陳付英 李 明

膽固醇代謝異常與相關(guān)角化異常性遺傳性皮膚病研究進(jìn)展

陳付英 李 明

膽固醇(cholesterol)是含有環(huán)戊烷多氫菲骨架的一種脂質(zhì)小分子,是維持細(xì)胞膜穩(wěn)定性的一個(gè)重要成份，代謝異常會(huì)引起多種角化異常性遺傳性皮膚病。本文就膽固醇代謝異常與相關(guān)角化異常性遺傳性皮膚病的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

膽固醇代謝； 基因突變； 遺傳性皮膚病

膽固醇代謝異常會(huì)導(dǎo)致一系列非常嚴(yán)重的疾病。膽固醇過(guò)多會(huì)引起動(dòng)脈粥樣硬化、脂肪肝、冠心病等疾病，膽固醇過(guò)少則不能存活。另外，編碼膽固醇代謝通路中間產(chǎn)物的基因發(fā)生突變可能會(huì)引起一系列遺傳性皮膚病，如非綜合征型視網(wǎng)膜色素變性(Nonsyndromic retinitis pigmentosa)、汗孔角化癥(Porokeratosis，PK)、毛囊性魚(yú)鱗病伴隨禿發(fā)和畏光綜合征(Ichthyosis follicularis 、atrichia and photophobia，IFAP)、魚(yú)鱗病(Ichthyosis)、先天性半側(cè)發(fā)育不良、魚(yú)鱗病樣紅斑及肢體缺陷綜合征(Congenital hemidysplasia、ichthyosiform erythroderma、limb defects，CHILD綜合征)、禿發(fā)性棘狀毛囊角化病(Keratosis follocularis spinulosa decalvans, KFSD)等。本文主要就近期研究發(fā)現(xiàn)的參與膽固醇代謝的基因突變引起遺傳性皮膚病的研究進(jìn)展做一綜述。

1 膽固醇代謝與調(diào)控過(guò)程

膽固醇是含有環(huán)戊烷多氫菲骨架的一種脂質(zhì)小分子,是血脂的主要成份，另外，膽固醇也是維持細(xì)胞膜穩(wěn)定性的一個(gè)重要成份。機(jī)體所需膽固醇可以由食物攝取也可以由自身合成。細(xì)胞以乙酰輔酶A為原料，中間產(chǎn)物甲羥戊酸輔酶A由3-羥基3-甲基戊二酸輔酶A還原酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase，HMGCR)催化生成甲羥戊酸，膽固醇合成的關(guān)鍵酶甲羥戊酸激酶(Mevalonate kinase, MVK)催化其合成5-磷酸甲羥戊酸,戊酸脫羧酶(Mevalonate diphosphate, MVD)催化磷酸化的5-磷酸甲羥戊酸成為5-二磷酸異戊烯，法尼基二磷酸合酶(Farnesyl diphosphate synthase, FDPS)可催化多種中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為二磷酸法尼基，進(jìn)一步經(jīng)過(guò)多步酶促反應(yīng)合成膽固醇，磷酸甲羥戊酸代謝途徑對(duì)細(xì)胞多種代謝過(guò)程起重要作用, 提供細(xì)胞必要的生物活性分子。該過(guò)程嚴(yán)格受到其下游產(chǎn)物的負(fù)反饋調(diào)控:一方面,膽固醇調(diào)控元件結(jié)合蛋白裂解激活蛋白(SREBP cleavage activating protein，SCAP),通過(guò)SCAP-SREBP途徑在轉(zhuǎn)錄水平抑制膽固醇合成基因的表達(dá)；另一方面,膽固醇合成中間體羊毛甾醇可促進(jìn)HMGCR降解, 從而降低膽固醇合成[1]。

