基因和易感基因及基因多態(tài)性與大骨節(jié)病的相關(guān)性研究

王繼成 易智

大骨節(jié)病作為一種地方性、變形性骨關(guān)節(jié)疾病，主要分布在中國東北部、中國西南部、朝鮮和俄羅斯、西伯利亞的大型條帶中[1]。根據(jù) 2015 年中國健康與計(jì)劃生育統(tǒng)計(jì)年鑒，大約有 61 萬新發(fā)病患者，中國 13 個省的 378 個縣有 3770 萬人處于高風(fēng)險[2]。本病多發(fā)生于兒童及青少年，但往往在成人期才出現(xiàn)明顯的臨床癥狀，包括關(guān)節(jié)疼痛、關(guān)節(jié)炎、肌肉萎縮、關(guān)節(jié)畸形，在嚴(yán)重的情況下可能會出現(xiàn)身材矮小和侏儒癥[3]。大骨節(jié)病的主要病理特征是骺軟骨、骺板軟骨及關(guān)節(jié)軟骨深層軟骨細(xì)胞過度凋亡[4-5]。多項(xiàng)研究表明，大骨節(jié)病是低硒、T-2 毒素、飲水中有機(jī)物中毒等環(huán)境因素與基因相互作用的結(jié)果[6-7]。近年來，隨著人類基因組學(xué)、蛋白組學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，大骨節(jié)病發(fā)病機(jī)制的研究已經(jīng)從宏觀的環(huán)境因素深入到分子與基因水平。大骨節(jié)病的患病風(fēng)險受易感基因的影響，大骨節(jié)病關(guān)節(jié)軟骨中缺氧、凋亡、氧化應(yīng)激相關(guān)的基因及基因通路和蛋白的表達(dá)異常，為闡明大骨節(jié)病的分子發(fā)病機(jī)制提供了新的方向。目前多認(rèn)為環(huán)境與基因相互作用共同促進(jìn)了大骨節(jié)病的發(fā)生發(fā)展?，F(xiàn)就近幾年基因、易感基因及基因多態(tài)性與大骨節(jié)病的相關(guān)性綜述如下。

一、大骨節(jié)病的基因研究

基因是具有遺傳效應(yīng)的 DNA 片段，其儲存著生命體生長、繁衍、凋亡等過程的全部信息，環(huán)境與基因相互依賴，參與生命體的細(xì)胞增殖、凋亡、蛋白質(zhì)合成等過程。流行病學(xué)研究[8]顯示，大骨節(jié)病病區(qū)農(nóng)民患病率較高，而從非流行地區(qū)移民的群體也受此影響，大骨節(jié)病病區(qū)4938 例核心家庭大骨節(jié)病流行病學(xué)研究顯示，第 1 個后代的患病率在 10% 以上，核心家庭的類型與該地區(qū)的疾病嚴(yán)重程度有關(guān)，在中高流行病區(qū)核心家庭的后代中存在疾病聚集現(xiàn)象，且大骨節(jié)病雙親核心家系的后代患病率明顯高于單親或不患大骨節(jié)病的核心家庭。飲用河水是導(dǎo)致大骨節(jié)病家庭聚集性的危險因素，而飲用自來水是保護(hù)因素[9]，因此，大骨節(jié)病家族聚集性可能是環(huán)境因素與基因共同作用的結(jié)果。

