第三节　与衰老相关的人类遗传病

遗传病是特指生殖细胞中的遗传物质发生改变而导致后代发生异常症状的疾病。这些疾病的病因完全由遗传因素决定，通常在出生一定时间后才发病，有时要经过几年、十几年才出现明显的症状。多数遗传病属于罕见病，大部分患者在20岁前发病。在这些遗传病中，部分患者的疾病表型与衰老特征相似，如出现皮肤皱缩、脱发、肌肉萎缩、心血管疾病等症状。根据已经报道的早老型遗传病的分子特征，均与DNA损伤修复缺陷有关。这些疾病可以分为：核纤层蛋白病（laminopathies）和DNA损伤修复缺陷病等两类。

一、核纤层蛋白病

核纤层蛋白病是指核纤层蛋白A（lamin A，LMNA）的基因及其编码的蛋白异常引起的。该病既包括LMNA基因突变引起的疾病，也包括参与LMNA蛋白加工成熟的相关蛋白突变引起的疾病。

（一）HGPS早老症（Hutchinson Giford Progeria Syndrome，HGPS）

HGPS是一种典型的由基因突变导致的衰老相关遗传病，它的发病率很低，大概是400万分之一～800万分之一。HGPS最早由Hutchins在1886年报道，1904年Gilford报道了第二例患者，他在文章中使用了progeria（早老）这个词。1962年，DeBusk将这种疾病命名为Hutchinson Giford Progeria Syndrome，HGPS。HGPS患者在出生的早期就开始显现衰老的容貌，出现的特征包括：典型小颌，颌面不均匀，突眼，头皮静脉突出等面部特征，患者生长缓慢，体形矮小，体重低于同龄人平均体重。在生长过程中快速出现正常个体晚年时才呈现的特征，例如：头发灰白，脱落，皮肤变薄和皱褶。患儿大多死于心血管疾病或卒中，寿命大多为7岁至27岁，平均13岁。

1.核纤层蛋白的生理功能

在人体细胞的细胞核内膜周围，受到称为核纤层的结构保护。构成核纤层的蛋白由LMNA、LMNB、LMNC组成。人类的LMNA基因定位在1q21.2-q21.3染色体上，包括12个外显子，并且含有两个多腺苷酸化信号，分别是LMNC/C2的ATTAAA和LMN AΔ10的AATCAA。LMNA基因通过选性择剪切产生A型核纤层蛋白，包括LMN AΔ10、LMN C2、LMNA和LMN C，其中LMNA和LMN C为主要产物。LMNA/C除了参与构成细胞内部的网络骨架以外，还在调节DNA复制、细胞周期、凋亡、基因表达等方面有重要作用。LMNA的表达与组织的硬度和基质指导的分化有关。通过蛋白质组学的方法证实：在软组织如脂肪中，LMNA低表达，而硬组织如骨头中LMNA高表达；利用干细胞分化成相关组织，LMNA的表达变化规律与前述结果类似。

LMNC和LMN A蛋白N末端含有566个相同的氨基酸残基，在此之后的氨基酸序列中，LMNC则缺失10号外显子的部分序列和11、12号外显子的全部序列，但在其C末端具有特异的6个氨基酸残基。LMNA在合成之前，首先翻译成A型核纤层蛋白前体，即前LMNA，其C末端含有CAAX盒（C表示半胱氨酸；A表示脂肪族氨基酸；X表示可变氨基酸），接着这段半胱氨酸侧链被法尼基化，然后“-AAX”在ZMPSTE24和RCE1的共同作用下被切除，紧接着半胱氨酸被内质网中的异戊烯半胱氨酸羧基端甲基转移酶ICMT甲基酯化。最后，ZMPSTE24在Y646和L647之间第二次酶切，前LMNA末端的15个氨基酸残基（包括法尼半胱氨酸甲酯）被切除，产生成熟的LMNA。

已经报道LMNB1的丢失是细胞衰老的分子标志物。其丢失过程是通过细胞自噬实现的。自噬关键蛋白LC3/Atg8能介导LMNB1的降解，该过程不被细胞饥饿接活，但受原癌基因ras激活，通过影响核质运输，把LMNB1运输到溶酶体中。抑制自噬或ras的功能，均能抑制该蛋白的降解，并抑制细胞衰老。此外，近几年的研究表明：早老症相关的蛋白变化也能在正常衰老细胞中检测到。

