前交叉韧带损伤的遗传易感基因研究进展

张成绩 徐志宏 史冬泉 蒋青

南京大学医学院附属鼓楼医院关节疾病诊治中心（南京210008）

前交叉韧带 （anterior cruciate ligament，ACL）起自股骨髁间窝的外侧面，向前内下方止于胫骨髁间嵴的前方，分为前内侧束和后外侧束，可限制胫骨过度前移，维持膝关节结构稳定和正常运动。然而，ACL损伤在临床上较为常见。国外有文献报道，ACL损伤约占膝关节韧带损伤的80%［1］，其中大部分是由于参加体育活动所致。而在从事体育竞技比赛的运动员中，ACL损伤的发生率更高，尤其是女运动员［2，3］，国内也有研究表明，女性运动员 ACL 损伤的发生率是男性的2.37倍［4］。ACL损伤后由于膝关节结构不稳定，容易磨损关节面，破坏关节软骨，导致骨性关节炎的发生。长期的随访也发现，ACL损伤后骨性关节炎的发生率明显升高［5，6］，常引起膝关节疼痛及活动功能受限。所以，如何从根本上寻找ACL损伤的原因，从而有效地预防ACL损伤显得尤为重要。然而，引起ACL损伤的病因目前尚不清楚。Bahr等［2］认为ACL损伤是内因和外因共同作用的结果。近年来，遗传因素作为引起ACL损伤的一个内部危险因素，愈来愈受到人们的关注。Flynn等［7］研究表明，有ACL损伤家族史与没有ACL损伤家族史的人群相比，ACL损伤的发生率明显增加。本文主要针对引起ACL损伤的易感基因的研究作一综述。

1 胶原（collagen）相关基因

胶原是构成细胞外基质的一种结构蛋白，由3条相同或不同的α-链组成的三螺旋结构，是动物体内含量最多、分布最广的蛋白质，广泛分布于皮肤、骨骼、肌腱和韧带等组织中，起着支撑器官、保护机体的重要功能。目前研究发现胶原家族包括20多种类型，至少38种不同基因结构的α多肽链［8］，其中与ACL损伤有关的胶原基因主要有Ⅰ型胶原基因、Ⅴ型胶原基因和Ⅻ型胶原基因。

1.1 Ⅰ型胶原（type I collagen）相关基因

胶原是构成ACL的主要成分之一，约占干重的70%-80%，其中大部分是Ⅰ型胶原，可以维持韧带足够的抗张强度［9］。Ⅰ型胶原是由2条α1-链和1条α2-链构成的异三聚体，这两条多肽链分别由COL1A1和 COL1A2 基因编码［8，10］，其中 COL1A1 基因位于第17号染色体，基因大小约18 kb［11］。Grant等［12］最早发现位于COL1A1基因第1内含子区域的转录因子SP1结合位点存在单核苷酸多态性（G→T碱基替换），并将基因多态性按 SS（GG）、Ss（GT）和ss（TT）进行分型。 Khoschnau 等［10］通过病例对照研究发现，韧带损伤和肩关节脱位与位于COL1A1基因转录调控区的SP1结合位点的单核苷酸多态性相关。实验纳入358个交叉韧带损伤或肩关节脱位的患者作为病例组，325个健康女性作为对照组，比较分析两组研究对象COL1A1基因SP1结合位点多态性的基因型分布情况，研究结果显示：病例组的ss基因型频率明显小于对照组 （OR，0.15；95%CI，0.03～0.68）；另外，与携带SS基因型人群相比，携带ss基因型人群的韧带损伤和肩关节脱位的风险可以减少85%，且降低韧带损伤和肩关节脱位风险的几率相似，而两组研究对象的SS和Ss基因型分布没有差异。由此可知，COL1A1基因SP1结合位点的ss基因型可以降低ACL损伤的几率，对ACL有保护作用。同样，Posthumus等［13］研究发现，ACL 损伤具有明显家族聚集性和基因易感性，其易感基因也与COL1A1基因SP1结合位点的G/T多态性相关。实验通过对117个临床确诊为ACL损伤和130个健康且以前没有韧带或跟腱损伤的高加索人进行病例对照研究，结果表明，与对照组相比，病例组的COL1A1基因SP1结合位点的TT基因型明显缺乏（P=0.031），与 Khoschnau 等［10］的研究结果一致。目前关于COL1A1 SP1的ss（TT）基因型可以降低ACL损伤的机理还不清楚。有研究认为，COL1A1基因SP1结合位点的单核苷酸多态性G→T碱基的替换可以增加转录因子SP1的结合力，引起COL1A1基因表达增强，从而可能增加构成ACL的主要蛋白成分Ⅰ型胶原的含量，增加韧带的抗张强度，减少ACL损伤的可能性［10，14］；也有研究显示，ACL 损伤后Ⅰ型胶原基因表达水平的不同可影响其康复的程度［15］，可能也与SP1结合位点G/T多态性相关。综上所述，COL1A1基因第1内含子内SP1结合位点的ss（TT）基因型对ACL有保护作用，可以减少其损伤，而缺乏此基因型的人群，ACL损伤的发生率可能会增加。