通過對漢族人口采用全基因組關(guān)聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)，5-三磷酸肌醇受體 2 (5-triphosphine receptor 2，ITPR2) 基因rs10842750 位點(diǎn)與大骨節(jié)病具有顯著相關(guān)性，且與其臨床嚴(yán)重程度分級相關(guān)[10]。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，大骨節(jié)病的發(fā)病機(jī)制與補(bǔ)體和凝血級聯(lián)通路的上調(diào)有關(guān)，與正常軟骨相比，凝血級聯(lián)通路相關(guān) CFD、A2M、C5、CD46 基因顯著上調(diào)，大骨節(jié)病患者血清 C5 補(bǔ)體水平也顯著高于正常人，該研究首次證明了凝血級聯(lián)通路相關(guān)補(bǔ)體系統(tǒng)與大骨節(jié)病發(fā)病機(jī)制相關(guān)[11]。Wang 等[12]通過全基因組芯片和網(wǎng)絡(luò)分析研究發(fā)現(xiàn)，硒相關(guān)基因胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白 2(IGFBP2)、胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白 3 (IGFBP3)、白細(xì)胞介素 6 (IL 6)、凋亡調(diào)節(jié)因子 (BCL2) 和 BCL2 相關(guān)X，凋亡調(diào)節(jié)因子 (BAX) 參與許多分子功能、生物過程和凋亡途徑，可能在大骨節(jié)病的發(fā)病機(jī)制中起重要作用。既往研究表明，生長分化因子 (GDF)-5、雙血管性血友病因子 (vWF) A 和 IL-1 β、谷胱甘肽過氧化物酶 1、谷胱甘肽過氧化物酶 4、TNFα 和細(xì)胞表面死亡受體 (Fas)、硒蛋白P 基因與大骨節(jié)病發(fā)病機(jī)制相關(guān)[13-17]。在大骨節(jié)病外周血單個核細(xì)胞中鑒定出 97 個上調(diào)和下調(diào)基因，其功能與代謝、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞骨架、免疫、細(xì)胞運(yùn)動和細(xì)胞外基質(zhì)有關(guān)[18]。大骨節(jié)病與正常軟骨細(xì)胞之間基因表達(dá)譜的比較顯示 79 個差異表達(dá)基因，包括上調(diào)的促凋亡基因如 Box、Bax 和 Bak，以及下調(diào)基因，如 Bcl-2 和 Bcl-XL[19]。TNFRSFllB、TNFAIP6 和 CASP6 等凋亡相關(guān)基因在大骨節(jié)病患者關(guān)節(jié)軟骨中顯著上調(diào)；還發(fā)現(xiàn)參與 ROS 分解代謝的溶酶體相關(guān)基因通路 KEGG_PEROXISOME 在大骨節(jié)病患者關(guān)節(jié)軟骨中也顯著上調(diào)，提示大骨節(jié)病關(guān)節(jié)軟骨中ROS 代謝活動可能較為活躍；該研究還發(fā)現(xiàn)，與線粒體功能相關(guān)的 GALLUZZI_PERMEABILIZE_MITOCHONDRIA基因通路在大骨節(jié)病患者關(guān)節(jié)軟骨中顯著上調(diào)。此外，當(dāng)79 個基因通過環(huán)境基因組計(jì)劃和比較毒物基因組學(xué)數(shù)據(jù)庫時，發(fā)現(xiàn) 73 個基因與環(huán)境因素密切相關(guān)[20]。不同基因在大骨節(jié)病的發(fā)生發(fā)展過程中起著重要作用，上調(diào)或下調(diào)的基因在環(huán)境因素的誘導(dǎo)下作用于不同的分子信號通路，促進(jìn)了大骨節(jié)病的發(fā)生。

二、大骨節(jié)病的易感基因研究

易感基因是指在環(huán)境因素的誘導(dǎo)下能夠增加疾病易感性的基因。任何疾病的發(fā)生都是由易感基因與環(huán)境因素相互作用所引起，環(huán)境應(yīng)答基因會影響人體對環(huán)境因素的易感性。既往研究發(fā)現(xiàn)[21]，HLA-DRBl、CD2AP 基因是大骨節(jié)病的易感基因；去整合素樣金屬蛋白酶 2 (a disintegrin and metalloproteinase domain，ADAM2) 基因的 rs1278300 與rs1710287 位點(diǎn)與大骨節(jié)病的易感性有關(guān)，其是導(dǎo)致大骨節(jié)病關(guān)節(jié)畸形及生長阻滯的潛在易感基因[22]；成纖維細(xì)胞生長因子 (fibroblast growth factor，F(xiàn)GF) 家族參與了骨骼疾病的發(fā)生發(fā)展，其中 FGF12 是大骨節(jié)病的易感基因[23]；大骨節(jié)病患者在嚴(yán)重的情況下可能會出現(xiàn)身材矮小和侏儒癥[3]，這與關(guān)節(jié)破壞和生長遲緩有關(guān)，而 ITPR2、ADAM12 rs1278300 和 rs1710287 參與了大骨節(jié)病病理過程，是大骨節(jié)病的易感基因[12]；另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，ABl3BP 基因的rs9850273 和 rs7613610 位點(diǎn)與大骨節(jié)病的發(fā)生顯著相關(guān)，ABl3BP 是大骨節(jié)病的新型易感基因[24]；與此同時，有研究者發(fā)現(xiàn)了另外一種新型易感基因 PPARGC1B，其在維持線粒體穩(wěn)態(tài)中具有重要作用和功能，PPARGC1B 通過線粒體相關(guān)通路的異常表達(dá) (包括線粒體功能障礙，氧化磷酸化和細(xì)胞凋亡信號)，引起大骨節(jié)病關(guān)節(jié)軟骨損傷[25]。綜上所述，大骨節(jié)病的發(fā)生與易感基因存在明顯相關(guān)性，易感基因增加了大骨節(jié)病的患病風(fēng)險。

