基因和易感基因及基因多态性与大骨节病的相关性研究

王继成 易智

大骨节病作为一种地方性、变形性骨关节疾病，主要分布在中国东北部、中国西南部、朝鲜和俄罗斯、西伯利亚的大型条带中[1]。根据 2015 年中国健康与计划生育统计年鉴，大约有 61 万新发病患者，中国 13 个省的 378 个县有 3770 万人处于高风险[2]。本病多发生于儿童及青少年，但往往在成人期才出现明显的临床症状，包括关节疼痛、关节炎、肌肉萎缩、关节畸形，在严重的情况下可能会出现身材矮小和侏儒症[3]。大骨节病的主要病理特征是骺软骨、骺板软骨及关节软骨深层软骨细胞过度凋亡[4-5]。多项研究表明，大骨节病是低硒、T-2 毒素、饮水中有机物中毒等环境因素与基因相互作用的结果[6-7]。近年来，随着人类基因组学、蛋白组学技术的不断发展，大骨节病发病机制的研究已经从宏观的环境因素深入到分子与基因水平。大骨节病的患病风险受易感基因的影响，大骨节病关节软骨中缺氧、凋亡、氧化应激相关的基因及基因通路和蛋白的表达异常，为阐明大骨节病的分子发病机制提供了新的方向。目前多认为环境与基因相互作用共同促进了大骨节病的发生发展。现就近几年基因、易感基因及基因多态性与大骨节病的相关性综述如下。

一、大骨节病的基因研究

基因是具有遗传效应的 DNA 片段，其储存着生命体生长、繁衍、凋亡等过程的全部信息，环境与基因相互依赖，参与生命体的细胞增殖、凋亡、蛋白质合成等过程。流行病学研究[8]显示，大骨节病病区农民患病率较高，而从非流行地区移民的群体也受此影响，大骨节病病区4938 例核心家庭大骨节病流行病学研究显示，第 1 个后代的患病率在 10% 以上，核心家庭的类型与该地区的疾病严重程度有关，在中高流行病区核心家庭的后代中存在疾病聚集现象，且大骨节病双亲核心家系的后代患病率明显高于单亲或不患大骨节病的核心家庭。饮用河水是导致大骨节病家庭聚集性的危险因素，而饮用自来水是保护因素[9]，因此，大骨节病家族聚集性可能是环境因素与基因共同作用的结果。

通过对汉族人口采用全基因组关联研究发现，5-三磷酸肌醇受体 2 (5-triphosphine receptor 2，ITPR2) 基因rs10842750 位点与大骨节病具有显著相关性，且与其临床严重程度分级相关[10]。另一项研究发现，大骨节病的发病机制与补体和凝血级联通路的上调有关，与正常软骨相比，凝血级联通路相关 CFD、A2M、C5、CD46 基因显著上调，大骨节病患者血清 C5 补体水平也显著高于正常人，该研究首次证明了凝血级联通路相关补体系统与大骨节病发病机制相关[11]。Wang 等[12]通过全基因组芯片和网络分析研究发现，硒相关基因胰岛素样生长因子结合蛋白 2(IGFBP2)、胰岛素样生长因子结合蛋白 3 (IGFBP3)、白细胞介素 6 (IL 6)、凋亡调节因子 (BCL2) 和 BCL2 相关X，凋亡调节因子 (BAX) 参与许多分子功能、生物过程和凋亡途径，可能在大骨节病的发病机制中起重要作用。既往研究表明，生长分化因子 (GDF)-5、双血管性血友病因子 (vWF) A 和 IL-1 β、谷胱甘肽过氧化物酶 1、谷胱甘肽过氧化物酶 4、TNFα 和细胞表面死亡受体 (Fas)、硒蛋白P 基因与大骨节病发病机制相关[13-17]。在大骨节病外周血单个核细胞中鉴定出 97 个上调和下调基因，其功能与代谢、细胞凋亡、细胞骨架、免疫、细胞运动和细胞外基质有关[18]。大骨节病与正常软骨细胞之间基因表达谱的比较显示 79 个差异表达基因，包括上调的促凋亡基因如 Box、Bax 和 Bak，以及下调基因，如 Bcl-2 和 Bcl-XL[19]。TNFRSFllB、TNFAIP6 和 CASP6 等凋亡相关基因在大骨节病患者关节软骨中显著上调；还发现参与 ROS 分解代谢的溶酶体相关基因通路 KEGG_PEROXISOME 在大骨节病患者关节软骨中也显著上调，提示大骨节病关节软骨中ROS 代谢活动可能较为活跃；该研究还发现，与线粒体功能相关的 GALLUZZI_PERMEABILIZE_MITOCHONDRIA基因通路在大骨节病患者关节软骨中显著上调。此外，当79 个基因通过环境基因组计划和比较毒物基因组学数据库时，发现 73 个基因与环境因素密切相关[20]。不同基因在大骨节病的发生发展过程中起着重要作用，上调或下调的基因在环境因素的诱导下作用于不同的分子信号通路，促进了大骨节病的发生。