但国内有研究表明，汉族人Ⅰ型胶原α1-链编码基因SP1结合位点不存在G→T碱基突变或极其稀少，即COL1A1基因SP1结合位点只存在SS基因型，而缺少 Ss和 ss 基因型［16，17］，提示 COL1A1 基因SP1结合位点的单核苷酸多态性可能存在种族的差异性。在汉族人群中，COL1A1基因SP1结合位点上是否存在与ACL损伤有关的易感基因，仍有待于进一步研究。

1.2 Ⅴ型胶原（typeⅤcollagen）相关基因

Ⅴ型胶原也是构成韧带的主要结构成分之一，大约占韧带胶原成分总量的10%［18］，大多是由2条α1-链和1条α2-链组成的异源三聚体，其中α1-链由COL5A1基因编码，位于第9号染色体［19］。研究发现位于COL5A1基因的3’端非编码区含有BstUI和DpnⅡ限制性片段长度多态性（RFLP）两个序列变异体［20］。有研究表明，COL5A1基因多态性和跟腱损伤存在一定关联［19，21］。 既然 COL5A1 基因多态性和跟腱损伤有关，而跟腱和韧带的构成成分和组织结构非常相似［22］，故COL5A1基因多态性可能和ACL损伤也存在一定的关联［19］。为了验证上述假设正确与否，Posthumus 等［23］进一步研究了 COL5A1 基因 BstUI RFLP（rs12722 位点）和 DpnⅡ RFLP（rs13946 位点）两个序列变异体与ACL损伤之间的关系。实验筛选129个临床确诊为ACL损伤和216个健康且没有ACL损伤史的白种人进行病例对照研究，研究结果显示，病例组和对照组比较，BstUI RFLP和DpnⅡ RFLP的基因型（TT/TC/CC）分布都没有差别，而当两组男性和女性单独分析时，对照组女性的BstUI RFLP CC基因型频率明显高于病例组女性 （P=0.006），但两组男性的BstUI RFLP基因型频率比较都没有差别；此外，两组中无论男性还是女性比较，DpnⅡRFLP基因型分布都没有差别。综上所述，位于 COL5A1基因3’端非编码区的BstUI RFLP CC基因型可以降低女性ACL损伤的风险，而DpnⅡRFLP变异体和ACL损伤没有关联。至于为什么BstUI RFLP变异体只与女性的ACL损伤有关，确切机制目前尚不清楚，而且由于研究样本量较少，结论的可靠性及可推广性仍需在更大的人群和不同的种族中进一步研究。

