先天性甲状腺功能减退症的基因研究_陈瑞芳
·综述·先天性甲状腺功能减退症的基因研究
陈瑞芳 杨菁岩
【摘要】 先天性甲状腺功能减退症(先天性甲减)是最常见的小儿代谢性疾病,如果不及时治疗可
引起严重的智力及体格发育障碍。其病因系先天性甲状腺发育不良或甲状腺激素合成途径中的酶缺陷
所造成,大多数为散发,少数有家族史。影响甲状腺发育的基因有:促甲状腺激素受体、转录因子、shh基
因的缺陷,影响甲状腺激素合成的基因有:甲状腺过氧化物酶、甲状腺球蛋白、PDS基因、钠碘同向转运
体、甲状腺氧化酶基因缺陷。这些基因缺陷在先天性甲减患者中起着重要的作用。
【关键词】 先天性甲状腺功能减退症;基因型;表现型
Genetic study of co ngenital hypothyroidism CH EN Ru i-fang,YANG Jing-yan.Depar tment of Pediatrics,The
G eneral Ho spital,Tian jin M edical University,Tianjin300052,China
【Abstract】 Congenital hypoth y roidism(CH)is the most common neonatal metabolic disorder and can result
in severe neurodevelopmental impairment and infertility if untreated.CH is usually sporadic,caused by thyroid
dysgenesis and dyshormonogenesis and2percent is familial.The genes associated with thyroid gland dysgenesis in-
clude TSH receptor and th y roid transcription factors(TTF-1,TTF-2,Pax-8),shh(sonic hedgehog)gene defects.
And the genes associated with dyshormonogenesis include the thyroid peroxidase(TPO),thyroglobulin genes(TG),
PDS(Pendred syndrome),solidum iodide symporter(NIS),thyroid oxidase(THOX)gene defects.These gene de-
fects are important in the pathogenesis of CH.
【Key words】 Congenital hypothyroidis m;Genotype;Phenot ype
(Intern J Endocr inol M eta b,2006,26:323-326)
先天性甲状腺功能减退症(先天性甲减)是最常见的小儿代谢性疾病,其发病率为1/3000～1/4000,男女比率为1∶2～1∶4。先天性甲减大部分是散发的,约2%甲状腺发育不良的病例是家族性的。为探索其病因,许多学者对影响甲状腺发生、发育、甲状腺激素合成的诸多分子生物学机制进行了研究,现将其综述如下。
1 影响甲状腺发育的基因
1.1 Pax8基因 Pax8基因属于编码控制转录因子发育的基因超家族中的一员,具有高度保守的配对域结构,能识别特异的DNA序列并与之结合,调控靶基因的转录。人类Pax8基因定位于2q12-q14,含有11个外显子,具有氨基末端DNA结合域、羧基末端转录激活域、中心同源域,其中C端对其转录活性具有重要作用[1]。研究发现,Pax8基因在哺乳动物的胚胎发育中起着重要的作用,具有严格的时间和空间特异性,其不仅在甲状腺分化初期起着重要的作用,而且在维持甲状腺分化和调节甲状腺过氧化物酶(TPO)、甲状腺球蛋白(TG)基因表达方面起着重要的作用。Pax8基因敲除小鼠可以出现甲状腺发育不良、滤泡细胞缺乏、无甲状腺细胞分化的表型,纯合子基因突变的小鼠生存完全依赖于甲状腺素替代疗法,而杂合子小鼠没有明显的甲状腺肿大和甲减的表型。在人类,de Sanctis等[1]发现,外显子7的缺失(C.989-992delACCC)和密码子277后终止密码子的缺失可引起框移突变导致先天性甲减。Meeus等[2]对先天性甲减患者的基因研究中发现, DNA结合域第54位点的高度保守性丝氨酸被甘氨酸替换(Pax8-S54G),不能结合TPO基因启动子的特异顺式作用元件,从而丧失协同甲状腺转录因子(TTF)-1的转化能力,从而引起先天性甲减。这些患者的甲状腺可以是异位甲状腺或发育不全的甲状腺,有些患者出生时甲状腺正常,之后逐渐出现发育不良,最终导致摄碘障碍。Pax8基因异常的临床表现可以为严重的甲状腺功能减退(甲减),也可以是正常发育的甲状腺仅表现为轻度甲减,其分子机理目前尚不明确。
