骨质疏松症相关基因研究进展

骨质疏松症（osteoporosis）是一种常见的全身性、代谢性骨病，其特征为骨量减少和骨组织结构破坏，导致骨密度（bone mineral density，BMD）下降和脆性骨折的风险增加[1-2]。在成年期，随着年龄的增长，骨量逐渐减少，所以骨质疏松症是公认的老年人常见疾病。骨质疏松症影响了全世界范围内三分之一的女性和八分之一50岁以上的男性[3]。

骨质疏松症的易感性是各种不同的遗传变异与环境因素相互作用的结果[4]。一些针对中东国家女性的研究发现，其BMD低于西方人，可能是由于穿衣方式减少了皮肤暴露于阳光下，从而减少了维生素D的激活[5]。但60%～80%的骨丢失加速是由遗传因素引起的[6]。全基因组关联研究（GWAS）中研究了60多个BMD基因座，证实了BMD基因的多态性。BMD在母亲和女儿之间存在高度相关性，主要是由于骨表型的遗传决定了骨质疏松症[7]。双胞胎和家庭研究表明，BMD中50%～85%的个体间变异是由遗传决定的。对双胞胎或多代家庭进行的研究也证实，骨微结构和重塑标记的差异主要是由遗传因素而非环境因素引起[8-10]。

近年来，一系列影响骨再生的骨骼和非骨骼因素被用于评估骨折的发生风险[11]，但还需要进一步的校准研究来证明这些工具的稳健性[12]。所以，BMD仍是诊断骨质疏松症和评价骨质疏松病人发生脆性骨折的指标。

1 鉴定骨质疏松症易感基因的方法

通常用连锁和关联遗传研究来分析复杂性状和疾病与多态性之间的关系。连锁分析是人类孟德尔单基因遗传性疾病中基因发现的经典方法，已经对BMD和骨质疏松症的其他相关表型进行了多次全基因组连锁扫描，但未能得到可重复检测的BMD显著位点[13-14]。鉴于连锁研究的失败，研究人员将重点转向GWAS这一候选基因研究方法。该方法是应用基因组中数以百万计的单核苷酸多态性（singlenucleotide polymorphism，SNP）为分子遗传标记，进行全基因组水平上的对照分析或相关性分析，发现影响复杂性状的基因变异的方法。

2 关键的生物学途径

GWAS报道了超过66个影响BMD的位点，证实了BMD基因多态性的性质。骨骼发育涉及多种关键的生物学途径和（或）信号转导通路，现总结如下。

2.1 Wnt信号 Wnt是一类分泌型糖蛋白，可与卷曲蛋白受体或复合受体结合，导致细胞内级联反应，在骨细胞的分化和增殖中发挥重要作用。低密度脂蛋白受体相关蛋白5（LRP5）是一种跨膜受体，它允许外源性化学信号传递到细胞核并参与骨形成。LRP5是Wnt蛋白的辅受体，骨形态发生蛋白（BMP）2诱导的碱性磷酸酶的激活依赖于LRP5／Wnt信号通路。LRP5突变，尤其是171位甘氨酸突变所引起的LRP5失活是骨质疏松症-假性胶质瘤综合征的发病原因，其特点是低骨量和骨折[15]。硬化蛋白（SOST）通过充当LRP5／6受体的拮抗剂来防止骨形成。Dickkopf1（DKK1）是另一种调节蛋白，通过与LRP5／6受体结合来抑制Wnt信号传导。携带突变体DKK1基因的小鼠表现为骨量增加，而小鼠中DKK1的过表达则导致严重的骨质减少和骨形成减少[16]。血清DKK1水平与腰椎和股骨BMD呈负相关[17]。

肌细胞增强因子2C（MEF2C）基因编码另外一种通过Wnt信号传导参与骨发育控制的转录因子[18]，其过表达可诱导软骨细胞肥大和侏儒症[19]。腺瘤性结肠息肉病蛋白（APC）是编码肿瘤抑制蛋白的一种调节基因，参与细胞迁移和黏附、转录激活和细胞凋亡的过程，其主要作用是结合β-连环蛋白，并负性调节Wnt信号级联反应。小鼠中APC的功能丧失突变导致股骨远端的BMD增加[20]。此外，在APC基因中携带一个突变的家族性腺瘤性息肉病（FAP）病人表现出比年龄和性别匹配的对照组更高水平的BMD[21]。