1.3 Ⅻ型胶原（typeⅫcollagen）相关基因

Ⅻ型胶原与Ⅰ型和Ⅴ型胶原一样也是构成韧带的结构成分之一，但其结构不同于Ⅰ型和Ⅴ型胶原，是由3条相同的α1-链组成的同三聚体，编码基因（COL12A1基因）位于第6号染色体［24］。 有研究表明COL12A1基因的两个序列变异体AluI RFLP（位于第65外显子，rs970547位点）的GG基因型和BsrI RFLP（位于第29外显子，rs240736位点）的CC基因型在跟腱损伤的患者中明显缺乏［25］。由于跟腱和韧带有相似的构成成分和组织结构，而急性软组织损伤可能存在相似的遗传易感因素［26］，所以为了进一步研究 COL12A1基因 AluI RFLP（A/G）和 BsrI RFLP（C/T）两个变异体是否与ACL损伤也有关联，Posthumus等［27］利用以前研究COL5A1基因时筛选的129个有ACL损伤和216个健康且没有ACL损伤史的高加索人作病例对照研究。研究发现病例组和对照组COL12A1 AluI RFLP基因型和等位基因频率分布都没有差异，而单独比较女性时，病例组AluI RFLP AA基因型频率明显高于对照组 （P=0.048），但男性并无此差别；两组中无论是总体比较还是男性和女性单独比较，BsrI RFLP的基因型和等位基因频率分布都没有差异，故BsrI RFLP可能与ACL损伤没有关联。综上所述，COL12A1基因AluI RFLP AA基因型能增加女性ACL损伤的风险，又是一个与女性ACL损伤有关的易感基因。同样，由于研究样本量不大以及研究对象受种族人群的限制，仍需要进行大样本多地域多中心的临床研究。

2 基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）相关基因

MMPs是一类依赖锌离子的蛋白水解酶，能被巨噬细胞、中性粒细胞、纤维母细胞和肿瘤细胞等多种细胞合成，可以降解细胞外基质。目前已发现的与人类有关的MMPs蛋白水解酶家族成员至少有24个，根据结构域的不同和酶与底物结合的特异性可分为：胶原酶（包括 MMP1，8，13 等）、明胶酶（包括MMP2，9 等）、基质溶解素（包括 MMP3，10 等）、膜型金属蛋白酶（包括 MMP14，15，16等）、交配相关蛋白（包括MMP7，26等）以及其他金属蛋白酶（如金属弹性酶 MMP12 等）［28］。其中 MMP8，10，1，3，12，7和 13的基因都位于第11号染色体q22上［29］。近年来，随着分子生物学的快速发展，从分子水平对MMPs的相关研究也越来越深入，有研究发现MMP1，3和12基因多态性可影响MMPs的结构及功能，且与一些疾病的发生存在密切联系［30-32］。此外，最近有文献报道MMPs基因多态性可能与ACL损伤有关［33］。

Raleigh等［32］研究认为，位于 11号染色体 q22上的MMP3基因rs679620位点G/A多态性与跟腱病变有关。为了进一步研究MMP3基因及同位于11号染色体q22上的MMP1，10，12基因单核苷酸多态性与 ACL 损伤之间的关系，Posthumus 等［34］再次利用以前研究COL5A1或COL12A1基因时筛选的研究对象进行病例对照研究，其中病例组中有54个是由于非接触性原因造成的ACL损伤，又从病例组中分出亚组为非接触性损伤组。实验主要研究的基因多态性包括：MMP1基因rs1799750位点1G/2G变异体，MMP3基因rs679620位点 G/A变异体，MMP10基因 rs486055位点C/T变异体和MMP12基因rs2276109位点A/G变异体。分析所有研究对象4个选定基因的单核苷酸多态性，并根据特殊荧光探针PCR法的分析结果进行基因分型。研究结果显示非接触性损伤组MMP12基因rs2276109位点的GG和AG基因型频率明显小于对照组 （P=0.03），而两组间其它3个基因相应位点的基因型分布都没有差别，故MMP12基因rs2276109位点的GG和AG基因型缺乏可能是导致非接触性ACL损伤的一个内在遗传因素。实验还研究了4个基因相应位点上的等位基因构成的单体型与ACL损伤之间的关系，4个基因变异体按顺序MMP10，1，3和12可以随机组合出16种4-变异体单体型，其中对照组的T-1G-A-A单体型频率明显高于病例组 （P=0.033），而C-2G-G-G单体型频率明显高于非接触性损伤组（P=0.021），对于3-变异体单体型和2-变异体单体型，对照组的 2G-G-G（按 MMP1，3，12顺序）和G-G（按MMP3，12顺序）单体型频率明显高于非接触性损伤组（P<0.05），但与病例组相比并无差别。由此可知，MMP3 rs679620和MMP12 rs2276109基因位点上的G等位基因可能会降低非接触性ACL损伤的风险；此外，MMP10，1，3和12基因位点构成的单体型中，有一些可能是避免ACL损伤的基因保护因素；研究中还发现MMP3基因rs679620位点G/A多态性和COL5A1基因rs12722位点T/C多态性之间相互作用与女性ACL损伤也有一定关联。综上所述，Posthumus等研究证实了位于11号染色体q22上的MMP10，1，3和12基因存在单个单核苷酸多态性以及多个单核苷酸多态性构成的单体型与ACL损伤相关，另外，基因与基因之间相互作用对ACL损伤也有影响。

