颅缝早闭是一种较常见的先天性颅面畸形，严重影响了大脑的正常发育。相关因子及基因参与硬脑膜、颅骨和颅缝之间相互作用的调控，最终使颅缝闭合；而相关调控基因的突变将导致不同类型的颅缝早闭。调控颅缝形成和成骨细胞发育的多种细胞因子及与颅骨发育、颅缝闭合相关的基因突变，通过多维度相互作用形成错综复杂的调控网络。颅缝发育及闭合的信号级联传导系统受到许多遗传突变及细胞内外信号干扰的破坏，可导致颅缝早闭的发生。该文对颅缝早闭的关键调控因素的研究进展进行了综述。
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颅缝早闭症是临床上较为常见的先天性颅面畸形，发病率为1/(2 000～2 500)[1]，其特点是1条或多条颅缝发生过早的融合，进而出现颅盖畸形和颅内压的改变。颅缝提早发生骨性闭合造成颅面骨畸形，严重者可导致患儿脑及智力发育受阻，因此对颅缝早闭的诊断和治疗显得尤为重要[2]。颅缝早闭症根据头颅畸形的严重程度和其他器官的疾病表现，分为非综合征型颅缝早闭症(也称单纯性颅缝早闭)和综合征型颅缝早闭症。目前已报道的颅缝早闭症的遗传模式，大部分为显性遗传，少部分为隐性遗传。除了遗传因素，其他的危险因素包括孕期服用含丙戊酸钠等药物、产时、巨大儿、低体重儿等多种因素相关[3]。单纯性矢状缝及额缝早闭患者在临床中很少被检测出相关的突变基因，而单纯性冠状缝早闭被认为最易检测到基因突变，基因突变率高达20%以上[4]。非综合征型颅缝早闭症呈现较大程度的遗传异质性及突变寡聚性，综合征型颅缝早闭症则更多地表现为多基因突变或染色体畸变[5]。相同的基因突变可导致不同的症候或表型，而不同的基因突变可导致相同的表型或综合征[6]。目前，相关研究已经从早期的表型异常研究发展到对某些颅骨畸形遗传机制的探究，而且显示来自大脑的特定分子信号也是颅骨形成的关键因素[7]。我们就目前已知的颅缝早闭症的相关分子生物学及遗传机制进行综述，以期为该疾病的调控机制提供更加全面以及系统的认识。
关于颅骨发育及颅缝闭合的分子生物学理论指出，颅缝作为调控颅骨成骨细胞增殖、分化及迁移的信号中心，受到多种生长因子和转录因子的调节，目前已明确的包括成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factors, FGFs)、转化生长因子-β (transforming growth factor-β，TGF-β)、骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein, BMP)、胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor 1, IGF1)等。
在人体内共有18种FGFs，分别为FGF1～FGF10和FGF16～FGF23，FGF具有一个同源的核心区域，该区域由120～130个氨基酸组成，排列成12条反平行的β链，两侧分别是氨基和羧基末端，通过结合不同的FGF配体发挥不同的生物学特性[8]。而成纤维细胞生长因子受体(fibroblast growth factor receptor, FGFR)家族共包含4个成员，分别为FGFR1～FGFR4，作为一种含有769个氨基酸的高度保守的酪氨酸激酶受体，由3部分组成：1个胞外配体结合域、1个跨膜结构域和1个胞内结构域[9]，其中胞外配体结合区由IgI、IgⅡ、IgⅢ 3个免疫球蛋白域组成，而FGFR的结合特异性取决于IgⅢ[10]。FGF因子一般通过旁分泌发挥作用，FGF-FGFR激酶结构域的获得性或缺失性突变与颅缝早闭症的发病及进展关系十分密切[11]，尤其以FGFR的获得性突变更为常见。
从病因角度分析，大量分子生物学研究证实综合征型颅缝早闭大多数是由FGF通路基因突变引起。FGF信号可以促进成骨细胞的增殖及分化，在颅缝的生理发育过程中发挥着关键作用。目前已知与颅缝早闭综合征相关的FGFR家族突变基因包括FGFR1、FGFR2、FGFR3，而大多数突变来源于FGFR2，这些突变通过使激酶结构域铰链区的自抑制分子解离进而组成性激活FGFR[12]。FGFR2基因突变可能通过影响免疫球蛋白结构域的氨基酸残基，降低其结构域的稳定性，引起FGFR2蛋白分子不依赖配体的二硫化物介导的二聚体化，从而活化多种下游信号通路，这一病理过程与Crouzon综合征的发病有关。另有研究发现，FGFR2c分子中配体依赖的胞外结构域的获得性突变与FGFR2b的结合，与Pfeiffer综合征以及Apert综合征的发病有关[13]。
