青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸候選基因研究進(jìn)展

王 靜，湯 遜，李 陽

青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸(adolescent idiopathic scoliosis，AIS)是指10歲以上兒童至發(fā)育成熟前的一種伴有椎體旋轉(zhuǎn)脊柱側(cè)方彎曲的三維畸形。多發(fā)于青少年，發(fā)生率為3%［1］，女性患者高于男性［2］。其發(fā)生機(jī)制一直未明確，目前認(rèn)為是多因素造成，如遺傳、骨骼肌肉、生長(zhǎng)發(fā)育、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)異常等原因。近年來，遺傳學(xué)方面的候選基因研究取得一些進(jìn)展，本文對(duì)此方面研究進(jìn)展做一綜述。

AIS 患者家族發(fā)病明顯多于一般的人群，表明AIS 發(fā)病具有遺傳學(xué)的基礎(chǔ)［2］。母女之間的遺傳率達(dá)到28%，親緣關(guān)系越遠(yuǎn)發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)越低［3］。有學(xué)者首先提出AIS 為常染色體顯性遺傳模式［2］，由于AIS 發(fā)病女性多于男性，進(jìn)而應(yīng)用全基因組掃描和連鎖分析研究X 連鎖遺傳，認(rèn)為X 染色體存在AIS易感位點(diǎn)［4］。單基因遺傳遵循孟德爾遺傳定律，但各種報(bào)道顯示AIS 患者發(fā)病比例不同及表現(xiàn)各異的發(fā)病形式，促使人們對(duì)多基因遺傳方面進(jìn)一步研究［5］。不斷進(jìn)展的研究發(fā)現(xiàn)單一基因因素不能完全解釋AIS，現(xiàn)傾向于多基因遺傳及基因間相互作用。

脊柱側(cè)凸發(fā)病與遺傳基因相關(guān)性得到廣泛認(rèn)可，但具體的發(fā)病方式?jīng)]有定論，基因研究成為熱點(diǎn)。主要的研究策略是:①定位克隆策略［6］;②候選基因策略。其主要依據(jù)為:①AIS 發(fā)生發(fā)展生物學(xué)通路有關(guān)基因，來自于臨床評(píng)估和動(dòng)物實(shí)驗(yàn);②通過連鎖分析得出的某個(gè)區(qū)域內(nèi)的基因位點(diǎn);③已有報(bào)道與疾病假說有關(guān)的基因。目前已確定與AIS 相關(guān)基因區(qū)域:6p、10q、18q［7］，17p11［8］，19p13.3［9］，Xq22.3-Xq27.2［10］，9q31.2-9q34.2、17q25.3［11］，18q12.1-18q 12.2［12］，12p［13］，3q12、15q13.3［14］，17［15］，6q15-q21、10q23-q25.3［16］?，F(xiàn)就如下主要候選基因做一綜述。

1 結(jié)締組織相關(guān)基因

1.1 軟骨基質(zhì)蛋白基因——MATN-1 基因

由于老鼠和人類之間存在同線性，即部分基因序列相對(duì)保守或全部保守，通過對(duì)有脊柱畸形的老鼠研究，MATN-1 基因而成為候選基因。人類MATN-1 基因位于染色體1p35，于軟骨中表達(dá)。其所表達(dá)的MATN-1 是一種軟骨基質(zhì)蛋白，參與細(xì)胞外基質(zhì)合成，是維持脊柱功能重要蛋白。通過對(duì)存在AIS 患者的81 個(gè)家庭研究報(bào)道選自基因庫的標(biāo)記SNP 后行聚合酶進(jìn)入反應(yīng)(polymerase chain reaction，PCR)擴(kuò)增及分析得到結(jié)果其中103 bp 片段傳遞率達(dá)到63%，證實(shí)3’非轉(zhuǎn)錄區(qū)域短串聯(lián)重復(fù)序列103 bp 多態(tài)性與AIS 發(fā)病相關(guān)聯(lián)［17］。中國(guó)學(xué)者通過病例對(duì)照研究報(bào)道，選取標(biāo)記的SNP 位于MATN-1 基因組自上游5 kb至下游2 kb 區(qū)域的確定的7 個(gè)位點(diǎn)，其中位于5’側(cè)翼位點(diǎn)rs1149048 具有等位基因多態(tài)性，較正常組有更高發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)照結(jié)果在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有意義，證實(shí)MATN-1 基因啟動(dòng)子區(qū)域位點(diǎn)rs1149048 多態(tài)性是AIS的易感基因［18］。韓國(guó)學(xué)者研究報(bào)道應(yīng)用選自Hap-Map 的SNP 標(biāo)記后經(jīng)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)-限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性法(polymerase chain reaction-restriction fragment length polymorphism，PCR-RFLP)［19］得出7個(gè)位點(diǎn)，其中位點(diǎn)rs1065755 統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果提示在AIS患者與正常對(duì)照組之間存在差異，表明MATN-1 基因區(qū)域外顯子6 SNPrs1065755 多態(tài)性與韓國(guó)人AIS 彎曲類型相關(guān)聯(lián)［20］。

