胎儿生长受限的遗传学机制研究进展

莫金桦 黄珺 蒋露 郑婷 陈敦金 余波澜

胎儿生长受限(fetal growth restriction，FGR) 是指胎儿受各种不利因素影响，未能达到其应有生长潜能。FGR表现为足月胎儿出生体重<2 500 g，或胎儿体重低于同孕龄平均体重两个标准差，或低于同孕龄正常体重的第10百分位数[1-2]，西方FGR发病率达10%[3]，中国平均为6.39%[4]。FGR是导致胎儿宫内死亡的主要原因，是导致新生儿死亡的第二大原因。FGR病因复杂，主要由母体因素、胎盘因素和遗传因素组成。其中遗传学因素是FGR的重要病因，主要作用于妊娠早期，占FGR总数的38%[5]。FGR有明显遗传倾向[6]，男性FGR患者后代发生FGR的概率是健康人的3.5倍，女性患者为4.7倍，而父母皆为FGR则高达16.3倍，胎儿出生体重与遗传的相关性高达45%[7]。FGR胎儿在围产期易发生胎儿窘迫、缺氧及酸中毒；并可影响其儿童期及青春期体能和智能的发育，导致成年后糖尿病、高血压和代谢性疾病等发病率增高[8-9]。目前诊断FGR主要依靠孕期超声检测和出生后身高、体重等体格指标[10-11]，但两者的缺陷在于其滞后性，确诊FGR时胎儿多已发育成型或者已经娩出。遗传学机制在FGR的发生发展中起着重要作用，检测双亲及胎儿的遗传学改变可为宫内胎儿生长发育状况和出生后疾病风险的评估研究提供重要线索。这种早期预测作用可以有效的弥补常规诊断的滞后性，给临床带来极大帮助。近年来随着科学技术的进步，FGR的遗传学研究有了更进一步的发展，现对其研究进展综述如下。

一、胰岛素样生长因子系统表达异常

胰岛素样生长因子系统由GH、IGF-Ⅰ/Ⅱ、IGF-Ⅰ/Ⅱ受体、IGF结合蛋白和IGFBP酶共同构成[12]。1957年，Salmon等[13]在研究生长激素(growth hormone，GH)作用时无意间发现，一种具有促进软骨细胞对硫的吸收，刺激软骨生长的硫化因子(SM)。直到上世纪80年代，SM才被分离、纯化，证实SM与IGF-1为同一物质。至今已经明确胰岛素样生长因子对胎儿生长发育有重要的调节作用。然而，这些激素是通过何种机制导致FGR，尚未阐明。

1. 胰岛素样生长因子Ⅰ(IGF-Ⅰ)：IGF-I基因位于第12号染色体长臂上，与胰岛素高度同源，可介导GH促进生长发育。进入血循环后游离状态的一部分与细胞表面的特异IGF-I受体结合，促进细胞增殖、分化、成熟。其在妊娠早期胚胎的形成过程中发挥重要作用，表现为诱导桑椹胚演变成胚泡[14]。

IGF-I最早可在妊娠第9周检测出来。人类IGF-I及IGF-I受体基因的突变可引发胎儿宫内和出生后生长迟缓[15-17]。母体本身能够产生足量的IGF-I，并且也可由胎盘分泌的胎盘泌乳素和生长激素通过母胎血液循环而作用于母体产生IGF-I。但因其不能通过胎盘屏障，所以在胎儿生长发育过程中所需的IGF-I主要来源于胎儿自体生成(肝细胞及胎膜组织)，并通过同化作用增加生物利用度。IGF-I在妊娠期对胎儿的生长发育尤为重要，其机制为IGF-I促进胎儿组织糖元、脂肪和蛋白质的合成，抑制胎儿组织蛋白质的降解，并通过调整氨基酸的需求和降低胎盘乳酸生成影响胎盘代谢水平。Pfaffle等[18-19]认为，GH-IGF-I轴基因缺陷是导致胎儿宫内受限主要原因。在GHRH-IGF-I轴的下端，由IGF-I和IGF-I受体基因的缺陷所致的起始IGF-I缺陷和IGF-I抵抗，占所有宫内生长受限病例的10%～15%。Labarta等[20]研究发现，IGF-I对生长发育的调节是通过IGF-I受体行使，IGF-I受体基因错义突变(c.A1549T,p.Y487F)是导致不同程度宫内及产后生长迟缓原因。

