粘多糖贮积症I型分子生物学及产前诊断研究进展

2021年1月22日发(作者：相换时)
粘多糖贮积症
I
型分子生物学及产前诊断研究进展



江雨

综述

周裕林

审校


（厦门市妇幼保健院

分子诊断实验室，厦门，
361003
）




摘要
：
粘多糖贮积症为糖胺聚糖降解代谢障碍所引起的一组遗传代谢病。
根据 不同的酶缺
陷，可分为
8
型，鉴于我国
I
型最常见，本文就
MPS-I
的临床特征、
a- L-
艾杜糖苷酸酶基因
结构、突变类型、特点及检测方法加以综述。



关键词
：粘多糖贮积症
I
型；
a- L-
艾杜糖苷酸酶；基因突变







粘多糖是一类蛋白多糖，其中包括透明质酸
(HA)
、硫酸软骨素
(CS}
、硫酸皮肤素
(DS)
、
硫酸乙酰肝素
(HS)
和 硫酸角质素
(KS) 5
种。
其分解代谢首先由组织蛋白酶使蛋白多糖复合物
的肽链分离并水解，
然后经葡萄糖苷酶或半乳糖苷酶等逐步降解，
最后释出多糖。
降解 过程
的
任
一
种
酶
发
生
遗
传
性
缺
陷
，
均
可
使
代
谢
中
断
而
致
病
。
粘
多
糖
贮
积
症
I
型
(mucopolysaccharidosis
typeone
，
MPS-I)
是由
a-L-
艾杜糖苷酸酶
(IDUA)< br>基因突变引起的一种
常染色体隐性遗传病。
多种突变可导致
a- L-
艾杜糖苷酸酶的缺陷，
它是
HS
和

DS
降解 过程
中所必需的酶。
该酶的缺陷导致其天然底物在各组织溶酶体内堆积，
最终引起临床 症状。
本
病的临床表现具有广泛的变异性，
现分为三种亚型：
重型
H urler
综合征；
中间型
Hurler/Scheie
综合征；轻型
Scheie
综合征。
MPS-
I
临床表现的差异性给疾病严重程度的预 测及遗传咨询
带来了一定的困难，然而自从
IDUA
基因被克隆以来，突变分析为MPS-I
的各种表型提供
了分子水平的解释。
目前已发现
51
种突变和
30
种多态性
[1]
，使该病呈现了复杂的分子异质
性。突 变分析对于表型的预测、遗传咨询以及各种实验性治疗的选择和评估具有重要价值。




1
、临床特征

在生化基础未被认清之前，
粘 多糖贮积症主要根据其临床表现分类。
Hurler
综合征是最
早被人们认识的一种粘 多糖病，又由于它最为常见，发病率为新生儿的
1/
15
000
－
1/
10
000
[2]
，
.
因而又被认为是粘多糖贮积症的原型。
后又发现一临床表现较轻的
MPS-Schei e
综合
征，后经证实
Scheie
与
Hurler
综合征具 有相同的生化基础，均是由同一种酶
a-L-
艾杜糖苷
酸酶缺乏引起，因而又将他们划 分为亚型
MPS- I H
和
MPS- I S
。
Hurler与
Scheie
综合征被
认为是由
IDUA
基因座位上一对等位 基因所决定的
[3]
，
Hurler
综合征是重型基因的纯合子，
S cheie
综合征为轻型基因的纯合子，
并可认为临床表现介于此两型之间的患者为二等位基因
的双重杂合子，划分为
MPS-
I/H
或
Hurler/
Scheie
综合征。重型
MPS-
I
型患者通常在出生
后一年内即发病，呈进行性发展，表现为肝脾肿大、肾骼畸形、角膜浑浊、严重智力低下，
通常于
10
岁前因呼吸道阻塞或心肺合并症死亡。中间型患者，中枢神经系统累及很少，但
多于7
岁以前表现运动能力的明显下降。轻型患者神经系统很少或无受累，体形改变较轻，
正常 生命时限，但以关节僵直、肝脾轻度肿大、主动脉瓣疾病和角膜浑浊为特征。


