《Molecular Medicine》：Monogenic forms of inflammatory bowel disease: Genetic mechanisms, models, and clinical implications
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这篇综述系统性梳理了炎症性肠病（IBD）的单基因形式，重点聚焦于其遗传学基础。文章详细阐述了破坏上皮屏障功能（如紧密连接蛋白基因）、细胞应激通路、免疫调控（如IL-10信号通路、NOD2）、细胞因子受体（如IL-10R、IL-23R）及中性粒细胞功能（如NADPH氧化酶复合物基因）等关键生物学通路的致病变异。同时，综述强调了体外和体内模型（如基因敲除小鼠、患者来源的类器官）在阐明发病机制和开发精准诊疗策略中的核心作用，为深入理解IBD的遗传本质和实现个体化治疗提供了全面视角。
引言
炎症性肠病（IBD）是一种由肠道上皮、免疫系统与肠道微生物群之间相互作用失衡引发的慢性炎症性疾病，其病因复杂，涉及遗传、表观遗传、免疫和环境等多重因素。IBD主要包括克罗恩病（CD）和溃疡性结肠炎（UC）两种亚型。在儿科病例中，尤其是非常早发型IBD（VEO-IBD），单基因病因的可能性显著增加。基因组学技术的进步，特别是高通量测序，极大推动了IBD相关常见风险位点和罕见致病性变异的鉴定。本综述聚焦于IBD的单基因形式，深入探讨其遗传基础，并强调体外与体内模型在揭示发病机制和开发新型诊疗策略中的关键作用。
单基因IBD变异
早期家族聚集性和双生子研究证实了IBD的遗传易感性。全基因组关联研究（GWAS）揭示了众多易感基因（如NOD2、ATG16L1、IL23R），但其在检测罕见、高外显率变异方面存在局限。大规模平行测序（MPS）技术则促进了与VEO-IBD密切相关的孟德尔式IBD形式的发现。这些单基因变异影响胃肠道稳态的多个层面，包括上皮完整性、细胞应激反应、离子转运以及先天性和适应性免疫功能，最终导致IBD典型的失控性炎症。
上皮完整性破坏
肠道上皮屏障通过调节管腔微生物群与免疫系统之间的相互作用，在维持胃肠道稳态中发挥核心作用。屏障功能受损会导致微生物易位、免疫激活和慢性炎症。
上皮细胞连接
多个单基因变异被证实直接损害上皮屏障功能。例如，C1orf106基因的变异会破坏上皮粘附连接稳定性。肝细胞核因子4α（HNF4A）的致病性变异会影响紧密连接的结构组织。与Kindler综合征相关的FERMT1基因突变，在小鼠模型中会引发表型类似于UC的严重上皮屏障缺陷和炎症反应。
细胞应激通路
内质网（ER）应激反应在维持肠上皮细胞（IEC）完整性中至关重要。例如，TTC7A基因的功能丧失（LOF）突变会导致细胞极性紊乱和凋亡，与严重的VEO-IBD相关。E3泛素连接酶RNF186的变异则通过内质网应激介导的炎症级联反应增加IBD易感性，其缺失小鼠在葡聚糖硫酸钠（DSS）处理后表现出肠道通透性增加。
细胞运输
离子转运蛋白的功能障碍可导致上皮功能障碍。例如，SLCO2A1基因的变异会损害前列腺素清除，导致肠道持续炎症和血管通透性增加。鸟苷酸环化酶2C（GUCY2C）的功能获得（GOF）突变则会引起电解质失衡、慢性腹泻和肠道炎症易感性增加。
上皮细胞通路
核因子κB（NF-κB）信号通路在上皮细胞的“维稳”机制中至关重要。IKBKG（NEMO）基因突变会导致NF-κB失活，表现为新生儿期CD样表型。受体相互作用丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1（RIPK1）的致病性变异则会引起不受控制的细胞死亡（凋亡和坏死性凋亡）和过度炎症。NF-κB抑制剂A20（TNFAIP3）和ABIN-1（TNIP1）的遗传改变会导致NF-κB信号过度活跃，增加对CD样炎症的易感性。
