TRPV4 基因相關(guān)疾病的遺傳學診斷與管理

胡旭昀 郝嬋娟

國家兒童醫(yī)學中心 首都醫(yī)科大學附屬北京兒童醫(yī)院 兒科重大疾病研究教育部重點實驗室北京市兒科研究所 出生缺陷遺傳學研究北京市重點實驗室（北京 100045）

瞬時受體電位通道（transient receptor potential channel）是一種位于膜上的陽離子運輸通道蛋白，其中瞬時受體電位香草酸家族4通道蛋白（transient receptor potential cation channel,subfamily V,member 4，TRPV4）由于其對Ca2+的高通透性并在多種疾病發(fā)展過程中扮演重要角色，而引起學術(shù)界的廣泛關(guān)注[1]。TRPV4基因在全身多種細胞中均有表達。在神經(jīng)系統(tǒng)方面，TRPV4基因可在外周神經(jīng)元中表達并參與痛覺敏感[2]。在大腦中，TRPV4基因在神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞中都有表達，可抑制粘多糖對小膠質(zhì)細胞的激活，以及調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮性[3-4]。在骨骼方面，TRPV4不僅可以誘導多能干細胞形成軟骨，還可以在成骨和破骨細胞中表達，調(diào)節(jié)成骨形成和吸收[5-7]。TRPV4基因變異可導致常染色體顯性遺傳的兩組表型顯著不同的疾?。荷窠?jīng)肌肉病和骨骼發(fā)育不良。

1 TRPV4基因相關(guān)疾病

1.1 TRPV4基因相關(guān)神經(jīng)肌肉病

TRPV4基因相關(guān)神經(jīng)肌肉病的特征是先天性或遲發(fā)性、靜止性或進行性的周圍神經(jīng)病變，并伴有喉功能障礙（即聲帶麻痹）、呼吸功能障礙和關(guān)節(jié)攣縮的多種組合。

1.1.1 Charcot-Marie-Tooth 病2 C 型 Charcot-Marie-Tooth ?。–MT）是一種周圍神經(jīng)系統(tǒng)異常的疾病，以遠端肌肉的進行性虛弱和萎縮為特征，最初是腓骨肌受累，進而發(fā)展為手臂。根據(jù)電生理和組織病理特性，CMT 分為兩大類：原發(fā)性外周脫髓鞘神經(jīng)?。–MT 1）和原發(fā)性周圍軸突神經(jīng)?。–MT 2）。Charcot-Marie-Tooth 病2 C 型（CMT 2 C，OMIM#606071）的神經(jīng)病變特征為軸變異性，無明顯髓鞘改變，神經(jīng)傳導速度正?；蜉p微降低，進行性遠端肌肉無力和萎縮，伴膈肌和聲帶麻痹[8]。發(fā)病年齡從出生至60歲不等，發(fā)病越早癥狀越嚴重。

1.1.2 肩腓型脊髓性肌萎縮 肩腓型脊髓性肌萎縮（scapuloperoneal spinal muscular atrophy，SPSMA，OMIM #181405）的特征是進行性肩胛腓骨萎縮和無力，嚴重時可表現(xiàn)出先天性肌肉缺失。同時還伴有喉功能障礙（同CMT 2 C 的喉軟化癥和聲帶異常）、聲帶麻痹和短暫發(fā)音困難。部分患者會表現(xiàn)出一些骨骼異常，如脊柱側(cè)彎、髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良、肢體長度不對稱、指彎曲、搖椅足等[9]。

1.1.3 先天性遠端脊髓性肌萎縮 先天性遠端脊髓性肌萎縮（congenital distal spinal muscular atrophy，CDSMA，OMIM #600175）臨床表型多變，典型特征為先天性、非進行性下肢運動神經(jīng)元喪失，導致下肢遠端肌無力和萎縮，并伴有先天性（或早期）髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)屈曲攣縮。其他可能的癥狀還包括下肢腱反射減弱或消失、骨骼異常（雙側(cè)馬蹄足內(nèi)翻、脊柱側(cè)彎、脊柱后凸、腰椎前凸等）、運動發(fā)育遲緩、蹣跚步態(tài)、關(guān)節(jié)過度松弛和/或膀胱、腸道功能障礙等[10]。

