基于全外顯子組測序技術下早發(fā)性卵巢功能不全致病基因研究進展

董 萌, 譚季春

中國醫(yī)科大學附屬盛京醫(yī)院,遼寧 沈陽 110022

早發(fā)性卵巢功能不全(premature ovarian insufficiency,POI)定義為女性在40歲之前卵巢性激素水平分泌不足導致卵巢功能減退和更年期提前[1-2]。目前,全球臨床公認的POI診斷標準包括:40歲之前出現連續(xù)4個月以上的閉經或月經稀發(fā),間隔1個月以上連續(xù)兩次血清促卵泡激素水平>25 IU/L[3]。40歲以下女性POI發(fā)病率約為1.0%,30歲以下女性發(fā)病率約為0.1%[4]。流行病學研究發(fā)現,POI的發(fā)病率與年齡、種族密切相關[4]。POI患者短期表現為潮熱、睡眠障礙、陰道干燥、情緒障礙等更年期癥狀,長期會出現心血管疾病、阿爾茨海默病、骨質疏松等[3]。POI為臨床異質性疾病,發(fā)病機制復雜,個體差異較大,可由卵泡早期衰竭、成熟受阻或卵母細胞池破壞及卵巢抵抗等潛在機制引起[5]。POI病因可分為遺傳性因素(染色體異常、遺傳多態(tài)性、單基因突變)、自身免疫和代謝紊亂、感染、環(huán)境因素及醫(yī)源性程序等[6]。約50%～90%的POI患者是特發(fā)性的,其中,10%～30%是家族性的[7-8]。

對POI致病基因的探尋一直是生殖醫(yī)學領域的熱點和難點。在過去的幾十年里,很多POI候選基因被發(fā)現,但很少被納入致病功能驗證。在大型POI譜系中采用全外顯子組測序(whole exome sequencing,WES)技術可發(fā)現新的致病原因并提出候選病因,雖然致病基因名單在不斷擴大,但這只是POI遺傳學的冰山一角[9]。陳子江院士團隊對1 030例POI患者進行了WES,在59個已知的POI致病基因中檢測到了195個致病或可能致病的突變,占所有患者的18.7%,通過關聯分析進一步將POI患者與5 000例無POI者進行比較,確定了另外20個與POI相關的基因,并發(fā)現這些基因具有顯著的功能突變,參與了卵巢的發(fā)育及功能,包括促性腺激素生成(LGR4、PRDM1)、減數分裂(CPEB1、KASH5、MCMDC2、MEIOSIN、NUP43、RFWD3、SHOC1、SLX4、STRA8)、卵泡發(fā)生和排卵(ALOX12、BMP6、H1-8、HMMR、HSD17B1、MST1R、PPM1B、ZAR1、ZP3),累積起來,已知POI致病基因和新型POI相關基因的致病性和可能致病性變異共導致242例POI發(fā)生,占所有患者的23.5%[10]。另一項來自英國的研究對英國生物樣本庫中的104 733名女性的外顯子組序列數據進行分析發(fā)現,在生殖健康的女性中存在99.9%的蛋白截短突變,對于絕大多數女性來說,POI不是由常染色體顯性變異引起的,無論是以前報道的基因還是目前臨床上的候選基因[8]。

近年來,采用WES技術在大型POI家系中發(fā)現了很多與POI相關的致病基因,主要包括與X染色體異常相關的基因,已知的POI候選基因,與DNA損傷修復、同源重組、減數分裂相關的POI致病基因,以及與mRNA轉錄、翻譯相關的基因。

1 與X染色體異常相關的基因

X染色體異常包括X染色體的重復、缺失及易位。特納綜合征為一條X染色體的全部或部分缺失,導致先天性卵巢功能衰竭[11]。X三體,如47XXX基因型,與促性腺功能低下的卵巢功能不全相關[12]。另一種導致POI先天性異常的是脆性X型智力遲鈍基因,該基因中存在CGG重復序列(大約55～199個重復序列),其還與男性發(fā)生Martin-Bell綜合征相關[13]。

2 已知的POI候選基因

2.1 卵泡刺激素受體 促卵泡激素通過作用于促卵泡刺激素受體,在促進卵泡生長、調節(jié)卵巢功能等方面起著至關重要的作用[14]。卵泡刺激素受體多態(tài)性可能引起卵巢功能下降,從而導致POI的發(fā)生。rs6165和rs6166多態(tài)性是卵泡刺激素受體中常見的兩種錯義突變,這兩個位點的G到A翻轉導致相應氨基酸序列的氨基酸殘基置換,因此,這兩種多態(tài)性可能影響促卵泡激素與卵泡刺激素受體的結合[15]。Meta分析提示rs6166多態(tài)性與POI風險顯著相關[16]。

2.2 轉錄因子SOHLH2 在中國人群POI患者中發(fā)現了2個SOHLH2錯義突變(p.Ser317Phe和p.Glu376Lys),其會改變SOHLH1蛋白作為轉錄因子的活性,可能與microRNA hsa-miR-888-5p產生新的結合位點[17]。

