Hox基因在马蹄内翻足病因中的研究进展

刘凤松，胡钦亮，杜世新

Hox基因在马蹄内翻足病因中的研究进展

刘凤松，胡钦亮，杜世新△

先天性马蹄内翻足（CCF）是危害儿童健康的常见先天畸形，病因不明，现阶段认为是多基因遗传因素与环境因素共同作用的结果。关于遗传因素在CCF病因中的研究众多，结合目前研究成果，多个基因可能在CCF发病中起重要作用，如同源异型盒基因（Hox）、PITX1、NAT2、P63、DTDS、COL9A等，这为探讨CCF的预防和治疗提供了更多设想，但是还未确定哪个基因在发病因素中起决定性作用。近年来有研究报道显示CCF发病与Hox基因的表达密切相关。Hox是一类专门调控生物形体的基因，一但它发生突变，就会导致身体的一部分变形，在人体中表现为肢体的先天畸形。本文就Hox在CCF致病相关基因的研究进展作一综述，为其临床治疗提供基础。

基因，同源盒；马蹄足畸形；遗传学，医学；综述；HOTAIR

先天性马蹄内翻足（CCF）是危害儿童健康的常见先天畸形，病因不明，现阶段认为是多基因遗传因素与环境因素共同作用的结果［1］。CCF发病率为0.1%～0.8%，双侧同时发病占50%，有24%～50%有家族史［2］。先天性马蹄内翻足畸形的确切病因迄今不清。目前临床多认为遗传因素、胚胎因素、环境因素等是CCF发病的可能病因。其中，遗传因素和环境因素起着重要作用。可能在CCF发病中起重要作用的基因有同源异型盒基因（Hox）、PITX1［3］、NAT2、P63［4］、DTDS、COL9A等，但是还未确定哪个基因在发病因素中起决定性作用。有研究表明，Hox基因的异常表达与CCF的发生关系密切［5］。长链非编码RNA（lncRNA）通过调节相关基因的表观遗传特征来影响胚胎发育的功能，有助于阐明CCF的发病机制［6］。本文就CCF的可能致病基因Hox基因的研究进展进行简要综述，为揭示CCF的发病机制提供参考。

1 Hox基因

Hox基因属于同源异型盒家族的成员之一，是生物体中一类专门调控生物形体的基因，同源异型盒基因是脊椎动物胚胎发育及器官形成的主要调控基因。Hox基因是一个进化上高度保守的基因家族，在大多数Hox基因中，会含有一段约180个核苷酸的同源异型盒，可以转录出含有约60个氨基酸序列的蛋白质，称为同源蛋白质区段。Hox基因所编码的60个氨基酸构成螺旋-转角-螺旋结构的同源结构域，作为转录调控因子发挥作用。Hox基因通过相互作用或作用于其他靶基因来调控不同蛋白质的表达，从而决定胚胎在发育过程中的细胞增殖、迁移、分化、凋亡的时空状况，并最终决定胚胎的组织和器官的成形［7］。

在脊椎动物中，Hox基因以基因簇的形式存在于染色体中。在哺乳动物中，有4个基因簇存在于4个不同的染色体中。人类与大鼠的Hox基因亚群由A（人7号、大鼠4号染色体）、B（人17号、大鼠10号染色体）、C（人12号、大鼠7号染色体）、D（人2号、大鼠3号染色体）4个基因簇（每簇最多13个基因），共39个Hox基因组成［8］。从进化的角度看，4个Hox基因家族中，Hox D最古老，Hox B和Hox C相对年轻，Hox A和Hox D在调节肢体形成中起重要作用。

2 Hox基因与肢体形成

肢体发育是复杂多基因时空的表达调控过程。首先是边侧盘的中胚层间充质细胞在一系列调控因子的作用下发育形成肢芽，并确定其前后端（A-P）与近远端（P-D）轴向。肢芽顶端的间充质细胞诱导覆盖在其上面的外胚层细胞增厚，形成顶端外胚层脊（AER）。AER又诱导其下面间充质细胞快速生长，进而形成进展区（PZ），而在肢芽后部边缘则有一个由间充质细胞构成的极化活动区（ZPA）。

ZPA形成后，Hox基因家族中的Hox D9～D13以ZPA为原点，沿着A-P轴呈巢式表达形式：Hox D9贯穿于整个区域，其后是Hox D9～D11，后部区域是Hox D9～D13表达；Hox A基因则是沿着P-D轴以Hox A9、Hox A9-A11、Hox A9-A13顺序表达，如果其中的基因发生异常，则会导致某些肢体畸形［9］。

CCF与骨骼、肌肉、软组织、神经和血管等发育异常有关。动物实验表明，缺乏Hox11基因的功能将导致动物肢体的明显畸形，Hox11基因在骨骼、肌肉、肌腱的形成及其之间的结合上起重要作用［10］。因此可以推测CCF的发生是肢体发育过程中Hox基因调控发生异常的结果，进而导致胚胎发育缺陷。