免疫系统
免疫通路
先天免疫细胞通过激活炎症通路、产生细胞因子和吞噬作用维持黏膜免疫。单基因变异破坏这一平衡，会增加严重IBD的风险。NOD2基因的一个移码突变是最早发现的与CD相关的致病性变异之一，该变异导致蛋白无法介导适当的免疫反应，引发失控性炎症。X连锁凋亡抑制蛋白（XIAP）缺陷与免疫细胞凋亡、微生物识别受损和NF-κB激活缺陷有关。叉头盒P3蛋白（FOXP3）的错义突变会损害调节性T细胞（Treg）功能。脂多糖应答米色样锚蛋白（LRBA）的致病性突变会导致联合免疫缺陷，表现为严重早发性结肠炎。
IBD中的免疫缺陷
原发性免疫缺陷（PID）可显著影响胃肠道免疫。慢性肉芽肿病（CGD）由编码NADPH氧化酶复合物2组分的基因（CYBA、CYBB、NCF1、NCF2、NCF4）变异引起，导致活性氧（ROS）产生受损。在儿科CD患者中，已在所有五个NADPH氧化酶复合物基因中鉴定出错义变异，患者中性粒细胞ROS产生显著减少。同样，NOX1和DUOX2基因的突变也会损害上皮ROS产生和抗菌防御。
细胞因子及其受体
细胞因子信号传导失调在IBD发病机制中起核心作用。白细胞介素10（IL-10）或其受体亚基（IL-10RA和IL-10RB）的LOF突变会导致严重且难治的IBD。相反，IL23R和IL-12Rβ1的突变导致Th17细胞缺陷和免疫功能障碍。有趣的是，某些IL-23R变异体（如c.G1142A）通过影响STAT3/STAT4磷酸化和受体降解，对IBD具有保护作用。
中性粒细胞与IBD
多个单基因变异破坏中性粒细胞的运输、吞噬和氧化反应。SLC37A4基因的致病性突变与糖原贮积症Ib型（GSD1B）相关，该病部分患者会出现CD样症状。葡萄糖-6-磷酸酶3（G6PC3）的DNA变异则导致与中性粒细胞减少症和细菌感染相关的G6PC3缺乏症。此外，DKC1、CARMIL2、GSDMB、WAS、TRIM22和EpCAM等基因也被认为与单基因IBD易感性相关。
胞质DNA传感器在IBD中的作用
先天免疫系统通过识别病原体和内源性危险信号，在维持肠道稳态中发挥重要作用。Toll样受体（TLR）、cGAS-STING通路和炎症小体是肠上皮和免疫细胞中关键的胞质DNA传感器。这些通路的失调激活与慢性炎症和上皮细胞凋亡有关。
Toll样受体与IBD
TLR家族识别病原体相关分子模式（PAMP）和损伤相关分子模式（DAMP）。其中，TLR9识别胞质中未甲基化的CpG富集细菌和线粒体DNA，触发髓样分化因子88（MyD88）依赖的信号级联，导致NF-κB激活和促炎细胞因子释放。TLR4的多态性也与CD易感性相关。
IBD中的cGAS-STING通路
cGAS-STING通路是胞质DNA的主要传感器，参与I型干扰素反应的激活。cGAS识别外源微生物DNA或受损线粒体泄漏的自身DNA，随后激活STING。该级联反应促进IFN-γ和TNF-α等细胞因子的产生，驱动炎症。在UC患者的结肠组织中观察到STING激活升高。
炎症小体与IBD中的DNA传感
炎症小体是通过caspase-1激活和IL-1β分泌介导炎症反应的多蛋白复合物。黑色素瘤缺乏因子2（AIM2）直接检测胞质双链DNA（dsDNA）并启动炎症小体组装。核苷酸结合寡聚化结构域样受体家族pyrin结构域蛋白3（NLRP3）炎症小体在巨噬细胞中的激活与CD炎症加剧相关。NLRP3的功能获得（GOF）突变导致IL-1β和IL-18分泌过多，促进肠道高炎症状态。
