动静脉畸形通常被认为是一种脉管结构发育异常的先天性疾病，动脉端的血流直接流入静脉，缺乏正常毛细管网的调节^[1]。颅外动静脉畸形通常为先天性发病，并随着患者的年龄增长而扩大加重并恶化^[2]。了解动静脉畸形的发病及发展机制是优化治疗方法、提高疗效的关键。大部分颅外动静脉畸形以散发为主，而在一些非常罕见的遗传性疾病如遗传性出血性毛细血管扩张症、毛细血管畸形-动静脉畸形、PTEN错构瘤肿瘤综合征中，动静脉畸形往往是其中最主要的特征性病症。这种家族遗传性也成为了研究动静脉畸形的突破口，相关基因突变被逐一发现^[3,4,5,6]。我们对动静脉畸形中突变基因研究做一整理归纳，以期给临床及科研一线的工作者提供相关知识储备，并确立下一步诊疗及研究的新方向。

动静脉畸形通常被认为是先天性的发育障碍。然而，学界对动静脉畸形形成的分子机制依然知之甚少。在胚胎发育过程中，脉管发育是整个循环系统的基础。这一过程始于卡内基第8阶段的侧板中胚层。一旦胚胎内心脏形成并建立了主要的循环系统，血液就会通过形成复杂的网状血管来满足器官发育中日益增长的需求，这一过程被称为血管新生。随后，为了使得血液供应最为有效，这些原始的血管网进行了程序化的自适应，非必要的血管会逐渐退化消失，保证靶器官的高效血供^[7]。其中，Notch信号通路在血管发育中有着举足轻重的作用^[8]。Notch信号分子JAG1和DLL4在发生失功能的基因突变后，分别可引起Alagille综合征Ⅰ型和Adams-Oliver综合征Ⅵ型。2种综合征中都可观察到血管结构异常。由于出现血管重构的缺陷，Jag1缺失突变的小鼠在胚胎和卵黄囊的发育中因出血而致死。对小鼠胚胎的进一步研究表明，Dll4的单倍体缺失可引起血管发育的重大缺陷并最终形成动静脉畸形。此外，Notch受体NOTCH1、NOTCH2和NOTCH3的杂合突变，分别与Adams-Oliver综合征Ⅴ型、Alagille综合征Ⅱ型和显性脑动脉血管病变合并皮质下脑梗塞及脑白质病变Ⅰ型(CADASIL1)相关。在CADASIL1的动脉性病变中，在动脉和小动脉周围有大量破损的血管平滑肌细胞，减少了血管壁的厚度，从而引起血管脆性增加^[9]。而对于受体NOTCH4来说，其功能缺失型突变虽然没有造成任何血管异常，其基因缺失的小鼠模型在胚胎发育过程中也未见血管发育缺陷，但在功能获得型的Notch4突变小鼠的胚胎中，由于未发育完全的脉管系统和杂乱无序的血管网络，导致胚胎无法存活。此外，在内皮细胞内条件性持续激活Notch4受体的小鼠在出生后3周即出现了脑部动静脉畸形，5周后死亡。而通过调低Notch4受体的活性则显著减少了异常增粗的血管^[10]。这些证据都表明Notch信号改变对血管畸形具有重大的影响。然而，Notch信号通路主要涉及到脑部动静脉畸形，而不是颅外动静脉畸形，提示颅外动静脉畸形与颅内动静脉畸形在形成机制上有所不同，但目前尚不能排除其相关性。

