FGFRs突变致颅缝早闭机制研究进展

骨骼发育分为膜内成骨及软骨内成骨两种形式。软骨内成骨是指从间充质细胞密集、分裂、分化为软骨细胞,形成未来骨骼的软骨样骨雏形,然后软骨细胞经增生、分化、凋亡等过程,最终被骨骼组织所取代。膜内成骨则是指问充质细胞不经软骨形成过程而直接分化为成骨细胞。颅盖扁状骨即是由膜内成骨发育而来。颅缝则是在颅盖扁状骨增长时,相邻扁状骨间的边缘逐渐相互靠近但并不融合,形成由各骨块边缘及其间的间充质(纤维样组织)组成的纤维性联合。颅盖骨的生长正是通过各骨块边缘的成骨细胞增生、分化和骨基质沉着来实现。在这一过程中,多种信号机制参与调控,如转化生长因子β骨形成蛋白(BMFs)、成纤维细胞生长囚子(FGR)、WIlt蛋白。异常的信号传导即可导致单条或多条颅缝过早闭合,影响颅骨的形态、功能及大脑的发育。

成纤维生长因子及其受体可通过多种途径调控颅盖骨的形成。而成纤维生长因子受体(FGFRs)基因突变,可导致一系列的颅缝早闭综合征。笔者就近年来FGFRs突变导致颅缝早闭机制的研究进展作一简要的综述。

1 FGFs/FGFRs概述

1.1 FGVFGFRs生物学特性FGFs家族由20个(FGF1-FGF23)成员组成[1]。每个成员具有类似的结构,由150-2uXl个氨基酸组成,相互之间有着20%-∞%相同的氨基酸序列,其中心区域有大约200个氨基酸序列存在高度的同源性.其相对分子量一般在20-30kDa。FGFs大多以自分泌或旁分泌方式与存在于细胞表面的FGFRb结合,将信号传递到胞内[2]。FGFRs家族由FGFR1、2、3、4四个成员组成,属于免疫球蛋白样酪氨酸蛋白激酶家族。该家族具有类似的结构,均为跨膜受体,仅跨膜一次,由胞外区、跨膜区和胞内区3部分组成,其中胞外区含3个免疫球蛋白样功能域(I红、Ⅱ、Ⅲ),胞内区含1个酪氨酸激酶(TK)功能域。根据发生在坨Ⅲ区域上的组织特异性选择性拼切的差异,FGFRl-3各有Ⅲb、Ⅲc两种亚型。FGFs与硫酸酰肝素结合后作用于FGFRs胞外兔功能域[l],使FGFRs发生二聚体化,引发胞内酪氨酸激酶自磷酸化并磷酸化细胞内某些信号通路,从而在细胞的增殖、分化、发生发育、凋亡过程中发挥重要的调控作用。

1.2 FGFs/FGFRs在骨形成中的生理作用FGFs/FGF际参与调控骨形成过程中所有环节,包括成骨细胞的增殖、分化、凋亡[3]。FGFs作用于FGFRs后可激活胞内多条信号通道,如丝裂原活化蛋白激酶、细胞外信号调节激酶、8MAPK、PKC、PLC等。FGF√FGFRs通过这些信号通道调控骨骼发育及形成。研究发现,FGF2激活的ERK1刀信号通道促进前体成骨细胞增殖,FGF亚激活的ERK1刀信号通道可促进成骨细胞分化,FGF18或者突变的FGF跎激活的ERK1刀信号通道可调节间充质细胞向骨性分化。FGF2或活化的FGFm可激活PKC、PLC信号通道促进成骨细胞分化,活化的FGFV可下调⒌c家族成员Fyn和Lyn在成骨细胞内的表达和活性,从而促进成骨细胞分化[4]。FGFGFR还可激活众多胞内下游信号分子,Run趁就是其重要的下游分子之一。Run趁是成骨细胞分化所必须的转录囚子,在骨形成中起着到重要作用。功能获得性突变FGFR1和FGF肥都可提高小鼠Rul.O的表达和活性。在前成骨细胞增殖期Run趁是FGF彪下游分子,在成骨细胞分化期Rm趁是FGFRI下游分子[5]。FGF√FGFRs还可与其他信号通道相互作用一起调控骨前体细胞的分化。FGFRl和Wllt相互作用可决定小鼠颅面骨发育时间充质细胞的分化方向。FGFRs与其他酪氨酸激酶受体如表皮生长因子、血小板衍化生长因子受体相互作用可导致过度成骨细胞分化从而出现颅缝早闭[6]。

