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| 遗传性铁粒幼细胞贫血的致病基因 | |||||
| 关键字：遗传性,铁粒幼,细胞贫血,致病基因 | |||||
| 作者：yatao 文章来源：本站原创 点击数： 更新时间：2009-2-11 | |||||
| 遗传性铁粒幼细胞贫血的致病基因 铁粒幼细胞贫血（SA）包括一组铁利用障碍所致的贫血性疾病，患者由于骨髓红细胞系统生成障碍，出现程度不等的贫血，血清铁升高，骨髓出现大量铁颗粒围绕在细胞核周围的环形铁粒幼细胞。SA可分为获得性和遗传性两大类，获得性包括原发性SA和继发性SA，原发性SA较常见的是骨髓增生异常综合征（MDS）中的难治性贫血伴环形铁粒幼细胞（RAS），继发性SA主要是治疗肿瘤或者结核中化疗药物造成的骨髓损害。遗传性SA主要为X连锁铁粒幼细胞贫血（XLSA）［1］。最近认识到XLSA是由于红细胞系统特异性δ氨基γ酮戊酸合成酶2（ALAS 2）基因突变所致［2］，ALAS2基因定位在X染色体上，并已获得克隆，为采用基因治疗的方法提供了可能性。XLSA是一种酶缺陷病，而MDS是干细胞缺陷所致的克隆性疾病，诊断标准和治疗措施都有很大区别，有必要进行深入细致的鉴别分析。 1 XLSA和ALAS2基因 XLSA是1945年Cooley［3］首先报告的，他发现1个5代人的家系中因女性携带者的传递19位男性受到影响。1946年Rundles 和Fall［4］报告两个家系，其中1例类似Cooley报道的遗传病，不缺铁但为低色素性贫血。1961年Byrd 和Cooper［5］将这种疾病称为遗传性铁过载性贫血。目前确定这种X连锁的疾病有如下特征：①往往在20岁左右发现贫血症状；②由于不适当地输血和补铁造成过重铁负荷，中年易出现继发性血色病，可并发糖尿病、肝硬化或心肌病等；③ 血清铁、铁蛋白明显增高；④骨髓出现大量环形铁粒幼细胞。一些女性携带者可有脾肿大和少数红细胞异常，但是没有贫血。1968年开始有人对这类疾病进行生化分析，Lee等［6］发现XLSA的小红细胞中游离原卟啉的水平低，正常体积的红细胞则无异常。红细胞中δ氨基γ酮戊酸（aminolevulinate，ALA）可正常转化为原卟啉，说明ALA合成步骤有异常。异常的原因可能是ALAS缺陷。ALAS是卟啉代谢的限速酶，需要维生素B6作辅酶［7］。1973年Aoki等［8］发现XLSA的红细胞中缺乏ALAS，其中一些男性患者是先天性贫血，许多患者对维生素B6治疗有反应。1987年Astrin等［9］将ALAS基因定位在3号染色体，但是遗传性铁粒幼细胞贫血多数为X连锁遗传，这个酶的基因应在X染色体上。3号染色体的ALAS基因不可能造成X连锁的低色素贫血。ALAS在所有细胞内都表达，是所谓看家基因（housekeeping gene）。后来，Astrin 和Bishop ［2］ 从人类红细胞系胎肝基因文库鉴定并定位了第2个ALAS基因，称为ALAS 2，只在红系的细胞中特异性表达。他们利用Southern blot 分析鼠/人体细胞杂交DNA，将ALAS 2定位在染色体Xp21-q21之间。后确定在Xp11.21。1992年Cotter等［10］报告1例中国男性患者ALAS2外显子9 T→A颠换；1994年Cox等［11］报告XLSA家系2个患者及1个携带者出现外显子8C→G变化；1995年Prades等［12］ 发现3个男性患者和2个女性携带者ALAS2外显子7G→A转换，家族中8个女性无携带者风险；1997年Furuyama等［13］发现1例XLSA患者有ALAS 2 621 A→G转换；1998年Edgar等［14］报告XLSA的ALAS2外显子10突变。 