12]发现,SLC26A4基因与DRA(downregulatedinadenomd)基因具有高度同源性,两者外显子数目相同,对应外显子序列长度相近。
但对应内含子的序列长度却差异较大。
这种相似的外显子序列反映两种基因编码的蛋白质功能相似,内含子之间的差异意义尚待进一步阐明。
2.2SLC26A4基因的表达分布与功能
用NorthernBlot分析显示,SLC26A4基因在甲状腺高表达,在成年人和胎儿的肾脏及脑组织,仅有弱的表达。
SLC26A4基因在甲状腺的高表达说明其与甲状腺功能有关。
有人用PCR分析胎儿耳蜗cDNA文库,检测到SLC26A4基因在耳蜗内的表达。
1999年,Everett等[13]利用RNA的原位杂交技术,观察了从胚胎8天到出生后5天小鼠内耳SLC26A4基因mRNA的表达模式。
发现在胚胎13天,小鼠内淋巴管和内淋巴囊就有mRNA的强表达,而在胚胎15天时,椭圆囊、球囊和耳蜗才有弱表达,这就说明SLC26A4基因的突变可能导致SLC26A4基因的高表达区—内淋巴管和内淋巴囊的功能障碍。
SLC26A4基因编码的是一个分子量为86kD,含780个氨基酸的蛋白质,即Pendrin。
Pendrin主要是由疏水性氨基酸组成,其与DRA(downregulatedinadenomd)基因编码的蛋白具有高度的同源性,同属于离子转运体家族。
因此,Everett等[11]推测Pendrin可能是一种硫酸盐转运子。
1999年,Scott等[14]利用显微注射的方法把SLC26A4基因的cRNA注入爪蟾卵母细胞内,并使其表达Pendrin,结果发现,与对照组相比较,其硫酸盐的转运功能没有明显差异,而碘和氯的转运较对照组分别增加30倍和10倍。
此外,Scott等还对SLC26A4基因重组的杆状病毒转染的Sf9细胞进行研究,也得到类似的结果,提示Pendrin并不是一种硫酸盐转运子,而是一种碘/氯离子转运子。
为了进一步研究Pendrin在细胞的定位,Bidart等[15]用抗肽抗体和实时定量PCR技术,研究了人体甲状腺组织在正常、良性和恶性病变时Pendrin的表达,结果发现,仅在甲状腺滤泡细胞的顶膜存在Penrin表达。
Royaux等用特异性多肽抗体对Pendrin进行免疫定位,也发现Pendrin主要位于甲状腺滤泡上皮细胞顶端亚膜单位。
他认为,当碘离子从基底膜侧吸收到甲状腺滤泡细胞后,Pendrin及时把碘离子转运到滤泡胶质内,与甲状腺过氧化物酶作用导致碘的有机化,并与甲状腺球蛋白结合,维持甲状腺的正常功能。
既然Pendrin不仅在甲状腺表达,也可在内耳的内淋巴管、内淋巴囊及Corti’s器外沟细胞中表达(这些结构与内淋巴液代谢有关),因此Pendrin可能作为氯离子转运体,调节内淋巴液的离子平衡[13]。
2.3SLC26A4基因突变与表型变化
SLC26A4基因的突变可以导致DVA、Mondini畸形和甲状腺肿,如此多变的表型预示SLC26A4存在一个广泛的基因突变谱。
目前已经报道的SLC26A4基因的突变位点超过100个,其中绝大部分是错义突变,另外还有框移突变和剪接位点突变。
这些突变在mRNA链上的分布无明显聚集现象,除外显子20尚未发现突变外,其余各个外显子上均检测到突变位点。
在对西方人群的研究中,最常见的突变位点是L236P,其曾经在调查的26个家庭[16-21]中筛查到,它位于外显子6上,编码的蛋白位于细胞外第三个环上。
其次分别是T416P、H723R、IVS8+1G>A,分别位于外显子10、外显子19和内含子8上,除T416P位于氨基酸序列的高度保守区外,H723R和L236P均位于非保守区[16],IVS8+1G>A位于外显子8的剪接位点,其突变影响前体mRNA的剪接过程,从而影响Pendrin的结构。
在众多的突变中,多数突变既见于Pendred综合征,又见于LVAS。
因此,同一位点的突变可能导致不同
的临床表现。
SLC26A4基因在甲状腺和胚胎组织的内耳均有表达,但Pendrin蛋白是如何使这样两个完全不同的组织同时致病的呢?如前所述,Pendrin在甲状腺是表达在滤泡细胞的顶膜,当Pendrin蛋白功能障碍时,不能把碘离子及时转运到滤泡胶质,使碘离子在滤泡细胞内积聚,从而不能有效地有机化与甲状腺球蛋白结合,这一点与Pendred综合征的病人的甲状腺球蛋白水平多数升高相一致,可能是负反馈作用的结果。
但多数Pendred综合征病人血中的甲状腺激素水平是正常的,只有少数人轻度升高,机制尚不清楚。
1999年,Qvortrup等[22]曾报道,大鼠的内淋巴囊类似甲状腺滤泡,有平衡胶状物质填塞囊腔,内淋巴囊上皮细胞的功能类似于甲状腺滤泡细胞,可以合成、分泌、吸收及消化蛋白质。