2 FGFs/FGFRs与颅缝早闭

2.1 FGFRs基因突变FGFR1、FGFV、FGFR3基因突变可导致多种骨骼疾病。一般来说,发生在FGFR1、FGFV上的突变常导致颅缝早闭;而FGFR3基因突变则常导致矮化综合征。见表1。

FGFR基因突变具有以下特点(AO Wilkie,1997年):①FGFR基因突变通常表现为错义突变,也有少量的剪辑错误突变、插人突变、缺失突变,但所有突变都发生在读码框架内G未发现无义突变及移码突变。突变位点多发生在胞外高度保守的配体结合区。SH Kan(2002年)等研究发现,有些FGFR2突变也可发生于胞内酪氨酸激酶功能域。②某些特定位点的突变比其他位点出现频率高。③FGF肥、FGFR3等位基因错义突变可以有不同表型,如FGFR3基因突变可导致四肢骨不同程度的短小畸形。④FGFR1、FGFV、FGFR3分别在相同位置有相同突变,但其表型不一,如在I匪和IgⅢ连接段的P⑩->Alg错义突变发生在FGFRl表现为Π耐h综合征,发生在FGFR2其表型为Ape⒒综合征,发生在FGFPt3其表型为Mt1enke综合征。⑤FGF彪基因突变常为在免疫球蛋白样功能域的半胱氨酸错义突变。⑥相同位点的错义突变由不同的氨基酸替代会产生不同的表型,如FGF亚、m52W和S252F错义突变导致Apert综合征,而出52L其表型正常。⑦相同位点的突变可有不同的四肢畸形表型。

2.2近年FGFRs基因突变致颅缝早闭机制研究能引起骨骼性疾病(颅缝早闭)FGF吒突变多为功能获得性突变,大部分FGFRs突变通过形成分子间稳定的二硫键从而导致FGFR不依赖配体的组成性激活,其他突变主要是改变配体亲和力或者配体特异性[3]。目前,对功能获得性FGFRs突变导致的一系列颅缝早闭的机制已有了一定的了解。等[8]研究发现,FGFFαus可通过PKC使片段磷酸化从而增加m旎的表达并激活m旎活性。FσRs功能获得型突变,即可通过加强激活下游的PKC通道而增加mn趁的表达并可持续性提高mn趁活性。Park等[9]研究发现,FGF肜m52W及FGF亚”53R基因突变,是通过加强其下游ERK MAPK活性提高mn趁转录活性。Run趁在调控早期成骨细胞分化及早期骨基质蛋白表达中起到重要作用。有研究发现,过度表达和活性增强的mn趁可导致颅缝早闭。在类似于人类FGFR1”52A突变(P△i犰r综合征)的FGFR1A小鼠模型上发现,颅缝处碱性磷酸酶阳性的细胞增多,并出现了短暂性的成骨细胞增殖增强及显著的Run趁表达上调,成骨细胞分化成熟标志骨桥蛋白、骨钙蛋白、骨唾液酸糖蛋白表达大幅度提高。这些结果表明,FGFR150A通过短暂的促进成骨细胞增殖及大幅度的促进成骨细胞分化,打破骨形成中成骨细胞增殖与分化的平衡,从而导致了颅缝早闭。等[ll]对FGF彪C287A突变受体(oouzon综合征)的转运、降解、信号传导及在内质网/高尔基体内的异常滞留进行了研究.FGF”转运依赖于氨基末端的糖基化水平。野生型FGF彪氨基末端完全糖基化,则从内质网/高尔基体转运至细胞表面参与信号传导;而氨基末端不完全糖基化,则从内质网/高尔基体直接转运至蛋白酶体进行降解,故FGF肥C287A在细胞表面表达量少,而异常滞留于内质网/高尔基体并降解加快。H敲ch等发现,滞留在内质网/高尔基体内通过二聚化自激活的FGF彪C287A可与PLCγ结合并激活PLCγ,表明酪氨酸蛋白激酶受体可在细胞器内起始信号传导。H乩ch等认为,功能获得性FGF矽Q汐A突变引起的组成性激活可能是通过提高FGF跑信号传导并起始了FGF亚在细胞器内的信号传导从而影响了成骨细胞分化。由于FGFPL9基因敲除、表达降低的小鼠模型也有颅缝早闭表型,故Hatch等推断FGF”m"A加快了FGFR¨2的降解,也可能是导致颅缝早闭的机制之—。[12]研究发现,组成性激活FGFRs突变可通过PKCα激活AP-1转录活性,从而提高EGFR及PDGFRα的表达。同时FGF”还可激活跏routy2,并加强Cb12的相互作用,隔离Cb1作用于EGFRs,阻碍EGFsR泛素化,从而减少EGFRs的降解。加强的EGFRs及PDGFRα信号传导可正反馈激活PKCα,提高成骨细胞的基因表达及基质的矿化,加快颅缝的闭合。