2. 胰岛素样生长因子Ⅱ(IGF-Ⅱ)：IGF-Ⅱ对胎儿生长发育具有重要意义。其机制通过作用于胎盘和胎儿胰腺，促进细胞的增殖、分化、合成和代谢，具体表现在着床前胚胎发育、滋养细胞侵入蜕膜、胎盘和胚胎的生长发育方面[21]。

IGF-ⅡmRNA的表达水平在妊娠的不同时期存在明显差异[22]。在妊娠13周之前，IGF-ⅡmRNA在滋养细胞中呈现普遍高水平表达，并且在绒毛滋养细胞侵入母体蜕膜前端时达到最高，妊娠13周以后维持在一个相对较低水平。进而说明IGF-Ⅱ与细胞滋养细胞侵入母体蜕膜的过程具有相关性。Sibley等[23]将小鼠的IGF-Ⅱ基因进行敲除，在妊娠的第19天敲除小鼠相对于对照野生型小鼠的胎盘和胎儿体重分别减少34%和24%，表现出胎盘重量减轻，且胎儿宫内生长受限。Lopez等[24]进一步研究发现，基因敲除小鼠与野生型小鼠在妊娠的前12天未出现相关差异，而12天之后敲除组出现相应的生长受限。其机制主要是小鼠胎盘糖原细胞在妊娠12天时才开始形成，IGF-Ⅱ基因敲除后，IGF-Ⅱ表达水平降低，使胎盘基底细胞层的糖原细胞减少，影响糖原代谢，在妊娠中晚期导致胎儿宫内生长迟缓(intrauterine growth retardation，IUGR)。同时，脐血中IGF-Ⅱ水平与FGR的发生有显著的相关性，进一步证实了IGF-Ⅱ是胎儿生长发育所必需的生长因子之一，在胎盘形成和胚胎生长发育过程发挥重要的调节作用。Begemann等[17]发现，IGF-Ⅱ突变(c.191C→Ap.Ser64Ter)导致一个家系中的4个家族成员发生FGR。表型分析发现突变的IGF-Ⅱ基因只通过父系遗传，这一结果跟孕产妇IGF-Ⅱ印记状态展示出一致性。同时，IGF-Ⅱ不仅作用于胎儿宫内生长，同样对出生后胎儿发育作用明显。因此，IGF-Ⅱ水平异常可能是导致Silver-Russell 综合征的原因。

二、同源盒基因表达异常

同源盒基因(Homeobox Sequence)是一簇含有183bp的高度保守的基因序列，具有识别和结合特异序列的DNA 单元域，调节下游的靶基因的作用。根据现有研究可将哺乳动物同源盒基因分两类。一类成簇排列在染色体上并按前后轴的方式表达，称Ⅰ类同源盒基因，又称为HOX基因，与果蝇同形异位复合体(HOM-C)同源。另一类分散在不同染色体上，称非Ⅰ类同源盒基因。目前的研究主要集中在HOX基因，人类HOX组成体系复杂，当前研究已发现的HOX基因有39种，还不断有新的同源盒基因被发现，根据定位染色体的不同分A、B、C、D4簇，分别位于染色体7p15.3、17p21.3、12q13.3和2q31，其中10个以上跟人类疾病相关[25-26]。