二、大骨节病的易感基因研究

易感基因是指在环境因素的诱导下能够增加疾病易感性的基因。任何疾病的发生都是由易感基因与环境因素相互作用所引起，环境应答基因会影响人体对环境因素的易感性。既往研究发现[21]，HLA-DRBl、CD2AP 基因是大骨节病的易感基因；去整合素样金属蛋白酶 2 (a disintegrin and metalloproteinase domain，ADAM2) 基因的 rs1278300 与rs1710287 位点与大骨节病的易感性有关，其是导致大骨节病关节畸形及生长阻滞的潜在易感基因[22]；成纤维细胞生长因子 (fibroblast growth factor，FGF) 家族参与了骨骼疾病的发生发展，其中 FGF12 是大骨节病的易感基因[23]；大骨节病患者在严重的情况下可能会出现身材矮小和侏儒症[3]，这与关节破坏和生长迟缓有关，而 ITPR2、ADAM12 rs1278300 和 rs1710287 参与了大骨节病病理过程，是大骨节病的易感基因[12]；另一项研究发现，ABl3BP 基因的rs9850273 和 rs7613610 位点与大骨节病的发生显著相关，ABl3BP 是大骨节病的新型易感基因[24]；与此同时，有研究者发现了另外一种新型易感基因 PPARGC1B，其在维持线粒体稳态中具有重要作用和功能，PPARGC1B 通过线粒体相关通路的异常表达 (包括线粒体功能障碍，氧化磷酸化和细胞凋亡信号)，引起大骨节病关节软骨损伤[25]。综上所述，大骨节病的发生与易感基因存在明显相关性，易感基因增加了大骨节病的患病风险。

三、大骨节病的基因多态性研究

从基因水平研究大骨节病的发病机制，有助于进一步研究其分子发生机制。基因多态性是指同时或经常存在两种或多种不连续的变异型或基因型或等位基因，而单核苷酸多态性 (single nucleotide polymorphism，SNP) 是研究疾病易感性的重要指标之一，其主要是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的 DNA 序列多态性，SNP 是一种二态的标记，由单个碱基的转换或颠换所引起，也可由碱基的插入或缺失所致，但在实际中并不包括后两种方式。近年来，已有大量研究发现许多基因 SNP 与大骨节病的发生发展存在明显相关性。

通过对大骨节病患者和健康对照者进行全基因组关联研究发现，FGF12 基因 3’UTR 的 106 T＞C，有 9 个 SNP，且与疾病的严重程度及分级相关[23]；另一项研究发现人类白细胞抗原 (HLA) -DRBl 基因的多态性 (rs7745040、rs9275295) 和 CD2 相关蛋白 (CD2AP) 基因的 (rs9473132)多态性位点与大骨节病的发生显著相关[21]；IL-1β 基因的多态性与大骨节病的发生显著关联[26]；史晓薇等[27]研究发现，COL11A1 基因多态性与儿童大骨节病的易患性相关，在 2229783 位点上个体携带等位基因 A 可降低大骨节病的患病风险，在位点 rs1135056 上基因型为 AA 的个体可增加大骨节病患病风险。

谷胱甘肽过氧化物酶 (glutathione peroxidase，GPXs)在人体代谢过程中清除脂类氢过氧化物，GPXs 可利用还原型谷胱甘肽将脂类过氧化物还原、清除活细胞内过氧化物，从而保护细胞免受自由基损伤，进而参与大骨节病的发病机制。硒蛋白 GPX1 基因的多态性与大骨节病的患病风险显著相关[28]，另外一项研究同样证实了 GPX4 基因s713041 和 rs4807542 位点的单体型与大骨节病的发生有关[29]。SEPS1 基因与大骨节病的发生有一定的关联性，而该基因的多态性能够影响 PI3K / pAkt 信号通路的表达，抑制细胞增殖，促进细胞凋亡[7]。PI3K / pAkt 信号通路下调具有明显的抗凋亡作用，大骨节病患者 pAkt 蛋白高表达对大骨节病的发病机制具有重要作用[30]。COL9A1 基因多态性与儿童大骨节病的易患性有关，在 rs6910140 基因上个体携带等位基因 C 可能与大骨节病易患性的降低有关，在基因 rs1135056 上个体携带等位基因 C 可能与大骨节病易患性的增加有关[31]。于敏等[32]研究发现，IL-1β 基因 rs16944 与大骨节病的发生存在相关性；基质金属蛋白酶-3 (MMP-3) 可降解软骨细胞外基质，其 rs679620 基因型 T / T 和 rs591058 基因型 T / T 增加了大骨节病的患病风险[33]。另外一项研究表明，COL11A1 基因 rs2229783 的多态性与大骨节病的易感性有关，而与大骨节病严重程度之间无明显相关性[34]。综上，大骨节病的发生与基因多态性明显相关，基因多态性为研究大骨节病的分子发病机制提供了新的方向。

