STXBP1基因相关疾病的研究进展

许猛，叶婷婷，刘晓蓉

突触融合蛋白结合蛋白-1(STXBP1)，又称Munc18-1或SM蛋白，是一种主要在大脑中表达的膜转运蛋白[1]。该蛋白通过与可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感性蛋白受体复合体(SNARE)的相互作用来介导突触囊泡的释放过程，因此在神经元突触信号传递过程中起着至关重要的作用[2-3]。突触功能障碍是许多神经发育和精神障碍疾病的一个重要特征[4-5]。2008年Saitsu等[6]首次在5例大田原综合征患者中发现STXBP1基因新生突变，并确定该基因为其致病基因。随后，West综合征、Dravet综合征及Rett综合征等多个表型被相继报道[7-9]。由于这类患者大多有智能障碍、痫性发作及发育迟缓等表现，故具有上述特征的STXBP1基因相关疾病又被称作STXBP1脑病[10]。本文主要从STXBP1脑病的临床特征和发病机制方面对STXBP1基因相关疾病进行综述。

1 STXBP1基因与STXBP1脑病

STXBP1由STXBP1基因编码，该基因位于染色体9q34.11，包含20个外显子[2]。STXBP1由594个氨基酸组成，包含3个结构域，分别为结构域1、2和3，这3个结构域形成一个弓形结构[11]。STXBP1基因相关疾病的遗传模式主要为常染色体显性遗传，目前发现的STXBP1脑病患者的基因异常绝大多数为新生杂合突变。由于STXBP1脑病表型重、预后差，往往这些突变并不能稳定地遗传给下一代。Saitsu等[12]及Møller等[13]分别在不同的家系中报道了2例亲本无症状的嵌合子，但这种特殊情况并不能说明STXBP1基因严重的有害突变可以在自然家系中稳定遗传。此外，2019年Lammertse等[14]报道了2例STXBP1纯合突变，表型为Lennox-Gaustaut综合征的病例，值得注意的是他们的杂合子兄弟姐妹和母亲是无症状的，提示STXBP1脑病也可表现为隐性遗传，这些发现进一步丰富了STXBP1基因相关疾病的遗传模式。

2 STXBP1脑病的临床特征

2.1 STXBP1脑病表型谱 尽管STXBP1脑病以发育迟缓、智能发育障碍和痫性发作为主要特征，但是不同的STXBP1突变表型也有较大的临床异质性，主要体现为发育迟缓和智能障碍的严重程度、对抗癫痫药物治疗的反应和EEG特征的差异。根据不同的临床表型，STXBP1脑病可被归类到大田原综合征、West综合征、Dravet综合征、Lennox-Gaustaut综合征等癫痫综合征。Stamberger等[15]通过对147例STXBP1脑病患者的研究发现，起病时表型为早发癫痫与脑病的患者占比53%(n=71);表型为大田原综合征的患者占比20.9%(n=28)，而这其中大部分患者又逐渐进展为West综合征(n=27);以West综合征起病的患者占9.7%(n=13);以Dravet综合征起病的患者占2.2%(n=3);表型为非综合征性癫痫伴智能障碍的患者占6%(n=8);表现为智能障碍但无痫性发作的患者占6.7%(n=9)。由此可以看出，超过半数的患者表现为早发癫痫与脑病，近1/3的患者表型为大田原综合征和West综合征。大约95%的STXBP1脑病患者有痫性发作，表明痫性发作是这种疾病的核心表现。值得注意的是，部分患者可以无痫性发作[15-17]，提示痫性发作并不是诊断STXBP1脑病的必要条件；而智能障碍几乎见于所有的STXBP1脑病患者，表明智能障碍为STXBP1脑病最为突出的特点。上述癫痫综合征大多为新生儿期或婴儿期起病的癫痫综合征，表明了STXBP1脑病具有起病年龄早的特点。