同源盒基因是McGinnis等[27]在1984 年首先在果蝇中发现，他们作为转录监管机构控制胚胎的形态发生。同源盒基因通过调控转录环节影响胎盘滋养层细胞的生长、分化，其表达的异常可导致胎盘发育不良，进而可导致母胎间血供不足，严重时造成FGR。Murthi等[28]研究发现同源盒基因(DLX3、DLX4、HLX、GAX、ESX1L和MSX2)的表达水平对胎盘的上皮细胞与间充质细胞之间作用具有重要意义，进而影响胚胎发育。同源盒基因HLX表达水平主要作用于胎盘滋养细胞，正常胎盘滋养细胞中HLX表达呈高水平，其表达降低易发生FGR。机制可能与HLX表达受抑制会降低c-myc,c-fos,cyclinB,andp34cdc2mRNA的表达有关。同时HLX下游靶基因RB1、MYC、EGR1、CDKN1C、ELK1、CCNB1及JUN也对滋养细胞功能有着重要作用，尤其CCNB1、CDKN1C、JUN和MYC意义重大。Chui[29]发现同源盒基因DLX3可调控hCG 和3-βHSD的分泌，进而影响胎盘滋养细胞的功能。Chui等[30]进一步研究发现，DLX3在特发性FGR胎盘里表达增加，与其调节绒毛滋养层细胞分化有关，具体表现在DLX3协调滋养层的多个监管机构分化的表达，其表达异常导致FGR。Pathirage等[31]表示，同源盒基因TGIF-1也具有调控绒毛滋养细胞分化作用，进而影响胎盘功能，它的表达增加与特发性FGR密切相关。DLX4的失活可导致胎盘细胞凋亡率改变。同源盒基因体系复杂，但随着研究的深入，更多的基因类型被发现、探索，其对胎盘的作用机制也将更加清晰。

三、染色体异常

FGR 的发病机制中，遗传因素起着重要的作用。基因程序性控制着个体生长发育的全程，宫内胎儿也不例外。双亲体型对后代具有显著的遗传性，胎儿出生体重也是体型遗传中的一种表现，研究发现胎儿出生体重差异因素中遗传因素占40%，并且母方的基因比父方的基因对胎儿体重的影响更加显著。Labatide 等[32]对法国7 228 例足月新生儿的调查中发现，FGR的发生具有明显的家族聚集倾向。FGR 胎儿中存在染色体异常约占17 %，包括：三体综合征(如21-三体、18-三体和13-三体)、性染色体异常、染色体不平衡及Turner’s 综合征等[5]。Yaegashi等[33]报道了74例Turner’s综合征，其中29例(占39.2 %)伴发FGR，并表示性染色体X短臂终端的SHOH基因可能参与FGR的发生。Ghezzi等[34]研究表明，FGR是胎儿父母双方的基因表达状况与环境因素共同作用结果，并倡导早期对双亲遗传因素筛查，它是控制FGR发病的一个重要有效举措。最近Pirollo等[35]汇报了一种极为罕见的染色体异常胎儿—5-X染色体综合症(49，XXXXX)，妊娠早期在彩色超声下可发现轻微FGR。

Sabri等[36]认为，FGR是各种胎盘基因相互作用的结果。CDKN1C基因(11p15.5)是一种父方印记基因，编码细胞周期依赖性蛋白激酶，具有负调控β细胞增值作用。CDKN1C基因突变将导致生长障碍，包括B-W综合征和IMAGe综合征[37]。但是，最近的一份报告指出具有IMAGe综合征或Silver-Russell综合征的生长—智力发育迟缓患者中，CDKN1C的PCNA区域呈现获得性功能突变[38]。Venhoranta等[39]研究发现，敲除牛的MIMT1基因(一种父系印迹基因PEG3中的一段非编码蛋白序列基因)后，导致其大脑转录组改变进而引发FGR。Nishimura等[40]发现，埃兹蛋白基因敲除小鼠会导致FGR。虽然埃兹蛋白合成障碍，使亚牛磺酸从母体血浆透过胎盘滋养细胞层减少，但是相对于野生型小鼠这种减少并不多。由此可见染色体异常及相关基因表达水平的差异均会导致FGR的发生，但具体的机制仍处于研究之中。