SCAP-SREBP通路：Brown等研究發(fā)現(xiàn)了膽固醇調(diào)控原件(Sterol regulatory element, SRE)，SRE可被轉(zhuǎn)錄因子識(shí)別并結(jié)合從而調(diào)控低密度脂蛋白受體(Low density lipoprotein receptor，LDLR)、HMGCR、3-羥基3-甲基戊二酸輔酶A合成酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A synthase，HMGCS)等基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)[2]。隨后Wang等發(fā)現(xiàn)可以識(shí)別并結(jié)合SRE元件的膽固醇調(diào)控元件結(jié)合蛋白(Sterol regulatory element binding protein，SREBP)，SREBP是膜結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子，對(duì)控制脂肪酸及膽固醇合成、攝取的基因轉(zhuǎn)錄進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)[3]。SREBP蛋白通過(guò)被位點(diǎn)-1蛋白酶(Site-1 Protease，S1P)，位點(diǎn)-2蛋白酶(Site-2 Protease，S2P)蛋白酶剪切調(diào)控活性,剪切可被高膽固醇所抑制。在膽固醇缺乏時(shí)，S1P裂開(kāi)SREBPα/β亞單位前體，激活SREBP促進(jìn)其下游靶基因的表達(dá)，同時(shí),SREBP-SCAP復(fù)合物從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)泌出經(jīng)COP-II-包被的小泡轉(zhuǎn)向高爾基體，促進(jìn)HMGCR轉(zhuǎn)錄，從而上調(diào)脂質(zhì)合成[4]。Nohturfft等發(fā)現(xiàn)SCAP基因突變后使SREBP剪切不再受膽固醇的調(diào)控[5,6]。Yang等發(fā)現(xiàn)SCAP結(jié)合的蛋白為SREBP的靶基因:Insig-1,當(dāng)細(xì)胞內(nèi)高膽固醇水平時(shí),Insig-1蛋白主要通過(guò)與SCAP的SSD區(qū)域結(jié)合,抑制SREBP成熟剪切，從而得到調(diào)控膽固醇代謝的目的[7]。

HMGCR降解通路：HMGCR是膽固醇合成的限速酶，在轉(zhuǎn)錄水平上,HMGCR mRNA含量主要受到SREBP的調(diào)控。在翻譯后水平上,HMGCR蛋白主要受到泛素-蛋白酶體途徑的調(diào)節(jié)。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)膽固醇水平升高時(shí),Insig-1結(jié)合HMGCR,同時(shí)還結(jié)合HMGCR蛋白泛素-蛋白酶體途徑降解的泛素連接酶：gp78,使HMGCR泛素化，泛素化的HMGCR被迅速遞送到蛋白酶體進(jìn)行降解, 從而降低細(xì)胞內(nèi)合成膽固醇的速率[8]。Cao等發(fā)現(xiàn)蛋白降解過(guò)程相關(guān)的調(diào)控蛋白：Ufd1蛋白[9]。Ufd1可以加速HMGCR降解, 減少細(xì)胞內(nèi)膽固醇的合成。gp78也參與了Insig-1的泛素化-蛋白酶體降解途徑,降解Insig-1,解除Insig-1對(duì)SREBP通路的抑制, 激活其下游靶基因的表達(dá), 從而上調(diào)脂質(zhì)合成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)膽固醇代謝的精密調(diào)控[10]。

2 膽固醇代謝通路與角化異常性遺傳性皮膚病

最新研究發(fā)現(xiàn)編碼膽固醇代謝通路中間產(chǎn)物的相關(guān)基因突變會(huì)引起數(shù)種角化異常性遺傳性皮膚病，如汗孔角化癥、毛囊性魚(yú)鱗病伴隨禿發(fā)和畏光綜合征、禿發(fā)性棘狀毛囊角化病等。

2.1 汗孔角化癥(Porokeratosis,PK) 汗孔角化癥是一種罕見(jiàn)的表皮角化異常的常染色體顯性遺傳性皮膚病，臨床表現(xiàn)為離心分布的多個(gè)中央萎縮、周邊隆起的角化皮損，其特征性組織病理特點(diǎn)為角樣板的出現(xiàn)。臨床上通常分為五型：播散性淺表性光化性汗孔角化癥(Disseminated superficial actinic porokeratosis,DSAP)，播散性表淺性汗孔角化癥(Disseminated superficial porokeratosis, DSP)，經(jīng)典型Mibelli汗孔角化癥(Porokeratosis of Mibelli,PM)，掌跖合并播散性汗孔角化癥(Porokekratosis palmaris plantataris et dissiminata, PPPD)，線性汗孔角化癥(Linear porokeratosis, LP)。