2.LMNA的突变导致HGPS

目前研究认为：HGPS大都是由于染色体上编码A/C型核纤层蛋白的LMNA基因发生点突变而引起。LMNA基因在其外显子的1824位发生核苷酸转换（C→T）造成的，尽管未造成氨基酸残基的改变（G608G），但产生了一个潜在的选择性剪切位点，导致第11外显子的部分碱基被剪切，使得前LMNA的C末端50个氨基酸残基被切除，这种截短的蛋白叫做早老蛋白（progerin）。早老蛋白保留了“-CAAX”盒，能被法尼基化，由于早老蛋白缺失Zmpste24酶切位点，导致其C-末端区域不能被释放，保留了法尼半胱氨酸甲酯。因为法尼基化的功能是将前LMNA插入核膜以后，再进行剪切。永久法尼基化的早老蛋白无法从核膜上脱离下来，其他核纤层蛋白由于与早老蛋白结合成复合体也无法脱离核膜，最终使细胞核的结构和功能受损。

LMNA基因除了上述典型的G608G突变，一些非典型的纯合突变K542N、杂合突变R471C和R527C也可引起HGPS。

3.突变蛋白引起的变化

LMNA突变产生的早老蛋白还会引起染色质的紊乱，导致DNA双链损伤和异常的DNA损伤反应（DNA-damage response，DDR）。早老蛋白引起的早衰与其造成的DNA损伤的增加密切相关，研究表明，这种损伤位于端粒，会引起端粒聚集和染色体畸变。HGPS症患者的成纤维细胞中早老蛋白蛋白会引起端粒的融合，在人类正常的成纤维细胞中表达外源性早老蛋白同样会如此。

研究表明，在有早老蛋白表达的细胞系，或者在细胞内表达突变形式的LMNA和LMNB以及在正常的衰老细胞中，都能检测到端粒聚集。通常认为端粒的聚集会导致端粒融合，因此导致基因组的不稳定。研究人员在早老蛋白表达的细胞系中发现多种染色体畸变的情况。有多种证据表明在HGPS症患者的成纤维细胞中基因组是不稳定的，例如：出现双核细胞、非整倍体细胞。研究发现，端粒酶可以修复早老蛋白引起的端粒功能紊乱，但是具体机制目前还不清楚。

在HGPS细胞中表达外源性的端粒酶催化亚基基因TERT，可以明显延长细胞的传代数，说明TERT可以延长HGPS细胞的寿命。在细胞中表达外源早老蛋白（表达量和HGPS细胞中内源性的早老蛋白表达量相似），可以引起明显的DNA损伤信号。但是如果事先在此细胞中表达TERT蛋白，再表达早老蛋白，则没有明显的DNA损伤信号，表明端粒酶可以对抗早老蛋白引起的DNA损伤。

早老蛋白引起的损伤反应还与长寿蛋白SIRT6有关。使用模拟HGPS的干细胞，深入分析早老蛋白引起DDR的信号通路变化，与抑制抗氧化蛋白Nrf2发挥功能有关。早老症患者的症状之一是心脏发育异常，使用缺失laminA突变的小鼠胚胎成纤维细胞，检测到机械力感受信号通路MLK1-SRF的核转移作用丧失，信号通路没有激活而影响肌动纤维变化。把核被膜蛋白emerin在突变细胞中异位表达，则恢复了MLK1的功能。

（二）下颌骨末端发育不良症（Mandibuloacral Dysplasia，MAD）

MAD是一种罕见的常染色体隐性遗传病。Young L在1971年首次报道了相关的病例。患者在出生后表现出生长迟滞、脱发、颅面异常、骨畸形、关节僵直、皮肤萎缩及斑点色素沉着等病症。这些症状和早老症的一些临床症状很相似，所以也归为早老症的一种类型，但是MAD患者的寿命要比HGPS患者长。

研究发现，有两个基因的突变与MAD相关，第一个基因就是LMNA，即A型MAD（MADA），第二个基因是ZMPSTE24，即B型MAD（MADB）。A型MAD患者和B型MAD患者的不同主要表现在脂肪营养不良的范围和程度不一样。A型MAD患者主要是四肢的皮下脂肪偏少，颈部和躯干的皮下脂肪相对正常或者有轻微的过量。B型MAD患者则表现出大范围的皮下脂肪偏少，例如面部、躯干、四肢。