2.2 STXBP1脑病痫性发作特点 STXBP1脑病痫性发作起病早，起病年龄从1 d～12岁不等，中位起病年龄为6周。大约1/3的患者表型为大田原综合征或West综合征，近1/4的患者表型为早发癫痫与脑病或大田原综合征的患者随着时间的推移会演变为West综合征[15]。癫痫性痉挛、强直发作和局灶性发作为主要发作类型[6,15,18]。对STXBP1脑病的痫性发作治疗效果较好的抗癫痫药有左乙拉西坦[19-20]、丙戊酸[21-22]和氨己烯酸[8,21,23]。部分患者使用抗癫痫药治疗可达到无发作甚至最终停药，但是也有一些患者在癫痫控制后仍出现复发。常规抗癫痫药可以有效控制大多数STXBP1脑病患者痫性发作，约1/3的患者可实现无发作[15]。

2.3 STXBP1脑病的智能、发育障碍和神经系统体征 目前所报道的STXBP1脑病患者均有不同程度的智能障碍，且智能障碍程度较重，目前报道的病例中只有1例患者认知功能障碍仅限于学习困难[24]。发育迟滞和发育倒退也可见于STXBP1脑病，运动发育迟滞主要表现为头部控制能力差、失去行走能力等，语言发育迟滞主要表现为不能讲话或不能进行正常的社会交流，这些特征在多个研究中均有描述[6,15,25]。STXBP1脑病患者的行为障碍主要表现为孤独症和行为刻板，其他行为障碍还包括过度运动和攻击性行为[15]。神经系统查体可发现STXBP1脑病患者可有锥体系、锥体外系和小脑损害体征，表明STXBP1广泛参与了的各项正常生理活动的维持。其中最常见的异常体征是肌张力减退、共济失调、意向性震颤、痉挛、运动障碍和肌张力障碍[15]。

2.4 STXBP1脑病的EEG及MRI表现 大多数STXBP1脑病患者的EEG均有局灶性或多灶性放电特征，部分患者在病程的早期阶段EEG有爆发-抑制、高幅失律等特征[15]。MRI表现可正常，也可有脑萎缩、薄胼胝体、脱髓鞘病变等表现[26]，大多数患者的MRI在发病早期表现正常，然后在1年后表现出轻度的脑萎缩。有学者[27]认为这可能与促肾上腺皮质激素治疗有关。还有学者[28]在STXBP1体细胞突变患者的MRI中发现局灶性皮质发育不良表现。

2.5 STXBP1脑病的治疗 目前对STXBP1脑病的治疗的策略主要是控制痫性发作，同时兼顾发育、认知和行为等方面问题的多学科治疗。目前应用于STXBP1脑病有效的抗癫痫药包括氨己烯酸、丙戊酸和左乙拉西坦。尽管尚不清楚哪种抗癫痫药方案最有效，但是对于大多数STXBP1脑病患者来说，及时使用抗癫痫药可以充分控制痫性发作，大约1/3的患者可实现无发作[29]。考虑到STXBP1脑病的发病机制，从精准治疗的角度，左乙拉西坦值得特别关注，因左乙拉西坦是通过与突触囊泡糖蛋白2A结合来调节突触囊泡的释放而起作用[29]。然而，由于痫性发作起始年龄、持续时间和STXBP1脑病智能障碍严重程度及发育结局无明确关系[15]，治疗策略不仅要着眼于痫性发作的控制，而且也要将发育及认知障碍的治疗置于重要的地位。精准治疗在遗传性癫痫治疗中愈来愈受到重视，Hussain[30]提出了一种通过提高突触前未装配的STXBP1单体数量的蛋白质-蛋白质相互作用的治疗手段，以平衡单倍体剂量不足的状态。Guiberson等[31]的研究利用分子伴侣的办法，分别用三种化学伴侣4-苯基丁酸酯、山梨醇和海藻糖来提升了致病突变体中的STXBP1水平并增强了其稳定性，为STXBP1脑病的治疗提供了新思路。此外，基因编辑技术等精准治疗策略也是目前的研究热点和未来解决STXBP1脑病治疗问题的重要手段[32]。

