骨質(zhì)疏松癥相關(guān)基因研究進展

骨質(zhì)疏松癥（osteoporosis）是一種常見的全身性、代謝性骨病，其特征為骨量減少和骨組織結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致骨密度（bone mineral density，BMD）下降和脆性骨折的風險增加[1-2]。在成年期，隨著年齡的增長，骨量逐漸減少，所以骨質(zhì)疏松癥是公認的老年人常見疾病。骨質(zhì)疏松癥影響了全世界范圍內(nèi)三分之一的女性和八分之一50歲以上的男性[3]。

骨質(zhì)疏松癥的易感性是各種不同的遺傳變異與環(huán)境因素相互作用的結(jié)果[4]。一些針對中東國家女性的研究發(fā)現(xiàn)，其BMD低于西方人，可能是由于穿衣方式減少了皮膚暴露于陽光下，從而減少了維生素D的激活[5]。但60%～80%的骨丟失加速是由遺傳因素引起的[6]。全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）中研究了60多個BMD基因座，證實了BMD基因的多態(tài)性。BMD在母親和女兒之間存在高度相關(guān)性，主要是由于骨表型的遺傳決定了骨質(zhì)疏松癥[7]。雙胞胎和家庭研究表明，BMD中50%～85%的個體間變異是由遺傳決定的。對雙胞胎或多代家庭進行的研究也證實，骨微結(jié)構(gòu)和重塑標記的差異主要是由遺傳因素而非環(huán)境因素引起[8-10]。

近年來，一系列影響骨再生的骨骼和非骨骼因素被用于評估骨折的發(fā)生風險[11]，但還需要進一步的校準研究來證明這些工具的穩(wěn)健性[12]。所以，BMD仍是診斷骨質(zhì)疏松癥和評價骨質(zhì)疏松病人發(fā)生脆性骨折的指標。

1 鑒定骨質(zhì)疏松癥易感基因的方法

通常用連鎖和關(guān)聯(lián)遺傳研究來分析復(fù)雜性狀和疾病與多態(tài)性之間的關(guān)系。連鎖分析是人類孟德爾單基因遺傳性疾病中基因發(fā)現(xiàn)的經(jīng)典方法，已經(jīng)對BMD和骨質(zhì)疏松癥的其他相關(guān)表型進行了多次全基因組連鎖掃描，但未能得到可重復(fù)檢測的BMD顯著位點[13-14]。鑒于連鎖研究的失敗，研究人員將重點轉(zhuǎn)向GWAS這一候選基因研究方法。該方法是應(yīng)用基因組中數(shù)以百萬計的單核苷酸多態(tài)性（singlenucleotide polymorphism，SNP）為分子遺傳標記，進行全基因組水平上的對照分析或相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)影響復(fù)雜性狀的基因變異的方法。

2 關(guān)鍵的生物學途徑

GWAS報道了超過66個影響B(tài)MD的位點，證實了BMD基因多態(tài)性的性質(zhì)。骨骼發(fā)育涉及多種關(guān)鍵的生物學途徑和（或）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，現(xiàn)總結(jié)如下。

2.1 Wnt信號 Wnt是一類分泌型糖蛋白，可與卷曲蛋白受體或復(fù)合受體結(jié)合，導(dǎo)致細胞內(nèi)級聯(lián)反應(yīng)，在骨細胞的分化和增殖中發(fā)揮重要作用。低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5（LRP5）是一種跨膜受體，它允許外源性化學信號傳遞到細胞核并參與骨形成。LRP5是Wnt蛋白的輔受體，骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）2誘導(dǎo)的堿性磷酸酶的激活依賴于LRP5／Wnt信號通路。LRP5突變，尤其是171位甘氨酸突變所引起的LRP5失活是骨質(zhì)疏松癥-假性膠質(zhì)瘤綜合征的發(fā)病原因，其特點是低骨量和骨折[15]。硬化蛋白（SOST）通過充當LRP5／6受體的拮抗劑來防止骨形成。Dickkopf1（DKK1）是另一種調(diào)節(jié)蛋白，通過與LRP5／6受體結(jié)合來抑制Wnt信號傳導(dǎo)。攜帶突變體DKK1基因的小鼠表現(xiàn)為骨量增加，而小鼠中DKK1的過表達則導(dǎo)致嚴重的骨質(zhì)減少和骨形成減少[16]。血清DKK1水平與腰椎和股骨BMD呈負相關(guān)[17]。

