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BBS5, Bardet-Biedl综合征的直接致病基因

BBS5基因

BBS5基因(Bardet-Biedl Syndrome 5),位于人类染色体2q31.1上,基因全长约27kb,共有12个外显子。其编码的BBS5蛋白由341个氨基酸残基组成,在体内介导与磷脂(特别是3-磷酸磷脂酰肌醇)的结合。此外,BBS5蛋白与BBS1、BBS2、BBS4、BBS7、BBS8、BBS9 和 BBS18蛋白共同组成一种异八聚体蛋白复合物——BBSome,在初级纤毛稳态中起关键作用。BBSome的异常会导致严重的Bardet-Biedl综合征(BBS)。

 

Bardet-Biedl综合症

Bardet-Biedl综合征(BBS)是一种罕见的常染色体隐性遗传性纤毛病,因Bardet和Biedl医生分别独立描述了该病的典型症状而得名。BBS主要临床表征有:视网膜营养不良、先天性肥胖、多指趾畸形、生殖腺发育不全、智力发育迟缓和肾脏异常。此外,BBS患者还伴有多种次要临床特征,如嗅觉和听觉丧失、斜视、牙齿畸形、内分泌紊乱等。BBS的发病率具有明显的地域差异性,在北美及欧洲的患病率约为1/160000-1/140000,而日本人群发病率远低于欧美人群,发病率仅为1/18000000。若患者同时具有四个以上主要特征或三个以上主要特征和两个以上次要特征,即可诊断为BBS[1]

 

图1. Bardet-Biedl综合征的临床和诊断特征[1]

(i)与Bardet-Biedl综合征相关的临床特征。(A–D)典型的面部特征,但并不总是存在。包括颧骨发育不全、鼻梁凹陷、深陷的眼睛和下颌后缩。(E)短指。(F)牙齿拥挤。(G)味觉丧失。(H) 视网膜营养不良。

(ii)Bardet-Biedl综合征的诊断特征。

 

目前,已鉴定出21个BBS的致病基因 (BBS1–BBS21),这些基因的突变占BBS临床诊断病例的80%,特别是影响核心BBSome复合体的基因突变占很大比例。其中,构成BBSome复合体的部分基因:BBS1、BBS2、BBS9及BBS5,这些基因的突变分别占BBS患者的23.3%、8.1%、6.0%和2%[2-3]。BBSome是纤毛分化的必需成分,BBSome参与了鞭毛内运输系统(Intraflagellar Transport, IFT)复合物的组装和重构(如图2E-2F)。构成BBSome的BBS基因发生突变,将会影响BBSome的结构和功能,扰乱IFT,进而引起BBS的表征[4]

图2. BBSome在纤毛中的作用[4]

(A) BBSome识别囊泡。(B) BBSome组装涉及一系列中间复合物,并由 BBS6、BBS10 和 BBS12组成的伴侣蛋白复合物促进。(C) BBS4 参与在微管和动力蛋白依赖性过程中将蛋白质运送到中心粒周围区域。(D) 中心周围区域充当 BBS4 的储存库,从而控制 BBSome 的可用性。(E) BBSome参与IFT的组装,并将IFT传输到纤毛尖端。(F)BBSome 的拆卸介导了纤毛尖端的IFT重塑。

 

BBS5基因敲除小鼠

为了深入研究BBS5的致病机理,Bentley等同时构建了Bbs5完全基因敲除小鼠模型(Bbs5-/-小鼠)和Bbs5条件性基因敲除小鼠模型(Bbs5flox/flox小鼠)。研究结果表明,Bbs5-/-小鼠的生存能力下降,但不影响纤毛的发生。Bbs5-/-小鼠伴有复杂的表型,包括颅面缺陷、骨骼变形缩短、脑室扩大、不育、垂体异常和肥胖。对于Bbs5flox/flox小鼠,无论在什么年龄阶段发生Bbs5突变,均会导致肥胖症状。但是只有在发育起始时期进行Bbs5突变,Bbs5flox/flox小鼠才会出现男性不育、脑室扩大和垂体异常。与其他BBS基因突变小鼠模型相比,只有Bbs5突变导致垂体功能异常,这为将垂体作为重点的临床干预提供了新思路[5]

