胚胎發育時期因各種因素引起的神經元移行障礙，常導致大腦皮質發育畸形(Malformation of cortical development，MCD)，也是引起患兒發育遲緩和癲癇的常見原因。快速發展的分子生物學、影像學和基因遺傳學豐富了大腦皮質發育的相關知識，畸形的報道不僅在數量和種類上有所增長，同時相關研究已經確定了幾個基因，可能破壞神經細胞增殖、移行以及晚期皮層組織形成的每一個重要階段。不同的MCD在臨床表現上也有很大的表型異質性，現就MCD的發生機制、易感基因進行闡述，為MCD后期研究提供參考依據。
引用本文： 齊暉, 高麗, 李巖, 范宏業, 楊柳, 曹睿明, 殷小靜, 李俊龍. 神經元移行障礙發病機制研究進展. 癲癇雜志, 2017, 3(5): 419-422. doi: 10.7507/2096-0247.20170066 復制
皮質發育畸形(Malformation of cortical development，MCD)是指在胚胎第7周來自側腦室生發基質層的神經細胞及神經膠質細胞向皮質層移行過程中受到遺傳、中毒、母親高危因素等致放射狀膠質纖維受損，或移行中的神經元和膠質細胞表面分子的改變導致神經元的移行終止，使得原本一一對應的大腦皮質6層結構發生錯位，同時由于損害發生時期不同產生了各種發育畸形的大腦皮質。目前快速發展的基因測序技術和分子生物學研究發現了許多與MCD和癲癇相關的細胞信號級聯通路，以及細胞骨架組裝相關的基因突變，其中最前沿的研究是關于磷酸肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(AKT)/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)級聯通路上游和下游調控蛋白相關基因新生突變[1]和微管蛋白、絡絲蛋白通路[2]相關的MCD。對于細胞內信號級聯通路的進一步認識，不再局限于以基因型-表型相關性為依據，而側重于以突變引起細胞功能改變為策略的精準治療模式。本文將總結不同類型MCD相關基因，同時對于突變基因如何干涉PI3K /AKT/mTOR信號通路，神經細胞生長、遷移過程中細胞骨架組裝發生畸變的過程進行闡述。根據MCD發病機制的不同，主要分為兩大類: mTOR通路學說和微管蛋白通路學說[1, 2]。
1 mTOR信號通路與皮質發育畸形
MCD是由調控PI3K/AKT/mTOR通路蛋白質的基因突變引起[1]，在動物模型中發現這些突變基因擾亂了皮質發育過程中神經膠質細胞正常增殖、生長、移行和神經膠質母細胞的平移過程。典型的基因有結節性硬化癥基因(Tuberous sclerosis complex，TSC)，包括結節性硬化復合物基因1(TSC1)，結節性硬化復合物基因2(TSC2)，研究發現這些基因都與MCD有關，易導致嬰兒痙攣癥和難治性癲癇[3, 4]。級聯通路中不同階段的基因突變引起的MCD也有差異，小到只有在術后切除的神經病理學檢查中才能發現影像學忽略的畸形組織、局灶性皮質發育不良(Focal cortical dysplasias，FCD) Ⅱ型，大至半側巨腦癥、巨腦癥[5, 6]。雖然在表型上存在差異，但PI3K/AKT/mTOR信號通路匯聚點上多個基因突變級聯激活引起的組織學改變，異常的皮質層狀結構，神經元的過度興奮，癲癇發作的機制是相同的。在體內和體外的研究中發現，突變的mTOR信號通路細胞網絡功能通過mTOR作為共同信號節點，而對于突變引起的結構和功能改變、神經元過度興奮都可以被mTOR信號通路抑制劑雷帕霉素及其衍生物抑制。
