特发性基底节钙化的遗传学研究进展

黄靓 许旭三 梁春梅 马国达

1广东医科大学（广东湛江 524000）；2广东医科大学附属医院神经病学研究所（广东湛江 524000）

第一例特发性基底节钙化（idiopathic basal ganglia calci⁃fication，IBGC）最早由BAMBERGER在1855年报道。1930年德国的病理学家FAHR报道了1例表现为四肢僵硬合并呼之不应为主要临床表现的患者，该患者尸检报告显示脑白质和基底节区大片钙化灶，第一次详细描述了IBGC的临床表现及病理特点，所以也称Fahr病。IBGC是一种罕见的遗传或散发的神经系统疾病，发病率低于1/100万，以常染色体显性遗传多见，少数为常染色体隐性遗传及性染色体遗传，此病发病年龄从数月到77岁，平均31岁，男女均可患病，无明显性别差异。IBGC不易被发现，其主要病理过程为糖蛋白和酸性黏多糖混合于多种矿物质中，并不断聚集融合，在小动脉的中膜和外膜形成钙化，再逐渐影响大血管扩展到邻近脑实质，进而导致神经元丧失和神经胶质增生。IBGC临床表现多样性、复杂性，没有特异性，也可无症状，早期难以发现并易漏诊或误诊，其主要特点为双侧基底节区或基底节区以外的区域的自发性对称性的钙化所致的神经、精神及认知功能障碍的一种中枢性神经性退行性疾病。

1 发病机制

目前国内外有大量文献报道有关IBGC的发病机制，但至今为止其发病机制仍不明确。20世纪90年代大量文献报道IBGC与遗传、环境相关，特别是报道相关致病基因调控表达的异常有关。1999年，美国专家［1］首先将家族性显性遗传IBGC的致病基因定位在染色体14q上，并调查了一个明显遗传倾向大家系，发现患者发病年龄一代比一代提前，并对该家系中24名患者用微卫星DNA多态性标记检测发现14号染色体长臂上D14S1014、D14S75、D14S306位点具有明显的连锁关系，提示遗传因素在该病发生中起很大作用。2009年VOLPATO等［2］又发现一个新的突变基因位点IBGC2（2q37）。2010年DAIL等在通过对IBGC家系基因分析发现第3个相关基因位点 IBGC3（8q21.1⁃8q11.23）。2012年，WANG等［3］首次克隆了IBGC的第一个致病基因溶质载体家族20成员2（solute carrier family 20 member 2，SLC20A2），这推动了其发病机制的进一步深入研究。2013年，其课题组相继研究进一步提出了血小板衍生生长因子受体β（platelet derived growth factor receptor beta，PDGFRB）、血小板衍生生长因子亚基B（platelet derived growth factor subunit B，PDGFB）、泛素样修饰剂5（ubiquitin⁃like modifier 5，ISG15）、放射性和多变性逆转录病毒受体1（xenotropic and polytropic retrovirus receptor 1，XPR1）是 IB⁃GC的致病基因［4］。因此，国内外普遍认为，目前已发现的SLC20A2、PDGFRB、PDGFB、ISG15、XPR1基因是 IBGC 的主要致病基因［4］。

1.1 SLC20A2基因 近年来SLC20A2基因被认为是IBGC最常见的致病基因［5-6］，SLC20A2基因定位于第8号染色体上，即8p11.21⁃8q11.23，包含11个外显子，编码Ⅲ型钠-磷协同转运体 2（PiT⁃2）。PiT⁃2是具有12个跨膜结构域的652个氨基酸的蛋白质，是一种无机磷酸盐的细胞膜转运蛋白，已经显示PiT⁃2中的突变会严重损害无机磷（Pi）的摄取，因此可能导致该阴离子在细胞外积累，并随后积聚磷酸钙。JENSEN等［7］建立了SLC20A2基因敲除小鼠模型，发现纯合小鼠丘脑、基底节及皮层等部位有钙化现象，且钙盐颗粒沿血管分布，也在该位点测序候选基因鉴定SLC20A2基因的几个突变。Pi运输试验在非洲蟾卵母细胞表明，SLC20A2基因的突变导致Pi转运障碍［8］。截止目前，相关文献中已报道有109个SLC20A2突变与IBGC相关，SLC20A2基因大部分外显子均有突变分布（除第6个外显子外），突变类型包括错义突变、剪接突变、移码突变、无义突变、插入缺失突变和拷贝数变异［4］。研究发现有70%的突变位于PiT⁃2蛋白的N⁃PD1131和C⁃PD1131结构域中［4］，说明这两个结构域为突变高发区域，也进一步证实IBGC的钙化以基底节区最常见。有关动物实验表明PiT⁃2的第575位置上高度保守的谷氨酸残基对无机磷转运活性非常重要，SLC20A2基因突变导致谷氨酸缺失或替换均引起PiT⁃2功能障碍进一步影响无机磷的转运功能［8］。但蛋白质改变排序的机制仍然是不确定的，现发现4种氨基酸（包括芳香族残基）的重复可能会影响PiT⁃2折叠，导致整体蛋白质结构改变。实际上，一些核仁蛋白在C末端具有疏水性核心肽，主要由芳族残基形成，其稳定了整个蛋白质结构，并充当核仁定位信号，但需要进一步的研究来证明PiT⁃2折叠改变以及存在用于核定位的可能信号序列，会导致细胞膜中转运蛋白的减少和Pi运输损伤，从而导致基底节区等的钙化发生。