 

图3. Bbs5完全基因敲除小鼠模型(Bbs5-/-小鼠)对垂体的影响[5]

A)垂体 MR 图像显示Bbs5-/-结构[什么结构]异常(红色箭头)。B) 用苏木精-伊红(H&E)染色的垂体。C) 垂体PN、PI和PD区域的放大。D) 垂体纤毛免疫荧光染色。MR 图像的体积分析:E)垂体,F) 侧脑室,G)嗅球,H)皮层。

 

BBS的治疗

目前临床上主要采用对症治疗策略治疗BBS。随着BBS致病基因的深入挖掘以及基因治疗技术的重大进展,目前已有多项研究验证了BBS基因治疗的可行性。例如,Wu等开发的BBS4腺病毒载体,能有效纠正BBS4突变小鼠的感光细胞异常问题。Drack等构建BBS1腺病毒载体改善了BBS1基因缺失小鼠的视网膜异常问题。苏黎世大学科研人员利用重组snRNA U1校正了BBS1基因的致病点突变C.479G>A,部分修复了BBS1的异常剪切。因此,基因治疗可望成为未来最具前景的BBS治疗方法。

 

小结

BBS5与其他7种BBS蛋白形成BBSome,参与维持初级纤毛稳态。BBS5是BBS的直接致病基因之一,其在BBS病例的突变比例为2%。已有研究表明,Bbs5-/-小鼠引发的肥胖症状与诱发Bbs5突变的年龄无关,这揭示了BBS5突变驱动的肥胖症状贯穿了生物整个生命周期。当前临床上暂无有效策略根治BBS,只能应对并发症状对症治疗。此外,不少研究学者提出基因治疗的理念,同时也有多项研究在小鼠中验证了基因治疗改善了小鼠BBS的症状。但是BBS涉及的异常器官众多,且致病基因突变类型繁杂,这对开发 BBS 基因疗法造成了极大的挑战。此外,那些在小鼠体内进行BBS基因治疗的方法还需进行后续的临床实验测试。

 

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参考文献:

[1] Forsythe E, Kenny J, Bacchelli C, Beales PL. Managing Bardet-Biedl Syndrome-Now and in the Future. Front Pediatr. 2018 Feb 13;6:23. doi: 10.3389/fped.2018.00023. PMID: 29487844; PMCID: PMC5816783.

[2] Ohto T, Enokizono T, Tanaka R, Tanaka M, Suzuki H, Sakai A, Imagawa K, Fukushima H, Fukushima T, Sumazaki R, Uehara T, Takenouchi T, Kosaki K. A novel BBS10 mutation identified in a patient with Bardet-Biedl syndrome with a violent emotional outbreak. Hum Genome Var. 2017 Aug 10;4:17033. doi: 10.1038/hgv.2017.33. PMID: 28808579; PMCID: PMC5550758.

[3] Li, J.B., Gerdes, J.M., Haycraft, C.J., Fan, Y., Teslovich, T.M., May-Simera, H., Li, H., Blacque, O.E., Li, L., Leitch, C.C. et al. (2004) Comparative genomics identifies a flagellar and basal body proteome that includes the BBS5 human disease gene. Cell, 117, 541-552. 

[4] Novas R, Cardenas-Rodriguez M, Irigoín F, Badano JL. Bardet-Biedl syndrome: Is it only cilia dysfunction? FEBS Lett. 2015 Nov 14;589(22):3479-91. doi: 10.1016/j.febslet.2015.07.031. Epub 2015 Jul 29. PMID: 26231314. 

[5] Bentley-Ford MR, Engle SE, Clearman KR, Haycraft CJ, Andersen RS, Croyle MJ, Rains AB, Berbari NF, Yoder BK. A mouse model of BBS identifies developmental and homeostatic effects of BBS5 mutation and identifies novel pituitary abnormalities. Hum Mol Genet. 2021 Apr 26;30(3-4):234-246. doi: 10.1093/hmg/ddab039. PMID: 33560420; PMCID: PMC8355464.

 

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