郭佩佩，王長(zhǎng)琛，黃鑫，潘博

(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院整形外科醫(yī)院整形七科，北京 100144)

脊椎動(dòng)物的顱面部器官發(fā)育過(guò)程十分復(fù)雜，其形態(tài)發(fā)生包含骨、軟骨、結(jié)締組織等不同細(xì)胞類型的發(fā)育。有研究報(bào)道，顱面畸形是人類最常見(jiàn)的出生缺陷之一，1/3的先天性出生缺陷由顱面畸形引起[1]。顱面部畸形主要發(fā)生在妊娠前3個(gè)月，這是脊柱動(dòng)物高度保守的發(fā)育窗口。多種信號(hào)通路和基因，如成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子信號(hào)通路、音猬因子(sonic hedgehog，SHH)信號(hào)通路、骨形態(tài)發(fā)生蛋白信號(hào)通路以及同源異型盒基因(homeobox genes，HOX)、轉(zhuǎn)錄因子性別決定區(qū)Y框相關(guān)基因(sex determining region Y-box gene，SOX)等，在神經(jīng)嵴細(xì)胞的誘導(dǎo)、遷移、增殖和分化過(guò)程中均發(fā)揮至關(guān)重要的作用，這些因子任意時(shí)間空間的特異性表達(dá)失調(diào)均會(huì)影響細(xì)胞的發(fā)育，從而影響正常器官形態(tài)的形成[2-3]。視黃酸是維生素A的活性代謝產(chǎn)物，通過(guò)結(jié)合受體調(diào)節(jié)多個(gè)靶基因的表達(dá)，以調(diào)控神經(jīng)嵴細(xì)胞的發(fā)育[4]。視黃酸通路調(diào)控紊亂可引起顱面部多種先天性畸形的發(fā)生。現(xiàn)就近年來(lái)有關(guān)視黃酸信號(hào)通路與顱神經(jīng)嵴細(xì)胞發(fā)育關(guān)系的研究進(jìn)展予以綜述，進(jìn)一步闡述視黃酸信號(hào)通路與顱面部器官發(fā)育缺陷的關(guān)系，以期為今后的研究提供參考。

1 視黃酸信號(hào)通路

視黃酸是維生素A在生物體內(nèi)的代謝產(chǎn)物。維生素A主要存在于動(dòng)物性食品(如肉和奶制品)中，橙色蔬菜中的胡蘿卜素也可以被分解為維生素A。根據(jù)視黃酸分子結(jié)構(gòu)中極性基團(tuán)及側(cè)鏈的不同，其可分為多種同分異構(gòu)體，包括全反式視黃酸、9-順式視黃酸、13-順式視黃酸等。全反式視黃酸是體內(nèi)典型視黃酸通路中的生物學(xué)活性形式[5]；9-順式視黃酸也是體內(nèi)具有生物學(xué)活性的形式；13-順式視黃酸又被稱為異維A酸，是皮膚科的常用藥物。視黃酸參與胚胎發(fā)育過(guò)程中的一系列生理過(guò)程，包括細(xì)胞增殖、凋亡和分化等，對(duì)成體動(dòng)物的神經(jīng)、骨骼、血液及免疫系統(tǒng)等穩(wěn)態(tài)的維持有重要影響[4,6-7]。