随着研究的不断深入，一些TGF-β超家族分子也被发现影响颅缝的发育。TGF-β超家族包括TGF-β、BMP、活化素、抑制素等亚家族，为多功能多肽的细胞因子，都含有TGF-β超家族的半胱氨酸结构的特征性折叠，具有调节细胞增殖和分化、组织修复以及胚胎发育等作用，并参与颅缝闭合的发育过程[14]。
TGF-β是二聚体多肽生长因子家族的一员，它们通过与具有单个跨膜结构域和细胞内丝氨酸-苏氨酸激酶结构域的细胞表面受体结合而介导细胞信号的转导。TGF-β通过调节细胞的生长、增殖、分化、迁移和凋亡等过程，在组织与器官的发生和形成(胚胎发育、骨骼等器官形成)的生物过程中发挥重要的功能[15]。在大鼠颅缝闭合的研究中发现，TGF-β、TGF-β受体(TGF-β receptor, TGF-βR)在成骨细胞中表达显著增高[14]。
BMP分子作为TGF-β超家族的重要成员之一，在上皮和间充质的相互作用中，尤其在骨和软骨的形成中起重要作用[16]。TGF-β可作为转录调节因子参与调控BMP2基因的表达。BMP2可以诱导间充质细胞分化为成骨细胞前体细胞，并通过增加核心结合因子α1/Runx2(core binding factor α1/Runx2, Cbfa1/Runx2)和成骨细胞标记基因的表达来促进成骨细胞的成熟，其Ⅰ型和Ⅱ型丝氨酸或苏氨酸激酶受体磷酸化后激活下游Smads靶蛋白完成信号的转导[17]。Smads分子是将TGF-β配体与受体作用的信号从胞浆传递到核内的关键信号转导分子，活化的Smads分子进入核内后共同激活或者抑制其调节的靶基因的转录[18]。BMP分子不仅是骨化中心扩展所必需的，同时可能也是颅缝和骨化中心最初形成所必需的分子之一[19]。在颅骨发育的成骨过程中，与BMP信号表达具有协同性的印度刺猬因子(Indian hedgehog, IHH)信号也起到重要的调节作用，BMP介导的IHH信号正向调节骨祖细胞向成骨细胞分化的过程[20]。
FGF、FGFR以及BMP等多种细胞因子在膜内成骨和颅缝的发育和融合过程中均发挥着关键性作用。不同细胞因子调控颅缝的形成和成骨细胞发育，通过多维度相互作用形成错综复杂的信号网络。在发育的颅缝骨的边缘，FGF和BMP信号途径中FGF2可以促进BMP2的表达，但BMP2不能促进FGF2的表达。
在遗传学上，约有8%的颅缝早闭患者为综合征型或存在家族遗传背景，而且在突变基因、遗传规律及特点方面，不同类型的颅缝早闭也有着各自不同的遗传表现。遗传学研究表明，FGFs受体基因(FGFR1、FGFR2、FGFR3)、TGF-β受体基因(TGFβ-R1、TGFβ-R2)、Runx2基因、胚胎发育基因TWIST1、同源盒基因MSX2、小GTP酶蛋白家族基因RAB(RAB23)、原纤维蛋白1基因(fibrillin 1，FBN1)、酪氨酸激酶Eph/Ephrin家族基因(EFNB1)等的遗传倾向更为明显[21]。但除了基因突变，环境致畸因素、产时损伤、机械压力或血液、代谢紊乱等都与颅缝早闭的发病密切相关，故其遗传几率较难评估。不同的致病基因之间相互联系、相互影响并构成了错综复杂的基因调控网络，而对于综合征性颅缝早闭症来说，其遗传背景及机制更为复杂。
Runx2基因编码成骨细胞特异性转录因子，对骨组织的发育起着重要作用。Runx2作为颅骨及颅缝发育中响应FGF刺激BMP2表达的重要介体，可被FGF2上调并激活，而且FGFR的功能获得性突变会上调Runx2的表达而导致颅缝早闭[23]。核心结合因子β(core binding factor β，Cbfβ)是与Runx2形成异二聚体的共转录因子，可通过抑制Runx2的泛素化来增强Runx2的DNA结合并稳定Runx2蛋白，Runx2/Cbfb通过激活多种信号通路并相互调节来调控软骨细胞和成骨细胞系的增殖和分化[24]。Runx2基因作为成骨细胞分化和骨发育的关键基因，通过作用多种调节蛋白影响多个成骨特异性基因的表达而参与颅骨组织发育的全过程。
MSX2基因属于同源盒基因(homeobox gene, Hox)，其基因突变所致的颅颌面畸形包括颅缝早闭、顶骨裂孔、唇腭裂等。其中，作为20多年前发现的第1个颅缝早闭致病基因，MSX2基因与颅缝发育及颅缝早闭之间的研究逐渐深入。MSX2基因的错义突变或功能获得性突变同样可导致Boston型(波士顿型)颅缝早闭疾病的发生[25]，另外，MSX2基因还可以与硬脑膜分泌的可溶性生长因子及其受体相互作用，影响成骨细胞的增殖和分化，进而影响颅缝的发育及闭合，为衔接生长因子以及成骨细胞之间相互作用的关键基因[26]。Ishii等[27]研究指出，遗传和分子生物学数据均支持Msx2和TWIST并非以独立的线性途径起作用，两者之间信号通路错综复杂且相互影响。
