原发性纤毛运动障碍(PCD)是一种单基因遗传病，其发病与纤毛结构和/或功能的异常有关。该病起病年龄小，常造成儿童慢性、反复呼吸道感染，进而形成支气管扩张，部分患儿合并内脏转位。目前为止已在人类证实有超过40个与PCD相关的基因，约70%的病例与这些基因有关，但基因型与表型关系尚未完全明确。由于不同基因编码蛋白与纤毛的特定结构相关，某一基因缺陷与纤毛结构缺陷及临床表现可有一定的相关性，临床表型的严重程度也可能和特定基因型有关。随着基因测序技术的成熟与成本的降低，使其临床应用成为可能，从而弥补传统诊断方法的不足。
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原发性纤毛运动障碍(primary ciliary dyskinesia，PCD；MIM 244400)是一种单基因遗传异质性疾病，由多个基因的各种不同突变引起同一临床表型，其发病率为1/20 000～1/10 000[1]。早在20世纪初，Oeri和Siewert分别报道了临床表现为鼻窦炎、支气管扩张和内脏反位的病例，1933年Katagener首先较为系统地描述了这三联征，而该病被命名为Katagener综合征(KS)，随后发现其原因在于纤毛的动力臂缺失导致呼吸道黏膜纤毛摆动缺陷。呼吸道黏膜活检电镜检查发现纤毛超微结构异常通常被认为是PCD诊断的"金标准"，但约30%的PCD患者纤毛超微结构正常，因而增加了PCD诊断的难度。20世纪末，随着基因研究的发展，DNAI1基因成为第1个被证实的PCD相关基因[2]，进而PCD的基因研究及基因诊断迅速发展起来。现综述PCD相关基因研究的进展和基因检测在疾病诊断中的价值及展望。
纤毛是一种突出于细胞表面的"毛发样"细胞器，主要由轴丝、基质和纤毛膜组成。轴丝是纤毛的骨架结构，其横断面呈9对整齐顺时针排列的二联体外周微管，伴或不伴1对中央微管。无中央微管的"9+0"结构纤毛包括在感觉和信号传导中起作用的感觉纤毛和调控胚胎发育过程中液体流动方向的结纤毛。而运动纤毛呈"9+2"结构，即9对外周微管+2个中央微管，每个二联微管由完整的微管A和呈"C"型的微管B连接而成，微管A向相邻的微管B伸出两条动力臂，即外动力臂和内动力臂，每对二联微管间以连接蛋白-动力蛋白调控复合体(N-DRC)相连，微管A伸出放射辐连接外周二联微管和中央微管。动力臂主要为纤毛摆动提供动力，中央微管、放射辐及N-DRC则在调控摆动形式中起重要作用。有数百个蛋白参与上述纤毛结构的组成，如果相关基因缺陷，就可能导致纤毛结构和/或功能的异常，进而出现PCD临床表现，如慢性鼻窦炎、慢性中耳炎、反复性或慢性支气管炎、反复肺炎，最终导致支气管扩张。约半数PCD患者合并内脏转位，男性患者常出现生育能力下降。但由于缺乏特异性临床表现，儿童PCD患者尤其是未合并有内脏转位的患者经常被延误诊断。
PCD大多数情况下呈常染色体隐性遗传，但也有罕见报道常染色体显性遗传或X连锁遗传家系[3]。目前为止已在人类证实有超过40个与PCD相关的基因，约70%的病例与这些基因有关，其中最常见的为DNAH5、DNAI1、DNAAF1、CCDC39、CCDC40、DNAH11、LRRC6[1,4]。PCD相关基因可根据其编码的蛋白位置和功能，或纤毛超微结构/功能缺陷分为以下几大类。
这类基因编码的多蛋白ATP酶复合物是纤毛正常摆动必不可少的外动力臂的组成部分，其突变通常造成典型的纤毛超微结构缺陷为外动力臂缺失或明显缩短，这类缺陷可造成纤毛完全不动。由于超微结构异常易于辨认，其中DNAI1和DNAH5成为最先被报道的PCD相关基因，也是PCD最常见的致病基因，DNAH5基因突变所致病例占15%～21%，DNAI1占2%～9%[1]。1999年，Pennarun等[2]利用候选基因方法找到了与衣藻IC78基因直系同源的人类编码动力蛋白中链1基因DNAI1，成为第1个被证实的PCD相关基因。DNAH5第2个被证实，Omran等[5]利用纯合子定位和连锁分析在一个血缘家系中发现此基因，其编码的动力蛋白重链5是外动力臂重要的分子马达。其他编码外动力臂组件的基因还包括DNAI2、DNAL1、NEM8/TXNDC3、DNAH11、DNAH9[6]。其中DNAH11较为特别，其编码蛋白为外动力臂动力蛋白重链11，其突变会出现PCD临床表型，但电镜下纤毛超微结构是正常的，纤毛功能可表现为运动亢进或僵直，也是较常见的PCD致病基因，约占所有PCD患者的6%，占纤毛结构正常PCD患者的20%[1]。