血管钙化现被证明是一个主动过程，有成骨机制的参与，并且磷在这个过程中发挥着重要作用［9］，高磷可诱导血管平滑肌细胞向成骨样细胞转化，同时也可导致基质的钙化。研究发现溶质载体家族20成员1（solute carrier family 20 member 1，SLC20A1）编码的Ⅲ型钠-磷协同转运体1（PiT⁃1）是血管平滑肌细胞中表达的主要钠-磷协同转运体，而无机磷转运对细胞钙磷平衡和功能损害至关重要，PiT⁃2可以促进血管细胞外基质磷酸钙沉积。SLC20A1基因编码PiT⁃1和SLC20A2基因编码的PiT⁃2广泛分布于不同的组织中，它们在细胞内磷的重吸收方面起到重要作用，这两种蛋白在体内的区域差异表达可能导致不同的部位Pi水平及浓度不同，这可能影响Pi相关的物理过程，包括钙化。因此推测SLC20A2基因突变致病的可能机制为：一方面通过PiT⁃1在高磷状态下诱导血管平滑肌细胞向成骨样细胞分化，从而引发血管钙化，另一方面则可能与基质中的Ca2+结合形成磷酸钙盐沉积在组织间隙中。

1.2 PDGFRB基因、PDGFB基因 2013年NICOLAS等［10］和KELLER等［11］分别鉴定了PDGFRB基因和PDGFB基因，PDGFRB基因定位于第5号染色体，即5q32，而PDGFB基因则定位于22q13.1上。PDGFRB基因和PDGFB基因分别编码血小板衍生生长因子受体⁃β（PDGF⁃Rβ）受体及血小板衍生生长因子β（PDGF⁃B），其中PDGF⁃B由血管生成芽前缘的内皮末端细胞合成和分泌，并通过细胞外基质保持与血管的密切关系。可与PDGF⁃Rβ受体结合（PDGF⁃B/PDGF⁃Rβ），在细胞表面诱导受体二聚化，在交叉酪氨酸酶结构域多个位点的磷酸化和激活下游通路参与细胞增殖、分化、存活和迁移。PDGF⁃B/PDGF⁃Rβ信号缺失会使血管内皮细胞增生、血管管径增大、通透性及不稳定性改变，并造成血脑屏障的完整性缺陷，所以推测血脑屏障功能缺陷可能为IBGC发病的病理机制之一［12-15］。目前已在IBGC患者中发现有10个PDGFB基因突变与IBCG有关，突变类型主要包括错义突变、无义突变和插入/缺失突变等。PDGFRB基因突变目前已报道的达27个与IBGC有关［10-11，16-18］。PDGFRB基因主要在神经元、脉络丛、血管平滑肌细胞（vSMC）和周细胞中表达，而体外和体内研究表明vSMC和周细胞是参与异位钙化的主要细胞类型。血管平滑肌细胞的增殖、迁移需要PDGF⁃B/PDGF⁃Rβ的信号转导，如缺乏钙受体或配体的大鼠完全失去了中枢神经系统的周细胞，表现为内皮细胞增生、血管直径增加、血管通透性增加并死亡，并且周细胞在维持血脑屏障的完整性中发挥着重要作用［12，15，19-20］。另外，PDGF⁃B/PDGF⁃Rβ可直接参与vSMC 钙化过程，在磷酸盐浓度正常的条件下，将vSMC暴露在PDGF⁃BB中，将引起细胞内的钙离子浓度增加，并诱导钙化和骨软骨细胞表型改变，而且PDGF⁃BB可促进SLC20A1编码的PiT⁃1的表达。目前认为，PiT⁃1的表达与vSMC的钙化存在很大的相关性，所以据以上推测PDGFRβ/PiT⁃1通路可以通过影响细胞内磷的平衡来诱导vSMC的钙化，这个支持大脑内磷平衡在IBGC患者中的病理生理的重要作用。PDGF⁃B/PDGF⁃Rβ信号缺失也可能导致PiT⁃2功能障碍，从而PDGF⁃Rβ/PiT⁃2通路可能导致IBGC，但目前可用的遗传和功能证据是有限的。总之，基于现有的数据，PDGFB基因及PDGFRB基因突变可能是一个更复杂的致病机制，涉及PiT⁃2 和 PDGF⁃B/PDGF⁃Rβ通路在受影响的大脑区域的IBGC钙化的具体功能。但目前尚缺乏影响蛋白质功能的直接证据。