用于验证单基因IBD变异的模型
理解IBD相关遗传变异的功能性后果需要能够重现疾病机制的稳健实验模型。体外模型为机制研究提供了可控环境，而体内模型则能更全面地评估病理生理学相互作用。
体外模型
已建立的人肠上皮细胞系（IEC）如Caco-2、HT-29和T84被广泛用于研究IBD相关突变的影响。例如，Caco-2细胞被用于研究C1orf106缺陷，揭示了E-钙粘蛋白组织紊乱和上皮屏障完整性降低。转染突变NOD2的Caco-2细胞表现出NF-κB激活增强。ATG16L1敲除（KO）的Caco-2细胞在IL-22刺激下表现出cGAS-STING通路过度激活，将自噬缺陷与免疫失调联系起来。
HT-29细胞系（特别是其黏液分泌衍生物HT-29-MTX）便于研究宿主-微生物组相互作用。GSDMB缺陷的HT-29细胞揭示了GSDMB通过FAK磷酸化在上皮修复和迁移中的作用。T84细胞则被用于评估NOD2LOF效应，证明了其线粒体功能障碍和细胞内细菌存在增加。
除了上皮细胞，THP-1巨噬细胞也被用于验证免疫相关的IBD变异。在THP-1细胞中敲低FAM114A2会导致自噬相关的TNF-α产生。XIAP缺陷的巨噬细胞与NOD2共转染后，显示IRG1表达上调和细胞死亡增加，强化了XIAP在先天免疫调节中的作用。
患者来源的肠道类器官模拟了隐窝-绒毛结构，为研究遗传变异提供了生理相关性更高的平台。例如，NOX1突变结肠类器官表现出ROS产生减少和上皮抗菌反应受损。同样，MYO5B缺陷类器官显示出紧密连接破坏和转运蛋白错位。TTC7A突变类器官以细胞骨架异常和极性倒置为特征，并对ROCK抑制剂治疗有反应。来自携带IL10RA突变IBD患者的外周血单个核细胞（PBMC）衍生单核细胞的功能分析显示，在LPS刺激下STAT3磷酸化被消除。此外，IL10RB缺陷的小肠类器官表现出潘氏细胞数量减少和细菌清除能力受损，显示了IL-10在肠道中的保护作用。
体内模型
基因工程小鼠模型对于在复杂有机体环境中剖析基因功能至关重要。例如，C1orf106?/?小鼠模型表现出粘附连接不稳定。HNF4A缺陷小鼠在成年后才表现出疾病表型，且与早期肠道菌群组成改变有关，特别是新型Akkermansia muciniphila谱系的富集。FERMT1敲除小鼠模型表现出类似UC的表型特征，包括严重上皮屏障缺陷和明显的炎症反应。RNF186?/?小鼠在DSS处理后表现出肠道通透性增加和内质网应激反应增强。在IKBKG（NEMO）缺陷的情况下，造血干细胞移植（HSCT）未能克服肠道症状，表明上皮功能障碍而非造血缺陷是这些患者肠道炎症的主要驱动因素。此外，上皮特异性删除A20或ABIN-1的小鼠会导致严重的结肠炎和对TNF诱导炎症的高度敏感性。化学诱导的结肠炎模型，如DSS模型，也常被用来研究遗传背景对炎症易感性的影响。
结论
单基因形式的IBD，尤其在VEO-IBD中，为我们理解IBD的遗传和分子基础提供了独特的窗口。通过破坏上皮完整性、免疫调节、细胞因子信号传导和细胞运输等关键通路，这些变异导致了严重的、通常对常规治疗无效的肠道炎症。功能基因组学和前沿模型系统（包括患者来源的类器官和基因工程动物模型）的整合，极大地促进了对这些变异病理生理机制的阐释。这些研究不仅深化了我们对IBD发病机制的认识，也为开发针对特定遗传缺陷的精准疗法（如HSCT用于IL-10R或CYBB缺陷，或针对异常信号通路的生物制剂）奠定了基础，推动IBD诊疗向个体化医疗迈进。