1.2 TRPV4基因相關(guān)骨病

根據(jù)國際骨骼發(fā)育不良學會分類學委員會（Nosology Committee of the International Skeletal Dysplasia Society，NCISDS）發(fā)布的第10版命名名錄，目前有461種骨病，通過臨床癥狀、影像學表現(xiàn)和/或分子病因?qū)⑵浞譃?2組[11]。其中TRPV4基因變異導致的一系列骨骼發(fā)育不良譜系疾病位于NCISDS分類中第8組，統(tǒng)稱為“TRPV4遺傳性骨病”。TRPV4遺傳性骨病主要以常染色體顯性模式致病，該基因變異引發(fā)的疾病表型多樣，從輕型的短指關(guān)節(jié)病到嚴重的致死型變形骨發(fā)育不良，由輕到重包括6種骨病亞型[12]。

1.2.1 家族型短指關(guān)節(jié)病 家族型短指關(guān)節(jié)?。╢amilial digital arthropathy brachydactyly，F(xiàn)DAB，OMIM #606835）的短指畸形在出生時并不明顯，在幼兒時期，中/遠端指骨開始相對性縮短，指間關(guān)節(jié)腫脹伴活動受限?；純憾?0 歲前發(fā)病，手部癥狀較腳部癥狀更為明顯。進入兒童期后手腳的其他關(guān)節(jié)出現(xiàn)疼痛和變形。家族型短指關(guān)節(jié)病的臨床癥狀與其他TRPV4遺傳性骨病相對較為獨立，并不表現(xiàn)出不成比例的身材矮小和進行性脊柱畸形。該病應(yīng)與反應(yīng)性關(guān)節(jié)病、糖尿病性關(guān)節(jié)病和其他形式的短指進行鑒別診斷。

1.2.2 常染色體顯性短軀干3 型 常染色體顯性短軀干3型（autosomal dominant brachyomia type 3，AD-BO，OMIM #113500）是伴有身材矮小的TRPV4遺傳性骨病中表型最輕微的。其名字來源于希臘詞根“brachy-”和“-olmos”，分別意為“矮小”和“軀干”?；颊咧挥休p微的身材矮小，四肢及運動功能不受影響。即使在同一家系中不同患者的嚴重程度也可能不同，身高范圍可在正常身高到中度矮小之間。

1.2.3 Kozlowski型脊柱干骺端發(fā)育不良 Kozlowski型脊柱干骺端發(fā)育不良（spondylometaphyseal dysplasia，Kozlowski type，SMDK，OMIM #184252）以短軀干型矮小為特征，患者出生時身長在正常水平，一般在兒童早期出現(xiàn)生長緩慢、身材不成比例、步態(tài)異常和膝內(nèi)翻等癥狀并愈發(fā)明顯，同時常見早發(fā)性骨關(guān)節(jié)炎，成年平均身高130～150 cm。

1.2.4 Maroteaux型脊柱干骺端發(fā)育不良 Maroteaux型脊柱干骺端發(fā)育不良（spondyloepiphyseal dysplasia，Maroteaux type，SEDM，OMIM #184095）以短軀干型身材矮小和短指畸形為特征。出生時身長在正常水平。兒童期出現(xiàn)明顯的生長緩慢和短軀干型身材矮小等癥狀。隨著時間的推移，膝外翻和脊柱側(cè)彎逐漸發(fā)展。部分患者有骨質(zhì)疏松癥的表現(xiàn)。其他骨骼癥狀包括椎管關(guān)節(jié)發(fā)育不良、骨齡延遲、椎體變扁、椎體終板不規(guī)則、方形髂骨翼、長骨/股骨干骺端發(fā)育不良和腕骨畸形等。