3 ACL损伤的性别差异性

大量的研究表明，ACL损伤存在性别差异，女性ACL 损伤的概率比男性高［2，35，36］，造成这种差异的机理仍不清楚，性激素水平的不同可能是引起此差异的一个内在因素［37，38］，而 COL5A1 BstUI RFLP CC 基因型，COL12A1 AluI RFLP AA基因型以及COL5A1和MMP3基因间的相互作用只与女性的ACL损伤有关，可能也是造成此差异的内在遗传因素。Liu等［39］研究表明ACL上存在雌激素和黄体酮受体，激素水平的周期性变化可通过与相应受体的作用而影响ACL的结构及功能。有研究认为雌激素和黄体酮可通过调节TIMPs（金属蛋白酶组织抑制因子）和MMPs基因在各种组织中的转录水平而影响MMPs和/或 TIMPs 基因的表达［40，41］。 Foos 等［42］研究发现在人的 ACL中可以检测到 9种 MMPs（MMP1，2，3，7，9，11，14，17，18）和 4 种 TIMPs（TIMP1，2，3，4）基因 mRNA 的转录。 正常结缔组织细胞外基质成分的合成和降解始终处于动态平衡状态，主要受MMPs（主要降解细胞外基质）与TIMPs（抑制细胞外基质降解）的调节，而这种平衡的调节主要发生在MMPs和TIMPs基因的转录水平和MMPs活性受抑制以及酶原的激活过程，如果组织中MMPs和TIMPs比例失衡，常导致细胞外基质合成和降解平衡的紊乱，进而可能引起组织结构的纤维化或退变，组织发生重塑［28，42］。 类似地，有文献报道女性的ACL内MMP3基因 mRNA平均转录水平比男性高［43］，有可能导致 ACL内 MMPs和 TIMPs比例失衡，引起ACL发生重塑，降低其抗张强度，容易使ACL发生损伤。

4 小结及展望

ACL损伤是内在和外在多重因素共同作用的结果。近年来，遗传因素作为引起ACL损伤的重要内在因素，越来越受到人们的重视。从内在因素寻找ACL损伤的易感基因，研究基因与ACL损伤的内在联系及其作用机制，可以加深我们对ACL损伤的病理生理和发病机制的认识，对预防和治疗ACL损伤具有极其重要的作用。尤其对于某些专项运动员，可以根据是否携带ACL损伤的易感基因，制定不同的个人专项训练计划。对携带ACL损伤易感基因的运动员应采取积极的防护措施，尽量避免外部一些不良诱因，减少ACL损伤的风险。鉴于女性ACL损伤的发生率高于男性，所以女性运动员制定训练计划时更应该注重内因并结合外因，从而达到减少ACL损伤发生的目的。

从目前的相关研究来看，虽然我们已经证实了一些与ACL损伤有关的易感基因的存在，但由于实验样本量有限以及研究对象受地域和种族的限制等原因，实验结论的可靠性和普遍性有待于我们扩大样本量、扩大地域进一步研究。此外，由于ACL损伤是基因与基因、基因与环境共同影响的结果，故可能还存在与ACL损伤有关的其它易感基因等待我们去研究。

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