1.2 組織金屬基質(zhì)蛋白酶抑制劑(tissue inhibitor of metalloproteinases，TIMP)和金屬基質(zhì)蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)

MMPs 與TIMP 相互作用對(duì)于細(xì)胞外基質(zhì)調(diào)節(jié)軟骨內(nèi)骨化非常重要，TIMP 定位于候選基因17q25.3區(qū)域。通過對(duì)中國(guó)女性AIS 進(jìn)行病例對(duì)照研究，將AIS 患者分為胸凸、腰凸2組，每組按Cobb角分為＜40°、≥40°組。外周血提取的DNA 經(jīng)PCR-RFLP 法分析得出結(jié)果，證實(shí)胸凸、Cobb 角≥40°組存在TIMP-2 啟動(dòng)子區(qū)域-418 位點(diǎn)rs8179090多態(tài)性GC 表型，表明該位點(diǎn)的多態(tài)性與AIS 的胸凸發(fā)展有關(guān)聯(lián)［21］。但不同種族大樣本研究報(bào)道相同位點(diǎn)多態(tài)性與AIS 發(fā)病、進(jìn)展無關(guān)聯(lián)［22］。

MMP-3 基因在退變及脊柱側(cè)凸椎間盤中表達(dá)程度高于正常人。有學(xué)者通過小樣本研究報(bào)道MMP-3 基因啟動(dòng)子多態(tài)性5A/6A 表型與AIS 發(fā)病相關(guān)聯(lián)［23］。但不同人種大樣本研究發(fā)現(xiàn)MMP-3 基因多態(tài)性5A/6A 表型與AIS 無明顯關(guān)聯(lián)［24］。

2 骨的形成和骨的代謝相關(guān)基因

2.1 骨形態(tài)發(fā)生蛋白-4(bone morphogenetic protein-4，BMP-4)基因

BMP-4 是一種生長(zhǎng)因子刺激骨的生長(zhǎng)發(fā)育。Mórocz 等［25］研究證實(shí)在BMP-4 基因啟動(dòng)子區(qū)域-3445 的SNPrs4898820 多態(tài)性GT 表型與正常對(duì)照組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示BMP-4 基因啟動(dòng)子多態(tài)性與匈牙利人AIS 發(fā)病無關(guān)聯(lián)。該研究團(tuán)隊(duì)同一研究報(bào)道瘦素基因位點(diǎn)rs7799039 多態(tài)性與AIS 發(fā)病無關(guān)聯(lián)，推測(cè)瘦素可能作用于IL-6 基因引起AIS。