野生型的FGFR1c只与FGF1、FG⒚、FGΠ、FGF6发生作用,与FG”只有微弱作用。而野生型FGFR3c只与FGF1发生作用。OA Ibrahimi(2004年)等研究发现,发生在IgⅡ与lgⅢ连接处的⒓52A错义突变不但可增强FGFR1c、FGFR3c与配体的亲和力,还可改变两者的配体特异性。FGFR1c”52A(P亿iffer综合征)不仅大幅度提高了与FGFI、FGF2、FGΠ、FGF6的亲和力,与FGF9的亲和力也提高了30倍。FGFR3c”52A(Muenkc综合征)提高了与FGF1的亲和力,还可与FG”微弱反应。FGFR1c”52A在提高自身与FGF9的亲和力同时,也使Fm℃c能与FG”相互作用。在对FGFR1c”52A与FG”复合体晶体结构的研究中,Ibrahimi等发现,FGFR1c”52A与FGF2在不同的两处额外形成了3个氢键连接:这两处额外的氢键连接不但加快了FGFRs与FGFs结合速度,而且降低了两者解离动力,从而增加了FGFRs与JP3FGΓ的亲和力。在本研究中,Ibrahimi等根据FGF9与FGFR1c、FGFR2c亲和力显著的提高,推断FG”可能是颅缝早闭潜在的致病配体。Ibrahimi等还与之前研究作对比7发现⒓52A错义突变发生在FGF⒓c可增加FGF彪.与FGΠ亲和力,而发生在FGFR1c和FGFR3.中并未能使FCFT与两者发生作用,推断FG田与FGF矽.作用可能是FGFR2c突变导致的Ape⒒综合征具有较严重的并指(趾)畸形的原冈,而Pfciffer综合征及MLlelllcc综合征皆只有轻微的四肢畸形。硬脑膜在颅缝的形成和保持中起到了重要作用。研究发现,硬脑膜可释放可溶因子调控颅缝的正常开放及闭合,未成熟的硬脑膜可促进成骨细胞增殖并提高成骨细胞分化的速度和程度。Ang等研究发现,FGF肥突变还可影响硬脑膜细胞,从而改变硬脑膜调控作用.FGFR2⒓53R加强了硬脑膜促进成骨细胞分化的作用,FGF"C278F则加强了硬脑膜促进成骨细胞增殖的作用。表明FGFR突变还可通过改变硬脑膜在颅骨形成中的作用导致颅缝早闭。FGFs作用于FαRs后,FCFRs发生细胞内化,这一过程是FGFRs降解的关键步骤。Allnacd等["研究发现,及FGF肥⒓53R基囚突变(Apert综合征)通过抑制受体细胞内化从而延长受体作用时间,增强FGFs/FGFRs对成骨细胞的调控。

FGF52W及FGF亚⒓53R基因突变同时还加强了其下游MAPK活性。Park等[9J在研究一引起Ape⒒综合征的新位点FGF亚ET31Κ突变时,也发现FGF形基囚突变可加强其下游ERK-MAPK活性。ERK-MAPK信号通过调控细胞从C1期向S期,α期向M期过渡,促进间充质细胞土曾殖。FGF⒓S252环厂、FGFR21⒓53R犭乞F GFR2E731Ki邑过加强ERK-MAPK活性使间充质细胞增殖增强,致使颅缝过早闭合。Lee等[15]在研究中发现,FG亚C278F突变(CloLlzcln综合征或P、iffer综合征)降低了ERK的表达,大量细胞滞留在Gl期和∞期,无法进入s期而导致细胞增殖减少。