2012年，Lu[11]等發(fā)現(xiàn)在33%的家族性DSAP病人和16%的散發(fā)患者中MVK基因存在突變。MVK基因編碼的甲羥戊酸激酶參與膽固醇和類(lèi)異戊二烯的生物合成[12]。Zeng等在兩例同時(shí)患DSAP和PM的病人中發(fā)現(xiàn)MVK基因突變，提示PM和DSAP可能源于同一個(gè)MVK基因突變[13]。MVK基因突變同時(shí)也會(huì)引起甲羥戊酸尿，呈常染色體隱性遺傳模式，所以該基因突變可能引起多種疾病的表型。2015年，Zhang等對(duì)134例汗孔角化癥患者的12個(gè)膽固醇代謝通路相關(guān)基因進(jìn)行大規(guī)模測(cè)序及外顯子CNV篩選，發(fā)現(xiàn)除甲羥戊酸途徑的MVK突變外，還存在PMVK、MVD和FDPS基因突變[14]。隨后，Zhang等在4個(gè)生殖器型汗孔角化癥患者中發(fā)現(xiàn)PMVK基因突變，推測(cè)該基因突變可能是導(dǎo)致此型PK的原因。Zhang等觀察到50%(19/38)的MVK突變病人有直徑5 cm 以上伴隨皮損的斑塊樣汗孔角化癥(Porokeratosis ptychotropica, PPt)，在MVD、PMVK、FDPS突變的患者中未觀察到這一表型，推測(cè)其可能是MVK突變的特異表型，另外，MVK突變患者的表型變異通常較大，MVD和FDPS患者的表型有一定同源性，如MVD突變汗孔角化癥患者的皮損直徑通常在2 cm以下，伴隨FDPS突變的患者通常皮損數(shù)目較多而直徑小于1 cm。MVD和FDPS突變皮損相較于MVK和PMVK突變表淺。通過(guò)等位基因表達(dá)差異分析,Zhang等發(fā)現(xiàn)野生型等位基因在大多數(shù)皮損組織(>77%)的表達(dá)有不同程度明顯下降，在多數(shù)病例可能源于未知的DNA甲基化依賴的表觀遺傳機(jī)制[14]。隨后，本課題組對(duì)21例PK家系進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行直接測(cè)序我們發(fā)現(xiàn)3個(gè)異常的以及7個(gè)以前發(fā)現(xiàn)過(guò)的突變。在該P(yáng)K群體中最常見(jiàn)的突變是MVD基因編碼的p.Phe249Ser和p.Asn292Ser突變，他們的發(fā)生率分別為27.3%及13.6%。遺憾的是，在5例散發(fā)病例中我們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)突變，該突變的發(fā)現(xiàn)有助于汗孔角化癥的基因診斷及產(chǎn)前咨詢。同時(shí)我們也首次發(fā)現(xiàn)MVD基因突變跟掌跖型汗孔角化癥的播散發(fā)展有關(guān)[15]。

除了以上4個(gè)膽固醇代謝相關(guān)基因以外，有學(xué)者通過(guò)對(duì)患DSAP的兩個(gè)中國(guó)家系進(jìn)行全外顯子組測(cè)序發(fā)現(xiàn)SLC17A9基因存在兩個(gè)錯(cuò)義突變[16]。Lu等通過(guò)全基因組連鎖及Sanger測(cè)序發(fā)現(xiàn)SSH1基因和SART3基因在兩個(gè)患DSAP的中國(guó)家系中被發(fā)現(xiàn)，推測(cè)其可能是DSAP的致病基因[11]。然而，這一發(fā)現(xiàn)沒(méi)有在后續(xù)診斷的其他的DSAP家系中得到證實(shí)，據(jù)此，F(xiàn)rank等推測(cè)SSH1及SART3變異可能只是一個(gè)單核苷酸多態(tài)而不是一個(gè)真正的突變[17]。