2.2 Ca2+調(diào)節(jié)親環(huán)素配體-1(Ca2+-modulating cyclophilin ligand-1，CAML-1)基因

CAML-1 基因編碼的CAM 蛋白為Ca2+受體結(jié)合蛋白，在生物體內(nèi)Ca2+進(jìn)行細(xì)胞間信息傳遞、完成細(xì)胞分化、增殖及調(diào)節(jié)遞質(zhì)、血管、肌肉等生理生化活動(dòng)所必須受體蛋白，主要功能多樣。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)所選AIS 病例按北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院(Peking Union Medical College，PUMC)分型分為雙凸組、腰凸組，選取的位點(diǎn)rs12885713、rs5871 均存在差異與正常對(duì)照組有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示CAML-1 基因區(qū)域SNPrs12885713 位點(diǎn)多態(tài)性與AIS 彎曲類型，雙凸有關(guān)聯(lián)，位點(diǎn)rs5871 多態(tài)性可能是AIS 腰彎的風(fēng)險(xiǎn)因素［26］。

2.3 白細(xì)胞介素-6(interleukin-6，IL-6)基因

IL-6 作為成骨細(xì)胞刺激因子、前炎癥因子、抗炎細(xì)胞因子發(fā)揮作用，在AIS 椎間盤IL-6 表達(dá)量增高，擴(kuò)大的炎癥反應(yīng)加速了AIS 椎間盤的退變，因而被列為候選基因。意大利學(xué)者報(bào)道IL-6 基因多態(tài)性GG 表型與意大利人AIS 發(fā)病相關(guān)［23］。不同人種及樣本研究報(bào)道IL-6 基因多態(tài)性GG 表型與AIS 無關(guān)聯(lián)［24］。盡管IL-6與AIS 發(fā)病、進(jìn)展在不同種族表現(xiàn)不一致，韓國(guó)學(xué)者報(bào)道，IL-6 基因-572 多態(tài)性CC 表型與韓國(guó)人AIS 腰椎椎體骨密度下降關(guān)聯(lián)［27］。

2.4 IL-17 受體C(IL-17 receptor C，IL-17RC)基因

IL-17RC 可以調(diào)節(jié)IL-6，同時(shí)IL-17RC 可增加腫瘤壞死因子α，IL-1β 數(shù)量從而增加MMPs 表達(dá)促進(jìn)椎間盤退變。Zhou 等［28］報(bào)道IL-17 RC 基因GG 表型與G等位表型與正常對(duì)照組存在差異，并且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明IL-17 RC 基因位點(diǎn)rs708567 多態(tài)性與中國(guó)漢族人AIS 發(fā)病和進(jìn)展相關(guān)聯(lián)［29］。

3 褪黑素通路相關(guān)基因

3.1 褪黑素

褪黑素為吲哚類激素產(chǎn)生于松果體，具有廣泛的生理功能如調(diào)節(jié)體溫、代謝、激素分泌等。體內(nèi)受體包括MT1、MT2，分布廣泛，如腦部、人體外周血細(xì)胞以及骨骼細(xì)胞(MT1)、軟骨細(xì)胞(MT2)。Machida等［30］報(bào)道給予90 只孵化后3 d 小雞切除松果體后可產(chǎn)生脊柱側(cè)凸，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生脊柱側(cè)凸小雞褪黑素含量明顯低于無側(cè)凸產(chǎn)生小雞，術(shù)后補(bǔ)充褪黑素后脊柱側(cè)凸發(fā)生率降低，認(rèn)為褪黑素缺乏是導(dǎo)致脊柱側(cè)凸發(fā)病原因。文獻(xiàn)［31］報(bào)告褪黑素相關(guān)基因是AIS發(fā)病機(jī)制而不是病因，不能清晰反映人類脊柱側(cè)凸發(fā)生時(shí)褪黑素在多個(gè)水平的作用，病例對(duì)照組間沒有顯著的不同，提示脊柱側(cè)凸發(fā)生可能與細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)通路有關(guān)。中國(guó)學(xué)者應(yīng)用2 階段病例對(duì)照研究，第一階段提取DNA 經(jīng)連鎖不平衡標(biāo)記SNP 后行PCR-RFLP 法，確定10 個(gè)位點(diǎn)包括啟動(dòng)子區(qū)域位點(diǎn)rs4753426。第二階段Meta 分析該位點(diǎn)CC 表型存在差異與正常對(duì)照組有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。證實(shí)MTNR1B(MT2)啟動(dòng)子基因位點(diǎn)rs4753426 多態(tài)性與AIS 發(fā)生有關(guān)聯(lián)［32］。此后多個(gè)國(guó)家學(xué)者通過不同的樣本研究卻報(bào)道MTNR1B 啟動(dòng)子多態(tài)性與AIS 發(fā)病進(jìn)展無相關(guān)［25，33-34］。椎旁肌肉中也有褪黑素受體基因表達(dá)。已有研究報(bào)道AIS 凸側(cè)椎旁肌纖維分布存在不對(duì)稱現(xiàn)象，這種分布不對(duì)稱可能為繼發(fā)性改變［35］。之后Qiu 等［36］通過褪黑素受體mRNA 轉(zhuǎn)錄在兩側(cè)椎旁肌表達(dá)方式研究，結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)肌纖維分布不對(duì)稱為次要改變。