组成动力臂的多个亚基都是在细胞质内产生和装配的，然后再转运至纤毛并通过外动力臂对接复合体固定在微管上。参与动力蛋白装配、对接过程的基因突变将会引起外动力臂缺陷或内外动力臂联合缺陷。CCDC114、CCDC151、ARMC4和TTC25基因编码蛋白参与外动力臂对接复合体的组成或装配，调控外动力臂正确固定于微管，其中ARMC4基因突变较为常见[7]。上述基因突变可导致外动力臂缺陷。CCDC103基因编码蛋白是一种紧附于轴丝的寡聚卷曲螺旋结构域蛋白，位于细胞质和纤毛近端，在外动力装配过程起重要作用，因此其突变可导致外动力臂缺陷[8]。LRRC56基因编码蛋白参与纤毛装配过程中的远端外动力臂蛋白运输，可造成纤毛远端外动力臂缺失[9]。KTU/DNAAF2基因编码蛋白位于细胞质顶端，是第1个被证实导致PCD的动力臂装配因子[10]。其他编码蛋白在细胞质装配通路上的基因还包括LRRC50/DNAFF1、DNAAF3/C19orf51、DYX1C1/DNAAF4、HEATR2/DNAAF5、LRRC6、ZMYND10、SPAG1、C21orf59/CFAP298、CFAP300/C11ofr70和PIH1D3/DNAAF6，其中DYX1C1/DNAAF4、LRRC6、ZMYND10和SPAG1较常见，这些基因突变可导致外动力臂和内动力臂同时出现缺陷[11,12]。
衣藻突变体为研究N-DRC结构提供了模型，一系列参与构成N-DRC的蛋白逐渐被认识。CCDC39和CCDC40是最先被发现的2个与N-DRC和内动力臂缺陷有关的基因，其编码蛋白位于纤毛轴丝和细胞质顶端，参与内动力臂和N-DRC装配，其结构功能缺陷可导致纤毛缺少N-DRC、内动力臂和反射辐，进而导致微管排列紊乱，纤毛运动亢进但摆动僵直[13]。这2个基因突变在PCD患者中较常见，分别占2%～10%和2%～8%[1]。CCDC164、CCDC65、GAS8基因分别与衣藻DRC1、DRC2和DRC4基因直系同源，其编码蛋白参与N-DRC构成。上述基因突变可造成N-DRC结构和功能缺陷，导致纤毛摆动形式的异常，但超微结构的异常相对较轻微或不易被发现[14,15]。
至今发现的大部分PCD相关基因仍是与动力臂缺陷有关，而由中央微管-反射辐缺陷引起的PCD病例相对更难诊断。RSPH4A和RSPH9基因参与编码反射辐头部蛋白，在中央微管和动力臂之前起信号传导的作用[16,17]。这2个基因突变最早是利用连锁分析和纯合子定位在一些表现为中央微管-反射辐异常的PCD血缘家系中发现的。而在其后发现另一个同样参与编码反射辐头部蛋白的基因RSPH1则在中央微管-反射辐缺陷表型的PCD患者中更为常见，约占20%[18]。近年来，随着全外显子测序的发展，编码反射辐茎部蛋白的RSPH3基因和热休克蛋白40家族的DNAJB13/RHPH16A基因被依次发现[19,20]。STK36基因编码蛋白是连接中央微管-反射辐的重要蛋白，其缺陷会造成中央微管缺陷，纤毛运动不协调[21]。存在HYDIN基因缺陷的纤毛其中央微管的附件C2b蛋白缺失，这种细微的超微结构异常很难在电镜下被观察到，只有极少数横截面会出现中央微管的缺失，而并无典型的微管排列紊乱的表现，但在高速摄像显微镜下观察纤毛摆动可以发现其摆动形式异常[22]。GAS2L2基因编码蛋白位于轴丝基底部，在纤毛摆动时提供持续应力支撑，其缺陷可导致纤毛运动亢进[23]。
正常的呼吸道纤毛上皮细胞平均每个细胞含有200根纤毛，而在有些患者中发现纤毛数量明显减少，这可能与感染继发纤毛损伤或标本取材制备中的错误操作有关，但也可能是罕见的运动纤毛生成减少患者，此类患者临床症状更为严重，甚至会合并先天性脑积水。随着基因测序的发展，在这类存在有明显纤毛数量减少的患者中发现了CCNO和MCIDAS 2个基因。CCNO与MCIDAS基因编码蛋白都与中心粒的复制成熟有关，参与多种运动纤毛的早期分化过程，其中MCIDAS是CCNO上游蛋白[24]。此类基因缺陷患者纤毛上皮细胞纤毛数量明显减少，每个细胞仅有1～2根纤毛，其中CCNO基因缺陷患者残余纤毛结构及功能正常，而MCIDAS基因缺陷患者残余纤毛的结构及功能异常。