作者单位:300052天津医科大学总医院儿科
1.2 TTF-2基因 TTF-2(即FKHL15/FOXE-1)是通过forkhead区域结合DNA的蛋白家族中的一员。人类TTF-2基因定位于9q22,含有单一的外显子,是一磷脂蛋白质,分为N端区域、高度保守性forkhead区域、α螺旋多聚丙氨酸通道、独特的C端残基。其主要在甲状腺、腭形成过程中颅咽管的外胚层、Rathke′s陷凹等处表达,最近还发现在咽外胚层源性的组织中,如鼠类的舌、腭、会厌、食道、鼻后孔和胡须,以及人类的毛囊、青春期前的睾丸等处均有表达[3]。动物研究已经证实了TTF-2在甲状腺胚胎发育中的关键作用。杂合子基因敲除小鼠甲状腺功能正常,没有明显的表型,而纯合子小鼠有腭裂、甲状腺发育障碍,如甲状腺发育不全或异位甲状腺,在新生儿时期这是致命的。最近,Castanet等[4]报道因TTF-2一个等位基因突变而表现为甲状腺发育不良和腭裂,也证实了TTF-2在人类有类似的功能。但TTF-2基因突变致先天性甲减很少发生[5]。
1.3 TTF-1基因 TTF-1是NK-2基因家族中的同源框转录因子。人类TTF-1基因定位于14q13,含有3个外显子,编码42ku蛋白质,在其氨基末端和羧基末端各有一转录活化激活域,调节DNA结合同源结构域,它还可以调节TG和TPO基因、甲状腺滤泡细胞的促甲状腺激素(TSH)受体(TSHR)基因、肺上皮细胞的表面活性蛋白B(SPB)基因。TTF-1主要在甲状腺滤泡细胞、人胚胎肺和出生后的肺泡Ⅱ型细胞、前脑局部区域表达。最近发现TTF-1基因的外显子3(523G>T,E175X)无义突变可以引起杂合子小鼠出现典型的良性遗传性舞蹈病(B HC)和先天性甲减[6],纯合子小鼠可以出现肺实质、甲状腺和整个神经垂体及广泛前脑腹侧区域等处的组织缺乏。Doyle等[7]研究发现,TTF-1基因缺失(14q13-21和14q12-13.3,包括TTF-1位点)和突变(内含子2的3′接口)是常染色体显性遗传,在足月的新生儿中可以引起暂时性先天性甲减和呼吸窘迫,但是其有正常的支气管形态,其他的主要表型包括张力减退、持久性的共济失调和发音困难、小头畸形、手足徐动舞蹈症、大脑发育迟缓,这些说明了TTF-1在神经系统发育中有重要的作用。Moya等[8]对患有先天性甲减和舞蹈病但不伴呼吸障碍的两姐妹的基因研究时发现了一个新的单链突变(825delC),该突变位于TTF-1的C端,其突变蛋白不能结合DNA,不能活化TG、TPO、SPB受体基因,最终引起先天性甲减。1.4 TSHR基因 TSHR基因编码甲状腺滤泡细胞表面的跨膜受体,对甲状腺的发育和功能有重要作用。TSHR定位于14q31,其为G蛋白偶联受体,TSH β亚基与受体结合后,再由激动型G蛋白α亚基进一步激活,受体激活后增加腺苷酸环化酶活性,刺激cAMP的产生,为第二信使发挥生物效应。这个转导通路对于胎儿正常形态甲状腺的完全分化起着重要的作用[9]。Ca milot等[10]研究TSHR在亚临床型和先天性甲减中的作用时,在杂合子甲减患者中发现了一个新的无义突变(E34K),在纯合子患者中发现了P162A突变,在亚临床甲减患者中仅仅发现了杂合子突变,其中有新的突变如:123-124insTGC A、P27T、R46P、555-561delT ATTC TT、D403N、W488R、M527T和已经报道的突变如:P162A、R109Q、L525P、C41S。Park等[11]对两个无亲缘关系患有先天性甲减的兄妹TSHR进行研究,发现了两个复合型杂合子突变:密码子533的丙氨酸被苏氨酸替换(A533T)和TSHR第4跨膜区密码子546的色氨酸提前终止突变(W546X)。最近对TSHR基因敲除小鼠的研究表明,甲状腺的发育是由TSHR控制的(除出生后甲状腺的改变);据报道两个等位基因的失活性突变,表现为严重的TSH 抵抗,分别引起甲状腺发育不良所致的严重甲减,表现为甲状腺激素合成和分泌无或量很少。这些都提示TSHR的基因缺陷可以引起TSH抵抗。
1.5 sonic hedgehog(shh)基因 shh基因是脊椎动物的同源基因,属于果蝇类基因极性片段的一部分,其在肢体的形成、运动神经元的分化、生骨结节的诱导等信号传递过程中起重要作用,其也可以在胡须、头发、牙齿、小鼠甲状腺始基等处表达。转基因动物研究发现,shh基因缺陷可以引起多种器官的畸形。Henrik等[12]研究发现,shh基因缺陷的小鼠,甲状腺始基是源于咽的内胚层,但是其发育和移位的时间延迟,从而形成单侧甲状腺,大部分位于左侧,它的大小与同龄对照组一侧的甲状腺大致相等,这些提示shh基因间接控制甲状腺后期发育的对称性。在人类甲状腺畸形(单侧或异位)患者也发现了shh基因缺陷。Stagi等[13]对威廉斯综合征研究发现,人类shh基因缺陷和甲状腺发育不良是由于7q11.23缺失引起。
2 影响甲状腺激素合成的基因
2.1 TPO基因 TP O基因缺陷是甲状腺激素合成障碍最常见的原因。TPO主要对碘的氧化、摄取及