3 STXBP1脑病的发病机制

3.1 STXBP1与SNARE复合体的相互作用 大脑神经元之间的冲动是通过突触间信号传递实现的。突触前膜神经递质释放是通过突触囊泡与质膜的对接、启动及膜融合等过程来完成的，完成这一过程的核心是SNARE复合体及STXBP1蛋白，同时也有辅助蛋白如突触素、络合素的参与[33-34]。这些蛋白通过SNARE-SM蛋白循环来完成突触囊泡释放的过程，这一过程简单地来说可以分为以下四步：(1)突触囊泡融合启动，这一步骤包括打开Syntaxin-1的闭合构象，即Syntaxin-1/STXBP1的复合结构从封闭构象转变为开放构象以及部分反式-SNARE复合体组装；(2)全反式-SNARE复合体组装，融合孔打开；(3)全反式-SNARE复合体转变为顺式-SNARE复合体，融合孔进一步扩大；(4)SNARE复合体拆卸，并进入下一个SNARE-SM蛋白循环[35-36]。

虽然确切的机制尚未完全阐明，但多项研究表明，STXBP1在囊泡对接、启动和融合的多个步骤中起着至关重要的作用，这一系列过程是通过STXBP1与构成SNARE复合体的不同蛋白的相互作用而完成的，SNARE复合体由位于突触小泡膜上的突触小泡蛋白、位于突触前膜上的突触融合蛋白(Syntaxin-1)和突触小体相关蛋白三者共同组成。目前研究较为充分的是STXBP1和Syntaxin-1之间的相互作用。STXBP1至少以两种不同的方式与Syntaxin-1直接结合：一种是与Syntaxin-1的封闭构象结合，另一种是与Syntaxin-1的N末端结合，目前这两种结合模式被广泛认可[37]。在膜融合启动阶段，STXBP1与Syntaxin-1的闭合构象结合，然后Munc13将Syntaxin-1转化为开放构象，并与STXBP1一起协调SNARE复合物的组装和膜融合过程[11,38-39]。SNARE复合体拆卸后，STXBP1再次与封闭构象的Syntaxin-1结合可以防止异位SNARE复合体形成[40]。通过这种方式，Syntaxin-1可以高效地用于另一轮囊泡融合过程。

3.2STXBP1基因的功能缺失致病 目前已报道的STXBP1脑病大部分是由STXBP1的新生杂合突变所导致的，截短突变和错义突变皆可致病。STXBP1截短突变会导致无义介导的mRNA衰变，该机制通过识别和降解异常的mRNA，减少异常蛋白质的翻译，进而导致单倍体剂量不足的发生[41]。尽管错义突变占已报道的STXBP1脑病的大部分病例，但是并非每个错义突变都致病，虽然已经对少数变异进行了功能研究，但对于许多突变体而言，导致STXBP1功能受损的机制尚未完全明确。有研究[42]证实致病性错义突变可导致STXBP1蛋白三维结构的改变，使其在37 ℃时不稳定, 进而形成蛋白质寡聚体，并通过蛋白酶体促进其降解，从而导致STXBP1水平的严重下降。Kovacevic等[43]通过对V84D、C180Y、R388X、M443R、G544D、C522R、T574P等突变体的体外功能研究发现，STXBP1的不同突变体蛋白质功能受影响程度为依次为V84D>R388X>M443R>G544D>C180Y>T574P>C522R，不同的突变体在STXBP1的表达量、Syntaxin-1表达量、神经元突触密度及电生理特性方面均较野生型表现出不同程度的下降，表明功能缺失是其重要的致病机制。尽管不同突变体的STXBP1表达水平及电生理特性有差异，但其分子功能强弱和临床症状的轻重程度之间缺乏显著的相关性，STXBP1基因对功能缺失高度不耐受，用单倍体剂量不足解释这种现象是合理的[43-44]。该研究还发现，STXBP1基因功能缺失会导致突触疲劳现象，这种情况在GABA能神经元中比在谷氨酸能神经元中更为明显。突触疲劳现象在GABA能神经元和在谷氨酸能神经元的差异导致了大脑皮质兴奋性失衡，这可能是STXBP1脑病痫性发作的机制，目前这一理论在小鼠模型上得到了证实[43]。