野生型FGFm是促进间充质细胞增殖的,故Lee等推断FGFRs除了功能获得性突变外,还存在功能失活性突变。突变即为功能失活性突变,而功能失活性突变也可导致颅缝早闭。综上所述,FGFs/FGF际系统可通过错综复杂的信号通道,调控间充质细胞、成骨细胞的增殖、分化、凋亡等,在颅盖骨发育过程中起着重要作用。FGFRs突变可导致人类发生骨骼性疾病和颅缝早闭。目前,国内外对其致病机制有了一定的了解,但仍未明确。FGFRs突变对下游信号通道、下游信号分子通过怎样的机制产生了怎样的影响,受影响的信号通道、分子又是通过怎样的机制导致了颅缝早闭。诸如此类问题都还需要通过更多的实验研究加以阐明。

参考文献

[1]Olsen SK,Garbi M,Zampieri N.Fibroblast growth factor(FGF)homologous factors share structural but not functional homology with FGFs[J].Journal of Biological Chemistry,2003,(36):34226-34236.

[2]李宝新,李玉坤.FGFs/FGFRs系统对骨调节的研究进展[J].中国细胞生物学学报,2011,(03):318-321.

[3]Ornitz DM,Marie PJ.FGF signaling pathways in endochondral and intramembranous bone development and human genetic disease[J].Genes and Development,2002,(12):1446-1465.

[4]Marie PJ,Miraoui H,Sévère N.FGF/FGFR signaling in bone formation:progress and perspectives[J].Growth Factors,2012,(02):117-123.

[5]Komori T.Signaling networks in RUNX2-dependent bone development[J].Journal of Cellular Biochemistry,2011,(03):750-755.

[6]Miraoui H,Marie PJ.Fibroblast growth factor receptor signaling crosstalk in skeletogenesis[J].Sci Signal,2010,(146):re9.

[7]Cohen MM Jr.No Man′s Craniosynostosis:the arcana of sutural knowledge[J].Journal of Cranio-Maxillofacial Surgery,2012,(01):338-342.

[8]Kim BG,Kim HJ,Park HJ.Runx2 phosphorylation induced by fibroblast growth factor-2/protein kinase C pathways[J].Proteomics,2006,(04):1166-1174.

[9]Park J,Park OJ,Yoon WJ.Functional characterization of a novel FGFR2 mutation,E731K,in craniosynostosis[J].Journal of Cellular Biochemistry,2012,(02):457-464.

[10]LI Fu-bing,DU Xiao-lan,CHEN Lin.Role of fibroblast growth factor receptor 1 in the bone development and skeletal diseases[J].Journal of Medical Colleges of PLA,2007,(06):376-384.

[11]Hatch NE,Hudson M,Seto ML.Intracellular retention,degradation,and signaling of glycosylation-deficient FGFR2 and craniosynostosis syndrome-associated FGFR2C278F[J].Journal of Biological Chemistry,2006,(37):27292-272305.

[12]Miraoui H,Ringe J,Hupl T.Increased EFG-and PDGFalpha-receptor signaling by mutant FGF-receptor 2 contributes to osteoblast dysfunction in Apert craniosynostosis[J].Human Molecular Genetics,2010,(09):1678-1689.

[13]Ang BU,Spivak RM,Nah HD.Dura in the pathogenesis of syndromic craniosynostosis:fibroblast growth factor receptor 2 mutations in dural cells promote osteogenic proliferation and differentiation of osteoblasts[J].Journal of Cranio-Maxillofacial Surgery,2010,(02):462-467.

[14]Ahmed Z,Schüller AC,Suhling K.Extracellular point mutations in FGFR2 elicit unexpected changes in intracellular signalling[J].Biochemical Journal,2008,(01):37-49.

[15]Lee KM,Santos-Ruiz L,Ferretti P.A single-point mutation in FGFR2 affects cell cycle and Tgfbeta signalling in osteoblasts[J].Biochimica Et Biophysica Acta,2010,(03):347-355.