酪氨酸的偶联起作用。TPO含有933个氨基酸,位于甲状腺滤泡细胞的顶膜,其基因定位于2p25,长约150kb。在很多部分或完全碘活化缺陷的家庭中均发现了TPO基因突变。Umeki等[14]在对3个患有严重先天性甲减同胞兄妹的TPO基因研究时发现,在外显子17和启动子区有两个纯合子突变C1708T和C2737T。Rodrigues等[15]在对55个患有先天性甲减的葡萄牙患者的研究中,在13个患者中(7个纯合子及6个复合杂合子)发现了8个不同的突变,其中新的突变包括3个框移突变:391T>C (S131P)、1274A>G(N425S)、2512T>A(C838S)和剪接变异突变2784G>A,这些说明了TPO基因突变具有异源性。
2.2 钠碘同向转运体(NIS)基因 NI S的分子量约为65ku,具有12个潜在的跨膜域,位于基底层细胞的表面,人类NIS基因定位于19p12-1
3.2,由15个外显子和14个内含子组成,编码643个氨基酸。NIS 主要在甲状腺表达,其他的组织如唾液腺、胃黏膜、乳腺、结肠、卵巢、胎盘、皮肤、脉络膜血管丛等也有表达,但是它的生理学作用不十分清楚[16]。目前已发现9种NIS基因突变类型,以错义突变最多。NIS 基因突变临床表现变化多样,从完全代偿到失代偿。碘转运缺陷比缺碘更容易导致甲减,这种甲减应补充碘而不是甲状腺激素。已经明确很多先天性甲减是由于碘转运缺陷引起的。分子水平的研究提示NIS编码区域发生了纯合子或复合杂合子突变,这些突变引起Na+或I-与NI S结合能力下降而影响离子转运,从而使碘不能到达胞浆里影响甲状腺激素的合成[17]。Szinnai等[18]对碘转运缺陷的先天性甲减患者研究发现,NIS基因外显子2的杂合子突变(R124H),而且其发病年龄是基因特异性(取决于NIS的特异活性基因)。
2.3 PDS基因 PDS基因分子量约86ku,具有11个跨膜域,位于甲状腺滤泡的顶膜,人类PDS基因定位于染色体7q,有21个外显子。其在甲状腺和耳蜗表达。甲状腺滤泡细胞顶膜部分碘的内流受PDS基因(SCL26A4)调节。SCL26A4突变引起Pen-dred综合征,为常染色体隐性遗传疾病,是由于SCL26A4的纯合子或复合杂合子突变使离子转运体pendrin断裂,从而影响碘的转运,使碘不能有效的结合于甲状腺球蛋白的胶质上,表现为先天性耳聋、甲状腺肿等。甲状腺通常表现为大小不一的多结节性或弥漫性肿大,但其甲状腺功能一般是正常的,仅很少一部分人出现先天性甲减。TSH水平为正常值的高限[19]。但是PDS基因和TP O基因突变均可以引起先天性甲减、甲状腺肿、耳聋,Pfarr等[20]研究发现,这些患者有SLC26A4(p.R776C)和TPO基因的复合杂合子突变(p.Q235X和p.Y435D),因此认为如果发现一个有甲状腺肿和耳聋的患者有SLC26A4突变,也应考虑其他基因突变。
2.4 甲状腺氧化酶(THOX)基因 过氧化氢系统在碘与TG的结合和通过TPO偶联碘化酪氨酸中起重要作用,过氧化氢系统分子已经被部分纯化,即THOX1和TH OX2(LNOX和DUOX2),它们为甲状腺细胞膜顶部的两个相似的氧化酶蛋白。人类两个THOX基因被一长16kb的区域分开,分别由35和34个外显子组成。在人类THOX2缺陷已有报道,目前已发现两个DUOX2杂合子突变:无义突变(c. 2542C>T,P.Ar g842X)和错义替换(c.1126C>T,P. Ar g376Trp),这可引起轻微的暂时性的先天性甲减和部分碘活化障碍,纯合子突变引起严重的甲减和完全性碘活化障碍,提示THOX2在甲状腺过氧化氢系统中发挥着重要的作用[21]。Varela等[22]对17个碘转运缺陷的患者研究时发现p.Q36H/ p.S965fsX994和p.G418fsX482/g.I VS19-2A>C突变是DUOX2突变导致碘转运缺陷主要的类型。目前, THOX1在甲状腺生理、碘活化和偶联中的作用尚不明确。
2.5 TG基因 TG为同二聚体,完全在甲状腺中合成。人类TG基因定位于8q24,编码序列分为42个外显子。TG基因突变可以导致内质网系统分泌甲状腺球蛋白的途径缺陷,从而引起甲状腺肿和内质网贮存病(ERSD)。Kim等在对小鼠研究时发现,TG 基因点突变可以引起严重的先天性甲减(智力和体格发育障碍),并伴有内质网贮存病。最近,Rivolta 等[23]报道发现甲状腺肿和甲减的患者存在TG基因外显子7的p.R277X突变,而且发现核苷酸886是突变多发点。Kitanaka等[24]对先天性甲减基因研究时发现了两个新的杂合子错义突变:外显子31 (Cys1897Tyr)和外显子40(Ar g2336Gln),这些患者血清T3水平均高于正常。
随着分子生物技术的发展,不断发现与甲状腺的发生、发育和甲状腺素合成有着密切关系的新的基因,这提示先天性甲减是一个多基因或多因素源
性的疾病。因此,分子水平的研究对疾病本身十分重要,对于疾病的早期诊断和治疗,尤其对于新生儿早期筛查和诊断具有很重要的作用。