Chew等［11］的动物实验认为，HoxA13和HoxD13在肢体前肢和后肢的发育过程中起作用。Hox不仅表达于整个发育胚胎期，而且表达于新生儿期。该实验还证明，Hox家族中Hox D9基因不仅在调节正常关节的早期形成中起作用，而且参与出生后关节疾病的病理生理过程。可以推测，Hox基因不仅在胚胎形成过程中调节后肢发育，导致CCF，而且使CCF的病理改变在出生后进一步加重。

3 Hox基因与表观遗传

表观遗传变化是一种可遗传性表型变化，其发生原因不是DNA序列改变，而是主要由DNA甲基化、组蛋白甲基化以及RNA介导的基因沉默等引发。近年来，继miroRNA、内源性siRNA之后，lncRNA的表观遗传调控机制越来越引起人们的重视。lncRNA是一类转录长度大于200 nt的RNA分子，它并不编码蛋白质，而是以RNA的形式在多个层面上调控基因的表达水平，与物种进化、胚胎发育以及肿瘤发生等都有着紧密的联系。已经证实人类细胞基因组转录的lncRNA超过1 000种［12］。由于研究处于初始阶段，仅有为数不多的lncRNA的性质和功能得到了鉴定，包括Xist、HOTAIR、Kcnq1ot1、AIR等。

Rinn等［13］在人类Hox基因家族中发现了超过200个lncRNA，其中HOTAIR是来自Hox C12和Hox C13基因之间的一段反义非编码序列，全长2.2 kb。HOTAIR不对12号染色体的Hox C基因家族发挥cis作用，却反式作用于2号染色体上的Hox D基因簇，使Hox D8、Hox D9、Hox D10及Hox D11基因部分区域特别是启动子区域组蛋白H3K27三甲基化，使这些基因沉默，敲减HOTAIR能够使HoxD基因簇迅速活化。

Hox基因对表观遗传的修饰不仅贯穿胚胎形成期，也贯穿机体的一生［14］。Hox基因可以抑制多能干细胞分化成平滑肌细胞［15］，这对探讨Hox基因调节血管、肌肉形成在CCF发病中的作用提供了依据。

4 Hox基因与马蹄内翻足

Hox基因调节神经、肌肉、骨骼和血管等肢体形成的各个方面，因此可以推测CCF的发生是肢体发育过程中Hox基因调控异常导致胚胎发育缺陷所致。Wang等［16］研究表明，Hox D13通过调节FHL1在CCF中起作用，从而说明Hox D13可能是CCF的重要易感基因。Hox基因异常使血管发育缺陷，最终因缺血或血栓形成导致缺氧、影响肢芽形成而产生畸形。

近来发现lncRNA，HOTAIR能够通过介导抑制性组蛋白H3K27甲基化这一表观遗传修饰来调控Hox D8-11基因的表达，而HOTAIR在胚胎发育过程中又集中表达在足部；HOTAIR通过募集PCR2复合体导致Hox D基因的组蛋白H3K27甲基化，进而抑制Hox D的表达［17］。胚胎发育中内外环境因素的变化导致HOTAIR-Hox D表达调控途径的异常可能是CCF的主要成因之一。

综上所述，CCF在遗传方面的病因十分复杂，一些研究虽取得了一定进展，尤其是对Hox基因的研究，但是具体的易感基因并不明确，很多基因之间的相互作用机制仍有待于进一步的研究。期待在不久的将来，有关CCF的致病基因及分子遗传学机制能更加明确，使临床医生对于CCF发病机制有更深入的了解，为CCF的诊断、预防、治疗提供指导。

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（2014-10-17收稿 2014-12-05修回）

（本文编辑 魏杰）

Current research of role of Hox genes in pathogenesis of equinus deformity

LIU Fengsong，HU Qinliang，DU Shixin△
Department of Orthopaedics，Second Hospital of Tianjin Medical University，Tianjin 3002111，China

Congenital clubfoot（CCF），which is also known as equines deformity，is a common congenital malformation that affect children′s life quality.However，its cause is still to be elucidated.Currently，polygenetic and environmental factors are both believed to play important roles in CCF pathogenesis.Several genes including HOX，PITX1，NAT2，P63，DTDS and COL9A were shown to contribute to congenital clubfoot，but which is the most critical gene remains unclear.Several reports have revealed that Hox genes are closely related to the cause of CCF.Hox genes are regulators of body morphogenesis，and its mutation result in limbs and trunk deformity in human.Here，we systematically reviewed the latest literature that studied the role of Hox genes in pathogenesis of Congenital clubfoot，with the prospect of laying a foundation for its future clinic treatment.

genes，homeobox；equinus deformity；genetics，medical；review；HOTAIR

R682.1+6

A DOI:10.11958/j.issn.0253-9896.2015.06.033

天津医科大学第二医院骨科（邮编300211）

刘凤松（1977），男，主治医师，硕士，主要从事脊柱、关节和四肢骨折疾病治疗方面的研究

△审校者