前交叉韧带损伤的易感基因研究进展

李建 李彦林 尤志敏 黄赞

作者单位：650032 云南，昆明医科大学第一附属医院运动医学科

Susceptibility gene research progress of anterior cruciate ligament injury

LI Jian, LI Yan-lin, YOU Zhi-min,HUANG Zan.The first Affiliated Hospital of Kunming Medical University of Sports Medicine, Kunming, Yunnan,650032, PRCCorresponding author: LI Yan-lin, Email: 852387873@qq.com

前交叉韧带损伤的易感基因研究进展

李建 李彦林 尤志敏 黄赞

作者单位：650032 云南，昆明医科大学第一附属医院运动医学科

Susceptibility gene research progress of anterior cruciate ligament injury

LI Jian, LI Yan-lin, YOU Zhi-min,HUANG Zan.The first Affiliated Hospital of Kunming Medical University of Sports Medicine, Kunming, Yunnan,650032, PRC
Corresponding author: LI Yan-lin, Email: 852387873@qq.com

【关键词】前交叉韧带；创伤和损伤；胶原；基质金属蛋白酶类；基因

前交叉韧带 ( anterior cruciate ligament，ACL ) 最主要的功能是防止胫骨前移，维持膝关节结构稳定和正常运动，还有限制胫骨内旋，防止过伸以及限制内外翻的作用。焦晨等[1]发现正常 ACL 具有紧密排列、成波浪状走行的胶原纤维结构，且 ACL 组织中具有与其功能相关的连接纤维。胶原纤维分布密集直径大小不一，多为 30～60 nm。一般情况下，由于胶原纤维韧性很强，ACL 是不容易损伤的，但是 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。国外有文献报道，ACL 损伤后骨性关节炎的发生率明显升高[2-4]，常引起膝关节疼痛及功能受限。所以，寻找ACL 损伤原因，有效地预防 ACL 的运动损伤，对于专业运动员而言，尤其重要。然而，引起 ACL 损伤的病因目前尚不清楚。Bahr 等[5]认为 ACL 的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，愈来愈受到人们的重视[6]。国外有研究表明，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[7-9]，现就引起 ACL损伤的易感基因的研究进展综述如下。

一、基质金属蛋白酶 ( matrix metalloproteinase，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MMP-1，-8，-13 等 )、明胶酶 ( 包括 MMP-2，-9 等 )、基质溶解素 ( 包括 MMP-3，-10 等 )、膜型金属蛋白酶 ( 包括MMP-14，-15，-16 等 )、交配相关蛋白 ( 包括 MMP-7，-26 等 ) 以及其它金属蛋白酶 ( 如金属弹性酶 MMP-12 等 )[10]，其中 MMP-1，-3，-7，-8，-10，-12 和 -13 的基因都位于第 11 号染色体 q22 上[11]。Posthumus 等[12]为了研究 11 号染色体 q22 上的 MMPs 相关基因和 ACL 损伤的关系，选取临床上确诊为 ACL 损伤的 129 例运动员( 38 例女性，91 例男性 ) 为实验组，其中包括 54 例无接触性损伤病史的 ACL 患者；对照组为来自同一地区没有任何 ACL 损伤病史及家族史的 216 名运动员 ( 83 名女性，133 名男性 )，对所有参与者进行 MMP-10C/Trs486055，MMP-11G/2G rs1799750，MMP-3G/A rs679620 以及 MMP-12A/G rs2276109 变异的基因型检测，结果表明，MMP-12A/G rs2276109 的 AG 和 GG 基因型在非接触性损伤组中有明显的差异；在实验组和对照组中，另外 2 个基因的 4 种变异基因型 T-1G-A-A 和C-2G-G-G 也存在显著差异，第一次报道了 11 号染色体q22 上的 MMPs 相关基因和 ACL 的损伤有关。此外，有研究发现 MMP-3 基因多态性可能与 ACL 损伤有关[13]。国外有学者研究认为，位于 11 号染色体 q22 上的 MMP-3基因 rs679620 位点 G/A 多态性与跟腱病变有关[14]。为了进一步研究 MMP-3 基因单核苷酸多态性与 ACL 损伤之间的关系，Malila 等[15]选取 186 名运动员进行研究，每一个参与者都提供详细的个人资料和 ACL 损伤的家族病史，实验组为 86 例确诊为 ACL 损伤的运动员，又将实验组分为接触性运动损伤和非接触性运动损伤 2 个亚组。对照组为来自同一运动队的全部健康并且没有任何 ACL 损伤的病史的 100 名运动员。实验标本来自于运动员的血液，用限制性片段长度多态性聚合酶链反应 ( PCR-RFLP )进行 MMP-3 基因多态性检测 ( -1612 5A/6A )，研究结果显示，在基因型方面，ACL 损伤亚组之间有明显差别[ 5A＋( 5A/5A，5A/6A ) ]，在等位基因方面，也有显著差别。对于接触性运动损伤者，MMP-3 基因型 5A＋ 出现在 ACL 损伤中，因此，推测这个序列变异 ( 5A＋ ) 和 ACL损伤有关。