三、大骨節(jié)病的基因多態(tài)性研究

從基因水平研究大骨節(jié)病的發(fā)病機(jī)制，有助于進(jìn)一步研究其分子發(fā)生機(jī)制?；蚨鄳B(tài)性是指同時或經(jīng)常存在兩種或多種不連續(xù)的變異型或基因型或等位基因，而單核苷酸多態(tài)性 (single nucleotide polymorphism，SNP) 是研究疾病易感性的重要指標(biāo)之一，其主要是指在基因組水平上由單個核苷酸的變異所引起的 DNA 序列多態(tài)性，SNP 是一種二態(tài)的標(biāo)記，由單個堿基的轉(zhuǎn)換或顛換所引起，也可由堿基的插入或缺失所致，但在實(shí)際中并不包括后兩種方式。近年來，已有大量研究發(fā)現(xiàn)許多基因 SNP 與大骨節(jié)病的發(fā)生發(fā)展存在明顯相關(guān)性。

通過對大骨節(jié)病患者和健康對照者進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF12 基因 3’UTR 的 106 T＞C，有 9 個 SNP，且與疾病的嚴(yán)重程度及分級相關(guān)[23]；另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)人類白細(xì)胞抗原 (HLA) -DRBl 基因的多態(tài)性 (rs7745040、rs9275295) 和 CD2 相關(guān)蛋白 (CD2AP) 基因的 (rs9473132)多態(tài)性位點(diǎn)與大骨節(jié)病的發(fā)生顯著相關(guān)[21]；IL-1β 基因的多態(tài)性與大骨節(jié)病的發(fā)生顯著關(guān)聯(lián)[26]；史曉薇等[27]研究發(fā)現(xiàn)，COL11A1 基因多態(tài)性與兒童大骨節(jié)病的易患性相關(guān)，在 2229783 位點(diǎn)上個體攜帶等位基因 A 可降低大骨節(jié)病的患病風(fēng)險，在位點(diǎn) rs1135056 上基因型為 AA 的個體可增加大骨節(jié)病患病風(fēng)險。

谷胱甘肽過氧化物酶 (glutathione peroxidase，GPXs)在人體代謝過程中清除脂類氫過氧化物，GPXs 可利用還原型谷胱甘肽將脂類過氧化物還原、清除活細(xì)胞內(nèi)過氧化物，從而保護(hù)細(xì)胞免受自由基損傷，進(jìn)而參與大骨節(jié)病的發(fā)病機(jī)制。硒蛋白 GPX1 基因的多態(tài)性與大骨節(jié)病的患病風(fēng)險顯著相關(guān)[28]，另外一項(xiàng)研究同樣證實(shí)了 GPX4 基因s713041 和 rs4807542 位點(diǎn)的單體型與大骨節(jié)病的發(fā)生有關(guān)[29]。SEPS1 基因與大骨節(jié)病的發(fā)生有一定的關(guān)聯(lián)性，而該基因的多態(tài)性能夠影響 PI3K / pAkt 信號通路的表達(dá)，抑制細(xì)胞增殖，促進(jìn)細(xì)胞凋亡[7]。PI3K / pAkt 信號通路下調(diào)具有明顯的抗凋亡作用，大骨節(jié)病患者 pAkt 蛋白高表達(dá)對大骨節(jié)病的發(fā)病機(jī)制具有重要作用[30]。COL9A1 基因多態(tài)性與兒童大骨節(jié)病的易患性有關(guān)，在 rs6910140 基因上個體攜帶等位基因 C 可能與大骨節(jié)病易患性的降低有關(guān)，在基因 rs1135056 上個體攜帶等位基因 C 可能與大骨節(jié)病易患性的增加有關(guān)[31]。于敏等[32]研究發(fā)現(xiàn)，IL-1β 基因 rs16944 與大骨節(jié)病的發(fā)生存在相關(guān)性；基質(zhì)金屬蛋白酶-3 (MMP-3) 可降解軟骨細(xì)胞外基質(zhì)，其 rs679620 基因型 T / T 和 rs591058 基因型 T / T 增加了大骨節(jié)病的患病風(fēng)險[33]。另外一項(xiàng)研究表明，COL11A1 基因 rs2229783 的多態(tài)性與大骨節(jié)病的易感性有關(guān)，而與大骨節(jié)病嚴(yán)重程度之間無明顯相關(guān)性[34]。綜上，大骨節(jié)病的發(fā)生與基因多態(tài)性明顯相關(guān)，基因多態(tài)性為研究大骨節(jié)病的分子發(fā)病機(jī)制提供了新的方向。