肌細胞增強因子2C（MEF2C）基因編碼另外一種通過Wnt信號傳導(dǎo)參與骨發(fā)育控制的轉(zhuǎn)錄因子[18]，其過表達可誘導(dǎo)軟骨細胞肥大和侏儒癥[19]。腺瘤性結(jié)腸息肉病蛋白（APC）是編碼腫瘤抑制蛋白的一種調(diào)節(jié)基因，參與細胞遷移和黏附、轉(zhuǎn)錄激活和細胞凋亡的過程，其主要作用是結(jié)合β-連環(huán)蛋白，并負性調(diào)節(jié)Wnt信號級聯(lián)反應(yīng)。小鼠中APC的功能喪失突變導(dǎo)致股骨遠端的BMD增加[20]。此外，在APC基因中攜帶一個突變的家族性腺瘤性息肉?。‵AP）病人表現(xiàn)出比年齡和性別匹配的對照組更高水平的BMD[21]。

連環(huán)蛋白β1（CTNNB1）可在 Wnt信號傳導(dǎo)和間充質(zhì)干細胞分化為成骨細胞中起關(guān)鍵作用。CTNNB1上調(diào)成骨細胞中骨保護素（OPG）的表達，而OPG是一種重要的可減少骨吸收的破骨細胞生成抑制因子[22]。

2.2 維生素D內(nèi)分泌途徑 維生素D是一種類固醇激素，在鈣穩(wěn)態(tài)和骨骼代謝中起著至關(guān)重要的作用。維生素D受體（VDR）介導(dǎo)其配體，維持正常的骨礦化和重塑[23]。VDR是研究骨質(zhì)疏松癥遺傳基礎(chǔ)的第一個基因，此后還研究了維生素D結(jié)合蛋白（DBP），它在維持鈣穩(wěn)態(tài)中起重要作用，并可直接激活介導(dǎo)骨吸收的破骨細胞轉(zhuǎn)化為DBP-巨噬細胞活化因子[24]。

2.3 雌激素內(nèi)分泌途徑 絕經(jīng)后雌激素缺乏是骨丟失的重要決定因素，在骨量調(diào)節(jié)和骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病中占有重要地位。雌激素與雌激素受體（ER）結(jié)合，通過皮質(zhì)、骨代謝調(diào)節(jié)和預(yù)防骨質(zhì)流失，對骨骼發(fā)育和穩(wěn)態(tài)發(fā)揮有益作用。候選基因關(guān)聯(lián)研究（CGAS）和GWAS報道了骨質(zhì)疏松癥病人在雌激素途徑中的基因遺傳變異，發(fā)現(xiàn)ERβ蛋白在骨相關(guān)細胞中表達，其在不同年齡和性別上的特異性表達參與雌激素途徑對骨質(zhì)疏松癥的調(diào)節(jié)[25]。CYP17和CYP19也是參與雌激素生物合成的重要基因。CYP17基因編碼細胞色素P450c17α，這對于性腺激素的生物合成參與的骨重建具有有益作用。CYP17的突變可能導(dǎo)致骨骼生長滯后和彌漫性骨質(zhì)疏松癥[26]。CYP19基因編碼芳香酶，可將雄激素轉(zhuǎn)化為雌激素。