四、端粒与端粒酶

端粒由端粒结合蛋白和一段串联重复序列(TTAGGG)的端粒DNA 组成，具有保护染色体免被核酸酶降解而维持染色体稳定的重要作用[41]，为真核生物特有结构。正常生理情况下其长度随着细胞的分裂而逐渐缩短，缩短至一定长度时转为抑制细胞分裂，避免了细胞无节制分裂，而癌细胞表现相反。端粒酶的化学本质是一种以自身的RNA为模板反转录合成端粒的核糖核蛋白，其主要作用在于维持端粒长度稳定，从而使细胞具有永远分裂、分化功能。正常情况下只有生殖细胞和各种干细胞内表达端粒酶活性，当其表达在正常体细胞使其获得了不断分裂分化潜能时，即癌细胞。

端粒酶在哺乳动物发育过程中具有重要作用。端粒酶活性在胚胎细胞中明显高于成熟卵母细胞，而体细胞中检测不到端粒酶活性。研究发现，在IUGF胎儿中出现端粒缩短及端粒酶活性降低[41-43]。并有报道称编码端粒酶RNA模板的TERC基因，在FGR合并子痫前期的妊娠中存在端粒缩短和高聚合形成。说明端粒酶的活性变化也可能参与了FGR的发病过程。

除了以上论述的遗传学因素外，母胎界面免疫微环境、细胞凋亡和血管内皮生长因子(vascular endothelia growth factor,VEGF)等也在FGR遗传学机制中发挥重要作用。母胎界面免疫微环境由蜕膜中的免疫细胞(主要NK细胞[44])及其分泌的细胞因子组成，其稳定有利于妊娠的建立、维持以及胎儿的生长发育，失控则会导致FGR、妊娠失败、妊娠并发症等病理妊娠的发生。VEGF在胎儿宫内发育过程中发挥重要作用，其中胎盘生长因子(placental growth factor,PLGF)参与母胎界面的血管形成，具体表现为胎盘组织VEGF mRNA高表达[45]。细胞凋亡[46]引发FGR表现在合体滋养细胞凋亡增加打破与细胞滋养细胞之间的平衡，导致胎盘成熟障碍。

五、未来研究方向

FGR的发生和发展是复杂的病理生理过程，遗传因素可能是此过程中的重要因素。目前FGR的遗传学的具体机制尚未明确，仍需要进一步深入研究。过往研究多局限在单个基因片段上进行，还没有系统的研究各目标基因相互之间的作用机制，以及相关之间的遗传机制。在转录组、基因组、代谢组等多组学技术日趋发展完善的今天，以生物信息学和多组学技术为工具，可以预见FGR的遗传学机制将会得到进一步的阐明。

[1]Stephens AS, Bentley JP, Taylor LK, et al. Diagnosis of fetal growth restriction in perinatal deaths using brain to liver weight ratios [J]. Pathology, 2015,47(1):51-57.

[2]Figueras F, Gratacos E. Update on the diagnosis and classification of fetal growth restriction and proposal of a stage-based management protocol [J]. Fetal Diagn Ther, 2014,36(2):86-98.

[3]Solano ME, Kowal MK, O’Rourke GE, et al. Progesterone and HMOX-1 promote fetal growth by CD8+ T cell modulation [J]. J Clin Invest, 2015,125(4):1726-1738.

[4]苗治晶, 怀莹莹, 吴虹, 等. 胎儿生长受限预测方法的研究进展 [J]. 现代妇产科进展, 2015,24(4):315-317.

[5]颜耀华, 李力. 遗传与环境因素在胎儿生长受限发病中的作用 [J]. 国外医学.妇幼保健分册, 2004(03):129-131.

[6]Svensson AC, Pawitan Y, Cnattingius S, et al. Familial aggregation of small-for-gestational-age births: the importance of fetal genetic effects [J]. Am J Obstet Gynecol, 2006,194(2):475-479.

[7]董治亚. 宫内发育迟缓的分子发病机制研究进展 [J]. 中华实用儿科临床杂志, 2014,29(20):1521-1522.

[8]Wang KC, Zhang L, McMillen IC, et al. Fetal growth restriction and the programming of heart growth and cardiac insulin-like growth factor 2 expression in the lamb [J]. J Physiol, 2011,589(Pt 19):4709-4722.