3 與DNA損傷修復、同源重組、減數分裂相關的POI致病基因

3.1 基質抗原3 基質抗原3基因位于7號染色體q22區(qū),可編碼內聚蛋白亞基,在減數分裂過程中起著關鍵作用,調節(jié)內聚蛋白環(huán)和突觸復合體的組裝,參與染色體的排列和紡錘體的裝配。在小鼠中敲除基質抗原3后,小鼠不孕,卵巢發(fā)育不良,卵母細胞減數分裂停滯,著絲粒染色體內聚缺陷[18]?；诩蚁档难芯恐幸呀洶l(fā)現了多種基質抗原3蛋白的截短突變,這種突變呈現隱形遺傳模式,女性具有原發(fā)性閉經和性腺發(fā)育不良等表型[19-21]。基質抗原3突變還可引起男性非梗阻性無精子癥的發(fā)生[22]。

3.2 染色體微小維持體8和染色體微小維持體9 染色體微小維持體8和染色體微小維持體9為常染色體基因,編碼DNA解旋酶,在DNA雙鏈斷裂修復中起著重要的作用[23]。在POI家族中可檢測到染色體微小維持體8和染色體微小維持體9的基因突變,表現為DNA損傷處募集和染色體斷裂修復缺陷,其突變患者表現為性腺功能減退及閉經[24]。染色體微小維持體8和染色體微小維持體9突變的遺傳方式為常染色體隱性。在敲除染色體微小維持體8或染色體微小維持體9的小鼠中發(fā)現,雌鼠不孕,早期生殖細胞丟失,易患腫瘤性疾病,如肝細胞癌、卵巢腫瘤/增生等[25]。

3.3 突觸復合體中心元件1 突觸復合體中心元件1基因編碼突觸復合體的一個組成部分。突觸復合體是一種減數分裂特異性結構,為同源染色體之間的重組提供了一個平臺,對基因組的穩(wěn)定性和配子的多樣性至關重要[26]。突觸復合體由中心元素突觸復合體中心元件1、突觸復合體中心元件2、突觸復合體中心元件3、TEX12、C14ORF39、側元SYCP2和SYCP3、橫向絲SYCP1組成[27]。在小鼠中敲除突觸復合體中心元件1會導致減數分裂阻滯和配子凋亡加速,從而引起雌性和雄性不育[28-31]。在家族性POI和非梗阻性無精子癥患者中,突觸復合體中心元件1、SYCP2同源物及C14ORF39的變異被發(fā)現,包括拷貝數突變及微缺失[29,32]。在一個以色列阿拉伯近親家系中,在常染色體隱性遺傳的原發(fā)性閉經女性中發(fā)現了突觸復合體中心元件1蛋白截短純合突變p.Q205*[28]。

3.4 C14orf39 C14orf39也是編碼突觸復合體中心元件的基因。Hou等[32]報道了散發(fā)性POI和非梗阻性無精子癥患者中C14orf39的2個純合突變,功能研究發(fā)現,C14orf39的變異顯著加速了蛋白降解,影響突觸復合體的組裝和減數分裂。通過WES在不同種族人群的不育個體中發(fā)現了突觸復合體編碼基因C14orf39/SIX6OS1的3個純合突變,包括巴基斯坦家庭中的1個移碼突變(c.204_205del[p.His68Glnfs*2]),其中,2名男性患有非梗阻性無精子癥、1名女性患有POI;2名無關系的中國男性非梗阻性無精子癥患者中存在1個無義突變(c.9G>T[p.Glu320*])和1個剪接突變(c.1180-3C>G);C14orf39的截短突變保留了與突觸復合體中心元件1的結合,但C14orf39和突觸復合體中心元件1之間的復合物形成受損;攜帶C14orf39移碼突變的家族男性在同源染色體之間表現出完全的失聯,而攜帶無義或剪接突變的中國男性在同源染色體之間表現出不完全的突觸[29]。

3.5 PSMC3IP PSMC3IP是引起POI和卵巢發(fā)育不良的常染色體隱性基因,其有9個外顯子,編碼一種核蛋白,該核蛋白在減數分裂重組中發(fā)揮作用,并作為核激素受體介導配體依賴性轉錄的輔助激活因子[33]。PSMC3IP蛋白可結合α/β-雌激素受體及糖皮質激素、甲狀腺、雄激素、孕激素受體,并作為激素依賴性轉錄激活的輔助激活因子[34]。在也門的一個家系中發(fā)現了PSMC3IP的純合突變,該家族女性被診斷為青春期延遲、原發(fā)性閉經及卵巢功能不全,男性被診斷為無精子癥[35]。此外,在33例法國POI患者中也發(fā)現了PSMC3IP的突變[36]。