2.2 毛囊性魚(yú)鱗病伴隨禿發(fā)和畏光綜合征(Ichthyosis follicularis 、atrichia and photophobia，IFAP) 毛囊性魚(yú)鱗病伴隨禿發(fā)和畏光綜合征(IFAP)是一種少見(jiàn)的X連鎖遺傳的疾病[12]。臨床表現(xiàn)為毛囊性魚(yú)鱗病、部分或全部禿發(fā)及畏光，可能伴隨角膜炎、瞼炎、牙釉質(zhì)發(fā)育不全。

Oeffner等研究發(fā)現(xiàn)其致病基因?yàn)槟そY(jié)合轉(zhuǎn)錄因子肽酶，位點(diǎn)2蛋白酶(Membrane-bound transcription factor peptidase，site-2-protase, MBTPS2)[18]，他們對(duì)IFAP患者的mRNA進(jìn)行RT-PCR分析發(fā)現(xiàn)MBTPS2基因內(nèi)含子突變導(dǎo)致外顯子錯(cuò)誤剪接，影響MBTPS2拼接，繼而引起IFAP綜合征。MBTPS2是一種膜包被的鋅金屬蛋白酶，激活膽固醇控制轉(zhuǎn)錄的信號(hào)蛋白和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力反應(yīng)。在負(fù)反饋調(diào)控機(jī)制中，SREBP活性域被MBTPS2裂開(kāi) ，隨后被轉(zhuǎn)運(yùn)至胞核作為L(zhǎng)DL受體基因等多種靶基因的轉(zhuǎn)錄因子。同時(shí)參與另外一種裂解酶，即膜結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子肽酶，位點(diǎn)1蛋白酶(Membrane-bound transcription factor peptidase，site-1-protase, MBTPS1)。該酶MBTPS1基因編碼，是一種膜結(jié)合的絲氨酸蛋白酶。典型的膜結(jié)合S1P亞基是膽固醇調(diào)控原件結(jié)合蛋白SREBP1和SREBP2,在脂質(zhì)代謝和膽固醇穩(wěn)態(tài)中起主要作用。當(dāng)膽固醇缺乏時(shí),S1P會(huì)激活SREBP，但 MBTPS1基因突變導(dǎo)致人類(lèi)何種疾病，目前仍未知。

2.3 禿發(fā)性棘狀毛囊角化病(Keratosis follocularis spinulosa decalvans, KFSD) 禿發(fā)性棘狀毛囊角化病是一種少見(jiàn)的X連鎖隱性遺傳病，臨床表現(xiàn)以頭皮過(guò)度角化丘疹為特征，隨后出現(xiàn)頭皮、睫毛、眉毛進(jìn)行性禿發(fā)[19]。研究發(fā)現(xiàn)KFSD的致病基因同樣為MBTPS2基因，該基因突變導(dǎo)致MBTPS2酶活性下降，從而影響蛋白正常功能，表現(xiàn)為對(duì)膽固醇反應(yīng)能力明顯降低[20]。研究發(fā)現(xiàn)，MBTPS2活性下降影響表皮結(jié)構(gòu)分化并引起多種表型[20]。