視黃酸是一種脂溶性分子，在胚胎發(fā)生過(guò)程中由母體視黃醇產(chǎn)生。母體來(lái)源的視黃醇與視黃醇結(jié)合蛋白4結(jié)合后通過(guò)視黃酸誘導(dǎo)蛋白6進(jìn)入細(xì)胞。視黃酸誘導(dǎo)蛋白6是一種膜轉(zhuǎn)運(yùn)體，負(fù)責(zé)結(jié)合并運(yùn)送視黃醇-視黃醇結(jié)合蛋白復(fù)合體穿過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入靶細(xì)胞內(nèi)。被細(xì)胞攝取后的視黃醇與細(xì)胞內(nèi)的視黃醇結(jié)合蛋白結(jié)合后通過(guò)兩步反應(yīng)生成視黃酸[8]。第一步的氧化反應(yīng)由具有醇脫氫酶活性的酶催化產(chǎn)生視黃醛，此步驟主要通過(guò)短鏈脫氫酶家族的酶和中鏈脫氫酶家族的酶參與完成。第二步由視黃醛脫氫酶(retinaldehyde dehydrogenases，RALDH)將視黃醛氧化為視黃酸，這是影響視黃酸合成的限速步驟。共有4種RALDH在視黃酸的合成過(guò)程中具有重要作用，其中RALDH1、RALDH2和RALDH3參與全反式視黃酸的合成，而RALDH4參與體內(nèi)9-順式視黃酸的合成。研究表明，RALDH2是早期脊椎動(dòng)物胚胎中此步驟的最主要參與者，在胚胎原腸胚時(shí)期即可檢測(cè)到[9]。細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的視黃酸主要經(jīng)歷以下3種不同的生理過(guò)程。如果細(xì)胞內(nèi)有細(xì)胞色素氧化酶P450家族26亞家族(cytochrome P450 26 subfamily，CYP26)的酶類，視黃酸就會(huì)在胞質(zhì)中被羥基化，形成生物活性較低的極性代謝物，最終從細(xì)胞中清除。CYP26A1、CYP26B1和CYP26C1三個(gè)成員是體內(nèi)重要的視黃酸降解酶[5]。RALDH和CYP26分別具有合成和分解視黃酸的作用，并共同調(diào)控維持機(jī)體內(nèi)視黃酸的穩(wěn)態(tài)。若細(xì)胞中沒(méi)有CYP26，視黃酸則進(jìn)入細(xì)胞核，與胞核內(nèi)的受體結(jié)合，觸發(fā)靶基因的轉(zhuǎn)錄激活。視黃酸的核受體包含視黃酸受體(retinoic acid receptor，RAR)和視黃酸Ⅹ受體(retinoid Ⅹ receptor，RXR)[10]。脊柱動(dòng)物的RAR和RXR均有α、β和γ亞型，每種亞型都有相應(yīng)的同分異構(gòu)體，并在不同組織或細(xì)胞中發(fā)揮作用。全反式視黃酸、13-順式視黃酸可與RAR結(jié)合，而9-順式視黃酸則可以與兩種受體結(jié)合。RAR和RXR可組成異構(gòu)二聚體RAR-RXR受體，在缺乏視黃酸的情況下，RAR-RXR受體與靶基因啟動(dòng)子區(qū)域的視黃酸反應(yīng)元件結(jié)合，招募組蛋白脫乙?；妥瓒舻鞍滓种瓢谢蜣D(zhuǎn)錄；當(dāng)視黃酸存在時(shí)，視黃酸與受體結(jié)合并使其構(gòu)象發(fā)生改變，釋放阻遏蛋白并暴露出共激活因子結(jié)合位點(diǎn)，促進(jìn)靶基因的轉(zhuǎn)錄[11]。一個(gè)細(xì)胞中產(chǎn)生的視黃酸還可通過(guò)旁分泌的方式向鄰近細(xì)胞發(fā)出信號(hào)，介導(dǎo)非細(xì)胞自主效應(yīng)。

2 視黃酸在神經(jīng)嵴細(xì)胞發(fā)育中的作用

神經(jīng)嵴細(xì)胞是脊椎動(dòng)物特有，起源于背側(cè)神經(jīng)管的一組可遷移的多潛能干細(xì)胞。顱神經(jīng)嵴細(xì)胞是神經(jīng)嵴細(xì)胞的一個(gè)子集，在顱面結(jié)構(gòu)的形成中起重要作用，構(gòu)成顱面部大多數(shù)組織結(jié)構(gòu)的細(xì)胞均由顱神經(jīng)嵴細(xì)胞衍生而來(lái)，包括神經(jīng)元細(xì)胞、肌成纖維細(xì)胞、黑素細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞、軟骨細(xì)胞和骨細(xì)胞等[12-13]。顱神經(jīng)嵴細(xì)胞的誘導(dǎo)、遷移、增殖、分化均需要嚴(yán)格時(shí)空信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控，任何涉及調(diào)節(jié)顱神經(jīng)嵴細(xì)胞行為的信號(hào)失調(diào)均可能導(dǎo)致顱面畸形的發(fā)生。

在原腸胚時(shí)期，神經(jīng)嵴細(xì)胞位于神經(jīng)板邊緣和非神經(jīng)外胚層之間，通過(guò)上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化在神經(jīng)溝背側(cè)中線聚集形成神經(jīng)管，并與神經(jīng)上皮分離[14]。神經(jīng)嵴細(xì)胞的誘導(dǎo)過(guò)程需要神經(jīng)外胚層和非神經(jīng)外胚層以及下層近軸中胚層之間信號(hào)的相互作用。而神經(jīng)嵴細(xì)胞最早的標(biāo)志物，也是其誘導(dǎo)過(guò)程所必需的轉(zhuǎn)錄因子Gbx2則由包括視黃酸在內(nèi)的信號(hào)分子誘導(dǎo)產(chǎn)生[4,15]。視黃酸還參與脊椎動(dòng)物神經(jīng)管發(fā)育的前后軸模式的形成。在胚胎原腸胚時(shí)期和早期體細(xì)胞形成時(shí)期，給予胚胎外源性視黃酸可以改變HOX編碼，并干擾神經(jīng)管前后模式的形成，破壞神經(jīng)嵴細(xì)胞的誘導(dǎo)過(guò)程[16-17]。