二、胶原相关基因

胶原是构成细胞外基质的一种结构蛋白，由 3 条相同或不同的仅一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。Myllyharju 等[16]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，目前研究表明与 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[17]。

1. I 型胶原相关基因： 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[18]。I 型胶原是由 2 条 α-1链和 1 条 α-2 链构成的异三聚体，这两条多肽链分别由COL1A1 和 COL1A2 基因编码[16,19]，COL1A1 基因位于17 号染色体 q21 上，基因大小约 18kb[20]。早在 1996 年，Grant 等[21]最早发现位于 COL1Al 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[22]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 SPl 结合位点的单核苷酸多态性相关。研究表明[23-24]，不常见的 COL1A1Sp1 TT 基因型在 ACL 损伤中有显著的意义，并且高频率的 COL1A1 TT 基因型能够保护对抗 ACL 损伤。Stępien-Słodkowska 等[25]研究了 COL1A1 基因 ( ＋1245G/T ) 多态性与 ACL 损伤的关系，实验选取 138 例诊断为ACL 损伤的滑雪运动员为实验组，对照组为 183 名健康且没有任何 ACL 损伤病史的滑雪运动员，实验标本来自于运动员的口腔黏膜上皮细胞，采用 PCR 特殊免疫荧光方法分离基因型，研究结果表明与携带等位基因 T 相比，携带等位基因 G 能降低 ACL 损伤的风险。Ficek 等[26]为了研究 COL1A1 基因和 ACL 损伤的关系，91 例 ACL 损伤的足球运动员为实验组，对照组为 143 名健康且没有任何ACL 损伤病史的同一个足球队里的运动员，实验方法和Stępien-Słodkowska 等的研究方法一样，实验标本也是来自于运动员的口腔黏膜上皮细胞，采用 PCR 特殊免疫荧光方法分离基因型，研究结果显示高频率的 COLIA1 G-T ( -1997 G/T 和＋1245G/T 基因多态性 ) 基因多态性能显著降低足球运动员 ACL 损伤的风险 ( P＝0.048 )。TT 基因型在 ACL 损伤的人群中低表达，然而，和对照组相比差异无统计学意义 ( P＝0.084 )。可见，COLIA1 基因和 ACL的损伤有关，是 ACL 损伤的易感基因之一。

2. V 型胶原相关基因：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 10%[27]。有研究表明，COL5A1 基因多态性和跟腱损伤存在一定关联[28-29]。既 COL5Al 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[30]，故 COL5A1基因多态性可能和 ACL 损伤也存在一定的关联[29]。为了验证上述假设多的正确性，Posthunlus 等[31]进一步研究了 COL5A1 基因 BstUl RFLP ( rsl2722 位点 ) 和 DpnII RFLP ( rs13946 位点 ) 两个序列变异体与 ACL 损伤之间的关系，实验选取 129 例临床上确诊为 ACL 损伤的白种人 ( 38 例女性，91 例男性 ) 为实验组，216 名健康且没有 ACL 损伤史的白种人 ( 84 名女性，132 名男性 ) 为对照组，研究结果显示位于 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。最近国外学者 O’Connell 等[32]研究表明 COL5A1 rs12722 T/C and COL12A1 rs970547 A/G 与 ACL 损伤有关，这次研究结果突出显示了基因-基因之间相互作用在 ACL 损伤中的重要性。

3. XII 型胶原相关基因：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 ( COLl2A1 基因 ) 位于第 6 号染色体[33]。Posthumus 等[34]在以前研究 COL5A1 基因与 ACL损伤的关系的基础上，选取 129 例确诊为 ACL 损伤和216 名健康且没有 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 COLl2A1 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 RnP AA 基因型频率明显高于对照组 ( P＝0.048 )，但男性并无此差异；两组中无论是总体比较还是男性和女性单独比较，Bsrl RFLP 的基因型和等位基因频率分布都没有差异。因此，COLl2A1 基因 AluIRFLP 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。但是，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。