近期研究表明[35]，大骨節(jié)病的發(fā)生與表觀遺傳相關(guān)。表觀遺傳與經(jīng)典遺傳現(xiàn)象不同，表觀遺傳是指基因的核苷酸序列在不發(fā)生改變的情況下，基因表達(dá)發(fā)生了可遺傳的變異的現(xiàn)象[36]，目前已知的有 DNA 甲基化 (DNA methylation)、基因組印記 (genom ic imprinting)、母體效應(yīng) (maternal effects)、基因沉默 (gene silencing) 和 RNA 編輯 (RNA editing) 等。有充分證 據(jù)表明，基因表達(dá)受表觀遺傳修飾，特別是 DNA 甲基化的調(diào)節(jié)，以應(yīng)對多種疾病中的環(huán)境暴露[37-38]。正常情況下，CpG 島以非甲基化形式存在于持家基因 (house-keeping genes) 的啟動子區(qū)，基因啟動子區(qū) CpG 島異常高甲基化狀態(tài)抑制了基因的表達(dá)，從而參與疾病的發(fā)生發(fā)展過程[39]。近幾年研究表明，在大骨節(jié)病發(fā)病中，DNA 甲基化水平的改變導(dǎo)致基因異常表達(dá)扮演了重要角色。通過各位專家學(xué)者的不斷努力，大骨節(jié)病全基因組 DNA 甲基化表達(dá)譜已成功建立，進(jìn)一步加快了大骨節(jié)病表觀遺傳的研究進(jìn)程[40]。HAPLN1 (也稱為CRTL1) 編碼軟骨連接蛋白 1，其是軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的關(guān)鍵組分[41]，HAPLN1 能夠在軟骨細(xì)胞外基質(zhì)中用透明質(zhì)酸穩(wěn)定蛋白多糖單體的聚集體。既往研究表明，HAPLN1 參與多種骨和軟骨疾病的發(fā)生發(fā)展，如骨關(guān)節(jié)炎 (OA)[42]，強(qiáng)直性脊柱炎[43-44]和椎間盤退變[45-46]。Wang 等[40]通過對大骨節(jié)病患者軟骨中全基因質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)，HAPLN1 的5’UTR 區(qū)域的差異甲基化 CpG 位點(diǎn) cg25325949 呈現(xiàn)高甲基化水平，IHC 實(shí)驗(yàn)觀察到大骨節(jié)病軟骨中 HAPLN1 蛋白的表達(dá)顯著降低，說明該基因的差異甲基化狀態(tài)與大骨節(jié)病的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。TGF-β 受體家族 (TGFBR1，TGFBR2，TGFBR3) 在大骨節(jié)病中呈現(xiàn)高甲基化狀態(tài)，在暴露于 T-2 毒素時，軟骨細(xì)胞的 TGFβ-3 mRNA 表達(dá)水平升高，導(dǎo)致生長板發(fā)育受損[47-48]；ADAM12 (解整合素和金屬蛋白酶) 在大骨節(jié)病軟骨中 mRNA 表達(dá)水平增高、DNA 水平低甲基化，導(dǎo)致關(guān)節(jié)破壞和生長遲緩[47]。在大骨節(jié)病患者中，GPX3 基因高甲基化，誘導(dǎo) PI3K / Akt /c-fos 途徑改變，促進(jìn)了軟骨細(xì)胞的凋亡[49]。有研究報道，組織相容性白細(xì)胞抗原 (HLA-DRB1) 與 OA[50]，類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎 (RA)[51]和大骨節(jié)病[52]有關(guān)。Shi 等[53]通過亞硫酸氫鹽測序聚合酶鏈反應(yīng) (BSP) 驗(yàn)證了 HLA-DRB1中的 2 個高甲基化 (cg15568074，16514085) 和 2 個低甲基化 (cg04026937，cg18052547) 顯著的 CpG 位點(diǎn)。綜上所述，DNA 差異甲基化導(dǎo)致基因異常表達(dá)在大骨節(jié)病發(fā)病中扮演著重要角色。

大骨節(jié)病作為一種地方性、變形性骨關(guān)節(jié)疾病，嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量和社會的發(fā)展。多項(xiàng)研究表明，大骨節(jié)病是低硒、T-2 毒素、飲水中有機(jī)物中毒等環(huán)境因素與基因相互作用的結(jié)果[6-7]。以上研究結(jié)果提示，大骨節(jié)病可能是一種由環(huán)境因素誘發(fā)，受環(huán)境反應(yīng)基因調(diào)控的環(huán)境相關(guān)性疾病，包括易感基因、基因多態(tài)性及表觀遺傳的改變。隨著分子及基因組學(xué)研究的不斷深入，將會為進(jìn)一步明確大骨節(jié)病病因及分子發(fā)生機(jī)制提供一個新的方向。