FBN1基因和TWIST基因编码相应的结缔组织结构蛋白，与颅缝早闭综合征的发病密切相关。其中，FBN1基因在早期颅面部及中枢神经系统的发育中具有重要作用，该基因的缺失性突变可导致颅缝早闭伴有上颌或下颌的发育不全，但具体发病机制还有待进一步探究。TWIST是一种碱性螺旋-环-螺旋转录因子，属于碱性螺旋环状结构家族中高度保守的转录因子之一，可通过促进上皮-间质转化(epithelial-mesenchymal transition, EMT)来调节胚胎的发育，在细胞增殖分化、组织塑形及器官生长发育中起重要作用[28]，并与Saethre-Chotzen型颅缝早闭综合征的发病密切相关[29]。
RAB23基因是RAS原癌基因的成员，定位于人染色体6p11-6p12，是Ras超家族Rab家族成员之一[30]。RAB23基因突变与Carpenter综合征的发病密切相关，并涉及多种不同类型的突变，包括插入或者删除突变、无义突变、剪接位点突变、错义突变等[31]。RAB23突变导致Carpenter综合征的机制主要是影响Rab蛋白的折叠或效应蛋白与Rab蛋白的结合，同时，疾病表现型的严重程度取决于终止密码子在基因中的位置。迄今为止已发现至少12个RAB23基因突变与颅缝早闭发病相关，RAB23基因不同的突变位点影响颅骨缝的发育以及颅缝早闭不同的表型变化[32]。
SIX2作为一种同源框基因，位于人类染色体2p21，是SIX基因簇(SIX1～6)之一，存在高度保守的同源框结构域，参与了胚胎早期发育过程中神经细胞的增殖和迁移以及颅面骨架形态结构的维持，而成人SIX2基因的表达受到明显的限制[33]。SIX2基因对颅面部骨组织的发育意义重大，该基因敲除小鼠表现出颅骨的过早闭合及软骨细胞的终末分化异常。颅面间充质组织中的SIX2表达受Hox家族成员Hoxa2的调控，后者通过抑制SIX2的表达来调控颅面部骨组织的发育。SIX2基因与Hox基因以及SIX2下游的功能调控基因参与构成颅缝发育的重要途径[34]。
ZIC1基因定位于人类染色体3q24，含3个外显子结构，作为编码C2H2锌指结构转录因子基因家族的一员，与人体脑组织和神经系统的发育密切相关，其中，ZIC1基因C末端外显子突变造成编码蛋白质的改变，这对颅缝早闭症(尤其是冠状缝)的发病具有重大意义；其次，ZIC1基因可通过调节颅骨成骨细胞中的FGF信号传导来驱动颅骨骨化。为探究ZIC1突变的重要性以及与颅缝早闭症的相关性，基于多重连接依赖性探针扩增分析和深度测序技术，Twigg等[35]通过对颅缝早闭症患者家族三代谱系的分析研究，结果发现ZIC1突变基因呈高度局部性分布，突变后呈现严重的临床表型，在表现为严重的颅缝早闭综合证的同时，智力及骨骼的发育也受到严重的阻碍。
近几年基于基因组测序技术、微阵列技术等，通过对基因组进行比对，发现了多种与颅骨发育、颅缝闭合(成骨分化、信号转导、细胞周期)相关的新基因[36,37]，已发现超过90种基因的突变与颅缝早闭综合征的形成有因果关系[21]。基于大规模外显子基因测序的研究，TFAP2B基因最近已经被证实与综合征型颅缝早闭发病有关，该基因突变所引起的多效性和表达水平的改变是由于其突变后单倍体功能不全所致[38,39]。通过多重测序分析，Yilmaz等[40]研究指出位于AXIN2基因第4外显子突变所导致的单倍体功能不足可能是矢状缝早闭的原因，AXIN2作为Wnt信号通路的负调节剂，可以通过协调β-连环蛋白(β-catenin)的调节而在膜内骨化的过程中发挥重要的作用。另外，多种新发现转录因子的基因突变，如转录因子12(transcriptional factor 12, TCF12)及ERF基因的缺失性突变[38]，均与颅缝早闭疾病的发生密切相关。
正常的颅缝发育及闭合的生理过程依赖复杂的信号级联传导系统，胚胎发育期间多种不同的生长因子参与的复杂分子通路实时调节着有关基因的表达，而这些信号系统可以受到许多遗传突变及细胞内、外信号干扰的破坏，从而导致颅缝早闭的发生[41]。目前对于颅缝闭合的遗传及分子生物学调控机制研究很多，新的机制和理论也逐渐被提出，如颅缝附近的细胞凋亡增加以及应力改变等，但是具体作用机制及各机制之间的相互关联仍未十分清楚。深入理解颅缝早闭的遗传学及分子生物学发病机制，将有助于颅缝早闭症的预防及治疗。
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