國外研究發現在表達具有催化活性的磷酸肌醇3激酶異構體(PIK3CA)突變基因(H1047R和E545K)的小鼠模型中出現巨腦和皮質畸形[7]，并且在給予PI3K抑制劑后，小鼠癲癇發作有所改善[8]。同時發現PIK3CA基因編碼PI3K的催化亞基(α-p110) 蛋白，磷酸肌醇3激酶β調節亞基(PI3KR2) 負責調控PI3K的p85蛋白。在半側巨腦癥腦組織中發現PI3K的突變增加了在腦組織中高表達的AKT變體(Akt3)的磷酸化活化，并普遍觀察到發生在下游的mTOR復合物1(mTORC1) 的信號活化，即核糖體S6蛋白的磷酸化增強。因此認為，PI3K基因突變導致mTOR信號通路下游級聯活化信號增強，越來越多的的活體研究表明mTOR信號通路激活可能導致異常的細胞生長、遷移、極化和新陳代謝過程，在半側巨腦癥和巨腦癥患者中表現為形成雜亂無序的畸形皮層。
新的研究數據表明，突變的AKT3基因通過AKT3-轉錄因子(FOXG1)-絡絲蛋白(Reelin，RELN)通路損害神經元移行過程[9, 10]。RELN是一種調控大腦皮質發生發展、神經元移行的分泌蛋白RELN基因突變與無腦回畸形密切相關[11]。通過功能型AKT3基因突變構建FCD小鼠模型，可以觀察到RELN表達異常以及受影響神經元的移行障礙[12]，在沒有受到AKT3突變基因影響的周圍神經元同樣可以觀察到移行障礙，推斷可能是通過自主細胞效應[10]，所以該基因突變并不直接影響神經元移行和皮質分層過程。在半側巨腦癥和局灶性皮質畸形的腦組織標本中可以發現PI3K和AKT3相關突變[13]，在羊水多，巨腦癥狀性癲癇綜合征患者腦組織標本中發現不受控制的過度磷酸化S6蛋白表達[14, 15]，同時伴隨廣泛的細胞體積增大，雷帕霉素治療作用主要是阻止和逆轉這些細胞功能，并在羊水過多，巨腦，癥狀性癲癇綜合癥(Polyhydramnios，megalencephaly，and symptomatic epilepsy syndrome，PMSE)患者的癲癇控制中療效顯著。PTEN基因是一個腫瘤抑制基因[16]，通過釋放抑制生長、增殖信號來抑制PI3K，在已確診PTEN基因突變患者的大腦標本中可看到AKT活性增加，同時由于mTOR信號通路下游活化，在體外染色標記中發現過度磷酸化S6蛋白和異常細胞結構[17, 18]。在小鼠體內和體外研究中觀察到mTOR抑制劑不僅糾正畸形細胞同時有效減少癲癇發作頻率[19, 20]。調節PI3K/AKT/mTOR通路的蛋白質對于細胞營養狀況特別是氨基酸水平敏感[21]，亮氨酸和精氨酸在該機制中起重要作用[22, 23]。研究發現由于TSC1、TSC2突變，抑制調節功能喪失使mTOR信號通路超活化[24-26]，導致細胞肥大、形態異常，損害細胞移行和細胞極性的形成[27, 28]。
2 微絲蛋白通路和細胞骨架相關的皮質發育畸形
細胞骨架系統雖然在本質上并不是一個級聯信號通路，卻是一系列復雜動態的蛋白質亞基集合，根據信號提示進行組裝和拆卸，進而保證細胞正常移行、極化和胞質運輸過程[29, 30]。當細胞骨架基因發生突變時神經元功能受到嚴重影響導致嚴重的MCD和癲癇發作[31-33]。第一個被發現的細胞骨架相關MCD基因LIS1，于1993年在1例Miller-Dieker無腦回綜合征患者中發現，其臨床意義和生物學影響已被廣泛報道[34, 35]。最近研究又發現更大范圍的引起MCD細胞骨架相關基因，它們以一種特定形式存在，因此被稱作微管蛋白(Tubulin，TUB)信號通路，包括新生突變基因TUBA1A，、TUBA8、TUBB2A、TUBB2B、TUBB3、TUBB5、TUBG1 [36]。