虽然目前为止PCD的基因型与表型关系尚未完全明确，随着分子生物学的迅速发展，越来越多的PCD致病突变被发现，也使临床医师能更好地了解PCD基因型和表型的关系。因为不同基因编码蛋白与纤毛的特定结构相关，所以某一基因缺陷与纤毛结构缺陷及临床表现可有一定的相关性。如参与编码、组装外动力臂的基因突变的患者会出现内脏转位，而编码放射辐的基因突变患者并不会出现内脏转位，因为决定内脏左右偏侧的胚胎结纤毛无中央微管，放射辐异常不会对其产生影响。纤毛摆动形式也与特定的基因和超微结构缺陷有关，如存在外动力臂缺陷时，纤毛表现为几乎完全不动，而中央微管缺陷时，纤毛会出现环形摆动。越来越多研究关注PCD基因型与表型的关系，研究发现临床表型的严重程度可能和特定基因型有关，如CCDC39和CCDC40基因突变可造成微管排列紊乱并伴内动力臂缺陷，此类患者会出现更严重的肺部病变，肺功能较外动力臂缺陷组更差[13]。而RSPH1基因突变病例的发病时间较晚，呼吸道表现较轻，鼻呼出气一氧化氮(nNO)水平更高，肺功能水平更佳[18]。
新生儿期不明原因的足月儿呼吸窘迫、内脏转位、幼年起病的持续性非季节性鼻炎和婴儿期起病的持续湿性咳嗽PCD相对具有特征的临床表现。除了临床表现的识别，一些辅助检查方法可以帮助进一步明确PCD的诊断(表1)。透射电镜发现纤毛超微结构缺陷曾在很长一段时间内被认为是诊断PCD的"金标准"，但部分PCD患者，如DNAH11基因突变所致病例，其纤毛超微结构是正常的。又如前述CCNO和MCIDAS基因突变可导致纤毛数目的明显减少，而通过其他检查方法并不能明确这种改变是否为继发因素所致。另如CCDC103基因的p.His154Pro突变的患者其nNO水平正常，纤毛摆动频率和摆动形式正常，且有部分纤毛结构正常，因此应用其他手段很难明确诊断[8]。而基因检测对于此类患者的诊断有十分重要的作用。
| 检查方法 | 优势 | 局限性 |
|---|---|---|
| 透射电镜 | 1.组织学检查，既往认为是"金标准" | 1.受取材影响 |
| 2.应用广泛，可以诊断70%的患者 | 2.在操作过程及结果判读上需要依靠检测者的经验 | |
| 3.无法鉴别继发因素所致纤毛结构异常 | ||
| 4.纤毛结构正常的病例无法诊断 | ||
| 鼻呼出气一氧化氮测定 | 1.无创、简单、易操作、可重复 | 1.必须除外囊性纤维化 |
| 2.可受感染影响 | ||
| 3.具有标准化操作规程可广泛应用 | 3.不能诊断某些特定基因缺陷病例 | |
| 4.不适用于小年龄组患儿 | ||
| 高速摄像显微镜 | 1.可评估纤毛功能 | 1.受取材影响 |
| 2.与电镜和基因结果相关 | 2.操作者需经过培训并具备一定经验 | |
| 3.标本制备和结构判读尚缺乏统一标准 | ||
| 4.易受感染等继发因素影响 | ||
| 基因检测 | 1.可以诊断约70%的患者，包括电镜结果正常或无法判断的病例 | 1.基因检测结果阴性不能排除PCD诊断(尚有20%～35%未知基因) |
| 2.与临床表型相关 | 2.新基因、新突变需要进一步验证其与PCD的相关性和致病性 | |
| 3.结果可用于遗传咨询 |
PCD是一种遗传异质性很强的疾病，有超过40个相关基因，每个基因又会有很多的突变类型，其中85%为导致功能缺失突变，约15%为错义突变[1]。如果采用传统测序方法每个基因逐一进行检测既浪费时间又浪费金钱。随着测序技术的发展及测序成本的下降，目前更多采用二代测序的方法，现已有成熟的商业化基因检测包可以选择应用于临床。近年来我国陆续报道通过基因测序诊断PCD的病例报道[7,26]，且我国的专家共识也推荐基因测序用于PCD的诊断[27]。
综上所述，PCD是一个十分复杂的遗传性疾病，涉及众多与纤毛结构、功能相关的基因，随着基因研究的迅速发展，对于PCD病因及发病机制的认识更加深入，也得以更好地了解基因型与表型的关系，基因测序技术的成熟与成本的降低，也使得基因检测在临床实践中得以应用，可弥补传统诊断方法的不足。
所有作者均声明不存在利益冲突