近期研究表明[35]，大骨节病的发生与表观遗传相关。表观遗传与经典遗传现象不同，表观遗传是指基因的核苷酸序列在不发生改变的情况下，基因表达发生了可遗传的变异的现象[36]，目前已知的有 DNA 甲基化 (DNA methylation)、基因组印记 (genom ic imprinting)、母体效应 (maternal effects)、基因沉默 (gene silencing) 和 RNA 编辑 (RNA editing) 等。有充分证 据表明，基因表达受表观遗传修饰，特别是 DNA 甲基化的调节，以应对多种疾病中的环境暴露[37-38]。正常情况下，CpG 岛以非甲基化形式存在于持家基因 (house-keeping genes) 的启动子区，基因启动子区 CpG 岛异常高甲基化状态抑制了基因的表达，从而参与疾病的发生发展过程[39]。近几年研究表明，在大骨节病发病中，DNA 甲基化水平的改变导致基因异常表达扮演了重要角色。通过各位专家学者的不断努力，大骨节病全基因组 DNA 甲基化表达谱已成功建立，进一步加快了大骨节病表观遗传的研究进程[40]。HAPLN1 (也称为CRTL1) 编码软骨连接蛋白 1，其是软骨细胞外基质的关键组分[41]，HAPLN1 能够在软骨细胞外基质中用透明质酸稳定蛋白多糖单体的聚集体。既往研究表明，HAPLN1 参与多种骨和软骨疾病的发生发展，如骨关节炎 (OA)[42]，强直性脊柱炎[43-44]和椎间盘退变[45-46]。Wang 等[40]通过对大骨节病患者软骨中全基因质谱分析发现，HAPLN1 的5’UTR 区域的差异甲基化 CpG 位点 cg25325949 呈现高甲基化水平，IHC 实验观察到大骨节病软骨中 HAPLN1 蛋白的表达显著降低，说明该基因的差异甲基化状态与大骨节病的发生发展有关。TGF-β 受体家族 (TGFBR1，TGFBR2，TGFBR3) 在大骨节病中呈现高甲基化状态，在暴露于 T-2 毒素时，软骨细胞的 TGFβ-3 mRNA 表达水平升高，导致生长板发育受损[47-48]；ADAM12 (解整合素和金属蛋白酶) 在大骨节病软骨中 mRNA 表达水平增高、DNA 水平低甲基化，导致关节破坏和生长迟缓[47]。在大骨节病患者中，GPX3 基因高甲基化，诱导 PI3K / Akt /c-fos 途径改变，促进了软骨细胞的凋亡[49]。有研究报道，组织相容性白细胞抗原 (HLA-DRB1) 与 OA[50]，类风湿性关节炎 (RA)[51]和大骨节病[52]有关。Shi 等[53]通过亚硫酸氢盐测序聚合酶链反应 (BSP) 验证了 HLA-DRB1中的 2 个高甲基化 (cg15568074，16514085) 和 2 个低甲基化 (cg04026937，cg18052547) 显著的 CpG 位点。综上所述，DNA 差异甲基化导致基因异常表达在大骨节病发病中扮演着重要角色。

大骨节病作为一种地方性、变形性骨关节疾病，严重影响患者生活质量和社会的发展。多项研究表明，大骨节病是低硒、T-2 毒素、饮水中有机物中毒等环境因素与基因相互作用的结果[6-7]。以上研究结果提示，大骨节病可能是一种由环境因素诱发，受环境反应基因调控的环境相关性疾病，包括易感基因、基因多态性及表观遗传的改变。随着分子及基因组学研究的不断深入，将会为进一步明确大骨节病病因及分子发生机制提供一个新的方向。