先天性外中耳畸形(14)
——遺傳學和表觀遺傳學研究進展*

張?zhí)煊?陳鑫 馬競

1 復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院 眼耳鼻整形外科(上海 200031); 2 復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院耳鼻喉科研究院

先天性外中耳畸形是顱面部第二大常見先天性畸形，僅次于唇腭裂，其發(fā)病率因地區(qū)和種族而異，大約為0.84/10 000～17.4/10 000[1]。我國先天性外中耳畸形的發(fā)病率高達3.06/10 000[2]，并且呈顯著上升趨勢，患者以男性居多，可為單側(cè)或雙側(cè)發(fā)病，以單側(cè)多見，且常見于右耳[2]。先天性外中耳畸形不僅影響患者的外觀和聽覺功能，也會對心理發(fā)育造成影響。

先天性外中耳畸形是由于胚胎期第一鰓弓和第二鰓弓發(fā)育不良引起，有73.41%表現(xiàn)為孤立的缺陷[2]，但也可表現(xiàn)為相關(guān)綜合征的一個表型。孤立性先天性外中耳畸形稱為非綜合征外中耳畸形，是一種多基因疾病，而與先天性外中耳畸形相關(guān)的綜合征大多數(shù)是單基因疾病。遺傳缺陷、環(huán)境因素或遺傳與環(huán)境因素相互作用是導致先天性外中耳畸形的主要原因。流行病學研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境因素，包括孕期感冒、自然流產(chǎn)、陰道炎、宮頸炎和其他感染史，以及接觸多環(huán)芳烴、油漆和殺蟲劑等有毒化學品，都是該病的危險因素[2]。目前有力證明遺傳缺陷參與先天性外中耳畸形發(fā)生的證據(jù)包括：①單卵雙胎(38.5%)的發(fā)病率高于雙卵雙胎(4.5%)；②報道的常染色體隱性或顯性遺傳模式的家族性病例呈現(xiàn)可變表達和不完全外顯；③大約3%～34%的病例有家族遺傳史；④已報道超過18種先天性外中耳畸形相關(guān)綜合征，其中包括與單基因缺陷或染色體畸變相關(guān)的綜合征；⑤有遺傳缺陷導致先天性外中耳畸形的小鼠模型[1,4]。除了環(huán)境和遺傳學因素，表觀遺傳作為連接遺傳與環(huán)境因素的橋梁，也在先天性外中耳畸形的發(fā)病中發(fā)揮了一定的作用。了解先天性外中耳畸形的病因及發(fā)病機制對疾病的預防具有重要意義,因此，本文介紹目前有關(guān)先天性外中耳畸形的遺傳學和表觀遺傳學研究進展。

1 先天性外中耳畸形的遺傳學因素

1.1非綜合征外中耳畸形 作為復雜性疾病，非綜合征外中耳畸形的病因及發(fā)病機制還不十分清楚。研究發(fā)現(xiàn)外中耳畸形的發(fā)生與成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor，F(xiàn)GF)、維甲酸(retinoic acid，RA)、wingless/integrated(Wnts)和骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)等信號通路有關(guān)。目前已知的、較明確的易感基因有同源異型框A2(homeobox A2，HOXA2)和A1(homeobox A1，HOXA1)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白5(bone morphogenetic protein 5，BMP5)、黏液樣同源框(goosecoid homeobox，GSC)和T盒轉(zhuǎn)錄因子1(T-box transcription factor 1，TBX1)基因。

HOXA2一直被認為是非綜合征外中耳畸形的主要易感基因，它的編碼蛋白屬于HOX家族。HOX作為轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)控基因表達在顱神經(jīng)干細胞的遷移和分化過程中發(fā)揮作用。HOXA2可通過BMP信號傳導途徑以及調(diào)節(jié)EYA1(鰓-耳-腎綜合征的致病基因之一)的表達來參與耳郭的形成。Hoxa2純合突變小鼠表現(xiàn)出中耳聽小骨骨化中心的復制和耳郭的缺失(胚胎期11.5天)(Gendron-Maguirem,1993)。而且，E11.5之前，Hoxa2失活會導致小鼠無耳畸形，在E12.5和E13.5之間，Hoxa2失活會導致外中耳畸形(Santaguti,2005)。已有報道在非綜合征外中耳畸形散發(fā)病例或常染色體顯性遺傳家系中檢測到HOXA2突變[5～7]。除HOXA2外，HOXA1在胚胎發(fā)育早期階段對外耳的發(fā)育也發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用，因此，多年來也一直被認為是外中耳畸形的重要易感基因。Hoxa1基因功能缺失小鼠表現(xiàn)為外、中、內(nèi)耳畸形，然而迄今為止，只在1例非綜合征外中耳畸形患者中發(fā)現(xiàn)了HOXA1的錯義突變[8]。