誘導(dǎo)并進(jìn)行上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化后的顱神經(jīng)嵴細(xì)胞可從間腦、中腦和菱腦(又稱后腦)部位沿特定路徑向腹側(cè)區(qū)域進(jìn)行廣泛而協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)。起源于間腦和中腦前部的顱神經(jīng)嵴細(xì)胞遷移至額鼻突并分化為鼻部、眼部、額骨和一部分上頜結(jié)構(gòu)。敲除視黃酸受體小鼠的神經(jīng)嵴細(xì)胞存活異常，導(dǎo)致不同程度的額骨、上頜骨和蝶骨融合缺陷等面中部發(fā)育不全表型出現(xiàn)[18]。視黃酸信號(hào)通路還通過(guò)對(duì)抗成骨因子的調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)控成骨機(jī)制。外源性視黃酸可以改變成骨和破骨細(xì)胞之間的平衡，導(dǎo)致顱骨增厚[19]。

成對(duì)同源異型結(jié)構(gòu)域蛋白轉(zhuǎn)錄因子2是哺乳動(dòng)物眼球發(fā)育的調(diào)控因子，其蛋白表達(dá)是神經(jīng)嵴細(xì)胞正常遷移所必需[20]。在早期遷移的神經(jīng)嵴細(xì)胞中，視黃酸信號(hào)通路增加或成對(duì)同源異型結(jié)構(gòu)域蛋白轉(zhuǎn)錄因子2表達(dá)下調(diào)會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)嵴細(xì)胞凋亡及遷移的抑制，而抑制視黃酸的生物合成或過(guò)表達(dá)成對(duì)同源異型結(jié)構(gòu)域蛋白轉(zhuǎn)錄因子2也會(huì)干擾神經(jīng)嵴細(xì)胞的遷移，導(dǎo)致眼結(jié)構(gòu)及顱面發(fā)育的異常。外源性視黃酸處理胚胎可以改善過(guò)表達(dá)成對(duì)同源異型結(jié)構(gòu)域蛋白轉(zhuǎn)錄因子2a而引起的神經(jīng)嵴遷移抑制和細(xì)胞凋亡[16]。

起源于中腦后部和菱腦的顱神經(jīng)嵴細(xì)胞遷移到特定的腮弓。成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子信號(hào)通路和Wnt信號(hào)通路通過(guò)調(diào)控Cyp26的時(shí)間和空間表達(dá)，使視黃酸在菱腦部位形成一個(gè)前后表達(dá)不一的濃度梯度，引導(dǎo)著顱神經(jīng)嵴細(xì)胞的遷移[21-22]。鰓弓發(fā)育于咽兩側(cè)，內(nèi)側(cè)包繞內(nèi)胚層，外部覆以外胚層的上皮，能夠產(chǎn)生大量的顱面頭頸部結(jié)構(gòu)。位于第一鰓弓的顱神經(jīng)嵴細(xì)胞衍生為面部的上頜和下頜骨。上頜骨的形成依賴于成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子8介導(dǎo)的遠(yuǎn)端缺失同源盒1的表達(dá)[23]，而下頜骨受內(nèi)皮素-1誘導(dǎo)的遠(yuǎn)中缺失同源盒基因5和遠(yuǎn)中缺失同源盒基因6的表達(dá)調(diào)控[24]。神經(jīng)嵴誘導(dǎo)分層后的外源性視黃酸治療減少了鰓弓內(nèi)成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子8和內(nèi)皮素-1的表達(dá)，從而抑制上下頜骨結(jié)構(gòu)的發(fā)育[25-26]。顱神經(jīng)嵴細(xì)胞遷移分化為第二到第四鰓弓的過(guò)程由HOX家族基因表達(dá)決定，而視黃酸是菱腦中HOX基因的關(guān)鍵調(diào)控因子。如HOXA2在確定第二鰓弓方面起著至關(guān)重要的作用，而第三鰓弓的發(fā)育則與HOXA3的水平密切相關(guān)[27-28]。HOXA2的敲除或表達(dá)下調(diào)使第二鰓弓向第一鰓弓轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致舌骨的丟失和第一鰓弓衍生的上下頜結(jié)構(gòu)的重復(fù)。妊娠早期HOXA2表達(dá)失調(diào)會(huì)導(dǎo)致外耳道復(fù)制和耳廓缺失，而胚胎晚期HOXA2表達(dá)失調(diào)會(huì)導(dǎo)致耳廓位置降低[29]。在原腸胚和早期體細(xì)胞形成期間，給予胚胎外源性視黃酸會(huì)改變HOX編碼，正常鰓弓結(jié)構(gòu)的形成被破壞，導(dǎo)致神經(jīng)嵴衍生結(jié)構(gòu)的畸形[30-31]。

