Reelin信号通路在大脑皮质发育畸形中作用的研究进展
2016年11月
中华神经科杂志，第49卷第11期 第883页-第886页
夏雪林,周靖,马勋泰
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大脑皮质发育畸形(malformation of cortical development，MCD)是一组由遗传、理化、感染等多因素导致大脑皮质发育异常的一类疾病的总称，以癫痫和智能障碍等症状为主要临床表现。现公认的分类主要分为3组：(1)由神经元和胶质细胞的增殖、分化和凋亡这个阶段发育异常导致的畸形，主要包括头小畸形(microcephaly)、皮质异常增生畸形(cortical dysgeneses with abnormal cell proliferation)和巨脑症(megalencephalies)；(2)由于神经细胞的异常迁移导致的畸形，主要包括无脑回畸形(lissencephaly)和异位症(heterotopia)；(3)由于迁移后的异常发育导致的畸形：主要包括多小脑回畸形(polymicrogyria, PMG)、大部分局灶性皮质发育障碍(focal cortical dysplasia, FCD)、脑裂畸形(schizencephaly)等[1]。目前在MCD的治疗方面还存在很大困难，据相关报道[2]，有很大一部分药物难治性癫痫(intractable epilepsy)是由MCD所致，而在儿童期体现尤为突出，因此，探索MCD发生机制，为其治疗寻找一个突破口成为国内外学者研究的热点。Reelin信号通路作为MCD发生机制中至关重要的一条路径备受学者关注，大量的研究证实，Reelin在中枢神经系统发育过程中，主要参与神经元的迁移、定位及皮质板形成等过程[3]。近年的研究[2,4]还发现，无脑回畸形、灰质异位症( gray matter heterotopia, GMH)、局灶性皮质发育障碍、小脑发育不全(cerebellar hypoplasia)等疾病的发生也与Reelin信号通路的异常有关。现将其综述如下：
人类RELN基因位于染色体7q22，表达一种由3 641个氨基酸残基组成的具有丝氨酸蛋白酶活性的外分泌糖蛋白Reelin，其相对分子质量约为388 000。在胚胎期和出生早期，Reelin主要由缘层(marginal zone)的Cajal-Retzius细胞合成分泌，出生以后Cajal-Retzius细胞逐步凋亡，其分泌的Reelin也逐渐减少，但此时γ氨基丁酸(GABA)能中间神经元可以继续分泌[5]，为出生后大脑皮质的发育提供必需的Reelin，维持皮质片层化结构。
研究证实，Reelin在胞膜上主要与载脂蛋白E(apolipoprotein E，ApoE)受体2(ApoER2)及α3β1整合蛋白结合，激活胞内级联效应，参与中枢神经系统发育，主要机制有以下几点：(1)直接影响放射状胶质细胞的形态和分化[6]；(2)可能参与诱导神经细胞分化和极性产生[7]；(3)当神经元迁移至分子层时，起终止作用，促使神经元与胶质细胞分离，阻止神经元进入分子层[8]；(4)通过牵引及趋化作用参与神经纤维在槽通路、穿通通路的寻径作用，使内嗅皮质与海马之间紧密联系[9]；(5)参与突触可塑性调解[10]；(6)诱导丝切蛋白(cofilin)磷酸化从而稳定肌动蛋白细胞骨架[10]。
与大脑皮质发育畸形相关的Reelin信号通路见图1。Reelin在胞膜上与ApoER2、极低密度脂蛋白受体(VLDLR)及α3β1整合蛋白结合，使下游胞质内的衔接蛋白disabled1(Dab1)募集，募集的Dab1进一步磷酸化Sre酪氨酸激酶家族中的Sre和Fyn激酶，磷酸化的Sre和Fyn反过来使Dab1磷酸化，进而激活胞内其他下游分子。
上游磷酸化的Dab1进一步激活磷脂酰肌醇-3激酶(phosphoinositide-3 kinase, PI3K)，活化的PI3K使蛋白激酶B(PKB/AKT1)激活，接着抑制糖原合成激酶(GSK3β)、磷酸化微管稳定蛋白Tau蛋白[11]，最终促进神经元迁移、维持皮质片层化结构。
无脑回综合征致病基因产物(1issencephalyprotein 1, LISl)可与磷酸化的Dab1相互作用，LIS1接着与核分布元素1(nuclear distribution element 1, NDE1)、核分布元素1类似物(NDE-like 1, NDEL1)和马达蛋白(dynein)相互作用形成复合物继而与微管蛋白(tubulins)相互作用，影响微管动力学[12]。