[9]乔娟, 漆洪波. 胎儿生长受限：更新的认识 [J]. 中华围产医学杂志, 2015,0(6):418-420.

[10]Bamfo JEAK, Odibo AO. Diagnosis and Management of Fetal Growth Restriction [J]. Journal of Pregnancy, 2011,2011:1-15.

[11]Sayers S, Mott S, Singh G. Fetal growth restriction and 18-year growth and nutritional status: aboriginal birth cohort 1987-2007 [J]. Am J Hum Biol, 2011,23(3):417-419.

[12]Kim MS, Lee DY. Insulin-like growth factor (IGF)-I and IGF binding proteins axis in diabetes mellitus [J]. Ann Pediatr Endocrinol Metab, 2015,20(2):69-73.

[13]Salmon WJ, Daughaday WH. A hormonally controlled serum factor which stimulates sulfate incorporation by cartilage in vitro. 1956 [J]. J Lab Clin Med, 1990,116(3):408-419.

[14]Han VK. The ontogeny of growth hormone, insulin-like growth factors and sex steroids: molecular aspects [J]. Horm Res, 1996,45(1-2):61-66.

[15]Walenkamp MJ, Losekoot M, Wit JM. Molecular IGF-1 and IGF-1 receptor defects: from genetics to clinical management [J]. Endocr Dev, 2013,24:128-137.

[16]Wit JM, Walenkamp MJ. Role of insulin-like growth factors in growth, development and feeding [J]. World Rev Nutr Diet, 2013,106:60-65.

[17]Begemann M, Zirn B, Santen G, et al. Paternally Inherited IGF2 Mutation and Growth Restriction [J]. N Engl J Med, 2015,373(4):349-356.

[18]Pfaffle R, Kiess W, Klammt J. Downstream insulin-like growth factor [J]. Endocr Dev, 2012,23:42-51.

[19]Hwa V, Fang P, Derr MA, et al. IGF-I in human growth: lessons from defects in the GH-IGF-I axis [J]. Nestle Nutr Inst Workshop Ser, 2013,71:43-55.

[20]Labarta JI, Barrio E, Audi L, et al. Familial short stature and intrauterine growth retardation associated with a novel mutation in the IGF-I receptor (IGF1R) gene [J]. Clin Endocrinol (Oxf), 2013,78(2):255-262.

[21]Fowden AL. The insulin-like growth factors and feto-placental growth [J]. Placenta, 2003,24(8-9):803-812.

[22]Han VK, Bassett N, Walton J, et al. The expression of insulin-like growth factor (IGF) and IGF-binding protein (IGFBP) genes in the human placenta and membranes: evidence for IGF-IGFBP interactions at the feto-maternal interface [J]. J Clin Endocrinol Metab, 1996,81(7):2680-2693.

[23]Sibley CP, Coan PM, Ferguson-Smith AC, et al. Placental-specific insulin-like growth factor 2 (Igf2) regulates the diffusional exchange characteristics of the mouse placenta [J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2004,101(21):8204-8208.

[24]Lopez MF, Dikkes P, Zurakowski D, et al. Insulin-like growth factor II affects the appearance and glycogen content of glycogen cells in the murine placenta [J]. Endocrinology, 1996,137(5):2100-2108.

[25]Quinonez SC, Innis JW. Human HOX gene disorders [J]. Mol Genet Metab, 2014,111(1):4-15.

[26]Montavon T, Soshnikova N. Hox gene regulation and timing in embryogenesis [J]. Semin Cell Dev Biol, 2014,34:76-84.

[27]McGinnis W, Levine MS, Hafen E, et al. A conserved DNA sequence in homoeotic genes of the Drosophila Antennapedia and bithorax complexes [J]. Nature, 1984,308(5958):428-433.

[28]Murthi P, Rajaraman G, Brennecke SP, et al. The role of placental homeobox genes in human fetal growth restriction [J]. J Pregnancy, 2011,2011:548171.

