COL2A1基因突变与Ⅱ型胶原蛋白病表型关系的研究进展

张铂彦，张 悦，刘 贺，吴乃超，王金成

(1.吉林大学第二医院骨科中心，吉林 长春 130041; 2.吉林大学第一医院放疗科，吉林 长春 130021)

COL2A1基因编码Ⅱ型胶原前体蛋白α1链，3条完全相同的α1链相互折叠后能够形成前体蛋白同型三聚体，同型三聚体再经交联作用构成成熟的Ⅱ型胶原蛋白[1]。在α1链中存在一段特殊的三重螺旋区，该区域特征序列为重复的Gly-X-Y序列(Gly为甘氨酸，X和Y表示其他氨基酸)，BARAT-HOUARI等[2]研究显示：三重螺旋结构对胶原蛋白分子的稳定性起重要作用。

COL2A1基因突变会改变基因序列-蛋白结构-蛋白功能关系轴，进而导致一系列疾病[3]，统称为Ⅱ型胶原蛋白病(OMIM编号：120140)，该疾病主要为常染色体显性遗传病。本研究基于《莱顿突变位点开放式数据库》(LOVD) 以及最新研究报道，汇总获得COL2A1基因突变所致的21种疾病亚型，以及全部基因突变位点、突变类型和临床表型，并汇总患者年龄、性别和国籍信息。基于以上信息，本研究对COL2A1基因型和表型的关系进行探讨和分析。

近年来有关COL2A1基因突变的研究在国内外均可见较多报道，但综述类报道较少，且综述类报道均未对COL2A1基因突变类型进行汇总分析亦未对Ⅱ型胶原蛋白病进行总结分类。本研究旨在帮助临床医生深入了解COL2A1基因突变导致的Ⅱ型胶原蛋白病的复杂临床表型，推进基因筛查在临床中的应用，从而进一步扩大COL2A1基因突变的表型谱。

1 COL2A1基因突变的位置和类型

1.1 突变位置

COL2A1基因长度为33 246 bp，包含54个外显子，蛋白质编码区(coding sequence,CDS)区域总长度为4 464 bp，三重螺旋区位于CDS的601～3 642 bp，其N末端前肽区对应1～608 bp，C末端前肽区对应3 643～4 464 bp。COL2A1基因和Ⅱ型胶原蛋白结构示意图见图1。

图1 COL2A1基因和Ⅱ型胶原蛋白示意图

Fig.1 Diagram of illustration of COL2A1 gene and type Ⅱ collagen

本研究汇总的657例COL2A1基因突变病例中，有535例COL2A1基因突变发生在CDS区，有117例发生在内含子区，还有5例大片段基因缺失的情况。在CDS区发生突变的病例中，有437例突变位点发生在三重螺旋区，49例发生在N末端前肽区，49例发生在C末端前肽区。

1.2 COL2A1基因突变类型和突变效果

COL2A1基因突变中最多为点突变(substitution)，约占73.4%(n=657)，其次是小片段删除(小于20 bp的片段删除)占19.0%，复制(duplication)占4.7%，缺失插入(delins)占1.4%，大片段删除占1.1%，插入(insertion)占0.5%。见图2。

1:Substitution;2:Small deletion;3:Duplicaton;4:Delins;5:Large deletion;6:Insertion.

图2 本研究中COL2A1突变类型

Fig.2 Mutation types percentage of COL2A1 in our study

从突变效果的角度分析，错义突变占比最高(39.6%)，其次是移码突变(23.7%)、无义突变(16.7%)和发生在内含子的突变(14.5%)等。见图3。

2 COL2A1基因突变的临床相关资料

COL2A1基因突变会导致一系列以软骨发育异常和视听障碍为特征的表型，致病机制为COL2A1基因所编码的Ⅱ型胶原蛋白是透明软骨(如肋软骨、气管软骨)和关节软骨(如膝关节、髋关节)，Ⅱ型胶原蛋白结构异常会影响软骨的正常生理功能[4]。

1:Missense;2:Framehift;3:Nonsense;4:RNA processing;5:Other mutations.

图3 本研究中COL2A1突变效果

Fig.3 Mutation effects of COL2A1 in our study

2.1 COL2A1基因突变患者的年龄、性别和国籍分布

本研究汇总385例患者的年龄信息，平均确诊年龄为15.32岁，确诊患者年龄最低的表型为Ⅱ型软骨发育不全(0.53岁)，其为“致死型”表型；确诊患者年龄最高的表型是股骨头缺血性坏死(30.29岁)，其为“轻型”表型，故可推测确诊患者年龄与疾病严重程度存在相关性。

在294例患者的性别信息中，男性150例，女性144例，各表型的性别分布见图4。在657例患者国籍信息中，病例报道较多的国家分别是英国(167例)、比利时(122例)、日本(82例)、美国(79例)、中国(60例)和法国(50例)。

1:STL 1;2:SEDC;3:ACG 2;4:Kniest;5:ANFH+LCPD;6:SEMD-S;7:EO-OA;8:PLSD-T;9:EO-HM.