3 視黃酸信號(hào)通路調(diào)節(jié)紊亂造成的顱面部發(fā)育畸形

胚胎內(nèi)的視黃酸依賴于母體供應(yīng)，其濃度的異常降低或升高均會(huì)導(dǎo)致胚胎先天性顱面表型的異常。胎兒體內(nèi)視黃酸濃度的降低會(huì)導(dǎo)致小頭畸形、唇裂、腭裂和小眼癥等。而母體攝入過(guò)量維生素A或暴露于視黃酸類似物也會(huì)導(dǎo)致小耳畸形、眼距過(guò)寬、小頜畸形、唇裂和腭裂等。視黃酸水平嚴(yán)重異常甚至?xí)?dǎo)致胚胎死亡。

3.1腭裂 在腭板的發(fā)育過(guò)程中，過(guò)量的視黃酸暴露會(huì)導(dǎo)致腭裂的發(fā)生。小鼠胚胎發(fā)育的第8.5天是顱神經(jīng)嵴細(xì)胞形成及遷移的時(shí)期，此時(shí)的視黃酸暴露可引起腭裂的發(fā)生。與胚胎的其他時(shí)期相比，胚胎第8.5天發(fā)生視黃酸暴露小鼠的腭裂發(fā)生率更高[32]。SHH信號(hào)通路的調(diào)控在腭突的生長(zhǎng)發(fā)育模式形成過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。補(bǔ)充外源性視黃酸的胚胎腹側(cè)前腦區(qū)域的SHH信號(hào)顯著減少，使位于第一鰓弓的顱神經(jīng)嵴細(xì)胞發(fā)生凋亡，進(jìn)而導(dǎo)致腭裂及腭皺襞形態(tài)異常的發(fā)生。而通過(guò)化學(xué)激動(dòng)劑恢復(fù)SHH信號(hào)可以減少顱神經(jīng)嵴細(xì)胞的凋亡，并降低腭裂的發(fā)生率[33-34]。對(duì)小鼠腭裂模型的研究表明，在腭上皮細(xì)胞和腭突間充質(zhì)細(xì)胞中，SHH信號(hào)通路通過(guò)抑制視黃酸的活性來(lái)維持正常的組織發(fā)育。在Shh基因條件性敲除的腭上皮細(xì)胞和腭突間充質(zhì)細(xì)胞中，視黃酸降解的生理過(guò)程被抑制，導(dǎo)致腭突和腭皺襞的發(fā)育異常[11]。另有研究報(bào)道，外源性視黃酸可能通過(guò)抑制Smad信號(hào)通路的激活來(lái)影響腭突間充質(zhì)細(xì)胞增殖，導(dǎo)致腭裂的發(fā)生[35]。

3.2胎兒酒精譜系障礙 胎兒酒精譜系障礙指因妊娠女性在妊娠期間攝入乙醇而導(dǎo)致胎兒出現(xiàn)的一組解剖畸形和神經(jīng)發(fā)育異常，其顱面部特征表現(xiàn)為上唇薄、人中平滑或長(zhǎng)、瞼裂短、鼻梁低等。胎兒酒精綜合征是胎兒酒精譜系障礙疾病中較嚴(yán)重的類型，除上述特征性表型外，約60%的胎兒酒精綜合征患兒存在小頭畸形[36-37]。體內(nèi)的乙醇代謝產(chǎn)物可產(chǎn)生一系列影響胎兒正常發(fā)育的作用，如正常DNA甲基化模式改變、微RNA改變、細(xì)胞黏附、連接的變化以及多種生長(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子表達(dá)的改變等[38-40]。故推測(cè)，乙醇清除和視黃酸生物合成之間的酶競(jìng)爭(zhēng)是產(chǎn)前乙醇暴露導(dǎo)致面部及小頭畸形的重要原因之一[8]。乙醇的氧化產(chǎn)物乙醛是RALDH2的有效底物。乙醛與視黃醛競(jìng)爭(zhēng)RALDH2的酶活性區(qū)域，從而使視黃醛積累，視黃酸合成減少，最終導(dǎo)致胚胎發(fā)育過(guò)程中的顱面畸形[36]。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，乙醇暴露母體在補(bǔ)充維生素A或其代謝產(chǎn)物后，其體內(nèi)視黃酸信號(hào)通路相關(guān)基因的表達(dá)水平部分或全部恢復(fù)，在一定程度上防止了胚胎組織器官的發(fā)育畸形[41-42]。