因此,Pendrin可能在维持内淋巴平衡上发挥作用,此学说有可能解释同一种蛋白功能缺陷以导致两种不同组织疾病。
在内耳,氯离子转运障碍可导致内淋巴液成分的改变,从而损伤感觉上皮细胞,且由于渗透压改变和成分改变的毒性机制导致膜迷路结构改变。
由于内淋巴管(ED)和内淋巴囊(ES)到4岁时才停止发育,因此它们的扩大可导致周围骨性结构的改变,如前庭水管或耳蜗结构的改变[23]。
因此,内淋巴管和内淋巴囊的扩大对于LVAS和Penred综合征都很有诊断价值。
为了深入研究突变的SLC26A4基因编码的Pendrin的致病机理,Taylor等[24]观察了9个(L117F、Q446R、V138F、T410M、Y556C、G672E、G209、G102R、L236P)SLC26A4基因的错义突变的突变体在细胞的定位和功能上的变异。
绿色荧光蛋白标记的Pendrin突变体在哺乳动物细胞系的瞬时表达显示,正确定位到细胞膜上的突变体仅有两个—L117F和G209V,与正常的Pendrin的定位类似。
Y556C和G672E的突变体在部分细胞膜表面也有分布,但仅占细胞总数的10%,并且在这些细胞中,其荧光蛋白的信号也很弱。
其余的突变体均没到达细胞膜,而是分布在细胞质内的不同区域。
Taylor等推测这些突变体之所以没有到达细胞膜的正确区域,可能是因为蛋白在内质网和高尔基体内加工的过程中出现了异常。
接下来用ConcavalinA(内质网膜的染剂)和高尔基体特异性抗体标记这些细胞器,发现细胞质内的Pendrin突变体均局限于内质网膜上。
为了弄清突变体的特异性碘离子转运功能,
Taylor等使细胞同时转染了钠/碘离子同向转运系统(NIS),以便使细胞内开始便有足够的碘离子(NIS能够从胞外摄取碘离子)。
结果显示,仅转染NIS的细胞碘离子多聚集于细胞内,外流量很低;转染正常SLC26A4基因和NIS的细胞,碘离子外流量高达66%;转染突变SLC26A4基因和NIS的细胞,除了L117F和G209V外,其余突变体所致的碘离子外流量与仅转染NIS的细胞相近,都很低。
这些结果提示突变体蛋白失去了转运碘离子的功能。
L117F突变体的离子转运功能近似于正常,而G209V有部分转运功能。
因此,SLC26A4基因的突变,使Pendrin蛋白不能准确定位在相应的细胞膜上,而局限于内质网膜,也因此失去了转运碘离子的功能。
SLC26A4基因突变既可以导致非综合征型耳聋—LVAS,又可以导致Pendred综合征,是否SLC26A4上特定的突变对应特定的临床表现呢?Scott等[20]对三个Pendred综合征常见的突变(L236P、T416P和E384G)和仅致非综合征性聋的三个突变(V480D、V653A、I490L/G497S)进行了比较,发现与Pendred综合征相关的突变,使Pendrin完全失去了碘离子的转运功能,而仅与非综合征型耳聋相关突变还有残存的转运功能,Pendrin这些残存的功能足以使甲状腺出现症状延迟,或根本不出现甲状腺的症状,仅表现为大前庭水管伴感音神经性聋,即LVAS。
Pendrin的残存功能可能是因突变体部分定位在细胞膜上,表现一定的功能(如上述),或者是还存在其他的碘离子转运子。
一些研究[25,26]表明,由甲状腺刺激激素(TSH)诱导的经cAMP或Ca2+PIP2途径介导的离子转运子可以将碘离子运到细胞外。
并且,Golstein等[27]在对胞浆囊泡的研究中证实,确实有两种碘离子通道存在。
另外,影响临床表型的还有其他一些因素,如:内含子、调节基因的突变或者是环境因素及家庭因素等,当然,同时并发其他基因的突变也不能完全排除。
这些因素单独或相互作用(SLC26A4基因突变为主要因素),导致临床上两种疾病的发生—LVAS或Pendred综合征。
LVAS是一种高发性疾病,对其临床表现和影像学表现已经有一定的认识,临床上多依赖影像学诊断。
但对于LVAS的病因还没有明确解释,多数学者同意LVAS为常染色体隐性遗传性疾病,突变基因致病的作用超过50%。
近年,关于SLC26A4基因及其突变位点的研究正在广泛开展,并且已经发现了超过百个突变位点,由于LVAS与Pendred综合
征有相同的致病基因,给这两种疾病的准确诊断带来了困难。
因此,确认是否存在单纯致LVAS的基因突变位点将给LVAS的基因诊断及与Pendred综合征的鉴别诊断带来光明前景。
若能确认LVAS的突变位点,不仅有利于LVAS的诊断而且更有利于新生儿基因筛查,从而指导携带致病基因的儿童的行为,预防疾病的发生。
同时还可以对胎儿基因进行筛查,降低LVAS新生儿的出生率,减少耳聋患者的数量,提高我国人口质量,减轻社会压力。
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