1.2.5 類扭傷型侏儒 類扭傷型侏儒（OMIM #168400）可能是最罕見的TRPV 4遺傳性骨病，其特征是嚴重的肢體畸形、關(guān)節(jié)錯位/攣縮、膝外翻、長骨彎曲、身材矮小和脊柱側(cè)彎，這些癥狀一般是先天性的，并逐年加重。成年平均身高90～110 cm。該病需要與COL2A1變異導致的Kniest發(fā)育不良（主要差別包括椎骨扁、管狀骨縮短、干骺端擴張以及胸骨短寬）、COL11A1或COL11A2變異導致的纖維軟骨增生癥（主要差別包括肢根縮短、干骺端呈啞鈴形、椎體呈梨形以及肋骨遠端呈杯狀）以及HSPG2變異導致的Dyssegmental發(fā)育不良。

1.2.6 變形性骨發(fā)育不良 變形性骨發(fā)育不良（metatropic dysplasia，MD，OMIM #156530）的名稱來源于希臘語“metatropos”，意為“有變化/變化的模式”，因出生時和兒童期身體比例的顯著逆轉(zhuǎn)而得名：出生時由于長骨干骺端異常，四肢與軀干相比有不成比例地縮短；而在兒童期，當扁平椎、脊柱側(cè)彎和/或后彎變得更嚴重時，軀干與四肢相比變得相對較短。脊柱異常還累及頸椎C1/2區(qū)域，引起齒狀突發(fā)育不全和半脫位。影像學表現(xiàn)可能有肋骨、長骨縮短及干骺端增寬或不規(guī)則。關(guān)節(jié)表現(xiàn)在X 線片和體格檢查中較為明顯。由于胸部極窄伴肺實質(zhì)發(fā)育不全，變形性骨發(fā)育不良在產(chǎn)前或圍生期可能是致命的。圍生期存活的嬰兒通常會發(fā)展為嚴重的脊柱側(cè)彎，最終影響肺功能。一些嚴重的患者還可表現(xiàn)出關(guān)節(jié)活動度差、關(guān)節(jié)攣縮和斜頸。該病需要與先天性脊椎管發(fā)育不良（COL2A1變異）、Morquio綜合征（GALNS或GLB1變異）、X-連鎖遲發(fā)性脊柱骨骺發(fā)育不良（TRAPPC2變異）進行鑒別診斷。

2 TRPV4基因相關(guān)疾病的基因診斷

2.1 TRPV4基因與蛋白結(jié)構(gòu)

TRPV 4基因位于12 號染色體q 24.11 區(qū)域，包含15 個外顯子，編碼的通道蛋白由871 個氨基酸組成。功能性TRPV 4 通道在體內(nèi)以同源四聚體形式存在，每個亞基包含一個N 端錨蛋白重復結(jié)構(gòu)域（ankyrin repeats domain，ARD）、6個螺旋的跨膜區(qū)（transmembrane，TM 1-6）、C 端的鈣調(diào)蛋白結(jié)構(gòu)域（Cam-binding domain，CaMBD）等。

TRPV 4 蛋白的ARD 結(jié)構(gòu)域為TRPV 家族所共有，由6個錨蛋白（ankyrin，ANK）重復序列組成，在蛋白識別和相互作用上起到關(guān)鍵功能[13]。ANK的上游是一個脯氨酸富集區(qū)域，該區(qū)域可與酪蛋白激酶底物3相互作用并參與囊泡運輸、細胞骨架重構(gòu)等[14]。ARD末端的磷酸肌醇結(jié)合位點可以接收機械信號和化學信號，激活TRPV4通道[15]。通道的門控開關(guān)由跨膜區(qū)的螺旋TM 3 和TM 4 構(gòu)成，鈣離子通過TM 5和TM6以及中間的袢環(huán)組成的通道進行流入。在C端，CaMBD與鈣調(diào)蛋白結(jié)合，調(diào)控該通道激活的速率和程度。除此之外，C端尾部還包含一些其他重要功能的區(qū)域，如瞬時受體電位盒結(jié)構(gòu)域和細胞骨架結(jié)合位點等。如果基因變異位點發(fā)生在上述不同的結(jié)構(gòu)域，可能導致TRPV4蛋白不同程度的影響，從而引起表型各異的臨床癥狀。