[29]Chui A, Tay C, Cocquebert M, et al. Homeobox gene Distal-less 3 is a regulator of villous cytotrophoblast differentiation and its expression is increased in human idiopathic foetal growth restriction [J]. J Mol Med (Berl), 2012,90(3):273-284.

[30]Chui A, Kalionis B, Abumaree M, et al. Downstream targets of the homeobox gene DLX3 are differentially expressed in the placentae of pregnancies affected by human idiopathic fetal growth restriction [J]. Mol Cell Endocrinol, 2013,377(1-2):75-83.

[31]Pathirage NA, Cocquebert M, Sadovsky Y, et al. Homeobox gene transforming growth factor beta-induced factor-1 (TGIF-1) is a regulator of villous trophoblast differentiation and its expression is increased in human idiopathic fetal growth restriction [J]. Mol Hum Reprod, 2013,19(10):665-675.

[32]La Batide-Alanore A, Tregouet DA, Jaquet D, et al. Familial aggregation of fetal growth restriction in a French cohort of 7,822 term births between 1971 and 1985 [J]. Am J Epidemiol, 2002,156(2):180-187.

[33]Yaegashi N, Uehara S, Ogawa H, et al. Association of intrauterine growth retardation with monosomy of the terminal segment of the short arm of the X chromosome in patients with Turner’s syndrome [J]. Gynecol Obstet Invest, 2000,50(4):237-241.

[34]Ghezzi F, Tibiletti MG, Raio L, et al. Idiopathic fetal intrauterine growth restriction: a possible inheritance pattern [J]. Prenat Diagn, 2003,23(3):259-264.

[35]Pirollo LM, Salehi LB, Sarta S, et al. A new case of prenatally diagnosed pentasomy x: review of the literature [J]. Case Rep Obstet Gynecol, 2015,2015:935202.

[36]Sabri A, Lai D, D'Silva A, et al. Differential placental gene expression in term pregnancies affected by fetal growth restriction and macrosomia [J]. Fetal Diagn Ther, 2014,36(2):173-180.

[37]Kerns SL, Guevara-Aguirre J, Andrew S, et al. A novel variant in CDKN1C is associated with intrauterine growth restriction, short stature, and early-adulthood-onset diabetes [J]. J Clin Endocrinol Metab, 2014,99(10):E2117-E2122.

[38]Eggermann T, Binder G, Brioude F, et al. CDKN1C mutations: two sides of the same coin [J]. Trends Mol Med, 2014,20(11):614-622.

[39]Venhoranta H, Bauersachs S, Taponen J, et al. Fetal growth restriction caused by MIMT1 deletion alters brain transcriptome in cattle [J]. Int J Dev Neurosci, 2013,31(7):463-467.

[40]Nishimura T, Higuchi K, Sai Y, et al. Fetal growth retardation and lack of hypotaurine in ezrin knockout mice [J]. PLoS One, 2014,9(8):e105423.

[41]Biron-Shental T, Sukenik H R, Goldberg-Bittman L, et al. Telomeres are shorter in placental trophoblasts of pregnancies complicated with intrauterine growth restriction (IUGR) [J]. Early Hum Dev, 2010,86(7):451-456.

[42]Akkad A, Hastings R, Konje J C, et al. Telomere length in small-for-gestational-age babies [J]. BJOG, 2006,113(3):318-323.

[43]Biron-Shental T, Sukenik-Halevy R, Sharon Y, et al. Telomere shortening in intra uterine growth restriction placentas [J]. Early Hum Dev, 2014,90(9):465-469.

[44]Ashley M, Francesco C. Uterine NK cells: active regulators at the maternal-fetal interface [J]. J Clin Invest, 2014,124(5):1872-1879.

[45]黄赟博, 刘倩倩, 余艳红. 胎儿生长受限与血管生成因子的关系 [J]. 南方医科大学学报, 2014(07):1068-1070.

[46]Wang YP, Chen X, Zhang ZK, et al. Effects of a restricted fetal growth environment on human kidney morphology, cell apoptosis and gene expression [J]. J Renin Angiotensin Aldosterone Syst, 2015,16(4):1028-1035.