A型MAD患者的LMNA基因发生R527H纯合突变，而B型MAD患者则是ZMPSTE24基因发生了突变。B型MAD患者基因突变有两个位点，第一个位点是第8个外显子上的1018位点发生核苷酸转换（T→C），导致T340A的突变；第二个突变位点是9号外显子在1085位点处插入一个碱基T，导致该基因发生移码突变，在此处产生终止密码子，产生截短的突变蛋白。由于前LMNA是ZMPSTE24的特异性底物，ZMPSTE24突变之后，无法行使其正常的生理功能，造成法尼基化的LMNA堆积在细胞核的边缘，使核的稳定性受损，引起细胞核畸形和基因表达的改变，这也可能是MAD和HGPS患者具有部分相同表型的原因。

（三）限制性皮病（Restrictive Dermopathy，RD）

限制性皮病是一种致死性的人类遗传病，为常染色体隐性遗传性疾病。由Witt在1986年首次报道。其特征表现为皮肤绷紧、变薄，易于溃破，步态不稳和关节挛缩。RD在胎儿时期就出现异常，如羊水过多，胎儿活动减少，羊膜早破、早产，脐带过短，绒膜羊膜炎，胎儿发育迟缓等。出生后的表现有：头面部骨缝宽，低位耳，小颌，小口呈O形，乳牙等。皮肤的变化有：硬紧、红斑、糜烂、剥脱、瘢痕。骨骼异常：关节挛缩，足骨发育不全，骨化中心缺乏，长骨过度管化等。呼吸系统的变化有：胸前后径增加，肺发育不全，呼吸功能不全等。

最初的研究表明RD的发病与LMNA基因11号外显子突变产生的截短前LMNA有关，但是后来又在某些RD病例中发现LMNA基因是正常的，这表明RD还存在其他的致病机制，因此，研究人员又检测了病例的Zmpste24基因，发现其9号外显子发生了杂合性的单个碱基插入突变，产生截短的ZMPSTE24蛋白，使之无法正确剪切、加工前LMNA，导致前LMNA在细胞核内的聚集。

二、DNA损伤修复缺陷相关的遗传病

DNA损伤修复是生物为保持基因组稳定性，维持遗传性状的重要保护机制。细胞内的DNA损伤有烷基化、交联、断裂等多种形式，根据DNA损伤的类型不同，DNA损伤修复机制主要可以分为碱基切除修复（Base excision repair，BER）、核苷酸切除修复（Nucleotide excision repair，NER）、错配修复（Mismatch repair，MMR）、双链断裂修复（Double-strand break repair，DSBR）等。其中，与衰老关系比较紧密的是DSBR途径和NER途径。

DSBR途径主要有2条，即DNA双链断裂同源重组（Homologous recombination，HR）修复和非同源末端连接（Non-homologous end-joining，NHEJ）修复。当哺乳动物细胞中出现双链断裂（DSBs）的时候，DNA损伤感应蛋白ATM首先发生自磷酸化而活化，然后被三聚体复合MRN（Mre11-Rad50-Nbs1）招募到DSBs位点，进而靶向其下游底物，进行损伤修复。

NER可分为全基因组NER（Global genome repair NER，GG-NER）和转录偶联NER（Transcriptioncoupled NER，TC-NER）。GG-NER的主要作用是在全基因组范围内防止DNA突变，修复速度较慢。当DNA双链结构产生较大变化，XPC与hRAD23b、CETN2共同作用，直接识别DNA损伤；当DNA损伤对自身结构稳定性影响较小，DDB2与DDB1结合到损伤位点，形成一个可以被XPC识别的结构，进而招募hRAD23b和CETN2，以及其他多种蛋白组成复合体进行DNA损伤修复。TC-NER修复途径可修复各种阻碍RNA聚合酶延伸的DNA模板链损伤，修复速度相对较快。DNA在转录过程中，当RNA聚合酶被DNA损伤阻碍不能移动时，CSB和TFIIH组成复合体，进而招募其他多种蛋白组成复合体进行DNA修复。

（一）沃纳综合征（Werner Syndrome，WS）

WS由Werner在1904年首先报道。特点是较早表现出衰老特征和对癌症的易感性，多在儿童后期或青年期就发生衰老，其发病时间比HGPS稍迟，因此也叫做“成年性早老症”。大约有75%的WS病例发生在日本。