這些基因錯義突變引起多種類型的MCD，如多微腦回(TUBA1A)[37]，小頭畸形(TUBB2B，TUBB5，TUBG1)[38]，無腦回(TUBB3)[39]，TUBB4基因突變在一部分伴有小腦、基底節、殼核畸形和結構破壞的患者中被發現，除了這些基因特異性表型，大部分患者還常伴有小頭畸形、胼胝體發育不全及雜亂的皮層結構[40, 41]。TUB基因突變對細胞功能的影響可以分為三大類:減少異二聚體的產生、減少與運動蛋白的相互作用、微管組裝和穩定性的損害。在TUBA1A、TUBB2B、TUBB3突變基因的研究中發現，與蛋白質折疊伴侶發生交互作用子單元無法正常進行[38]，因此減少了α和β微管蛋白形成。但也有研究表明這些異常折疊超表達蛋白質將會并入微管中形成正常結構[37, 42]。
還有一些與MCD和癲癇發作相關，編碼細胞骨架蛋白質的突變基因，包括KIF1A[43]、ARFGEF2[44]、細絲蛋白A(Filamin A，FLNA)[45]。FLNA是一種肌動蛋白黏合蛋白，起著交聯肌動蛋白纖維和固定肌動蛋白骨架作用。FLNA基因突變常出現在室旁結灰質異位和耐藥性癲癇患者中，使腦室周圍徑向神經膠質正常組織結構被突變基因的病理生理效應改變，出現移行障礙[45, 46]。微管相關蛋白(Doublecortin，DCX)是在神經前體細胞表達的一種微管交互蛋白，DCX基因突變在女性患者中表現為皮層下帶狀灰質異位，在男性患者中常表現為X連鎖的無腦回畸形，兩者都常伴有嚴重的難治性癲癇。LIS1基因突變常與無腦回畸形和微缺失Miller-Dieker綜合征有關。雖然細胞骨架基因突變引起癲癇發作的確切機制沒有確切解釋，但在LIS1突變引起的癲癇發作小鼠模型中可以發現谷氨酸介導的通路激活，以及突觸前膜上突觸囊泡的增多[47, 48]，并認為LIS1基因突變可能直接影響突觸興奮性的傳遞[49, 50]。
3 結語
對于復雜的PI3K/AKT/mTOR信號通路的了解使我們對于雷帕霉素及其化合物治療難治性癲癇的原理有了進一步理解。隨著基因測序技術的進步和識別少數體細胞突變能力的增加，使MCD的信號級聯基因突變表達譜也隨之增加。未來研究需要確定突變基因與癲癇發作之間的聯系，
皮質發育畸形(Malformation of cortical development，MCD)是指在胚胎第7周來自側腦室生發基質層的神經細胞及神經膠質細胞向皮質層移行過程中受到遺傳、中毒、母親高危因素等致放射狀膠質纖維受損，或移行中的神經元和膠質細胞表面分子的改變導致神經元的移行終止，使得原本一一對應的大腦皮質6層結構發生錯位，同時由于損害發生時期不同產生了各種發育畸形的大腦皮質。目前快速發展的基因測序技術和分子生物學研究發現了許多與MCD和癲癇相關的細胞信號級聯通路，以及細胞骨架組裝相關的基因突變，其中最前沿的研究是關于磷酸肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(AKT)/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)級聯通路上游和下游調控蛋白相關基因新生突變[1]和微管蛋白、絡絲蛋白通路[2]相關的MCD。對于細胞內信號級聯通路的進一步認識，不再局限于以基因型-表型相關性為依據，而側重于以突變引起細胞功能改變為策略的精準治療模式。本文將總結不同類型MCD相關基因，同時對于突變基因如何干涉PI3K /AKT/mTOR信號通路，神經細胞生長、遷移過程中細胞骨架組裝發生畸變的過程進行闡述。根據MCD發病機制的不同，主要分為兩大類: mTOR通路學說和微管蛋白通路學說[1, 2]。