活化的Sre、Fyn通过催化N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDAR)磷酸化，NMDAR磷酸化后会使离子通道对Ca2＋的导电率增加，从而使长时程增强(long-term potentiation)得以增强，参与神经元突触可塑性调节过程[13]。
丝切蛋白cofilin可被上游磷酸化的Dabl、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶LIM激酶1(LIMK1)、ApoER2磷酸化。直接导致其多聚体肌动蛋白(F-actin)活性丧失，抑制肌动蛋白解聚，协助细胞的定向运动，发挥稳定细胞骨架作用[12]。
激活的Dab1，可进一步磷酸化细胞周期依赖性激酶5(cyclin-dependent kinase 5, Cdk5)，进而激活微管相关蛋白(doublecortin, DCX)，参与改变微管动力[2]。
Reelin信号通路涉及广泛，该路径上ApoER2、VLDLR作为主要受体，接受Reelin蛋白的激活，主要通过Reelin-Dab1-PI3K、Reelin-Lis1-tubulins、Reelin-Sre/Fyn-NMDAR 3条下游分支完成信号传导，其中又以Reelin-Lis1-tubulins为甚，共同协调参与中枢神经系统的发育过程[14,15]。
1868年Owen首次报道了无脑回畸形，一种由神经元迁移异常引起的罕见病变，主要由于神经元移行过程中迁移障碍或迁移过量而形成，也称平滑脑。临床表现以难治性癫痫及智能障碍为主。无脑回畸形主要分为两类：Ⅰ型即经典型无脑回，脑回增厚，脑沟变浅，也称不完全的无脑回畸形；Ⅱ型即完全无脑回畸形，脑回完全消失，也称鹅卵石样无脑回。CT及MRI是目前确诊该病的主要检查方法。
Reelin信号通路涉及的基因广泛，相关研究证实，在此通路上包括RELN、VLDLR、LIS1、NDEL1、DCX、TUBA1A及TUBB3等基因都与无脑回畸形的形成相关[2]，主要集中在Reelin-Lis1-tubulins上。LIS1参与胞质动力蛋白介导的细胞核迁移、常染色体易位、细胞运动、有丝分裂、神经再生和染色体分离。DCX是微管相关蛋白，参与微管聚合和稳定化。在DCX错义突变导致的无脑回谱主要分布在两个串联重复序列(N端或C端结构域结合的微管相关蛋白)，其负责与微管、游离微管蛋白或其他成分结合[4]。DCX/XLIS基因的突变是性联遗传的无脑回畸形的最主要原因，且与Ⅰ型无脑回畸形相关性大，LIS1是经典无脑回畸形的主要责任基因，约65%的LIS Ⅰ型患者有LIS1突变(包括缺失)，最常累及顶枕部。而DCX突变在男性引起经典无脑回畸形，多累及额部，在女性杂合子则导致皮质下带状异位[2]。
Coksaygan等[16]描述小鼠TUBA1A和DCX存在重叠的表达，从而推测在大脑发育的神经元迁移和分化过程中发挥相似的作用，但在Lecourtois[17]收集的病例的临床表型比DCX突变通常更严重，推测TUBA1A可能也与其他α-微管蛋白相互作用有关，如α-微管蛋白同源蛋白TUBA8可能导致多小脑回畸形[3]。而TUBB3也与无脑回畸形相关。不同的α/β-微管蛋白基因突变可能改变多种微管的动态性质和功能，导致具有功能的微管蛋白异二聚体数量减少，造成GTP的改变并破坏其他蛋白与微管的结合，从而参与大脑发育畸形的过程[18]。
RELN基因表达降低与伴小脑发育不全的无脑回畸形(lissencephaly associated with cerebellar hypoplasia，LCH)相关，并且，在Churra羊中证实了LCH具有遗传性。在Churra羊中的一部分羔羊表现出严重的共济失调，不能站立且出生几天就死亡，病理检查发现患病羔羊的大脑中存在无脑回畸形、巨脑回畸形、小脑发育不全等特点。致病基因最终定位在4号染色体的一个4.8-mb区间，而RELN基因正位于其间，从LCH羊羔的cDNA序列中显示36号外显子的31个碱基缺失，导致过早的表达终止密码子，这可能是致病的根本原因。进一步分析这种突变，发现在LCH羊羔的大脑皮质和血液中RELN的mRNA和Reelin减少[19]。
另外研究报道，VLDLR的纯合子突变也可导致该病，多伴小脑发育不全，且以小脑发育不全的临床表型为主，但其临床表型较RELN基因突变所致临床表型轻[20]。