WS具有家族性，以常染色体隐性遗传为主，皮肤呈现出老人的特征。皮肤的结缔组织、脂肪组织及肌肉萎缩，皮肤光滑、发亮，紧贴于皮下组织，面部和四肢的远端为最明显。鼻子变尖、变细，形成钩状鼻。口腔四周皮肤形成放射状皱纹，眼部结缔组织萎缩形成眼球假突出，耳部皮肤萎缩，耳部尖小。上述改变使患者面部表现出所谓“鸟样外貌”。足底及骨突出部位，如踝、跟、趾等部位皮肤角质化过度，并形成溃疡，溃疡经久不愈，并逐渐扩大，深度可达骨和关节面。四肢皮肤有局限性色素沉着或色素减退现象，有时全身弥漫性色素增加或有雀斑样皮疹。

WS的患者十岁前大多发育正常，但是不会像正常儿童一样在十几岁初期迅速生长。通常在20岁左右出现头发脱落或者变灰，声音嘶哑，以及类似硬皮病的肤质改变，继而在30多岁表现出双侧白内障、2型糖尿病、性腺功能减退、皮肤溃疡和骨质疏松。死亡通常发生在40岁左右，最常见的死因是心肌梗死和癌症。

WS是由于位于8号染色体上的WRN基因突变引起的。WRN基因编码的WRN蛋白是DNA解旋酶RecQ家族的成员，它参与细胞的增殖、永生化和肿瘤的发生。RecQ解旋酶家族的主要功能是参与DNA的重组、复制和DNA双链断裂修复。在DNA复制阶段，WRN可以通过聚拢DNA链，重新启动停滞的复制叉，WRN的缺失将会降低复制叉延伸的速度，进一步导致复制叉的崩解以及整个染色体组的不稳定。

WRN在维持端粒的结构和功能、参与端粒的复制等方面起着重要作用，众所周知，端粒在细胞的寿命维持方面起重要作用。WRN与端粒重复序列结合因子TRF1（Telomere repeat binding factor）、TRF2等与端粒长度维持相关的蛋白相互作用，以维持端粒的功能。端粒单链DNA结合蛋白POT1可与WRN共同维护端粒末端的DNA结构，保护端粒展开时的3'末端。利用干细胞模型和人体样本，研究了WS加速衰老的机制。WRN蛋白能与异染色质蛋白SUV39H1、HP1α、LAP2β相互作用。把失活催化亚基的SUV39H1敲入到野生型间充质干细胞中也能加速细胞衰老。说明异染色质的变化是WRN致衰老的驱动力之一。

除此之外，与WRN蛋白同属解旋酶RecQ家族的BLM蛋白和RECQ4蛋白的突变也会导致具有一定衰老表型的疾病，分别是Bloom综合征（BS）和Rothmund-Thomoson综合征（RTS）。BS患者最大的特点是在幼年就出现老年人才有的癌症。RTS患者的特点是从婴儿时期就出现皮肤异色病皮疹，身材矮小，骨骼异常，青少年白内障，在细胞水平的表现和早衰症一样，存在基因组的不稳定性。

（二）着色性干皮病（Xeroderma Pigmentosum，XP）

XP是一种常染色体隐性遗传病，在各种族人群中均有报道，常见于患者的祖父母、父母有近亲婚配史或同一家族中有数人患病。在日本人中的发病率大约是其他国家人群的六倍。

XP的主要临床特征是皮肤对日光过度敏感，暴露部位的皮肤易发生色素沉着、萎缩、角质化过度和癌变等衰老的表型。此外，约有40%的患者伴发眼部病变，可累及眼睑、结膜和角膜，不同程度地影响视力，甚至失明。约15%的患者有神经症状，表现为深反射缺失，进行性的感觉神经性耳聋，以及身体和智力发育迟滞等。只有不到40%的XP患者可以存活20年以上，但是有些病症较轻的患者可以存活到40多岁。

研究均表明，XP患者的核苷酸切除修复机制有缺陷，不能有效清除紫外线所致的环丁烷嘧啶二聚体，导致DNA损伤修复障碍，最终诱发皮肤癌变。神经症状的XP患者主要是与XPA、XPG和XPD的基因突变有关，这些基因的突变会导致正常生长的神经元退化，进而导致外周神经病变，最终会产生共济失调和精神发育迟滞。XPA基因突变会导致最严重的一种XP：De Sanctis-Cacchione综合征（XPDSC）。除此之外，DDB2、ERCC4、ERCC5和POLH等基因的突变也会导致XP的发生。