BMP家族編碼基因與軟骨生長和修復有重要關(guān)系。Bmp5基因功能缺失小鼠出現(xiàn)短耳表型(Kingsley,1992)。BMP5在小鼠脛骨增殖區(qū)軟骨細胞中高表達，并隨著軟骨細胞分化其表達增加，揭示了Bmp5在軟骨細胞分化和增殖中的重要性(Mailhot,2008)。目前為止，有關(guān)BMP5突變引起外中耳畸形的報道較少，只在4名非綜合征性外中耳畸形的患者中發(fā)現(xiàn)了一種BMP5錯義突變(Zhang,2009)。

GSC是一種同源結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子，在胚胎早期發(fā)育時期的顱神經(jīng)嵴細胞遷移中起著重要作用。Gsc純合突變小鼠有多種耳發(fā)育缺陷，包括錘骨、鼓膜環(huán)和外耳道的發(fā)育異常。目前已經(jīng)在1個非綜合征外中耳畸形的家族中發(fā)現(xiàn)了GSC的缺失性移碼突變(zhang,2010)，另外，在121例散發(fā)的非綜合征外中耳畸形患者發(fā)現(xiàn)了6例攜帶GSC基因的同義突變，2例攜帶錯義突變(zhang,2009)。

TBX1基因在第一鰓弓表達，其在中耳和外耳的形成中起著重要作用(Mornes,2005)。Tbx1純合突變小鼠骨骼畸形程度表現(xiàn)各異，從輕度發(fā)育不全到完全缺如都有，這些表型均是由于鰓弓發(fā)育不良和神經(jīng)嵴細胞遷移方向錯誤所致[22]。目前，僅有一例嚴重的外中耳畸形-外耳道閉鎖患者被報道攜帶有TBX1突變[9]。

以上基因與外中耳畸形的關(guān)系仍有待進一步證實，目前的研究還提示其他一些基因也可能參與外中耳畸形的發(fā)生(表1)。

表1 非綜合征性外中耳畸形相關(guān)基因

1.2綜合征外中耳畸形 有26.59%的外中耳畸形患者同時伴有其他異常[2]，包括唇腭裂、小眼畸形、面部不對稱、心臟缺陷、腎臟異常、多指畸形和脊柱畸形等(Monks,2010)。與外中耳畸形相關(guān)最常見的綜合征有眼-耳-脊椎畸形譜(oculo-auriculo-vertebral spectrum，OAVS)、Treacher- Collins綜合征(Treacher Collins syndrome，TCS)和鰓-耳-腎譜系疾病(branchio-oto-renal spectrum disorder，BORSD)[10]。

1.2.1眼-耳-脊椎畸形譜(OAVS) OAVS(OMIM 164210)是胚胎時期第一和第二鰓弓發(fā)育不良導致的一組以眼、耳及顏面、脊柱畸形為主要臨床癥狀的先天性癥候群，原稱為“眼-耳-脊椎畸形發(fā)育不良”，因表型廣泛，故有許多術(shù)語定義此類畸形，如：半面短小畸形、第一和第二鰓弓綜合征、面-耳-脊椎綜合征和Goldenhar綜合征等。由于上述每種綜合征都有表型重合，所以1989年Cohen等重新定義其為“眼-耳-脊椎畸形譜”(Cohen,1989)。OAVS發(fā)病率為 1/45 000～1/5 600[11]，所有患者均有外中耳畸形，男女發(fā)病比例為3∶1；OAVS絕大多數(shù)為散發(fā)病例，約12%的OAVS患者有常染色體顯性或隱性遺傳的家族史[12]，染色體異常是OAVS最常見的遺傳因素，包含數(shù)種基因組片段的缺失。目前已知的致病基因主要為髓鞘轉(zhuǎn)錄因子1(myelin transcription factor 1，MYT1)以及新近發(fā)現(xiàn)的zyg-11家族成員B(Zyg-11 family member B，ZYG11B)。

MYT1基因編碼的蛋白質(zhì)是神經(jīng)特異性含鋅指的DNA結(jié)合蛋白家族成員，可與中樞神經(jīng)系統(tǒng)脂蛋白的編碼基因啟動子區(qū)域結(jié)合，在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中發(fā)揮作用。Lopez等(2016年)首次在OAVS患者發(fā)現(xiàn)了兩種不同的MYT1突變[13]；myt1a敲降的斑馬魚顱面軟骨發(fā)育異常。體外功能研究發(fā)現(xiàn)，MYT1過表達下調(diào)了所有RA受體基因(RARA、RARB和RARG)，這些基因都參與RA介導的轉(zhuǎn)錄；因此，MYT1可能是通過RA通路介導了OAVS疾病發(fā)生[14]。