连环蛋白β1（CTNNB1）可在 Wnt信号传导和间充质干细胞分化为成骨细胞中起关键作用。CTNNB1上调成骨细胞中骨保护素（OPG）的表达，而OPG是一种重要的可减少骨吸收的破骨细胞生成抑制因子[22]。

2.2 维生素D内分泌途径 维生素D是一种类固醇激素，在钙稳态和骨骼代谢中起着至关重要的作用。维生素D受体（VDR）介导其配体，维持正常的骨矿化和重塑[23]。VDR是研究骨质疏松症遗传基础的第一个基因，此后还研究了维生素D结合蛋白（DBP），它在维持钙稳态中起重要作用，并可直接激活介导骨吸收的破骨细胞转化为DBP-巨噬细胞活化因子[24]。

2.3 雌激素内分泌途径 绝经后雌激素缺乏是骨丢失的重要决定因素，在骨量调节和骨质疏松症的发病中占有重要地位。雌激素与雌激素受体（ER）结合，通过皮质、骨代谢调节和预防骨质流失，对骨骼发育和稳态发挥有益作用。候选基因关联研究（CGAS）和GWAS报道了骨质疏松症病人在雌激素途径中的基因遗传变异，发现ERβ蛋白在骨相关细胞中表达，其在不同年龄和性别上的特异性表达参与雌激素途径对骨质疏松症的调节[25]。CYP17和CYP19也是参与雌激素生物合成的重要基因。CYP17基因编码细胞色素P450c17α，这对于性腺激素的生物合成参与的骨重建具有有益作用。CYP17的突变可能导致骨骼生长滞后和弥漫性骨质疏松症[26]。CYP19基因编码芳香酶，可将雄激素转化为雌激素。

2.4 RANK-RANKL-OPG 途径 核因子（NF）-κB 配体的受体激活剂（RANKL）是由成骨细胞和骨细胞分泌的可溶性因子，对于骨代谢至关重要。破骨细胞活性是通过RANKL与破骨细胞前体细胞上存在的RANK（TNFRSF11A）受体的相互作用触发的；而OPG（TNFRSF11B）作为 RANKL的诱饵受体，通过阻止RANK与 RANKL的结合而阻止骨吸收循环[27]。GWAS和荟萃分析证实了RANK多态性与骨折以及BMD之间的关联[28]。此外，在几个GWAS和双胞胎研究中观察到，OPG基因座上的几个SNP与BMD显著相关，证实TNFRSF11B也是骨质疏松症的易感基因[29]。RANK-RANKL-OPG系统还可与白细胞介素（IL）-6相互作用，并参与绝经后骨质疏松症的发生。事实上，RANKL的表达可被IL-6上调[30]。绝经后雌二醇水平的下降导致包括IL-6在内的促炎细胞因子的增加。

2.5 软骨内骨化通路 软骨通过骨化形成成熟骨，许多转录因子参与骨化的调节，其中SOX（SRY相关HMG盒）基因家族在软骨细胞分化和软骨内骨化中起重要作用。胃肠道异常增生病人的软骨形成缺陷是由SOX9基因杂合突变引起的。小鼠中的杂合SOX6突变体呈现轻度骨骼异常，而纯合突变体小鼠胎儿死于全身性软骨发育不良[31]。

Runt相关转录因子2（RUNX2）也称为核心结合因子a1（Cbfa1），是成骨细胞特异性转录因子。小鼠中的纯合Cbfa1突变体表现为完全骨缺失，并且杂合突变体表现为类似于颅颌发育不良的骨骼异常[32]。整合素结合唾液蛋白（IBSP）在所有主要的骨细胞中表达，包括成骨细胞、骨细胞和破骨细胞，并且其在骨质疏松病人中表达上调。IBSP和其他三个基因[牙本质基质酸性磷蛋白1（DMP1）、基质细胞外磷酸糖蛋白（MEPE）和分泌型磷蛋白1（SPP1）]均与BMD相关。2.6 转化生长因子β（TGF-β）信号通路 TGF-β和BMPs属于TGF-β超家族，TGF-β1介导了骨骼组织的发育和维持。TGF-β1被认为是骨吸收和骨形成之间的耦合因子，也是最常见的骨质疏松症研究候选基因之一[33]。TGF-β1敲除的小鼠表现出骨量和骨弹性降低。 此外，TGF-β受体Ⅲ（TGFβR3）能够调节 BMP2的生物学功能。SMAD家族成员6（SMAD6）和SMAD7基因也涉及TGF-β信号传导途径。