遗传性出血性毛细血管扩张症(hereditary hemorrhagic telangiectasia, HHT)是一种遗传性的常染色体显性遗传病。HHT患者主要临床症状包括鼻出血、皮肤和黏膜的毛细血管扩张以及颅外动静脉畸形，并可伴有长期胃肠道出血导致的贫血^[11]。HHT患者的动静脉畸形一般无临床表现，较易发生于肺、肝、脑等器官，也可累及其他部位。由于其常染色体显性遗传模式，HHT已成为研究动静脉畸形的一个重要疾病模型。大量证据表明，HHT是由TGF-β信号通路中的信号转导分子突变引起。TGF-β信号通路在脉管生成和血管新生中起着必不可少的作用。ENG、ACVRL1和SMAD4这些TGF-β信号分子的基因突变可分别引起HHT1、HHT2和青少年息肉病/HHT (JP/HHT)综合征。国际上已建立了一个专门收集ENG和ACVRL1突变的数据库，来筛查HHT相关的突变位点^[12]。同时，在胚胎发育的研究中发现，通过基因改造失活小鼠的Eng或Acvrl1会引起血管网的发育不全导致其在胚胎期死亡。而在Eng和Acvrl1突变的杂合子小鼠中，脉管系统看似正常，但有时可观察到扩张的薄壁血管。进一步研究表明，当存在受伤或VEGF刺激的时候，全身敲除或内皮细胞中条件性敲除Eng或Acvrl1的小鼠可高度模拟HHT表型。此外，同时在内皮细胞和血管平滑肌细胞中条件性敲除Eng或Acvrl1的小鼠则出现了较高的死亡率。而仅仅在血管平滑肌细胞、周细胞或巨噬细胞中敲除Eng或Acvrl1后却没有发现畸形生长的血管，提示内皮细胞才是支配血管发育的细胞类型。另外2个在TGF-β信号通路的基因SMAD4和GDF2，也在部分HHT患者中检测到有突变的存在^[13,14,15]。SMAD4是TGF-β超级家族中的膜内信号调控分子，与其他磷酸化SMAD蛋白相结合后，参与调控下游基因的表达。全身敲除Smad4的小鼠模型在胚胎期即死亡。但Smad4的突变杂合子体内似乎未观察到畸形血管网。GDF2所编码的蛋白BMP9是ACVRL1受体的内源性天然配体。相关证据表明，BMP9可通过激活ACVRL1/ENG介导的TGF-β信号抑制体内血管新生。另外，血流应切力也可显著激活BMP9的活性。通过血流应切力激活ACVRL1/ENG的途径可抑制内皮细胞的增殖，并招募周细胞来增强血管稳定性。基于这些证据，BMP-ACVRL1/ENG-SMAD4途径可能在调节脉管发生和血管新生中起着关键作用，该途径的异常可导致畸形血管的生成。然而，HHT在临床表现、诊治和预后方面与其他颅外动静脉畸形不同。在HHT患者中发现的动静脉畸形主要分布在肺、脑和肝脏，与皮肤软组织颅外动静脉畸形主要集中在头部、颈部和四肢等部位不同。此外，尚无直接证据证明突变的TGF-β信号分子参与颅外动静脉畸形的形成，提示遗传性出血性毛细血管扩张症与颅外动静脉畸形的病因机制可能不同。

2003年，Vikkula的团队首次报道了毛细血管畸形-动静脉畸形(capillary malformation-arteriovenous malformation, CM-AVM)，他们使用基因图谱对几个毛细血管畸形家族进行致病基因的筛查，发现RASA1基因突变是一部分CM-AVM发病的遗传学基础^[16]。另有学者报道在68例CM-AVM患者中也发现了15个已知的RASA1基因突变和43个未报道的新突变。在细胞水平上来说，RASA1属于GTPase激活蛋白的GAP1家族，其主要功能是通过增加Ras蛋白的GTPase活性来抑制Ras p21。Ras的激活是VEGF刺激内皮细胞血管新生的关键步骤。然而，也有文献报道认为miRNA-132介导的RASA1失活可使内皮细胞表现为有利于血管新生的表型，从而促进了新生血管的形成^[17]。比较特别的是，Rasa1基因缺失小鼠却由于在胚胎发育过程中丧失血管完整性而死亡，提示此基因在血管生成方面具有独特而关键的作用。其他研究者也发现，内皮细胞条件性敲除Rasa1小鼠可使其体内出现紊乱无规则的血管网络，但其杂合子的大血管发育都正常。Lubeck等^[18]培育了一个Rasa1^R780Q基因敲入小鼠模型，该模型敲入了使Rasa1失活的突变位点，结果发现其纯合子在胚胎发育时期就出现了严重的血管异常，提示Ras信号通路是形成CM-AVM中畸形管腔的关键分子。最新研究发现EPHB4受体也与CM-AVM相关^[19]。Amyere等^[19]通过对无RASA1突变但具有CM-AVM临床表现的1个家族进行了全基因组关联分析，并对另外9个家族进行全外显组测序，确认EPHB4中出现的失功能突变导致了此种亚型，并将其命名为Ⅱ型CM-AVM。EPHB4是一种跨膜受体，主要在循环系统中的静脉系统内优势表达，它通过与EFNB2相互作用，在血管发育过程中主要负责动静脉系统布局的调控。EphB4缺失的小鼠模型与Efnb2缺失的模型相似，都在早期胚胎阶段即出现缺陷的血管形态而导致死亡。EFNB2-EPHB4之间的相互作用通过激活PI3K途径来刺激人类微血管内皮细胞的迁移和增殖，而在人类脐静脉内皮细胞中却通过Ras/MAPK途径抑制细胞的增殖。RASA1和EPHB4的失功能突变都已被证实与CM-AVM发生相关，表明Ras/MAPK途径的异常激活可能有助于形成颅外动静脉畸形。