将XPC患者的成纤维细胞和角质细胞分别培养，并在体外研制出人造皮肤，然后导入正常的XPC基因，使之正常表达，XPC患者细胞的分化迟滞、基底细胞层增生活跃、真皮层内陷等皮肤异常表型得到了很好的修复。

还有一种和XP表型类似的疾病叫做毛发低硫营养不良（Trichothiodystrophy，TTD），它由XPB或者XPD基因（编码DNA解旋酶亚基TFIIH，与NER相关）突变产生。主要的症状是头发枯焦，细胞内硫缺乏，智力低下，发育迟缓，大约一半的患者有光敏性。与XP不同的是，TTD患者罹患皮肤癌的可能性相对较低。

（三）Cockayne综合征（Cockayne Syndrome，CS）

CS是由Cockayne在1936年首次报道的一种常染色体隐性遗传病，其发病率极低。其特征是患者头部和体型偏小，眼眶凹陷，表现出早老的外貌。

CS的发病和参与核苷酸切除修复机制的CSA基因（也叫做ERCC8）和CSB基因（也叫做ERCC6）的突变有关，大约有62%的CS患者是CSB基因发生突变。这两个基因编码的蛋白参与TC-NER，不参与GG-NER。

CS的临床表现为：出生时多为正常，婴儿期或儿童早期发病，病情逐渐发展。由于严重生长障碍和脂肪丢失，身高体重逐渐落后于同龄人，身材消瘦，矮小，面容表现为深眼窝，小眼球，尖鼻，尖下颌，即“鸟样脸”。大耳廓，龋齿，易晒伤，面部色素，膝关节挛缩，呈“骑马样”姿态。

半数的CS患儿会发生神经性耳聋，眼部病变多样化，且呈进行性发展，最具有特征性的变化是色素性视网膜萎缩，可继发白内障，视神经萎缩，最终丧失视力；泪腺、唾液腺、汗腺分泌不足，出现角膜炎，角膜溃疡，龋齿，少汗，皮肤干燥；头发稀疏，细软，呈早老性秃头。CS最明显的特征是神经系统症状：智力迟钝，共济失调，大脑皮质以及神经元丢失。大多数患者于儿童末期死亡，平均死亡年龄12岁左右。

根据CS的发病时间和发病严重程度，可以将其大致分为三种类型，分别为Ⅰ型CS、Ⅱ型CS、Ⅲ型CS。

Ⅰ型CS：

是典型的CS，在胎儿和出生早期无特殊病变，在出生两年后开始出现异常，视力、听力、中枢神经和外周神经逐渐出现病变，患者最终会在10～20岁之间去世。

Ⅱ型CS：

患者在出生后的神经症状比较轻，通常死于七岁，也叫做Cerebro-oculo-facio-skeletal（COFS）综合征，这种综合征通常患有着色性干皮病。

Ⅲ型CS：

患者的发病相对较晚，发病概率和发病程度比Ⅰ型CS、Ⅱ型CS都要低。

三、衰老相关的遗传病治疗

以上具有衰老表型的人类遗传病，基本上都可以归结为积累的DNA损伤对机体造成不可逆转的破坏。目前临床上的医疗手段都无法从根本上治疗这些疾病，大多采取的是对症治疗，改善患者的生活质量。

已经发现一些药物可以治疗HGPS。白藜芦醇通过激活SIRT1依赖的信号通路，可以恢复LMNA突变小鼠干细胞的功能，减轻了早老症的症状。mTOR抑制剂雷帕霉素可以在一定程度上缓解HGPS细胞的衰老表型。法尼基化抑制剂（farnesyltransferase inhibitor）Lonafarnib可以增加HGPS患者的体重，提高听力，改善骨质和心血管系统功能。

随着基因疗法的兴起，特别是最近几年不断完善的CRISPR/Cas9基因编辑技术，为这些遗传疾病的治疗带来了曙光。CRISPR/Cas9系统由具有靶向性的单链sgRNA和具有核酸内切酶活性的Cas9蛋白构成。基于此，在理论上可以实现对基因组任意位点的序列进行编辑，从而根治各种遗传疾病。目前这种方法已在动物模型上取得成功，相信在不久的将来，CRISPR/Cas9技术可以成功运用于治疗包括早老症在内的各种遗传疾病。

（赵　炜　刘新光）