2 ALAS2基因功能和结构 在红细胞生成过程中，血红素的生物合成及其在组合血红蛋白分子时需要大量铁卟啉及线粒体和细胞浆中一系列的酶。血红素生物合成的启动和速度受糖和琥珀酰辅酶A的浓度控制，它们是由红细胞中特异性ALAS2控制合成的。而3号染色体编码的ALAS2的异构体——看家基因ALAS的功能则只是在早期红细胞和其它非红系细胞中合成极少量血红素［9］。搞清这些基因的调节机制对了解红细胞分化以及铁粒幼细胞贫血和卟啉病等遗传性疾病的发生过程是很重要的。分子生物学研究表明，ALAS2是红细胞中转录和转录后调节控制的重要成分［15］。ALAS2 mRNA仅仅在红系细胞中表达。ALAS2基因的5′-侧接区含有红系特异性启动子成分，包括GATA-1结合位点，可以与GATA-1转录因子交互作用，限制其在红系细胞中的表达。小鼠红白血病细胞用二甲基亚砜处理或者小鼠红系细胞用Epo处理，ALAS2 mRNA升高十分明显，这是终末分化转录增加造成的。在翻译水平，由铁依赖性细胞固定蛋白（cytosolic protein）控制，这个蛋白称为铁反应成分（IRE），呈茎-环2级结构，可结合在mRNA的5′非翻译区。类似于目前研究较为清楚的铁蛋白和转铁蛋白受体的mRNA IRE，如果受低铁浓度启动，IRE结合到ALAS2 mRNA，特异性阻滞ALAS2翻译；增加细胞内铁，将导致因子解离，增加ALAS2的合成。人类ALAS2基因组DNA［16］长22kb，有11个外显子。很有特点的是5′-UTR有6kb的内含子，含有控制信号结合区。外显子2编码N端进入线粒体的信号序列。外显子3和4编码N端一段可变部分。外显子5～11编码成熟蛋白的高度保守区。由于人类ALAS2外显子4有剪拼变化，mRNA可以翻译相对分子质量为64000的蛋白质和N端少37个氨基酸的两种异构体，其功能差异还不清楚。迄今发现的XLSA的ALAS 2基因突变发生在外显子5～11［17］。 3 X连锁铁粒幼细胞贫血与骨髓增生异常综合征 容易与XLSA混淆的是MDS中的RAS。MDS是一组干细胞异常综合征，分5个亚型，依次为难治性贫血（RA）、RAS、难治性贫血伴原始细胞增高（RAEB）、转化型RAEB（RAEB-t）和慢性粒-单核细胞白血病（CMML）。MDS造血系统表现为一系列红系、粒系和巨核细胞系分化紊乱的形态学特点，红细胞异常表现为大细胞性贫血或者正细胞正色素贫血。其中的RAS以贫血和红系造血异常为主。XLSA由于仅红系特异性ALAS2酶代谢异常、血红素合成障碍而发病，不牵连干细胞和其它造血细胞，表现为低色素、小细胞性贫血。MDS常为50岁以上发病；XLSA则往往在儿童期由于红系造血的代偿作用而被掩盖，随着年龄增长，铁利用途径障碍、铁负荷逐渐加重，20岁左右病情变得很显著，40岁左右可能会出现铁沉积造成的糖尿病、肝硬化或者心肌病。对维生素B6的反应也有不同之处，RAS仅少数患者对维生素B6治疗有反应，其机制不明；XLSA也称为X连锁吡哆醛反应性铁粒幼细胞贫血，通常用大剂量维生素B6（150～300mg/d）有效。但是XLSA患者对维生素B6反应的个体差异也很大，很少是完全反应性的。1995年Cotter等［18］报告了2例高龄（77岁，男性和81岁，女性）维生素B6反应性病例，以往诊断为RAS，都有严重的低色素、小细胞贫血，维生素B6治疗后血红蛋白可恢复正常。男性先证者和其女儿的ALAS2基因外显子7发现有A→C颠换（K299Q）。女性先证者外显子5有G→A转换。这些突变使骨髓中ALAS2体外实验变得不稳定，加入维生素B6就可以稳定；体内治疗表明维生素B6疗效明显。因此这些病例实际应当诊断为XLSA。由此可见，以往确诊的MDS中可能存在一些XLSA，有低色素、小细胞贫血的患者，特别是维生素B6治疗有反应的患者，有可能是迟发性XLSA患者。 