3.2 色氨酸羥化酶(tryptophan hydroxylase，TPH)基因和芳香胺-N-乙?；D(zhuǎn)移酶(arylalkylamine Nacetyltransferase，AANAT)基因

中國(guó)學(xué)者經(jīng)研究報(bào)道褪黑素合成通路上2 個(gè)關(guān)鍵酶TPH-1 和AANAT 基因，TPH-1 基因中位點(diǎn)rs10488692 多態(tài)性與AIS 發(fā)生相關(guān)聯(lián)，與AIS 患者性別，Cobb 角無關(guān)聯(lián)。同一研究證實(shí)AANAT 基因多態(tài)性與AIS 發(fā)生無關(guān)聯(lián)［37］。但美國(guó)、日本學(xué)者報(bào)道TPH-1 與AIS 發(fā)病無關(guān)聯(lián)［34，38］。研究擴(kuò)展到褪黑素受體調(diào)節(jié)受體50(G protein-coupled receptor 50，GPRSO)基因時(shí)，未發(fā)現(xiàn)其多態(tài)性與AIS 相關(guān)聯(lián)［38］。

4 青春期和生長(zhǎng)相關(guān)基因

4.1 雌激素受體1(estrogen receptor 1，ESR1)基因

隨著青春期和生長(zhǎng)開始，觀察到脊柱側(cè)凸隨著生長(zhǎng)發(fā)育加重。生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)基因受到重視，如雌激素，ESR，生長(zhǎng)因子，椎旁肌肉異常等。雌激素通過受體調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的分化發(fā)揮作用，其受體ESR1、ESR2 表達(dá)于成骨、破骨細(xì)胞。ESR1 基因被廣泛 研 究，位 點(diǎn) Pvu Ⅱ(rs2234693)、Xba Ⅰ(rs9340799)位于該基因區(qū)域內(nèi)。日本學(xué)者通過304例日本女性AIS 研究報(bào)道XbaⅠ位點(diǎn)多態(tài)性與日本人AIS 進(jìn)展相關(guān)聯(lián)，而PvuⅡ位點(diǎn)多態(tài)性與AIS發(fā)病、進(jìn)展無關(guān)聯(lián)［39］。中國(guó)學(xué)者報(bào)道證實(shí)XbaⅠ位點(diǎn)多態(tài)性與中國(guó)人AIS 進(jìn)展相關(guān)聯(lián)［40］。后續(xù)研究報(bào)道4例AIS 處于低的雌激素水平下XbaⅠ位點(diǎn)多態(tài)性與AIS 發(fā)病相關(guān)聯(lián)［41］。但Tang 等［42］報(bào)道以上均不能在大樣本中國(guó)人AIS 中重復(fù)。

4.2 ESR2 基因

雌激素通過ESR1 發(fā)揮作用，ESR2 受體調(diào)節(jié)ESR1，中國(guó)學(xué)者進(jìn)行ESR2 的研究報(bào)道ESR 基因-458 區(qū)域T→C，統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果提示位于5’非轉(zhuǎn)錄區(qū)基因OK-1 多態(tài)性CC 表型多態(tài)性與女性AIS組發(fā)病、進(jìn)展相關(guān)聯(lián)［43］。大樣本研究報(bào)道ESR2 基因多態(tài)性與AIS 發(fā)生及發(fā)展無關(guān)聯(lián)［34］。