参 考 文 献
1 de Sanctis L,Corrias A,Romagnol o D,et al.Fa milial PAX8s mall dele-tion(c.989_992del ACCC)ass ociated with extreme phenotype variabili-t y.J Clin Endocrinol Metab,2004,89:5669-5674.
2 Meeus L,Gilbert B,R ydlews ki C,et al.Characterization of a novel loss of function mutati on of Pax8in a familial case of congenital hypothy-roidis m with in-place,normal-sized thyroid.J Clin Endocrinol Metab, 2004,89:4285-4291.
3 Sequeira M,Al-Khafaj i F,Park S,et al.Production and application of pol yclonal antibody to human thyroid transcription factor2reveals thyroid transcription factor2protein expres sion in adult thyroid and hair follicles and prepubertal testis.Thyroid,2003,13:927-932.
4 Castanet A,Park SM,Smith A,et al.A novel l os s of function mutation in TTF-2is as sociated with congenital hypothyroidis m,thyroid agenesis and cleft palate.Hum Mol Genet,2002,11:2051-2059.
5 Tonacc hera M,Banco M,Lapi P,et al.Genetic analysis of TTF-2gene in children with congenital hypothyroidism and cleft pal ate,congenital hy-pothyroidis m,or isolated cleft palate.Thyroid,2004,14:584-588.
6 As mus F,Horber V,Pohlenz J,et al.A novel TTF-1mutation causes be-nign hereditary chorea with res pons e to levodopa.Neurology,2005,64: 1952-1954.
7 Doyle DA,Gonz alez I,Thomas B,et al.Autos omal dominant trans mis sion of congenital hypothyroidism,neonatal respiratory distres s,and ataxia caused by a mutation of NKX2-1.J Pediatr,2004,5:190-193.
8 Moya CM,Perez de Nanclares G,Castano L,et al.Functional study of a novel s ingle deletion in the TITF1/NKX2.1homeobox gene that pro-duces congenital hypot hyroidis m and benign chorea but not pulmonary dis tress.J Cl in Endocrinol M etab,2006,91:1832-1841.
9 Evans C,J ordan NJ,O wens G,et al.Potent thyrotrophin receptor-block-ing antibodies:a caus e of trans ient congenital hypothyroidis m and de-la yed thyroid development.Eur J Endocrinol,2004,150:265-268.
10 Camilot M,Teofoli F,Gandini A,et al.Thyrotropin receptor gene muta-tion and TSH resistance:variable expressivity in the heteroz ygotes.Clin Endocrinol(oxf),2005,63:146-151.
