MECP2基因及MECP2相关疾病

Andrea Rett首次于1966年报道一例青年女性在1~1.5岁之前正常发育，以后出现认知、运动倒退以及手的刻板动作，提出一类疾病“认知倒退、脑萎缩伴有高氨血症”^[1]。伴有高氨血症的类似病例因此受到关注，不幸的是血氨升高是实验室误差所致。直到1983年，Hagberg等^[2]在Annals of Neurology报道了类似发育倒退但没有高氨血症的病例，这类疾病才逐渐被认识。为了纪念最先报道此类疾病的Andrea Rett，这类疾病被命名为Rett综合征。随着报道病例的增加，Rett综合征的临床特点逐渐明朗。本病1987年在国内由赵东红、吴希如等学者首次报道^[3]。1999年，Amir等^[4]在Rett综合征病人中发现了甲基化CpG结合蛋白-2（methyl-CpG-binding protein 2, MECP2）基因功能缺失型突变，定位于Xq28。不到6年，科学家发现MECP2过表达（duplication /triplication）同样可以导致男孩严重的孤独症样表现、智力障碍、反复感染和过早夭折，称为MECP2重复综合征（MECP2 duplication syndrome, MDS）^[5]。神经科学家逐渐认识到MECP2基因对于中枢神经系统正常发育和神经功能维持的作用是依赖精确调控MeCP2表达实现的。MECP2基因的发现、实验研究再回到临床的曲折过程实际上也是人类解密大脑神秘网络的复杂过程，MECP2基因及相关疾病为更深入研究神经发育提供了重要的素材，是不可多得的宝贵财富。同时，这些单基因突变导致的疾病也为临床转换医学提供了服务对象。在近20年的时间里，众多的基础和临床研究团队致力于MECP2基因和相关疾病研究，并取得了显著进展。

1. MECP2基因和MeCP2蛋白结构

MECP2基因长约76 kb，位于染色体Xq28，包含4个外显子和3个内含子，高度保守的3‘非翻译区（3‘UTR）长约8.5 kb，可根据多聚酰苷酸位点产生3种长短不一的mRNA，分别为1.8 kb、7.5 kb和10 kb。MECP2转录后形成MECP2-e1和MECP2-e2两种剪切体^[5]。MECP2有3个主要的功能域：CpG结合域（methyl-CpG-bingding domain, MBD）、转录抑制域（transcription repression domain, TRD）和C-末端域（C-termianl domain, CTD）。MECP2基因是一个转录调节子，能够调控基因的表达，具有转录激活子和抑制子的双重作用，在表观层面对中枢神经系统发育和正常功能的维持起重要作用。细胞内的MECP2通过MBD识别甲基化DNA并特异性地与之结合；TRD募集多种转录因子，MECP2表达量的改变可以导致其不能与甲基化DNA正确结合，阻碍对下游靶基因表达的精确调控，导致神经发育性疾病Rett综合征和MECP2重复综合征^[6]。

2. MECP2相关疾病的遗传方式

MECP2是Rett综合征的致病基因。Rett综合征有非常独特的遗传方式，X连锁但女孩发病为主。Hagberg等^[2]曾提出男性胚胎致死的假设，认为男性只有一条X染色体，MECP2基因发生突变时男性胚胎不能存活，并用这个理论解释罕见的Klinefelter（XXY）是导致男性发病的原因。事实上，这样的病例在1999年方被报道^[7]。但随后的研究证实，Rett综合征患儿母亲的自然流产率、同胞围产期死亡率与整体人群的差异没有统计学意义，不支持男性胚胎致死假说^[8-9]。Thomas等^[10]认为，Rett综合征女性发生且再现率低，大部分以新生突变为主，可能是由于卵母细胞中的X染色体处于低甲基化状态，而精子的X染色体高度甲基化，提示大多数MECP2突变遗传自高度甲基化的父源性生殖细胞系，通过自发性5甲基胞嘧啶去氨基至胸腺嘧啶（C > T），产生新生突变。由于父亲的X染色体只传给女儿，导致女儿发病，男性很少从父亲方接受突变。