2.4 RANK-RANKL-OPG 途徑 核因子（NF）-κB 配體的受體激活劑（RANKL）是由成骨細胞和骨細胞分泌的可溶性因子，對于骨代謝至關(guān)重要。破骨細胞活性是通過RANKL與破骨細胞前體細胞上存在的RANK（TNFRSF11A）受體的相互作用觸發(fā)的；而OPG（TNFRSF11B）作為 RANKL的誘餌受體，通過阻止RANK與 RANKL的結(jié)合而阻止骨吸收循環(huán)[27]。GWAS和薈萃分析證實了RANK多態(tài)性與骨折以及BMD之間的關(guān)聯(lián)[28]。此外，在幾個GWAS和雙胞胎研究中觀察到，OPG基因座上的幾個SNP與BMD顯著相關(guān)，證實TNFRSF11B也是骨質(zhì)疏松癥的易感基因[29]。RANK-RANKL-OPG系統(tǒng)還可與白細胞介素（IL）-6相互作用，并參與絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生。事實上，RANKL的表達可被IL-6上調(diào)[30]。絕經(jīng)后雌二醇水平的下降導(dǎo)致包括IL-6在內(nèi)的促炎細胞因子的增加。

2.5 軟骨內(nèi)骨化通路 軟骨通過骨化形成成熟骨，許多轉(zhuǎn)錄因子參與骨化的調(diào)節(jié)，其中SOX（SRY相關(guān)HMG盒）基因家族在軟骨細胞分化和軟骨內(nèi)骨化中起重要作用。胃腸道異常增生病人的軟骨形成缺陷是由SOX9基因雜合突變引起的。小鼠中的雜合SOX6突變體呈現(xiàn)輕度骨骼異常，而純合突變體小鼠胎兒死于全身性軟骨發(fā)育不良[31]。

Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（RUNX2）也稱為核心結(jié)合因子a1（Cbfa1），是成骨細胞特異性轉(zhuǎn)錄因子。小鼠中的純合Cbfa1突變體表現(xiàn)為完全骨缺失，并且雜合突變體表現(xiàn)為類似于顱頜發(fā)育不良的骨骼異常[32]。整合素結(jié)合唾液蛋白（IBSP）在所有主要的骨細胞中表達，包括成骨細胞、骨細胞和破骨細胞，并且其在骨質(zhì)疏松病人中表達上調(diào)。IBSP和其他三個基因[牙本質(zhì)基質(zhì)酸性磷蛋白1（DMP1）、基質(zhì)細胞外磷酸糖蛋白（MEPE）和分泌型磷蛋白1（SPP1）]均與BMD相關(guān)。2.6 轉(zhuǎn)化生長因子β（TGF-β）信號通路 TGF-β和BMPs屬于TGF-β超家族，TGF-β1介導(dǎo)了骨骼組織的發(fā)育和維持。TGF-β1被認為是骨吸收和骨形成之間的耦合因子，也是最常見的骨質(zhì)疏松癥研究候選基因之一[33]。TGF-β1敲除的小鼠表現(xiàn)出骨量和骨彈性降低。 此外，TGF-β受體Ⅲ（TGFβR3）能夠調(diào)節(jié) BMP2的生物學功能。SMAD家族成員6（SMAD6）和SMAD7基因也涉及TGF-β信號傳導(dǎo)途徑。

2.7 間充質(zhì)干細胞（MSC）成骨分化 人間充質(zhì)干細胞（hMSC）可分化為成骨細胞，而骨形成的重要步驟是從間充質(zhì)祖細胞分化為成骨細胞。許多轉(zhuǎn)錄因子如CBFA1／RUNX2、msh 同源框 2（MSX2）、遠端同源框 5（DLX5）和特異性蛋白7（SP7）以及骨標記基因如SPP1、COLIA1和骨粘連蛋白在此過程中廣泛表達。另外，F(xiàn)AM3C、SOX4／9、MEF2C 和 RUNX2 等基因也參與了MSC分化為成骨細胞的調(diào)節(jié)過程。另一個大的薈萃分析顯示，雙皮質(zhì)素結(jié)構(gòu)域（DCDC）基因可能是調(diào)節(jié)腰椎 BMD 的因素[34]。