4.3 G 蛋白偶聯(lián)受體(G-protein coupled receptor，GPER)基因

GPER 同樣被深入研究，中國(guó)學(xué)者應(yīng)用2 階段病例對(duì)照研究報(bào)道，第一階段應(yīng)用SNP 標(biāo)記，掃描GPER30 外顯子、外顯子與內(nèi)顯子交接區(qū)域確定16個(gè)位點(diǎn)，其中包括位點(diǎn)rs3808351。第二階段應(yīng)用新型基因分析技術(shù)探針標(biāo)記法(TagMan)［19］微陣列分析，統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果提示病例組與對(duì)照組存在差異，證實(shí)位于GPER 的5’非轉(zhuǎn)錄區(qū)基因位點(diǎn)SNPrs3808351多態(tài)性AIS 發(fā)展關(guān)聯(lián)［44］。但隨后不同種族研究報(bào)道rs3808351 位點(diǎn)多態(tài)性與AIS 進(jìn)展無關(guān)聯(lián)［25，34］。

4.4 胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)及生長(zhǎng)激素受體(growth hormone receptor，GHR)相關(guān)基因

雌激素-生長(zhǎng)激素-IGF-1 軸存在于男性和女性，這種作用是主要調(diào)節(jié)生長(zhǎng)和增加骨維度。AIS 患者生長(zhǎng)加速過程側(cè)凸加重，IGF-1 相關(guān)的基因成為候選基因。中國(guó)學(xué)者研究后報(bào)道IGF-1 基因TT 表型多態(tài)性與AIS 進(jìn)展相關(guān)聯(lián)［45］。不同樣本研究卻提示IGF-1 基因多態(tài)性與AIS 發(fā)病進(jìn)展無關(guān)聯(lián)［34，46］。進(jìn)一步研究GHR 多態(tài)性未發(fā)現(xiàn)與AIS 相關(guān)［34，46-47］。

AIS 研究中基因?qū)W方面已經(jīng)取得長(zhǎng)足的進(jìn)展，雖然確定了許多候選基因區(qū)域、位點(diǎn)，具體致病的基因仍不清楚，提示該疾病的復(fù)雜性。候選基因研究中仍存在較多問題:①上述研究在小樣本中得出陽性結(jié)果，而重復(fù)在大的樣本得出陰性結(jié)果，后續(xù)的研究需在足夠大的樣本內(nèi)尋找致病原因;②同一基因在不同種族研究結(jié)果不一致，提示需要在不同種族人AIS 內(nèi)進(jìn)行，以便尋找共同的發(fā)病基因;③各種研究的分層、分組不一致，需確定病例選擇標(biāo)準(zhǔn)，防止統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生偏移、誤差等;④通過家系連鎖或關(guān)聯(lián)分析得出候選基因區(qū)域內(nèi)仍然有較多的位點(diǎn)需要進(jìn)一步的研究;⑤已通過研究候選基因所編碼的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)需進(jìn)一步驗(yàn)證是否具有AIS 關(guān)聯(lián)性。

目前對(duì)于AIS 早期缺乏有效的診斷方法，往往患者發(fā)現(xiàn)脊柱側(cè)凸后就診，嚴(yán)重時(shí)需外科處理且伴隨各種并發(fā)癥［48］。晚期則治療難度增大，個(gè)人和社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)加重，因此早發(fā)現(xiàn)、早診斷十分重要。隨著高通量技術(shù)［19］的應(yīng)用，未來的研究將能夠從更多的樣本中短時(shí)間內(nèi)獲取大量的信息，找出不同基因表型及等位基因表型的因果變化，只有準(zhǔn)確找到發(fā)病的易感基因、修飾基因，才可能篩選出高危人群，為預(yù)防提供理論依據(jù)，制定一套完整有效的診斷、治療的方法，以減輕或甚至可能完全消除脊柱側(cè)凸。

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