此外，Guiberson等[31]通过对多个杂合错义突变体的体外功能研究发现，STXBP1基因突变导致突变后的蛋白具有更高的热敏性，更容易聚集、沉淀并被降解。该研究还发现STXBP1杂合突变体存在显性负效应，突变体的神经元STXBP1表达量明显低于野生型的50%，突变后的STXBP1蛋白有与野生型蛋白聚集的现象，从而导致野生型STXBP1被一起降解[31]。但该研究也发现可以通过分子伴侣稳定错误折叠的蛋白质，减少蛋白质的聚集，在一定程度上恢复STXBP1的水平和功能[31]。

3.3STXBP1基因的功能增强致病 目前报道的STXBP1脑病几乎均为杂合突变，致病机制为功能缺失及单倍体剂量不足。2008年Graham等[45]在体外研究中发现STXBP1基因突变体E466K有功能增强现象。该研究发现突变体E466K在STXBP1的表达量上与野生型并无显著差异，但其囊泡的募集和释放能力却较野生型更强，其机制是E466K突变增加了STXBP1与Rab3a的结合能力，使得膜融合过程变得更快更高效。Lammertse等[14]在1个家系中发现了2例基因型为L446F纯合突变致病的患者。这2例患者的表型为Lennox-Gastaut综合征，临床症状符合STXBP1脑病发育迟缓、难治性癫痫、智能障碍和行为异常的特点。值得注意的是，这2例患者的母亲及妹妹均为无症状杂合子(L446F+/-)。体外研究发现，尽管L446F突变体相较于野生型神经元其树突长度和突触密度略有降低，但在单个动作电位刺激后，L446F突变体的突触囊泡与质膜融合的次数是野生型神经元的2倍。另一方面，L446F突变体的配对脉冲比较野生型明显变低，这意味着在刺激初始L446F突变体释放囊泡的能力较野生型更强，大量的囊泡在刺激早期被消耗，导致用于匹配后续刺激的囊泡数目大大减少。在连续的高频刺激后再次进行单个刺激时，L446F突变体恢复对刺激反应的能力下降。故Lammertse等[14]认为L446F突变导致突触传递增加，配对脉冲可塑性降低，高频刺激后恢复突触传递的能力受损。STXBP1基因杂合突变和纯合突变在突触水平的作用相反，但最终在大脑环路水平都造成了STXBP1脑病，提示STXBP1脑病发病机制具有多样性。既往的研究[46-48]表明，功能缺失和功能增强的杂合突变都可以产生表型类似的癫痫性脑病，如KCNA2、SCN2A、SCN8A等基因的突变。最近，有2例SCN2A纯合突变导致癫痫性脑病的病例被报道[49]。在这些病例中，纯合子个体与杂合子家族成员有相似的表型，却有着迥然不同的致病机制，表明了等位基因的多样性和特异性在单基因疾病的致病机制中发挥着重要作用。

4 展望

STXBP1基因突变的基因型-表型关系目前仍不明确，已报道的案例几乎均是重表型，基于我们对单基因疾病及基因突变致病性的认识，STXBP1基因突变很可能存在轻表型。因此，STXBP1基因相关疾病的表型谱和致病机制仍有待于所有研究者和临床医生进一步探索。尽管目前STXBP1脑病的精准治疗手段仍相当有限，但随着我们对STXBP1基因相关疾病认识的不断深入和相关基础研究的不断进展，STXBP1脑病的治疗效果和预后的改善将有望得到进一步的提高。