2.2 TRPV4基因變異的遺傳學檢測

TRPV 4基因相關(guān)疾病具有高度的表型異質(zhì)性，同一疾病臨床嚴重程度差異較大，不同疾病之間的表型又具有高度的重疊，僅依靠臨床癥狀進行確診較為困難。利用基因診斷技術(shù)，對疑似患者進行分子診斷，鑒定致病變異，可有效地對患者的具體疾病進行確診。

TRPV4基因的遺傳學診斷主要是利用不同測序技術(shù)對基因序列進行分析。如果臨床癥狀高度提示TRPV4基因相關(guān)疾病，可以對該基因進行PCR擴增和一代測序（即Sanger測序）。一代測序可有效地鑒定到TRPV4基因的錯義變異、無義變異、剪接位點變異等單核苷酸變異（single nucleotide variant，SNV），以及基因內(nèi)的小插入/缺失變異。一代測序雖然不能檢測外顯子層面以及基因?qū)用娴闹貜?缺失，但是值得注意的是，目前TRPV4基因并未報道過這一類的致病變異，所以一代測序仍是檢測TRPV4基因相關(guān)疾病的有效方法。

隨著二代測序的發(fā)展，panel 測序、全外顯子測序，甚至全基因組測序越來越多的應(yīng)用于罕見遺傳病的基因診斷中[16]。二代測序可同時檢測包括TRPV4基因在內(nèi)的多個可能的致病基因。由于可以較少地依賴臨床醫(yī)師的經(jīng)驗，這一策略對具有高度異質(zhì)性的疾病的診斷效率有顯著提升。例如，根據(jù)NCISDS最新的指南，目前已知的437個致病基因共可導致有425 種遺傳性骨病[11]，在此基礎(chǔ)上設(shè)計的panel可以一次性檢測所有遺傳性骨病致病基因，簡化了患者診斷流程，縮短了診斷周期。同時，隨著測序成本的降低，更多的臨床醫(yī)師考慮對骨骼發(fā)育不良直接進行全外顯子測序，不僅進一步擴大了檢測范圍，還可以利用生物信息學算法檢出大片段拷貝數(shù)變異[17-18]。而對于全外顯子測序后仍為陰性的患者，可考慮全基因組測序、RNA測序等。

2.3 TRPV4基因變異譜

自從2008年在常染色體顯性短軀干3型患者上鑒定到第一個TRPV 4基因變異至今，已有超過100個TRPV 4基因變異在不同疾病的患者身上被檢出（HGMD professional 2022.3）。目前已報道超過30個變形性骨發(fā)育不良的致病變異，是最常見的TRPV4基因相關(guān)骨病，其次是Kozlowski 型脊柱干骺端發(fā)育不良，報道超過10 個變異。神經(jīng)肌肉病方面，最常見的疾病是Charcot-Marie-Tooth病2C型，目前也已報道超過30 個變異。從變異類型的角度而言，由于TRPV4基因變異的機制主要是功能獲得性改變，TRPV4基因變異譜以錯義變異為主，占比90%以上。其次還有少數(shù)的框內(nèi)插入/缺失變異。暫無大片段的TRPV4基因拷貝數(shù)變異導致疾病的報道。

此外，雖然目前已知的TRPV 4基因相關(guān)疾病均為常染色體顯性遺傳，但仍有個別TRPV4基因隱性遺傳病例的報道，如功能獲得性變異p.Ser94Leu的純合變異可能會導致軸突神經(jīng)病變、聲帶麻痹和多發(fā)性關(guān)節(jié)炎的聯(lián)合表型[19]；而p.Glu840Lys和p.Asn 833 Ser 的復合雜合變異可能與一對兄妹的小頭畸形、肌張力障礙、感音神經(jīng)性耳聾、視網(wǎng)膜病變、骨骼異常和神經(jīng)病變有關(guān)[20]。