Rett综合征临床表型的高度异质性与X染色体失活（X chromosome inactivation, XCL）有关^[11-12]。尽管RTT是X连锁显性遗传，但由于X染色体非随机失活，即含有突变基因的X染色体高度失活，使携带突变的女性无症状或症状轻微，而其子代如获得含有致病基因的X染色体并随机失活就可能发病。有15%的X连锁基因可以“逃逸”失活，或在失活X染色体上不同形式和不同程度的表达，使得女性患者的表型具有高度异质性。在罕见的情况下，男性获得遗传自母亲的MECP2突变，可以是选择性X染色体失活，或生殖细胞嵌合，而男性只有一条X染色体，因此表型更加严重、甚至早期夭折。然而，男性也可表型轻微，表现为不同程度的智力障碍，神经精神疾病如双相情感障碍、精神分裂症、注意力缺陷多动综合征、孤独症谱系疾病等^[12]。这些病例不仅扩大了MECP2突变的临床表型谱，而且证实了男性患儿可以出生并存活。

2005年，Meins团队^[13]对严重智力障碍（intellectual disability, ID）患儿进行MECP2检测，发现了MECP2微重复。随着研究的深入，发现最小的MECP2重复片段仅包含MECP2和IRAK1基因，IRAK1编码ILRK1蛋白。研究表明，MeCP2过表达可以影响T细胞功能，所以40%的男性MDS患者在25岁前因反复感染及频繁癫癎发作死亡。然而健康女性更倾向于非随机性XCL，女性含有85%或更多细胞表达野生型X染色体，临床上可以表现为焦虑和抑郁，但不出现ID。女性携带随机XCL的可以出现轻度的ID和Rett-样综合征的表型^[14]。MECP2重复综合征也可见于女孩，但是非常罕见^[15]。

3. MECP2对神经解剖和神经环路的影响

近20年，围绕MECP2基因及相关疾病开展了一系列实验研究，逐渐阐明了MECP2在脑发育中的重要作用及调控机制，也为MECP2相关疾病的治疗提供了新的干预靶点。2001年MECP2功能缺失型转基因鼠建立^[16]。MECP2基因敲除小鼠和Rett综合征患者的脑组织病理学均表明，MeCP2减少不会导致神经死亡、轴突变性或其他不可逆转的缺陷^[17]。这是个非常鼓舞人心的发现，理论上只要MeCP2蛋白回复到正常水平，疾病就有可能完全逆转。

因此，MECP2基因调控成为研究的热点，主要有2个方向：内源性基因再激活和外源性基因转入。外源性基因转入用得最多的是AAV9载体，其可以通过血脑屏障并在整个中枢神经系统分布，既往在脊肌萎缩症小鼠模型中获得成功。研究发现，利用AAV9载体给4~5周龄MECP2基因缺失型转基因小鼠输送MECP2，小鼠寿命延长^[18]。但是如何保证MECP2剂量个体化是一个很重要的问题。目前多项内源性基因再激活的研究都表明，当再次激活沉默的MECP2后，可以逆转神经系统功能紊乱，小鼠的共济失调、刻板动作、异常呼吸明显改善，而且寿命延长^[19]。运用反义核苷酸可以逆转MECP2重复综合征的临床表型，但如果MeCP2蛋白表达减少达到50%，患者可能出现运动和行为异常^[20]。因此MDS基因治疗剂量一定要个体化。

以往认为MECP2对转录起抑制作用，但实验发现过表达MECP2不能提高那些在MECP2缺失时失调控的转录基因^[21]。同时，MECP2作用的靶基因也不完全清楚，多个研究团队试图从Rett患者或转基因小鼠模型的基因表达谱找到MeCP2作用的靶基因，但可重复的结果很少。脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor, BDNF）是认可度最高的接受MECP2调控的靶基因之一。Chahrour等^[21]发现，MECP2功能缺失型敲除鼠的BDNF mRNA和蛋白表达均有显著下降。BDNF具有促进神经元成熟、维持Ca²⁺稳态和改善突触可塑性的功能，与学习记忆相关，一系列BDNF治疗Rett综合征的动物实验研究和临床研究已经开展。

MeCP2对维持突触兴奋和抑制的平衡发挥着重要作用。Rett综合征突触的兴奋和抑制平衡被破坏^[22]。Blue等^[23-24]1999年对9例尸解的Rett综合征患儿脑组织进行病理学研究，发现小于8岁患儿的前脑皮层的N-methyl-D-aspartate（NMDA）含量增加，大于8岁患儿的NMDA含量下降，这种谷氨酸受体含量随年龄改变的特点在基底节区也可以观察到。Johnstone等^[25]通过同步脑电图和谷氨酸浓度检测发现，MECP2基因敲除鼠出现明显异常的睡眠节律，表现为长时间的觉醒并与脑谷氨酸浓度呈正相关。提示女性Rett综合征患儿睡眠障碍与谷氨酸浓度增高导致的神经毒性相关。近期研究发现，MECP2基因敲除小鼠出生时的视力正常，生后35~40 d开始视力减退，55~60 d严重下降；而NMDA受体亚基NR2A基因敲除可以防止视觉皮层受累，突触前γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid, GABA）释放减少^[26]。提示GABA在视觉皮层可塑性中的作用。总而言之，过多或者过少NMDA受体活化都可导致发育中的大脑受损^[27]。