到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)MBTPS2基因存在21種突變，其中錯(cuò)義突變19種、剪接2種，Arg429His突變是最常見(jiàn)的導(dǎo)致嚴(yán)重IFAP/BRESHECK綜合征的病因， IFAP/KFSD的主要致病突變?yōu)镚ly500Asp和Asn508Ser,這兩種拼接突變常與嚴(yán)重的表型相關(guān)。而MBTPS2基因存在錯(cuò)義突變的女性攜帶者可能表現(xiàn)為輕度IFAP/KFSD表型[21]。Bornholdt等對(duì)MBTPS2突變的男性患者基因型-表型關(guān)系進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，羧基端和氨基端的基因突變更有可能和輕度IFAP綜合征表型相關(guān)；羧基端氨基酸改變大多表現(xiàn)為IFAP/KFSD綜合征伴隨進(jìn)行性禿發(fā)；跨膜位點(diǎn)的突變經(jīng)常引起嚴(yán)重的IFAP綜合征[22]。本課題組報(bào)道1例漢族IFAP/KFSD患者，并發(fā)現(xiàn)一個(gè)MBTPS2基因致病突變，即c.599C>T，推測(cè)該突變導(dǎo)致編碼的氨基酸殘基由丙氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)槔i氨酸，即p.Ala200Val，該突變位于MBTPS2蛋白的羧基端，患兒臨床表現(xiàn)為相對(duì)輕的IFAP/KFSD綜合征，符合以往研究的基因型-表型關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)存在相同突變的MBTPS2相關(guān)疾病表現(xiàn)為一定程度的表型異質(zhì)性，提示除了突變位點(diǎn)，尚存在其他影響表型的因素[23]。

3 展望

膽固醇在體內(nèi)發(fā)揮重要生理作用，其代謝在體內(nèi)受到精密調(diào)控，膽固醇代謝通路上任一過(guò)程發(fā)生異常，均有可能致體內(nèi)膽固醇水平異常，膽固醇代謝異常對(duì)于皮膚角質(zhì)形成細(xì)胞的影響是巨大的，破壞細(xì)胞屏障，導(dǎo)致角化異常性遺傳性皮膚病。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種基因突變可影響膽固醇代謝通路中間產(chǎn)物，影響膽固醇代謝。但是，我們對(duì)膽固醇代謝異常導(dǎo)致皮膚角化異常的可能機(jī)制知之甚少，尚未發(fā)現(xiàn)有效的治療方法。

[1] Liu TF, Song BL. Mechanisms of negative feedback regulation of cholesterol biosynthesis[J]. Chinese J Cell Biol,2013,35(4):401-409.

[2] Brown MS, Goldstein JL, Dietschy JM. Comparison with the rate of cholesterol synthesis in different physiological states[J]. J Biol Chem,1979,254(12):5144-5149.

[3] Wang X, Briggs MR, Hua X, et al. Nuclear protein that binds sterol regulatory element of low density lipoprotein receptor promoter. II. Purification and characterization[J]. J Biol Chem,1993,268(19):14497-14502.

[4] Marschner K, Kollmann K, Schweizer M, et al. A key enzyme in the biogenesis of lysosomes is a protease that regulates cholesterol metabolism[J]. Science,2011,333(6038):87-90.

[5] Nohturfft A, Brown MS, Goldstein JL, et al. Topology of SREBP cleavage -activating protein, a polytopic membrane protein with a sterol-sensing domain[J]. J Biol Chem,1998,273(27):17243-17250.

[6] Nohturfft A, Brown MS, Goldstein JL. Sterols regulate processing of carbohydrate chains of wild-type SREBP cleavage-activating protein (SCAP), but not sterol-resistant mutantsY298C or D443N[J]. Proc Natl Acad Sci USA,1998,95(22):12848-12853.

[7] Yang T, Espenshade PJ, Wright ME, et al. Crucial step in cholesterol homeostasis: Sterols promote binding of SCAP to INSIG-1, a membrane protein that facilitates retention of SREBPs in ER[J]. Cell,2002,110(4):489-500.

[8] Song BL, Sever N, DeBose-Boyd RA. Gp78, a membrane-anchored ubiquitin ligase, associates with Insig-1 and couplessterol-regulated ubiquitination to degradation of HMG CoA reductase[J]. Mol Cell,2005,19(6):829-840.

[9] Cao J, Wang J, Qi W, et al. Ufd1 is acofactor of gp78 and plays a key role in cholesterol metabolism by regulating the stability of HMG-CoA reductase[J]. Cell Metab,2007,6(2):115-128.