2.7 间充质干细胞（MSC）成骨分化 人间充质干细胞（hMSC）可分化为成骨细胞，而骨形成的重要步骤是从间充质祖细胞分化为成骨细胞。许多转录因子如CBFA1／RUNX2、msh 同源框 2（MSX2）、远端同源框 5（DLX5）和特异性蛋白7（SP7）以及骨标记基因如SPP1、COLIA1和骨粘连蛋白在此过程中广泛表达。另外，FAM3C、SOX4／9、MEF2C 和 RUNX2 等基因也参与了MSC分化为成骨细胞的调节过程。另一个大的荟萃分析显示，双皮质素结构域（DCDC）基因可能是调节腰椎 BMD 的因素[34]。

2.8 粘着信号通路 粘着家族成员存在于细胞外基质的连接处，并促进膜受体和肌动蛋白丝之间的联系。Ⅰ型胶原蛋白α1（COL1A1）是骨骼的主要蛋白，在该家族中研究最多[35]。该途径的另一个关键组分是胰岛素样生长因子（IGF）调节系统，在骨骼获取和维持中起重要作用，它是由两种配体（IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ）及其特异性受体组成的主要生长促进信号传导网络。IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ是骨骼细胞分泌的最普遍的生长因子，并且是成骨细胞功能的自分泌调节剂[36]。

2.9 脂质和神经通路 观察性研究表明，脂质水平与BMD相关[37]。脂质氧化抑制骨矿化并诱导成骨细胞的分化，而高脂血症会降低小鼠BMD。载脂蛋白E（APOE）通过脂蛋白和维生素 K转运调节 BMD，APOE可能导致绝经期妇女胆固醇增加[38]。

受体转运蛋白3（RTP3）是一种新鉴定的基因，其携带与股骨几何形状或髋部骨折显著相关的SNP[39]。Catsper通道辅助亚基β（CATSPERB）可能是钙信号传导中起作用的另一个基因。一项在绝经前欧美裔和非裔美国女性中进行的研究表明，CATSPERB基因与绝经前女性股骨颈的BMD有关[40]。

Ras和Rab Interactor 3（RIN3）是迟发性阿尔茨海默病的遗传危险因素[41]。Rab蛋白通过影响囊泡运输而调节破骨细胞功能。核孔蛋白205kDa（NUP205）编码核孔复合物的可溶性组分，在神经发育不良的病人中NUP205被破坏[42]。NUP205和RIN3也被发现与由破骨细胞功能障碍驱动的骨Paget疾病相关[43]。

3 其他易感基因

醛脱氢酶7家族成员A1（ALDH7A1）是乙醛脱氢酶超家族的成员。乙醛可抑制成骨细胞增殖并减少骨形成[44]。促肾上腺皮质激素释放激素受体 1（CRHR1）也是BMD调节的候选基因。位于CRHR1基因中的SNP rs9303521与脊柱BMD显著相关[45]。MARK3是腺苷一磷酸激活蛋白激酶（AMPK）超家族的成员，在全基因组水平上被鉴定为与骨质疏松症相关的基因座。MARK3 rs11623869对BMD的影响在中国人群中进一步得到证实，尤其是在高水平的血清碱性磷酸酶情况下[46]。

4 结论

骨质疏松症是临床和公共卫生不可忽视的问题，近年来已经进行了许多研究以了解遗传对骨质疏松症和相关表型的影响。由于种族、参与者选择、基因分型错误等原因，CGAS的许多结果似是而非。在这方面，迫切需要验证相同或不同种族群体和年龄段中多个候选基因的关联。由于许多基因产物相互作用，关于基因多态性的研究可能为疾病风险评估以及治疗干预提供更多信息，这有助于提早预防骨质疏松症的发生，并为不同人群开展新的诊疗思路和开发新的靶向药物提供一定的研究基础。