图4 各疾病表型的男女患者例数

Fig.4 Number of male and female patients with different disease phenotypes

2.2 COL2A1基因突变的临床表型

COL2A1基因突变导致的疾病通过常染色体显性遗传的方式在家族中遗传，该基因突变会导致骨骼、口腔颌面、听力系统和视力系统的异常表型，按照疾病严重程度和表型特征，对COL2A1基因突变导致的临床表型进行分类。见表1。

表1 COL2A1基因突变的临床表型

2.2.1 致死型表型 该类表型共有2种，疾病特征为胎儿围产期夭折或出生后不久死亡。本研究结果显示：Ⅱ型软骨发育不全总计54例，患者通常会死于胎儿期或新生儿早期，该疾病的临床特征为不完全骨化、较短躯干、窄小胸部、膨隆腹部和短肢。研究[5]显示：Ⅱ型软骨发育不全病患者软骨细胞数量过多、软骨细胞体积过大且生长板紊乱。在54例突变中，比例最高为错义突变(50例)，错义突变中48例为Gly突变。

扁平椎骨骼发育不良-Torrance分型总计12例，NISHIMMRA等[6]于1979年首次描述该疾病表型，该病为致死型表型，临床特征包括扁平椎、短肋骨、髂骨下端发育不全伴随较宽的坐骨和耻骨，或伴随短指及干骺端发育不良。该病12例突变中有10例突变发生在54号外显子，可推测COL2A1基因C端前肽区的突变与该疾病有较强的相关性[7-8]。

2.2.2 以脊柱病变为特征的表型 该类表型特征为脊柱畸形，由于并发不同程度关节病变或视听系统的病变，因此细分为多个亚型。本研究结果显示：先天性脊柱骨骺发育不良总计88例，其临床特点是身材异常矮小、骨骺异常和扁平椎体，伴随症状有感觉神经性耳聋、高度近视、平脸、腭裂、小颌畸形、齿状突发育不全、髋内翻、膝外翻和马蹄足等。在88例突变中，比例最高为错义突变(81例)，其中有60例位于Gly-X-Y重复序列的Gly位点，且p.Arg989Cys位点多次出现[9-10]，可推断该位点是突变热点。

脊柱外周长骨末端发育不良-Strudwick分型总计18例，其临床表型特征：侏儒症、视力近视、视网膜脱落、腭裂、齿状突发育不良、胸壁前凸畸形(鸡胸)、脊柱侧弯、髋关节僵硬、髋内翻、膝外翻、马蹄内翻足和干骺端发育不良，在14例错义突变中，有13例为Gly突变。脊柱手指脚趾发育不良总计8例，ZHANG等[11]于1977年首次描述该疾病，其表型特征包括椎体异常融合、髋关节异常、较短掌骨和跖骨，手指及脚趾远端指(趾)骨较短，其中7例突变发生于C末端前肽区[12-13]。脊柱干骺端发育不良-Sutcliffe分型患者临床表型为轻度身材矮小、进展性髋内翻、轻度扁平椎、角骨折样损伤(特指长骨一端的角形部位骨折)，突变位点分别为p.Gly345Asp和p.Gly945Ser突变[14]。脊柱骨骺发育不良-Stanescu分型患者的身高正常，伴发明显关节痛、进展性关节腔隙狭窄、扁平椎和髋内翻，有2例患者突变位点均位于p.Gly207Arg[15]。脊柱干骺端发育不良-Algerian分型患者临床特点是轻度身材矮小、严重膝外翻(特征性表型)、轻度扁平椎和干骺端异常，KOZLOWSKI等[16]在阿尔及利亚(Algerian)家系中发现该表型，2013年MATSUBAYASHI等[17]报道该疾病的突变位点位于p.Gly861Val。脊柱关节病临床特征仅有明显的关节病变和扁平椎，突变位点分别位于p.Arg519Cys和p.Arg1076Cys[18]。

2.2.3 以关节病变为特点的表型 该类表型的特征为关节病变，由于伴发不同程度软骨发育不全或视听系统病变，因此细分为多个亚型。

研究[19]显示：Kniest发育不良总计报道了27例，该病临床特征：身材矮小、关节肿大、关节活动度下降、长骨呈哑铃型、胸呈铃形、椎体扁平，常伴腭裂、听力缺失、突眼和近视等症状。在27例突变中，有5例p.Ala302突变，可推测其为突变热点。多发性骨骺发育不良总计3例，临床特征：短肢侏儒症、关节疼痛和关节僵硬[20]，该病主要由COMP等基因突变导致，COL2A1基因突变位点分别为p.Gly1179Arg和p.Gly1176Val[21]， p.Gly678Arg突变可导致特征表型伴随双层髌骨[20]。