2.8 粘著信號通路 粘著家族成員存在于細胞外基質(zhì)的連接處，并促進膜受體和肌動蛋白絲之間的聯(lián)系。Ⅰ型膠原蛋白α1（COL1A1）是骨骼的主要蛋白，在該家族中研究最多[35]。該途徑的另一個關(guān)鍵組分是胰島素樣生長因子（IGF）調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在骨骼獲取和維持中起重要作用，它是由兩種配體（IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ）及其特異性受體組成的主要生長促進信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ是骨骼細胞分泌的最普遍的生長因子，并且是成骨細胞功能的自分泌調(diào)節(jié)劑[36]。

2.9 脂質(zhì)和神經(jīng)通路 觀察性研究表明，脂質(zhì)水平與BMD相關(guān)[37]。脂質(zhì)氧化抑制骨礦化并誘導(dǎo)成骨細胞的分化，而高脂血癥會降低小鼠BMD。載脂蛋白E（APOE）通過脂蛋白和維生素 K轉(zhuǎn)運調(diào)節(jié) BMD，APOE可能導(dǎo)致絕經(jīng)期婦女膽固醇增加[38]。

受體轉(zhuǎn)運蛋白3（RTP3）是一種新鑒定的基因，其攜帶與股骨幾何形狀或髖部骨折顯著相關(guān)的SNP[39]。Catsper通道輔助亞基β（CATSPERB）可能是鈣信號傳導(dǎo)中起作用的另一個基因。一項在絕經(jīng)前歐美裔和非裔美國女性中進行的研究表明，CATSPERB基因與絕經(jīng)前女性股骨頸的BMD有關(guān)[40]。

Ras和Rab Interactor 3（RIN3）是遲發(fā)性阿爾茨海默病的遺傳危險因素[41]。Rab蛋白通過影響囊泡運輸而調(diào)節(jié)破骨細胞功能。核孔蛋白205kDa（NUP205）編碼核孔復(fù)合物的可溶性組分，在神經(jīng)發(fā)育不良的病人中NUP205被破壞[42]。NUP205和RIN3也被發(fā)現(xiàn)與由破骨細胞功能障礙驅(qū)動的骨Paget疾病相關(guān)[43]。

3 其他易感基因

醛脫氫酶7家族成員A1（ALDH7A1）是乙醛脫氫酶超家族的成員。乙醛可抑制成骨細胞增殖并減少骨形成[44]。促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素受體 1（CRHR1）也是BMD調(diào)節(jié)的候選基因。位于CRHR1基因中的SNP rs9303521與脊柱BMD顯著相關(guān)[45]。MARK3是腺苷一磷酸激活蛋白激酶（AMPK）超家族的成員，在全基因組水平上被鑒定為與骨質(zhì)疏松癥相關(guān)的基因座。MARK3 rs11623869對BMD的影響在中國人群中進一步得到證實，尤其是在高水平的血清堿性磷酸酶情況下[46]。

4 結(jié)論

骨質(zhì)疏松癥是臨床和公共衛(wèi)生不可忽視的問題，近年來已經(jīng)進行了許多研究以了解遺傳對骨質(zhì)疏松癥和相關(guān)表型的影響。由于種族、參與者選擇、基因分型錯誤等原因，CGAS的許多結(jié)果似是而非。在這方面，迫切需要驗證相同或不同種族群體和年齡段中多個候選基因的關(guān)聯(lián)。由于許多基因產(chǎn)物相互作用，關(guān)于基因多態(tài)性的研究可能為疾病風險評估以及治療干預(yù)提供更多信息，這有助于提早預(yù)防骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生，并為不同人群開展新的診療思路和開發(fā)新的靶向藥物提供一定的研究基礎(chǔ)。