1.3 ISG15基因 2014年，ZHANG等［21］测序一个IBGC患者大家系中发现3位患者均携带ISG15纯合突变c.163C＞T/p.Q55。ISG15基因定位于1p36.33，包含2个外显子及编码一个15 kDa的泛素样蛋白分子，在IFN⁃α/β、病毒感染等刺激下可大量表达。而游离态的ISG15可以刺激NK细胞及T细胞分泌IFN⁃γ，研究发现，USP18是IFN⁃α/β信号通路的负调控因子，体外实验证实游离态ISG15缺乏可影响USP18的稳定性，从而间接导致IFN⁃α/β免疫反应增强。CHAKRABARTY等［22］在小鼠大脑中过表达 IFN⁃γ后，小鼠出现了基底节钙化和黑质纹状体变性，因此推测干扰素信号的过度放大与脑钙化有一定关联。也有发现ISG15基因纯合突变（染色体1p36.33）被确定来自中国、伊朗和土耳其的3个家庭的年轻人，该基因编码干扰素α/β诱导泛素样修饰物，与病毒感染的先天免疫反应有关及遗传证实了与原发性家族性脑钙化相关的运动障碍［23-25］，但具体致病机制现仍不明确，需进一步研究。

1.4 XPR1基因 2015年，LEGATI等［26］通过外显子组测序在IBGC患者大家系中发现XPR1突变（c.434T＞C/p.L145P），从而确定了导致IBGC的第5个致病基因XPR1基因，该基因突变呈染色体显性遗传。XPR1基因定位在第1号染色体上，即1q25.3，包含15个外显子，在人体内广泛表达，编码一个由696个氨基酸构成的多重跨膜蛋白。然而，XPR1基因突变与PiT⁃2密切相关，最初被认为是异嗜性小鼠白血病病毒受体，近来研究证实其具有Pi输出功能，从而影响细胞内的磷酸盐在体内的平衡，推测该基因的缺陷与特发性基底神经节钙化有关［27］。ANHEIM等［28］最近研究表明XPR1是唯一已知的人类磷酸盐排出的影响基因，进而导致细胞内磷聚集和钙化形成。而且，已经证实SLC20A2编码PiT⁃2，从而影响无机磷酸盐的吸收。因此，PiT⁃2和XPR1在体内共同作用并导致了体内磷酸盐稳态失衡，从而导致基底节钙化的形成。

2 结语

IBGC是一种具有高度遗传异质性的疾病，尽管现已鉴定了5个致病基因，但仍有多个IBGC家系及散发患者未发现基因突变，说明还存在未知的致病基因需要进一步发现及分析。IBGC目前暂无有效的治疗药物，主要为对症治疗来缓解症状或稳定相关症状，如可使用抗帕金森药物治疗肌张力障碍及震颤，有精神症状的可用抗精神病药物，有癫痫发作者应积极规范使用抗癫痫药物，对于智力低下、痴呆、精神发育迟滞的可用胞磷胆碱、脑康复治疗，现有研究对于钙螯合剂加抗氧化剂和钙拮抗剂治疗有效率有待观察。针对脑钙化的发展暂无治疗药物及方法，从目前看来，以上5个基因是通过不同的机制来导致IBGC的发生，未来的研究需要对基因所对应的分子致病机制及其病理生理过程并将阻断继续钙化进行详细研究，为药物研发提供基础。

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