GMH是MCD中较为常见的一种，是神经元移行障碍的结果，常见于女性，多合并有脑裂畸形、胼胝体发育不良等其他多种先天性脑发育畸形，也可单独存在，临床以癫痫发作、智力障碍及偏瘫为最常见的表现，但较巨脑回及无脑回畸形表现轻。目前，根据MRI特点，国际上将GMH分为3型：(1)室管膜型异位(subependymal heterotopia)，也叫结节型异位(periventricular heterotopia)；(2)皮质下型异位(subcortical heterotopia)；(3)带型异位(band heterotopia)，亦称为双皮质综合征(double cortex syndrome)[21]。
目前已证实DCX及LIS1两个基因与带型异位形成相关。D'Agostino等[22]报道19例确诊与LIS1点突变相关的带型异位患者，并认为它可能为LIS1蛋白某一个关键区域的一个氨基酸改变而非中间缺失LIS1突变。在女性患者中LIS1突变常表现典型的带状异位，而在男性患者中则表现无脑回畸形或者Miller-Dierker综合征。DCX基因位于Xq22.3-q23，所以临床上DCX基因突变导致的灰质异位症主要见于女性，在皮质下带状异位患者中90%为女性，主要由于DCX杂合子突变引起，而男性皮质下带状异位患者，主要是由体细胞镶嵌DCX突变或LIS1基因突变导致[4]。而半合子DCX突变男性通常存在无脑回畸形。
早期的研究推测，Reelin可能通过影响神经元的迁移和皮质板的形成，参与人类灰质异位结节的形成。近来，Rossini等[23]收集了5例脑裂畸形患者手术后的标本，运用免疫组织化学、免疫荧光等技术分析发现，这些标本在核心颗粒区存在多个灰质异位结节，另外还发现，所有的标本都可见大量Reelin阳性细胞分布在异位结节内和神经元稀少的区域，而这些细胞不具有典型的Cajal-Retzius细胞特征。
FCD是MCD中的一种亚型，是导致难治性癫痫的主要原因之一。由于FCD药物的难治性及病灶的局限性，手术是其最有效的治疗方法。免疫组织化学发现异常细胞增殖和结构紊乱，其中与Reelin信号通路的异常具有一定相关性。ILAE小组结合临床、影像、病理将FCD重新分类(2011年)：FCD Ⅰa/b/c型、FCD Ⅱa/b型、FCD Ⅲa/b/c/d型[24]。
Marucci等[25]收集了30例FCD Ⅲa型(海马硬化联合颞叶皮质畸形)患者，通过免疫组织化学的方法分析发现，部分FCD Ⅲa型病例中Reelin的缺失是FCD Ⅲa型中颞叶皮质畸形与海马硬化之间的共同病理基础。而另一部分病例的共同病理基础却有待于进一步证明。
小脑发育不全多伴随其他畸形发生，如无脑回畸形、胼胝体发育不良、脑干发育畸形等。平衡失调综合征(dysequilibrium syndrome，DES)指以进行性小脑共济失调和精神发育迟滞为主要临床表现的一种常染色体隐性遗传综合征，MRI可见明显的小脑发育不全，首先在哈特家族中被发现(DES-H)，是第一个人类脂蛋白受体畸形综合征，主要由VLDLR的纯合子突变导致。VLDLR作为Reelin信号通路的一部分，也参与大脑、小脑皮质神经元的迁移、定位。比较DES-H综合征临床表现相似的患者与VLDLR缺乏小鼠模型，证明VLDLR纯合子损失是导致DES-H表型的主要原因。DSE-H畸形也属于LCH谱，但具有轻度脑回的简化和更明显小脑发育不全的特点[20]。有相关研究报道了5例桥小脑发育畸形有Reelin信号通路表达的缺失，主要由RELN及VLDLR基因突变导致，在MRI上均能看到明显小脑发育不良、扁平脑桥，但RELN、VLDLR基因突变导致桥小脑畸形的临床严重程度却有所不同[26]。
MCD以癫痫和智能障碍等症状为主要临床表现，治疗存在很大困难。在FCD、侧巨脑回畸形等导致的难治性癫痫中，由于病灶局限、定位较明确，临床手术切除或药物对症处理作为治疗的主要手段[27]。但近期的研究发现，Reelin-Dab1-PI3K/Akt信号通路上的抑制剂有抑制局灶性癫痫的潜在可能[28]。而外源性Reelin可挽救reeler表型[29]，这可能为RELN表达缺失导致的MCD的治疗提供新思路。另外，胚胎期促进微管蛋白α的乙酰化可影响神经元迁移表型，使得出生后持续出现癫痫样活动；或可通过母体应用微管蛋白脱乙酰酶抑制剂tubacin对上述过程进行阻断，尝试在胚胎发育初期应用药物阻断致痫性畸形的发生[15]。
迄今为止，大量的学者在Reelin信号通路方面做了相关研究，该条通路错综复杂，涉及广泛的蛋白和分子，这些蛋白和分子表达的异常与MCD的发生发展有直接或间接的关联，是导致MCD较为重要的通路之一。该条通路异常导致的MCD在治疗方面存在很大的局限，但随着遗传学、分子生物学的发展及致病机制多样性研究的不断进展，为MCD的治疗提供了一些新策略，也只有不断加深对致病分子机制的探索，才能为疾病的预防和治疗制定更加合理及有效的方案。