3.322q11.2微缺失綜合征 22q11.2微缺失綜合征是人類最常見(jiàn)的一類臨床癥候群，以第22號(hào)染色體長(zhǎng)臂上1.5 Mb～3 Mb的雜合缺失為遺傳學(xué)基礎(chǔ)[43]。22q11.2微缺失綜合征突出的臨床表現(xiàn)包括顱面畸形、先天性心臟病、腭裂、胸腺發(fā)育不全、免疫缺陷以及喂養(yǎng)困難、認(rèn)知、行為缺陷等。TBX1是22q11.2微缺失綜合征最重要的候選基因。在鰓弓的發(fā)育過(guò)程中，TBX1受到視黃酸的調(diào)控。小鼠體內(nèi)TBX1突變導(dǎo)致RALDH2表達(dá)異常及Cyp26表達(dá)下調(diào)，視黃酸水平升高引起鰓弓發(fā)育缺陷，導(dǎo)致顱面和心臟畸形[22]。在胚胎發(fā)育中，視黃酸誘導(dǎo)蛋白6表達(dá)于多種組織，包括鰓弓上皮。人類視黃酸誘導(dǎo)蛋白6基因突變導(dǎo)致眼部結(jié)構(gòu)缺陷、腭裂、耳畸形等多種顱面器官畸形，并可導(dǎo)致與22q11.2微缺失綜合征相似的表型，如心臟和認(rèn)知行為發(fā)育缺陷等[44]。

3.4CHARGE綜合征 CHARGE綜合征是CHD7基因雜合突變引起的一類先天性多器官畸形綜合征，主要癥狀包括眼畸形、心臟畸形、后鼻孔閉鎖、生長(zhǎng)發(fā)育遲滯、生殖器發(fā)育不全、耳畸形及聽(tīng)力障礙等[45]。在胚胎發(fā)育過(guò)程中，視黃酸信號(hào)的失調(diào)會(huì)導(dǎo)致類似于CHARGE綜合征的發(fā)育缺陷。而視黃酸生物合成抑制劑可以修復(fù)CHD7敲除小鼠的內(nèi)耳畸形[46]。有研究表明，CHD7作用于視黃酸合成酶RALDH3的上游，可直接調(diào)控其表達(dá)，而RALDH3基因的缺失可部分挽救CHD7突變小鼠的內(nèi)耳缺陷表型[47]。

3.5胎兒寨卡綜合征 通過(guò)母嬰傳播而引起的先天性寨卡病毒感染會(huì)引起胎兒一系列功能和結(jié)構(gòu)的先天缺陷，稱為胎兒寨卡綜合征，包括癲癇發(fā)作、先天性攣縮、椎體外系病變、宮內(nèi)生長(zhǎng)發(fā)育受限、顱面及小頭畸形等[48]。有學(xué)者在寨卡病毒基因組中發(fā)現(xiàn)了與視黃酸反應(yīng)元件一致的序列，并推測(cè)這些病毒的罕見(jiàn)序列與細(xì)胞核中的RXR-RAR異源二聚體結(jié)合，導(dǎo)致視黃酸信號(hào)減少，并干擾了胚胎發(fā)育期間正常的基因調(diào)控，引起胎兒寨卡綜合征中的小頭畸形表型[49]。

4 小 結(jié)

脊椎動(dòng)物顱面器官的發(fā)育是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，涉及不同階段、不同空間的多種信號(hào)分子與周圍組織間的協(xié)調(diào)作用。視黃酸信號(hào)通路對(duì)于胚胎正常發(fā)育，特別是顱面部器官的發(fā)育具有重要作用。在顱神經(jīng)嵴細(xì)胞誘導(dǎo)、遷移及分化成顱面部各種突起的過(guò)程中，視黃酸信號(hào)通路的相關(guān)分子突變或表達(dá)異常均可能阻礙神經(jīng)嵴細(xì)胞的活動(dòng)，造成顱面組織形態(tài)的發(fā)育缺陷。目前有關(guān)視黃酸通路在顱面器官形態(tài)發(fā)生過(guò)程發(fā)揮作用的具體機(jī)制的研究仍處于探索階段。