ZYG11B是最近新發(fā)現(xiàn)的OAVS致病基因，編碼蛋白為E3泛素連接酶復合物，參與蛋白酶體降解的底物識別。Tingand-Sequeira等[15]在一例OAVS患者中發(fā)現(xiàn)ZYG11B的無義突變；同源基因敲除的斑馬魚出現(xiàn)了顱面軟骨和眼睛的異常發(fā)育；體外實驗發(fā)現(xiàn)，這種突變導致的截短蛋白亞細胞定位發(fā)生了改變，ZYG11B可調(diào)節(jié)和軟骨發(fā)育相關(guān)的SOX6, 并且它自身也受RA調(diào)控(Huang,2010)。

其他在OAVS患者中篩查出變異的可能致病基因還包括：Spalt樣轉(zhuǎn)錄因子1(spalt like transcription factor 1, SALL1)、具有Ig樣域粘附分子2(adhesion molecule with Ig like domain 2, AMIGO2)[16]、Yippee樣蛋白1(protein Yippee-like 1, YPEL1)、Crk樣蛋白(Crk-like protein, CRKL)、牙列同源盒2(orthodenticle homeobox 2, OTX2)[17]等，但這些基因的致病機制尚有待證實。

1.2.2Treacher-Collins綜合征(TCS) TCS(OMIM 154500)是一種常染色體顯性遺傳的先天性顱面畸形綜合征，主要臨床特征包括面部骨骼發(fā)育不良、外中耳畸形、小頜畸形等發(fā)育異常。TCS發(fā)病率約為1/50 000(Treacher,1996)，60%～80%的患者伴有外中耳畸形[1]。Treacle核糖體生物發(fā)生因子1(treacle ribosome biogenesis factor 1，TCOF1)、RNA聚合酶I和III亞基C(RNA polymerase I and III subunits C，POLR1C)和D(RNA polymerase I and III subunits D，POLR1D)以及RNA聚合酶I亞基B(RNA polymerase I subunit B，POLR1B)是目前已證實的TCS致病基因。根據(jù)遺傳學病因，OMIM將TCS分為4型：由TCOF1突變導致的TCS1[OMIM # 154500]，由POLR1D突變導致的TCS2[OMIM # 613717]，由POLR1C突變導致的TCS3[OMIM # 248390]，以及由POLR1B突變導致的TCS4[OMIM # 618939]。

TCOF1參與了神經(jīng)嵴細胞在第一和第二鰓弓中的分化和增殖，其編碼蛋白Treacle作為一種核仁-細胞質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白在胚胎發(fā)育早期對顱面部骨性結(jié)構(gòu)的形成發(fā)揮了重要的作用。Tcof1雜合突變可導致小鼠神經(jīng)嵴細胞的核糖體合成減少，內(nèi)源性凋亡通路激活，向顱面區(qū)域遷移的能力減弱，導致嚴重的顱面畸形(Oixon,2006)。作為TCS的主要致病基因，93%病例中存在TCOF1突變[18]。已報道的超過250種不同的突變包括插入缺失、剪接、錯義和無義突變，而這些突變大多會導致終止密碼子的提早出現(xiàn)[19]。

POLR1C和POLR1D編碼的蛋白均為RNA聚合酶I和RNA聚合酶III的組成部分，參與核糖體合成，且兩種蛋白間存在相互作用。 Dauwerse等[20]首先發(fā)現(xiàn)這兩個基因與TCS有關(guān)，并且證實了TCS是一種具有遺傳異質(zhì)性的核糖體遺傳病。polr1c和polr1d純合突變的斑馬魚不僅表現(xiàn)出與TCS相同的軟骨和顱骨發(fā)育不良，還發(fā)生了神經(jīng)嵴細胞增殖能力減弱以及凋亡增加[21,22]。由POLR1C或POLR1D突變引起的常染色體隱性遺傳的TCS家族性病例已有報道[23]。

POLR1B負責核糖體RNA基因的轉(zhuǎn)錄和核糖體RNA的產(chǎn)生。Sanchez等[24]首次在TCS患者中發(fā)現(xiàn)POLR1B三種致病性突變;Polr1b基因敲除的斑馬魚的顱面表型異常,Polr1b致病性突變可誘導神經(jīng)上皮區(qū)p53依賴的細胞凋亡增加，從而改變神經(jīng)嵴細胞的遷移，導致顱骨發(fā)育異常。