1 mTOR信號通路與皮質發育畸形
MCD是由調控PI3K/AKT/mTOR通路蛋白質的基因突變引起[1]，在動物模型中發現這些突變基因擾亂了皮質發育過程中神經膠質細胞正常增殖、生長、移行和神經膠質母細胞的平移過程。典型的基因有結節性硬化癥基因(Tuberous sclerosis complex，TSC)，包括結節性硬化復合物基因1(TSC1)，結節性硬化復合物基因2(TSC2)，研究發現這些基因都與MCD有關，易導致嬰兒痙攣癥和難治性癲癇[3, 4]。級聯通路中不同階段的基因突變引起的MCD也有差異，小到只有在術后切除的神經病理學檢查中才能發現影像學忽略的畸形組織、局灶性皮質發育不良(Focal cortical dysplasias，FCD) Ⅱ型，大至半側巨腦癥、巨腦癥[5, 6]。雖然在表型上存在差異，但PI3K/AKT/mTOR信號通路匯聚點上多個基因突變級聯激活引起的組織學改變，異常的皮質層狀結構，神經元的過度興奮，癲癇發作的機制是相同的。在體內和體外的研究中發現，突變的mTOR信號通路細胞網絡功能通過mTOR作為共同信號節點，而對于突變引起的結構和功能改變、神經元過度興奮都可以被mTOR信號通路抑制劑雷帕霉素及其衍生物抑制。
國外研究發現在表達具有催化活性的磷酸肌醇3激酶異構體(PIK3CA)突變基因(H1047R和E545K)的小鼠模型中出現巨腦和皮質畸形[7]，并且在給予PI3K抑制劑后，小鼠癲癇發作有所改善[8]。同時發現PIK3CA基因編碼PI3K的催化亞基(α-p110) 蛋白，磷酸肌醇3激酶β調節亞基(PI3KR2) 負責調控PI3K的p85蛋白。在半側巨腦癥腦組織中發現PI3K的突變增加了在腦組織中高表達的AKT變體(Akt3)的磷酸化活化，并普遍觀察到發生在下游的mTOR復合物1(mTORC1) 的信號活化，即核糖體S6蛋白的磷酸化增強。因此認為，PI3K基因突變導致mTOR信號通路下游級聯活化信號增強，越來越多的的活體研究表明mTOR信號通路激活可能導致異常的細胞生長、遷移、極化和新陳代謝過程，在半側巨腦癥和巨腦癥患者中表現為形成雜亂無序的畸形皮層。
新的研究數據表明，突變的AKT3基因通過AKT3-轉錄因子(FOXG1)-絡絲蛋白(Reelin，RELN)通路損害神經元移行過程[9, 10]。RELN是一種調控大腦皮質發生發展、神經元移行的分泌蛋白RELN基因突變與無腦回畸形密切相關[11]。通過功能型AKT3基因突變構建FCD小鼠模型，可以觀察到RELN表達異常以及受影響神經元的移行障礙[12]，在沒有受到AKT3突變基因影響的周圍神經元同樣可以觀察到移行障礙，推斷可能是通過自主細胞效應[10]，所以該基因突變并不直接影響神經元移行和皮質分層過程。在半側巨腦癥和局灶性皮質畸形的腦組織標本中可以發現PI3K和AKT3相關突變[13]，在羊水多，巨腦癥狀性癲癇綜合征患者腦組織標本中發現不受控制的過度磷酸化S6蛋白表達[14, 15]，同時伴隨廣泛的細胞體積增大，雷帕霉素治療作用主要是阻止和逆轉這些細胞功能，并在羊水過多，巨腦，癥狀性癲癇綜合癥(Polyhydramnios，megalencephaly，and symptomatic epilepsy syndrome，PMSE)患者的癲癇控制中療效顯著。PTEN基因是一個腫瘤抑制基因[16]，通過釋放抑制生長、增殖信號來抑制PI3K，在已確診PTEN基因突變患者的大腦標本中可看到AKT活性增加，同時由于mTOR信號通路下游活化，在體外染色標記中發現過度磷酸化S6蛋白和異常細胞結構[17, 18]。