患有PTEN错构瘤-肿瘤综合征(PTEN hamartoma-tumor syndrome, PHTS)的患者也可伴有动静脉畸形。PHTS主要包括Bannayan-Riley-Ruvalcaba、Cowden、Proteus和Proteus-like 4个综合征。这些综合征患者的错构瘤通常为良性。PTEN是已知的肿瘤抑制因子，它的功能异常可能导致人类神经肿瘤、乳腺肿瘤和前列腺等部位的肿瘤形成。PTEN作为一种磷酸酶，主要功能是将第二信使PIP3与PIP2去磷酸化，并与PI3K激酶组成正反调节器，控制Ras/MAPK信号通路下游信号的激活，而Ras/MAPK信号途径的激活主要支配细胞存活及增殖。PTEN的生殖性突变是PHTS的标志。临床证据显示，大部分患有PHTS的患者都存在动静脉畸形^[20]。在动物实验中，Pten缺失的小鼠模型在胚胎发育时即死亡。而Pten杂合子小鼠易形成肿瘤和出现子宫内膜增生。在内皮细胞中条件性敲除后，其小鼠模型也因脉管发育及血管新生的缺陷而在胚胎发生期即死亡。此外，ePten^flox/＋小鼠中也发现其肿瘤血管新生能力增强。同样值得注意的是，在同一途径内的另一信号分子PIK3CA已被报道与动静脉畸形和其他血管异常有关^[21]。因此，异常激活的Ras/MAPK途径可能在颅外动静脉畸形发生中起着重要的作用。

除了在家族性动静脉畸形疾病中发现的生殖系突变基因以外，体细胞突变可能是大多数颅外动静脉畸形最有可能的发生机制。Couto等^[3]在25例颅外动静脉畸形标本中，发现了有16例患者样本中存在MAP2K1的获能突变，进一步增加了Ras/MAPK途径的活性，可能有助于形成颅外动静脉畸形。此外，他们在标本中证明了内皮细胞才是MAP2K1突变后影响的主要细胞类型。MAP2K1主要以介导MAPK信号为主，它的持续激活已经在超过35%的癌症中有所报道。小鼠的Map2k1敲除模型由于血管生成异常和胎盘的血管化不良而无法发育存活，然而敲除同类不同型的Map2k2后却未出现此类情况，表明Map2k1在Ras/MAPK途径中具有不可替代的作用，特别是在血管发育的过程中。

过去的几年里，在寻找颅外动静脉畸形的病因方面已经取得了显著的进展。越来越多的突变基因被发现，随之相关的信号通路被确定。然而，颅外动静脉畸形究竟是如何形成和发展的，始终得不到更有力的证据支持。我们通过文献综述提供的这些最新基因研究信息，希望能给此领域的学者一个知识储备和更新，为未来在颅外动静脉畸形的基础研究方面提供更好的思路。