3 TRPV4變異的基因型-表型關(guān)聯(lián)性

一般而言，一個特定的TRPV4基因變異僅會導致神經(jīng)肌肉病或骨骼發(fā)育不良的其中一種，但是該結(jié)論并不絕對[21]。這使得TRPV4基因的基因型-表型關(guān)聯(lián)性分析變得較為困難，基因與臨床表型的內(nèi)在關(guān)系并不明確。但是，目前仍有少數(shù)的功能研究表明，TRPV4基因功能獲得性變異可能與神經(jīng)肌肉病或嚴重的骨骼發(fā)育不良有關(guān)，而功能缺失性變異可能與家族型短指關(guān)節(jié)病有關(guān)[22-23]。但這一結(jié)論仍需要進一步的證據(jù)證明。

3.1 神經(jīng)肌肉病基因型-表型關(guān)聯(lián)性

大多數(shù)導致神經(jīng)肌肉疾病的變異位于N端錨蛋白重復結(jié)構(gòu)域（ARD）內(nèi)的帶有高正電荷的蛋白指環(huán)上。該區(qū)域高度保守，且有27 個在所有不同物種同源基因上都存在的精氨酸殘基。這些精氨酸殘基的變異往往導致不同的神經(jīng)肌肉疾?。簆.Arg186Gln、p.Arg 232 Ser、p.Arg 237 Leu、p.Arg 269 Cys 等變異是Charcot-Marie-Tooth 病2 C 型的常見致病原因；p.Arg232Cys、p.Arg315Trp、p.Arg316Cys是肩腓型脊髓性肌萎縮的熱點致病變異[9,24-25]。然而這些變異之間仍存在表型異質(zhì)性，甚至同一變異在不同的家族成員中表型也不盡相同[25]。

3.2 骨病基因型-表型關(guān)聯(lián)性

目前，HGMD已報道TRPV4遺傳性骨病相關(guān)的明確致病變異已超過50個，大部分變異集中在ARD結(jié)構(gòu)域、跨膜區(qū)TM4-TM6以及兩側(cè)的位置。在這些變異中，MD的致病變異占絕大多數(shù)，并廣泛地分布在蛋白的各個位置。但是這些位置中，位于AA795-804的自抑制結(jié)構(gòu)域（auto-inhibitory domain，AID）上的變異是MD的熱點變異，尤其是Pro799殘基的多種變異（p.Pro799Arg、p.Pro799Leu、p.Pro799Ala、p.Pro 799 Ser 等）均與MD 有關(guān)[26-27]。AID 結(jié)構(gòu)域位于CaMBD 上游，通過靜電作用使通道保持關(guān)閉狀態(tài)，抑制CaM 結(jié)合到CaMBD 結(jié)構(gòu)域。該結(jié)構(gòu)域內(nèi)的變異不僅使通道基礎(chǔ)活性增強，且使通道對Ca2+-CaM的反應(yīng)減弱，從而導致MD[28]。

家族型短指關(guān)節(jié)病目前報道的變異較少，但是具有強烈的遺傳學特征。該疾病的致病變異僅限于錨蛋白重復結(jié)構(gòu)域的ARD3和ARD4之間的第三指區(qū)域（p.Gly270Val、p.Arg271Pro、p.Phe273Leu）[22]。其他TRPV4遺傳性骨病的變異則無明顯規(guī)律。

此外，還有一些特殊的變異，如p.Ala217Ser[29]、p.Arg315Trp[30]、p.Ser542Tyr[31]等，可同時引起神經(jīng)肌肉病和/或骨骼發(fā)育不良相關(guān)疾病，即使在同一家族中，癥狀也可能存在顯著差異[31]。