4 铁粒幼细胞贫血的遗传特征 通过家系特征发现的铁粒幼细胞贫血大部分是X连锁性男性患者。1992年Cotter等［19］通过分析含有染色体Xp11.21-q21.3的杂交克隆，ALAS2精确定位在Xp11.21亚区。由于异常基因位于X染色体上，通常家族中1/2男性后代可能发病，1/2女性后代为携带者。我们［20］最近发现一个XLSA 3代的家系，4兄妹中2个兄弟（48岁、37岁）发病，均以糖尿病为首发症状，血清铁高，均在20岁出现低色素、小细胞贫血，骨髓可见大量环形铁粒幼细胞。用ALAS2基因附近的微卫星DXS991和DXS1199以及位于Xp22.13的DXS1226［21］作连锁基因分析，证明两兄弟都从母系获得同样的致病性ALAS2基因。健康兄弟和姊妹则获得另一条ALAS2等位基因。由此其姊妹不是携带者。第三代2名男性后代各项检查均正常，未获得致病的染色单体。基因分析符合X连锁遗传病。这个家系对维生素B6无明显反应。遗传性SA还有其它更少见的基因类型，1994年Jardine等［22］用基因多态性排除一个家系致病基因与Xp12 连锁；1987年van Waveren等［23］对一个荷兰人家系17个患者进行分析，认为此家族属常染色体遗传。 Raskind等［24］发现一种遗传性SA基因连锁于Xq13，与2个共济失调家族有关。Pearson等［25］ 报告一个“新”综合征，婴儿期出现难治性铁粒幼细胞贫血、骨髓有带空泡的早期细胞伴胰腺分泌功能异常，是线粒体基因突变［26,27］。 5 铁粒幼细胞贫血基因治疗的可能性 尽管部分XLSA对维生素B6有反应，但是很少是完全反应性的。为了防止大量铁沉积，造成成年后糖尿病、肝硬化、心肌病等致命性并发症，应尽可能早期诊断，可以采用去铁胺治疗。去除铁沉积也可以考虑放血疗法，但是这类患者往往贫血较重，放血疗法很难进行。既然已经认识到XLSA的基本致病因素是ALAS2基因突变导致的酶缺乏，可以考虑进行替代ALAS2的基因治疗。XLSA有一些特点更适于基因治疗：①基因治疗的最大难题是转基因细胞的体内长期存活问题。通常基因治疗是将基因导入成纤维细胞（治疗血友病）或者淋巴细胞（治疗AdA缺乏性联合免疫缺陷病），这些细胞都无法在体内长期存活。目前基因治疗多寄希望于将基因导入干细胞，但是干细胞分离困难，也难以获得最终在体内能够长期复制的、替代体内大部分造血细胞的转基因干细胞。我们对上述XLSA家系的造血细胞进行培养，实验发现，XLSA患者红系集落生成均旺盛，明显高于对照，甚至不加Epo等造血因子就自发生长。但是1周后红系集落萎缩，集落明显小于正常对照。说明XLSA的干细胞是正常、定向分化到红系造血细胞后才出现异常的。红系造血异常发生在定向分化以后，只要将正常基因导入基因缺失的红系细胞即有可能维持正常造血。②XLSA患者的骨髓增生明显活跃，骨髓大部分有核细胞是红系细胞，直接注射脂质体包裹的ALAS2基因表达载体有望使大部分红系细胞被转染，并且在红系细胞内表达。一些干细胞也有机会获得表达基因。③骨髓造血的代偿能力很强，红细胞生成能力是正常的6～8倍。换言之，1/6～1/8的骨髓红系细胞获得转染基因后，贫血就会完全纠正。④骨髓腔可以直接注射ALAS表达载体。基因表达载体可以直接注射而不必经过体外转基因细胞筛选，使基因治疗变得和普通注射治疗一样简单。如果数月后转基因红系造血细胞消耗殆尽，继续治疗也十分容易。 基因治疗是很慎重的工作，首先需要确定患者缺陷的基因；获得ALAS2表达载体后，还需要进行安全性、可靠性和有效性的预实验。但是，由于基因治疗有可能治愈XLSA和一类基因缺陷病，尽管目前尚无成功经验，其前景是十分诱人的。 |
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