4. III 型胶原相关基因：ACL 具有与其它结缔组织类似的超微结构[35]。有研究表明[36]，在人体结缔组织重塑中起着重要作用的是细胞外基质 ( ECM ) 合成和降解的动态平衡。ECM 的主要成分是胶原蛋白，在皮肤、肌腱和筋膜中，I 型和 III 型胶原蛋白是其主要的胶原类型，占95%。I 型胶原较成熟和稳定，其张力强度高，而 III 型胶原的弹力较低，主要形成细的纤维束，是不成熟、不稳定的胶原。两者的比例在维持组织的结构稳定性方面起着重要作用，I/III 型胶原蛋白比例下降会引起组织结构变化，稳定性降低。Ficek 等[26]研究表明 COL1A1 相关基因能降低非接触性 ACL 损伤风险，可以测定 I 型与 III 型胶原蛋白含量的比例以及微小 RNA 的表达来推测 I 型胶原相关基因能降低 ACL 损伤风险的正确性。推测 III 型胶原相关基因和 ACL 损伤有关，只是结果的正确性有待临床试验验证。

三、生长分化因子 5 ( GDF5 ) 相关基因

最近国外学者 September 等[37]研究表明，GDF5 相关基因 5，非翻译区的变异体 ( rs143383 ) 与跟腱病变风险有关。与 V 型胶原相关基因和 ACL 损伤研究相同的道理，既然 GDF5 相关基因 5，非翻译区的变异体 ( rs143383 )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[30]，故 GDF5 相关基因 5，非翻译区的变异体( rs143383 ) 可能和 ACL 损伤也存在一定的关联[29]，为了研究 GDF5 相关基因 5，非翻译区的变异体 ( rs143383 ) 与ACL 损伤之间是否存在关系。Raleigh 等[38]选取 126 例确诊为 ACL 损伤的白种人为实验组 ( ACL 损伤组 )，包括51 例非接触性 ACL 损伤的患者 ( 非接触性 ACL 损伤组 )，以及 214 名没有任何 ACL 损伤病史的白种人作为对照组 ( 对照组 ) 进行 GDF-5 相关基因 5，非翻译区的变异体( rs143383 ) 的基因分型。研究结果表明 GDF5 rs143383 基因型或等位基因在实验组 ( ACL 损伤组 ) 和对照组之间没有明显的差异。并且在非接触性 ACL 损伤组和对照组，无显著差异。此外，在性别方面，发现 GDF5 rs143383 在实验组与对照组没有统计学意义。亦无论是男性还是女性，在非接触性 ACL 损伤组中，基因型或等位基因都没有任何的关联。总之，GDF5 rs143383 变异未发现与 ACL损伤有任何关联。

四、小结与展望

ACL 损伤是内因和外因共同作用的结果。尽管 ACL损伤在临床上是很常见的，特别是在运动员中，但是目前对 ACL 损伤的具体机制仍未研究清楚，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。随着分子生物学及基因工程的发展，从内在遗传因素寻找 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意义。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，制订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，从而减少 ACL 损伤的风险。

就目前的相关研究来看，虽然已经证实了基质金属蛋白酶 3 相关基因、I 型胶原基因、V 型胶原基因、VII 型胶原基因与 ACL 损伤有关，但由于实验样本量有限以及研究对象受地域和种族等原因的限制，实验结论的可靠性和普遍性有待于扩大样本量、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，故可能还有与 ACL 损伤有关的其它易感基因有待进一步进行研究。

相信在不久的将来，通过基因工程对 ACL 损伤有关的易感基因进行深入地研究，能找到全部的易感基因并明确它们的作用机制，为预防与治疗 ACL 损伤提供可能。

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( 本文编辑：李贵存 )

. 综述 Review .

【Abstract】Anterior cruciate ligament ( ACL ) rupture is one of the common injuries in clinic, especially in athletes. ACL ruptures are caused by extrinsic and intrinsic risk factors. Former research indicated that family aggregation and gene sensitivity associated with ACL injuries. Susceptibility genes were considered as intrinsic risk factors. Recently, research shows that the MMP-3 gene, COL1A1 gene COL5A1 gene and COL12A1 gene associated with ACL injury.

【Key words】Anterior cruciate ligamen; Wounds and injuries; Collagen; Matrix metalloproteinases; Genes

( 收稿日期：2014-10-13 )

通信作者：李彦林，Email: 852387873@qq.com

基金项目：云南省国际合作项目 ( 2013IA004 ) 云南省运动医学学科带头人培养基金项目 ( D-201223 )

DOI:10.3969/j.issn.2095-252X.2015.07.017

中图分类号：R684