3.6 ATP依賴性DNA解旋酶同源物 ATP依賴性DNA解旋酶同源物編碼在性腺中優(yōu)先表達的DNA解旋酶,這是減數分裂過程中同源染色體間的同源重組和突觸所必需的。ATP依賴性DNA解旋酶同源物敲除使小鼠不育,卵巢小,卵泡減少[37]。ATP依賴性DNA解旋酶同源物雙等位基因突變可引起人類隱性POI,在中國散發(fā)性POI患者中也發(fā)現了不同的ATP依賴性DNA解旋酶同源物雜合突變[38]。ATP依賴性DNA解旋酶同源物錯義突變(c.3G>A)在受影響的家庭成員中是雜合的,而在未受影響的家庭成員中不存在。生物信息學剪接預測工具顯示,該突變極有可能對剪接位點功能產生強烈影響[39]。

3.7 CSB-PGBD3 融合基因CSB-PGBD3編碼DNA修復蛋白。對4例POI患者進行WES并對432例散發(fā)患者進行Sanger測序,在融合基因CSB-PGBD3中發(fā)現了3個新的突變,功能研究表明,突變的CSB-PGBD3融合蛋白在DNA損傷的反應中受損,表現為受損部位的招募延遲或缺失,其主要作用為調節(jié)或參與DNA修復[40]。

3.8 MSH4和MSH5 MSH4和MSH5是DNA錯配修復家族的成員,可形成異二聚體復合體,在減數分裂前期Ⅰ結合DNA鏈,穩(wěn)定同源染色體之間的相互作用,在染色體突觸和減數分裂重組中發(fā)揮著關鍵作用[41]。在一個哥倫比亞POI家族中,發(fā)現了MSH4的1個純合剪接位點突變p.I743_K785del,其使MSH4失活[42]。在一個有2個患病兄弟姐妹的中國POI家系中,發(fā)現了1個位于MSH5 DNA結合域的純合突變p.D487Y,該突變體在體外破壞了MSH5的DNA重組修復[43]。

4 與mRNA轉錄、翻譯相關的基因

4.1 真核翻譯起始因子4E核輸入因子1 真核翻譯起始因子4E核輸入因子1(eukaryotic translation initiation factor 4E nuclear input factor 1,eIF4ENIF1)是一種細胞核質穿梭蛋白,富集于P小體中,用于運輸真核翻譯起始因子4E。此外,eIF4ENIF1可以競爭性地阻止真核翻譯起始因子4E與真核翻譯起始因子4G的有效結合,通過干擾兩者之間的相互作用來調節(jié)核糖體延遲,從而減少蛋白質合成[44]。因此,eIF4ENIF1可以控制核糖體進入特定mRNA的5′帽結構并介導翻譯抑制[45]。eIF4ENIF1對于小鼠卵母細胞核膜的破壞和減數分裂的恢復至關重要[46]。在一個法裔加拿大家族中,7例POI患者在eIF4ENIF1中具有雜合性過早終止密碼子(Ser429*),而在未受影響的成員中不存在[47]。有學者在中國POI患者中也發(fā)現了eIF4ENIF1的突變[48-49]。

4.2 異核核糖核蛋白顆粒K同源性結構域家族RNA結合蛋白 異核核糖核蛋白顆粒K同源性結構域家族RNA結合蛋白含有1個KH結構域,該結構域可直接與單鏈RNA結合,并含有額外的保守QUA1和QUA2結構域,為RNA結合所必需[50]。其主要作用為參與信號轉導、mRNA前剪接、mRNA翻譯、細胞周期調節(jié)和凋亡等生物學過程[51]。敲除異核核糖核蛋白顆粒K同源性結構域家族RNA結合蛋白的雌鼠不孕,表現為性成熟延遲,次級和竇前卵泡數量顯著減少[52]。在2例中國POI患者中發(fā)現了異核核糖核蛋白顆粒K同源性結構域家族RNA結合蛋白的雜合突變(c.4A>G,p.M154V),進一步對215例攜帶異核核糖核蛋白顆粒K同源性結構域家族RNA結合蛋白基因的特發(fā)性POI患者進行突變分析,發(fā)現了1個雜合突變(c.2C>T,p.P88L),但是未在400名健康對照女性中發(fā)現這兩種突變[53]。

4.3 轉錄因子TP63 TP63在女性生殖系中保護基因組完整性[54]。在POI患者中發(fā)現了TP63的6個雜合突變,這些突變破壞了TAp63α蛋白C端的激活抑制結構域,導致突變蛋白的四聚體形成和組成性激活,突變蛋白通過增加體外誘導凋亡因子的表達而誘導細胞凋亡[55]。

5 未來展望

闡明POI的遺傳和分子基礎對POI的治療至關重要,對POI患者的遺傳咨詢和生育指導發(fā)揮積極作用。隨著測序技術的發(fā)展和POI樣本庫的擴大,越來越多的POI致病基因被發(fā)現。目前,已有相對大規(guī)模的POI隊列研究報道,但是仍需要進行多中心的臨床隊列研究,增強國際間的合作,結合先證者的測序數據和功能驗證等進一步篩查POI致病基因。識別有POI風險的個體也是臨床醫(yī)師面臨的重要挑戰(zhàn),結合先進的測序技術和分析方法對POI的風險進行預測、常規(guī)診斷及早期干預具有重要意義。