[10] Lee JN, Song B, DeBose-Boyd RA, et al. Sterol-regulated degradation of Insig-1 mediated by the membrane-bound ubiquitin ligase gp78[J]. J Biol Chem,2006,281(51):39308-39315.

[11] Lu WS,Zheng XD, Yao XH, et al. A novel MVK missense mutation in one Chinese family with disseminated superficial actinic porokeratosis[J]. Mol Biol Rep,2014,41(11):7229-7233.

[12] Zhang Q, Jiang T, Li M, et al. Exome sequencing identifies MVK mutations in disseminated superficial actinic porokeratosis[J]. Nature,2012,44(10):1156-1160.

[13] Zeng K, Zhang Q, Li L, et al. Splicing mutation in MVK is a cause of porokeratosis of Mibelli[J]. Arch Dermatol Res,2014,306:749-755.

[14] Zhang ZH, Li C, Wu F, et al. Genomic variations of the mevalonate pathway in porokeratosis[J]. eLife,2015,4:e06322.

[15] Li M , Li ZL,Wang JB, et al. Mutations in the mevalonate pathway genes in Chinese patients with porokeratosis[J]. J Eur Acad Dermatol Venereol,2016,30(9):1512-1517.

[16] Cui H, Li L, Wang W, et al. Exome sequencing identifies SLC17A9 pathogenic gene in two Chinese pedigrees[J]. J Met Genet,2014,51(10):699-704.

[17] Frank J, van Geel M, van Steensel MA. Loss of heterozygosity studies on chromosome 12q in disseminated superficial actinic porokeratosis: lessons to be learned[J]. J Invest Dermatol,2007,127(8):2058-2059.

[18] Oeffner F, Martinez E, Schaffer J, et al. Intronic mutations affecting splicing of MBTPS2 cause ichthyosis follicularis, alopecia and photophobia (IFAP) syndrome[J]. Exp Dermatol,2011,20(5):447-449.

[19] Aten E, Lisa C, Bornholdt D, et al. Keratosis Follicularis Spinulosa Decalvans Is Caused by Mutations in MBTPS2[J]. Hum Mutat,2010,31(10):1125-1133.

[20] Oeffner F, Fischer G, Happle R, et al. IFAP syndrome is caused by deficiency in MBTPS2, an intramembrane zinc metalloprotease essential for cholesterol homeostasis and ER stress response[J]. Am J Hum Genet,2009,84(4):459-467.

[21] Aten E, Brasz LC, Bornholdt D, et al. Keratosis Follicularis Spinulosa Decalvans is caused by mutations in MBTPS2[J]. Hum Mutat,2010,31(10):1125-1133.

[22] Bornholdt D, Atkinson TP, Bouadjar B, et al. Genotype-phenotype correlations emerging from the identification of missense mutations in MBTPS2[J]. Hum Mutat,2013,34(4):587-600.

[23] Zhang J, Wang Y, Cheng R, et al. Novel MBTPS2 missense mutation causes a keratosis follicularis spinulosa decalvans phenotype: mutation update and review of the literature. Clin Exp Dermatol,2016,41(7):757-760.

(收稿：2016-05-23 修回：2016-05-30)

Update of the abnormal cholesterol metabolism and keratinization genodermatosis

CHENFuying,LIMing.

DepartmentofDermatology,XinhuaHospitalAffiliatedtoShanghaiJiaotongUniversitySchoolofMedicine,Shanghai200092,China

LIMing,E-mail:liming01@xinhuamed.com.cn

Cholesterol is a kind of lipid molecule and plays an important role in the maintaining the stability of cell membrane. The abnormal cholesterol metabolism can cause a variety of abnormal keratinization genodermatosis, which is reviewed in this article.

cholesterol metabolism; gene mutation; genodermatosis

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院高峰高原計(jì)劃“研究型醫(yī)師”項(xiàng)目(編號(hào)：20161417)

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院，上海，200092

李明，E-mail: liming01@xinhuamed.com.cn