2
、
IDUA
基因结构


自
90
年代以来，许多学者一直在探索
MPS-I
的分子致病机制，并取得了很大进展。
1 991
年，编码全部外显子的
cDNA
被分离和表达
[4]
，从其< br>IDUA
的
cDNA
序列可知，
IDUA
含有
195 9bp
的开放阅读框，
编码
653
个氨基酸。
其中包括
26
个氨基酸组成的信号肽，
在成
熟前被切掉，因而成熟的酶蛋白含有
627个氨基酸，分子量为
70 029da1
。
1992
年，该基因
被克隆，
现知该基因定位于
4p16.3
，
全长约
19kb
，
含
14
个外显子，
外显子长度介于
77217bp
之间< br>[5,6]
。第
1
，
2
外显子被一个长
566bp< br>的内含子间隔；第
2
，
3
外显子间的内含子较大，
约
13kb
，而最后
12
个外显子聚集在
4.5kb
的区域，其间的内 含子长度在
78478bp
之间。内
含子含有一个
Alu
重复区和一 个可变数目串联重复序列
(VNTR)
，
此
VNTR
是由一长为86bp
的核心单位串联重复而成，具有高度的多态性，可利用此多态性进行家系分析以辅助诊断。
Scott
等曾在人群中分析该多态性，发现
3
种长为
800bp,
715bp
和
630bp
多态片段
[7]
。中山
医 科大学光炜等用同样方法检测了广东汉族人口该位点多态性，
发现
5
种等位基因和9
种基
因型，其类型和频率与
Scott
报道的有显著差异，提示
IDUA
基因的改变可能具有种族差异
性
[8]
。另外，还发现除内含子< br>11
以外的所有内含子
-
外显子连接区均遵循
GT/AG
法则 ，而
内含子
11
两端为
GC/ AG
连接。
IDUA
基因具有看家基因的特点：
启动子区没有典型的
CAAT
框，仅含有
GC< br>框和多个转录起始点
CA
，其转录后的
mRNA
长仅为
2.3 kb
。


目前，犬和鼠的
IDUA
已被分离
[9 ]
，它们的
IDUA
基因均与人的
IDUA
基因结构相似。
犬与人的
IDUA
基因和蛋白均有
82%
同源性，
鼠与人的

cDNA
和蛋白同源性为
78%
和
77%
。
正因为 这种较高的同源性，我们可以制造
MPS-
I
的动物模型，用于进一步探索该基因和新
的治疗方法。


3

IUDA
基因突变类型


利用各种检测突 变的技术，目前已发现
51
种突变，
包括无义突变、
错义突变、剪接位
点突变和缺失或插入。
大多数突变位于基因的起始和中间部位。
另外，
还发现
30
种多态性。

3. 1
无义突变


至今已 报道了
9
种无义突变，均导致重型
MPS
，甚至突变点邻近
C
末段如
R621X
，
酶活性亦完全丧失
[10]
。
Sco tty
[11]
，
Bach
[12]
,
Tieu
[13]
等人先后对
W402X
，
Q310X
和
Y343X
三
种突变的
mRNA
及蛋白质进行了研究，发现许多无义突变均使正常
mRNA
量减少，
而形成
异常的
mRNA
，尤其突变点越靠近起始 部位
(
如
Q70X, Y64X)
，产生正常
mRNA
量越 少。这
就提示我们在力图认清基因型与表型相关性及结构与功能关系之前，应首先认识突变的
m RNA
。

3. 2
错义突变

目前已报道
25< br>种错义突变，其中
2
种发生在终止密码子处。从群体学和基因表达研究
来看，错 义突变很可能是致病性突变。除
4
种
(L218P, R489P,1.490P和
R492P)
以外的所有氨
基酸替换在人类、犬和鼠中均具有保守性。除上述< br>21
种外，尚有
7
种非致病性的序列改变
也导致了氨基酸替换，这些突 变均位于糖基化位点附近。在
17
种可以引起轻型或中间型
MPS
的突变中， 有
12
种错义突变，说明错义突变很可能是允许酶发挥功能的突变类型。

3. 3
剪接位点突变

现已发现
3
种剪接位点突变，其中
678-7g > a
和
1062+ 2t > c
是由于
3
’
剪接位点发生突
变，
使其成熟的
mRNA
内含有内含子序列，
从而产生轻型
MPS
。
另一为
474-2a > g
，
由于
3
’
剪接位点发生突变使外显子
4
被剪切掉，从而产生重型
MPS
[14 ]
。另外，其他的突变也可导
致剪接异常，如发生在内含子
5
与外显子
6
交界处的
703de122ins10
，
682insAC
和外 显子
7
内的
Q310X
突变，
他们均利用内含子上游
28b p
处的
3
’
隐蔽裂解位点进行剪切。
而在正常人
的
IDUA
基因中尚存在少数低水平的该种剪切现象。

3. 4
缺失和插入

目前已发现
7
种微缺失
(112bp)和
6
种插入
(1-12bp)
[15]
，另外还有一种复杂重排 现象。在
这
14
种突变中，有
9
种发生在重复序列区；有
3
种可影响
mRNA
的剪接和稳定
(369insAC
，
< br>703de122ins10
，
682insAC)
。虽有
5
种没有导致移码突变
(134de112
，
974ins12
，
11 32de16
，

1277ins9,

△
D445)，
但只有
2
种表现为轻型
MPS(974ins12,

△
D445)
。
1132de16
因导致第
349
位的天 冬氨酸和
350
位天冬酰胺缺失，从而产生重型
MPS
，且它与保守的错义突 变
D349N
具有重叠区，而
D349N
同样也导致重型
MPS，这提示我们该区具有重要功能。
134de112
产
生移码突变使信号肽部分第
1619
号密码子丢失，该突变的纯合子为重型
MPS
，这对于进一