在小鼠體內和體外研究中觀察到mTOR抑制劑不僅糾正畸形細胞同時有效減少癲癇發作頻率[19, 20]。調節PI3K/AKT/mTOR通路的蛋白質對于細胞營養狀況特別是氨基酸水平敏感[21]，亮氨酸和精氨酸在該機制中起重要作用[22, 23]。研究發現由于TSC1、TSC2突變，抑制調節功能喪失使mTOR信號通路超活化[24-26]，導致細胞肥大、形態異常，損害細胞移行和細胞極性的形成[27, 28]。
2 微絲蛋白通路和細胞骨架相關的皮質發育畸形
細胞骨架系統雖然在本質上并不是一個級聯信號通路，卻是一系列復雜動態的蛋白質亞基集合，根據信號提示進行組裝和拆卸，進而保證細胞正常移行、極化和胞質運輸過程[29, 30]。當細胞骨架基因發生突變時神經元功能受到嚴重影響導致嚴重的MCD和癲癇發作[31-33]。第一個被發現的細胞骨架相關MCD基因LIS1，于1993年在1例Miller-Dieker無腦回綜合征患者中發現，其臨床意義和生物學影響已被廣泛報道[34, 35]。最近研究又發現更大范圍的引起MCD細胞骨架相關基因，它們以一種特定形式存在，因此被稱作微管蛋白(Tubulin，TUB)信號通路，包括新生突變基因TUBA1A，、TUBA8、TUBB2A、TUBB2B、TUBB3、TUBB5、TUBG1 [36]。這些基因錯義突變引起多種類型的MCD，如多微腦回(TUBA1A)[37]，小頭畸形(TUBB2B，TUBB5，TUBG1)[38]，無腦回(TUBB3)[39]，TUBB4基因突變在一部分伴有小腦、基底節、殼核畸形和結構破壞的患者中被發現，除了這些基因特異性表型，大部分患者還常伴有小頭畸形、胼胝體發育不全及雜亂的皮層結構[40, 41]。TUB基因突變對細胞功能的影響可以分為三大類:減少異二聚體的產生、減少與運動蛋白的相互作用、微管組裝和穩定性的損害。在TUBA1A、TUBB2B、TUBB3突變基因的研究中發現，與蛋白質折疊伴侶發生交互作用子單元無法正常進行[38]，因此減少了α和β微管蛋白形成。但也有研究表明這些異常折疊超表達蛋白質將會并入微管中形成正常結構[37, 42]。
還有一些與MCD和癲癇發作相關，編碼細胞骨架蛋白質的突變基因，包括KIF1A[43]、ARFGEF2[44]、細絲蛋白A(Filamin A，FLNA)[45]。FLNA是一種肌動蛋白黏合蛋白，起著交聯肌動蛋白纖維和固定肌動蛋白骨架作用。FLNA基因突變常出現在室旁結灰質異位和耐藥性癲癇患者中，使腦室周圍徑向神經膠質正常組織結構被突變基因的病理生理效應改變，出現移行障礙[45, 46]。微管相關蛋白(Doublecortin，DCX)是在神經前體細胞表達的一種微管交互蛋白，DCX基因突變在女性患者中表現為皮層下帶狀灰質異位，在男性患者中常表現為X連鎖的無腦回畸形，兩者都常伴有嚴重的難治性癲癇。LIS1基因突變常與無腦回畸形和微缺失Miller-Dieker綜合征有關。雖然細胞骨架基因突變引起癲癇發作的確切機制沒有確切解釋，但在LIS1突變引起的癲癇發作小鼠模型中可以發現谷氨酸介導的通路激活，以及突觸前膜上突觸囊泡的增多[47, 48]，并認為LIS1基因突變可能直接影響突觸興奮性的傳遞[49, 50]。
3 結語
對于復雜的PI3K/AKT/mTOR信號通路的了解使我們對于雷帕霉素及其化合物治療難治性癲癇的原理有了進一步理解。隨著基因測序技術的進步和識別少數體細胞突變能力的增加，使MCD的信號級聯基因突變表達譜也隨之增加。未來研究需要確定突變基因與癲癇發作之間的聯系，