4 TRPV4相關(guān)疾病確診后的管理

4.1 臨床管理

患者鑒定到TRPV4基因致病變異后應(yīng)及時的補充相關(guān)的臨床評估。除了利用肌電圖和影像學檢查評估神經(jīng)肌肉系統(tǒng)和骨骼系統(tǒng)的受累程度，還需要進一步評估聲帶狀態(tài)、聽力情況和呼吸功能等。目前對TRPV4基因變異患者的治療多為支持性治療，以顯著改善患者的生存質(zhì)量。對于已經(jīng)出現(xiàn)的癥狀可以進行手術(shù)等方法進行干預，如對嚴重脊柱發(fā)育異?；颊哌M行矯形外科手術(shù)，對聲帶麻痹進行杓狀軟骨切除術(shù)和氣管切開術(shù)等。其他支持性治療手段包括踝-足矯正器、人工耳蝸等。對于暫未出現(xiàn)的臨床表現(xiàn)也需要每年進行監(jiān)測?；颊邞?yīng)定期篩查可能加重神經(jīng)病變的疾病，如糖尿病、維生素缺乏等。同時應(yīng)避免肥胖（加重行走困難）、使用神經(jīng)毒性藥物（如氟喹諾酮類、反應(yīng)停等）以及從事對脊柱和負重關(guān)節(jié)造成過度壓力的活動和職業(yè)。

4.2 遺傳咨詢

由于TRPV4相關(guān)疾病最嚴重時可導致患者早期夭折（如致死型MD），所以這一類患者攜帶的變異一般為新生變異。而癥狀較輕的TRPV4相關(guān)疾病則有可能遺傳自雙親之一。患者父母可能表現(xiàn)為無癥狀，或具有與先證者嚴重程度不同的臨床表現(xiàn)。這首先是由于TRPV4相關(guān)的神經(jīng)肌肉病具有外顯不全的特點；其次TRPV4相關(guān)的骨骼發(fā)育不良雖然外顯率較高，但是在不同家系或同一家系不同成員中表型異質(zhì)性顯著[26]。因此，對于TRPV4相關(guān)疾病患者強烈建議對其父母進行驗證，以發(fā)現(xiàn)父母身上可能存在的漏診情況，并提供可靠的復發(fā)風險咨詢。如果父母樣本未發(fā)現(xiàn)攜帶致病變異，則需要注意親緣關(guān)系驗證和生殖系嵌合等因素。由于存在父母生殖系嵌合的可能性，患者同胞的發(fā)病風險或父母再生育的復發(fā)風險約為1%[32]。TRPV4相關(guān)疾病患者后代理論的再發(fā)風險是50%。然而，由于外顯率不全和表型異質(zhì)性，遺傳到變異的后代的臨床表型、發(fā)病年齡和疾病嚴重程度無法準確預測。

此外，還可以針對先證者身上鑒定到的TRPV4致病變異進行產(chǎn)前和植入前基因檢測。然而具體癥狀、發(fā)病年齡和疾病嚴重程度不能根據(jù)產(chǎn)前檢測結(jié)果進行可靠預測。所以在是否使用產(chǎn)前檢測和如何面對檢測結(jié)果方面，需要醫(yī)療人員和患者進行充分溝通并尊重個人意愿。

5 結(jié)語

醫(yī)學遺傳學的發(fā)展帶動了罕見遺傳病分子診斷的進步。TRPV4基因變異導致的疾病癥狀各異，因此在這些疾病的分子病因明確之前，被臨床歸類為多個相互獨立的疾病。自2008年第一個TRPV4基因變異被鑒定至今，這些相互獨立的疾病由于存在高度相似的分子致病機制，被歸為一個大類：TRPV4相關(guān)疾病[11]。對患者進行遺傳診斷明確分子病因具有重要意義。一方面可以為患者提供適合的干預手段和監(jiān)測指導，另一方面也可為患者家庭提供遺傳咨詢。這需要骨科、神經(jīng)內(nèi)科、耳鼻喉科、新生兒科、康復科、營養(yǎng)科、兒童保健科及醫(yī)學遺傳科等多學科的共同努力。此外，由于TRPV4蛋白的結(jié)構(gòu)域功能復雜，參與多種生理生化活動，許多疾病的具體致病機制仍未完全闡明，需要我們進一步利用細胞及動物實驗，深入研究相關(guān)發(fā)病機制，提供新的臨床診斷思路和治療方法。