本研究包含股骨头缺血性坏死和Perthes病总计14例，包括5例Perthes病(儿童型股骨头坏死)，CHEN等[22]于2004年在台湾家系中定位致病基因位于12号染色体，2005年LIU等[23]确认COL2A1基因突变位于p.Gly1170Ser位点，其临床特点：进展性股骨沟区疼痛和髋关节退化，近年还发现了3例p.Gly1170Ser突变[24-26]；此外还有p.Gly717Ser、p.Gly582Ser和p.Ala184Thr这3个错义突变位点[23, 27-28]。研究[29-30]显示：Perthes病患者中存在p.Gly672Cys、p.Gly630Ser、p.Gly546Ser和p.Gly213Asp突变。

本研究包含早发型骨关节炎总计12例，其临床特征是关节疼痛、关节僵硬、关节腔隙狭窄、软骨下硬化或有骨赘，最终可导致关节功能丧失。早发性骨关节炎不如其他表型明显且多为伴发表型，但在少数病例中，该表型较为突出，COL2A1基因突变导致Ⅱ型胶原蛋白结构异常，使关节软骨弹性改变并最终导致骨关节炎[31]，早发性骨关节炎多伴发轻度软骨发育不良。在11例错义突变中有8例Arg突变为Cys，可推断Arg位点与早发性骨关节炎有关联。

2.2.4 以眼部疾病为特征的表型 该表型的特征为视觉系统退化和视网膜脱落，由于伴发不同程度的脊柱和关节发育不全，因此细分为多个亚型。

Stickler综合征Ⅰ型总计388例，是目前报道最多的表型。Stickler综合征包括6种亚型，Ⅰ～Ⅲ型为常染色体显性遗传，Ⅳ～Ⅵ型为常染色体隐形遗传[32]。Ⅰ型患者临床特征为玻璃体(膜)病变，可伴随视网膜脱落、面部畸形、腭裂和轻度脊柱骨骺发育异常[33-34]。本研究结果显示：在388例突变中比例最高是移码突变(141例)，其次是无义突变(99例)，Stickler综合征Ⅰ型中无义突变占COL2A1中无义突变的90%(99/110)，可推测COL2A1无义突变与Stickler综合征Ⅰ型有关联。Wagner玻璃体视网膜病变的临床特征是早期白内障、中度近视和径向血管周围色素沉着(特征性视网膜表现)[35]，突变位点分别为p.Cys57*和p.Gly267Asp[36-37]。早发型高度近视总计10例，高度近视的诊断标准是屈光度高于-0.6 D，或轴向长度长于26 mm，高度近视是导致失明的重要病因。2015年SUN等[38]进行一项关于298例严重近视患者的研究发现：71例基因突变患者中有10例患者携带COL2A1基因突变。

2.2.5 特殊表型分类 该类表型表现为非脊柱和非关节的特殊表型，因此单独分为一类。研究[39-42]显示：捷克发育不良患者总计7例，其表型为身高正常、第3和4脚趾较短(特殊表型)、进行性假性类风湿关节炎、扁平椎和脊柱关节病，目前已有5例患者的突变确认位于p.Arg275Cys位点。研究[43-44]显示：4例脊柱发育不良伴软骨瘤病患者特征表现为异常椎体、干骺端或长骨骨干处出现软骨瘤样损伤(特殊表型)，已经发现4例儿童患者患有该病，突变位点分别是p.Gly753Asp、p.Gly600Asp、p.Gly1098Glu和p.Gly606Asp。耳-脊柱-大骨骺发育不良的临床表型主要为短肢、骨骺发育不良、面中部发育不良(鼻梁凹陷)和感觉神经性耳聋(特殊表型)，同时常会并发腭裂及小颌畸形[45]，2005年MIYAMOTO等[46]报道了1例发生于内含子的突变(c.709-2A>G)。

3 展 望

COL2A1基因突变导致一系列表型复杂的骨骼遗传疾病，目前已报道了600多例病例，本文作者发现数个突变热点，并推测一些潜在的基因型与表型的关系，旨在使临床医生更加深入了解COL2A1基因突变导致的遗传疾病表型，提高临床工作中对该遗传疾病的诊断率，并推动基因筛查在临床工作中的应用。在未来工作中还需要收集更多的病例报道和基础研究，致力于探讨COL2A1基因突变的具体致病机制以及明确的基因型与表型的关系。