11 Park SM,Clifton-Bli gh RJ,Betts P,et al.Congenital hypothyroidis m and apparent athyreosis with compound heteroz ygosity or compensated hy-
pothyroidis m with probable hemizygos ity for inactivating mutations of the TSH receptor.Clin Endocrinol(Oxf),2004,60:220-227.
12 Henrik F,Mats G,Amel GL,et al.Genetic deletion of Sonic Hedgehog cause he miagenes is and ectopic devel opment of the thyroid in mouse.J Pat hol,2004,164:1865-1872.
13 Stagi S,Bindi G,Neri AS,et al.Thyroid hypopl as ia of the left lobe in t wo girls affected by Wiliams s yndrome.Clin D ys morphol,2003,12:267-268.
14 U meki L,Yamamoto I,Yukizane S,et al.Congenital hypothyroidis m caused by a unique thyroid peroxidas e allele containing t wo mutations, C1708T and C2737T.J Pediatr Endocrinol Metab,2004,17,231-234. 15 Rodrigues C,Jorege P,Soares JP,et al.Mutation screening of the thyroid peroxidase gene in a cohort of55Port uguese patients with CH.Eur J En-docrinol,2005,152:193-198.
16 Elis ei R,Vivaldi A,Pacini F.Biol ogy and clinical application of the NIS gene.Tumori,2003,89:523-528.
17 Rivolta CM,Moya CM,Esperante SA,et al.The thyroid as a model for molecular mechanis ms in genetic diseases.M edicina(B Aires),2005, 65:257-267.
18 Sz innai G,Kos ugi S,Derrien C,et al.Extending the clinical heterogene-ity of iodide transport defect(ITD):a novel mutati on R124H of the s odi-um/iodide s ymporter gene and review of genotype-phenotype correl ations in ITD.J Clin Endocrinol Metab,2006,91:1199-1204.
19 Park SM,Chatterj ee VKK.Genetics of congenital hypothyroidis m.J Med Genet,2005,42:379-389.
20 Pfarr N,Borck G,Turk A,et al.Goitrous congenital hypothyroidis m and hearing imparirment ass ociated with mutations in the TPO and SLC26A4/PDS genes.J Clin Endocrinol Metab,2006,91:2678-2681. 21 Vi gone MC,Fugaz zola L,Zamproni I,et al.Pers istent mild hypothyroi dis m ass ociat ed with novel sequence variants of the D UOX2gene in t wo s iblings.
Hum M utant,2005,26:395.
22 Varela V,Rivolta CM,Es perante SA,et al.Three mutations(p.Q36H, p.G418fs X482,and g.IVS19-2A>C)in the dual oxidas e2gene re-sponsible for congenital goiter and iodide organification defect.Clin Chem,2006,52:182-191.
23 Rivol ta CM,Moya CM,Gutnisky VJ,et al.A new case of congenital goi-ter with hypothyroidism caused by a homoz ygous p.R277X mutation in the exon7of the thyrogl obulin gene:a mutational hot spot could expl ain the recurrence of this mutation.J Clin Endocrinol Metab,2005,90:3766-3770.
24 K itanaka S,T akeda A,Sato U,et al.A novel co mpound heterozygous muta-tion in the thyrogloublin gene resulting in congenital goitrous hypothyroi dis m wit h high tri iodothyronine levels.J Hum Genet,2006,51:379-382.
(收稿日期:2005-10-12)
·消息·
欢迎订阅2007年《国际内分泌代谢杂志》
《国际内分泌代谢杂志》原刊名《国外医学内分泌学分册》是由中华人民共和国卫生部主管,中华医学会、天津医科大学主办的国内外公开发行的国家级医学学术期刊。《国际内分泌代谢杂志》是“中国科技论文统计源期刊”(中国科技核心期刊),是中华医学会国际医学系列期刊之一。主要栏目设有述评、专家论坛、临床热点话题、综述、论著、经验交流、临床病例讨论、病例报道、争鸣园地、短篇报道、新药介绍、继续医学教育、网上快讯、会议精粹等。
该杂志印刷版为大16开72页,双月刊,逢单月20日出版,每册定价10元,全年7期(含增刊1期)定价69元。邮发代号:6-53,全国邮局均可订阅。也可直接向编辑部订阅。
《国际内分泌代谢杂志》国内统一刊号:CN12-1383/R,国外代号:BM6694,国际标准刊号:I SSN1673-4157。
要了解内分泌代谢领域的最新研究动态,掌握最新的治疗手段,请您订阅《国际内分泌代谢杂志》,它是您的良师益友,将伴随您事业成功。
本刊编辑部