4. MECP2相关疾病的临床研究现状

在过去30余年，共有40项MECP2相关疾病的临床研究在美国国立卫生研究院（National Institutes of Health, NIH）注册（ClinicalTrials.gov; https://clinicaltrials.gov/ct2/results?term=rett+syndrome&pg=1），其中16项针对RTT疗效进行观察，暂未见针对MDS的临床研究^[28]。

实验研究发现，MECP2基因功能缺失型患者体内存在神经递质和神经调控异常（去甲肾上腺素、5-羟色胺、谷氨酸、GABA、胆碱信号系统）。因此，Naidu开展随机开放实验验证口服右美沙芬（一种NMDA拮抗剂）对女性Rett综合征患儿癫癎和认知的疗效（2008-2014, ClinicalTrials.gov: NCT00593957），结果显示右美沙芬可以显著改善患儿的语言、认知，但是对癫癎发作没有改善。非选择性阻断NMDAR拮抗剂，氯胺酮，在Rett动物模型中获得了良好的效果，现正在进行临床前期研究^[29]。Rett综合征患儿及动物模型的多巴代谢减慢、多巴能活动减少，因此针对左旋多巴治疗Rett综合征的有效性进行了实验研究，发现左旋多巴可以增加基因敲除鼠的运动能力^[30]。MECP2基因敲除动物实验显示，GABA水平在某些脑区的下降可能与呼吸暂停相关；而GABA再摄取抑制剂NO-711可以4倍减少呼吸暂停的次数，5-羟色胺受体拮抗剂也成功地减少了MECP2基因敲除鼠呼吸异常的程度和频率，均已进入临床实验^[31]。

MeCP2蛋白可以通过绑定胰岛素样生长因子-1（IGF-1）调控IGFBP3和Akt信号通路，导致BDNF表达减少。临床研究显示，BDNF可减轻Rett综合征患儿的临床症状^[32]；FDA批准的考帕松在基因敲除动物可以增加BDNF的表达。BDNF很难透过血脑屏障，但IGF-1可以活化TrkB（tropomyosin receptor kinase B）受体，并通过PI3K、AKT和mTOR信号通路激活下游蛋白合成^[33]。IGF-1能改善Rett综合征患儿行为异常、呼吸暂停等表现；已经结束的IGF-1一期临床实验（NCT identifier 01253317）提示耐受性良好，目前已进入有效性评估的二期临床研究（NCT identifier 01777542）。

三庚酸甘油酯减轻Rett综合征患儿的抽搐、肌张力障碍已经得到一期临床试验证实，关于其能否改善Rett综合征患儿线粒体功能的研究已进入二期临床研究（NCT02696044）。

尽管许多神经发育调控的靶点被发现，转换工作也在进行，但早期临床实验还存在很多问题。在过去30多年，一些因为设计错误被终止的临床研究中只有3项平行、随机、双盲、对照（RCT）研究，5项成组交叉设计研究，虽然大部分研究显示有效，但没有一项用于临床实践。而且也可能由于患儿家属对这类“不能治疗、自然病程预后差”疾病报予的极大期望，得出假阳性结果。所以应该开展更加准确的随机双盲对照实验。但标准的随机、对照、双盲研究需要上千例病人参与，耗时数年才能完成。如果能集中资源、全球参与，合理设计，可能给市场带来更多真正有效的药物，也给改善病情带来希望。

随着二代测序技术的迅猛发展及其在儿童神经发育性疾病的广泛应用，越来越多的新致病基因可能被发现。然而致病基因的发现只是阐明发病机制、提供新治疗方案和改善预后的开始。MECP2基因的发现从实验室再回到临床的复杂过程及取得的成绩，是探索神经发育性疾病的经典教材，为临床、科研及临床转化工作指明了方向。

Biography

彭镜, 女, 博士, 副主任医师