雌激素受体基因多态性与骨质疏松的关系

刘永飞(综述),彭维杰(审校)

(1.江西护理职业技术学院药学系,南昌330029;2.南昌大学医学院科技处,南昌330006)

骨质疏松是一种以骨密度降低、骨量减少和骨组织显微结构退化为特征的代谢紊乱性疾病,能导致骨脆性增加,增高骨折的风险性。骨密度(BMD)是描述骨特征和诊断骨质疏松的数量性状,认为是最重要的预测骨质疏松性骨折的因子[1]。骨质疏松症的发生主要取决于年轻时的骨量峰值及此后的骨丢失率,一般分为继发性骨质疏松和原发性骨质疏松2种,前者病因明确,容易治疗,后者病理机制尚不明确,治疗困难。该病的发病率在世界常见病中已跃居第7位,成为影响老年人身体健康的严重问题。

骨质疏松在不同性别、年龄均有发生,以绝经后妇女居多。它受多种环境因素的影响,比如钙的摄入、吸烟、饮酒、肥胖、运动等,但多数研究认为遗传才是骨质疏松发生的决定性因素,它在骨质疏松的发生中占50%～70%[2]。随着分子生物学的发展和对骨质疏松分子遗传研究的深入,发现了众多与骨质疏松有关的候选基因,常见的有维生素D受体(VDR)基因、雌激素受体(ER)基因、降钙素受体基因、I型胶原、IL-6、TGF-β、IGF-1基因等[3-4]。ER作为雌激素作用的枢纽,被认为是决定骨质疏松危险性的重要候选基因。本文将综述近年雌激素受体基因及其多态性与骨质疏松的相关研究。

1 ER结构与功能

ER属于核受体超家族成员,是一类配体依赖性转录因子,位于胞质或胞核中,通过与雌激素结合发挥作用。ER主要包括ERα、ERβ 2种亚型,分别由2种基因编码[5-6]。ERα主要分布于生殖系统、骨、乳腺等组织,以子宫表达水平最高。ERβ在卵巢、雄性生殖器官、中枢神经系统中有较高的表达,以卵巢表达水平最高。A.S.Chagin等[7]在动物实验中发现,雌激素的作用被表现为ERα和ERβ作用的平衡。ERα通常起激活剂的作用,而ERβ常具有相反的作用,相当于它的拮抗物。而J.F.Couse等[8]研究还发现ERα基因被破坏后,ERβ基因的表达模式无明显变化,说明雌激素的作用部分是由ERβ介导的,ERβ的基因调控方式可能以一种不直接依赖于ERα的方式进行。同时他发现ERβ蛋白的生物学功能的实现部分依赖于ERα的存在,ERα功能的丢失会导致ERβ活性的降低。

ERα和ERβ在成骨细胞和破骨细胞中均有发现。A.S.Chagin等[7]的研究认为,雌激素通过ER途径直接调节成骨细胞的骨形成和破骨细胞的骨吸收,在骨质疏松发病中起重要作用。雌激素与ER结合,通过影响细胞周期诱导破骨细胞的凋亡,抑制破骨细胞前体形成细胞的募集和分化,抑制破骨细胞的活性,对成骨细胞的增殖、分化及其基质金属蛋白的合成具有直接促进作用。雌激素还可通过强抗氧化作用防止骨量丢失。S.C.Schuit等[9]的研究结果表明ERα基因的遗传突变决定绝经妇女的雌乙醇(E2)水平的高低,而绝经妇女的雌二醇(E2)水平在个体之间存在显著差异,这种差异对于骨质疏松的发生具有重要的作用。而女性绝经后雌激素水平降低导致骨丢失加速是绝经后骨质疏松发病的主要原因。由此推测ER基因多态性与骨质疏松的发病危险性相关。

2 基因多态性

基因的多态性决定了遗传个体间的差异性,要了解骨质疏松发生的差异就必须弄清与骨量及骨转换有关的基因的多态性。基因多态性是指决定某一种蛋白质的基因编码,在个体之间存在着差异(由于人类基因组DNA平均核苷酸多态性仅为0.08%,突变率相对较低,所以这种差异主要遗传于上一代,而非个体本身基因突变所致),使得所合成的蛋白质在决定某一性状时的作用大小存在区别。目前大致有3种基因多态性的基因分型方法:1)单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP),是由单个核苷酸改变而造成的多态性,常通过DNA测序或引物延伸实验分析,根据序列中相同位置的不同碱基来分类,精确度较高。2)可变数目串联重复多态性(variable number of tandem repeat,VNTR),根据基因调控区域的某一个或一组碱基对重复出现的频率分类。包括微卫星多态性(重复单位较少,1～4 bp)和小卫星VNTR(重复单位9～65 bp)。根据重复的不同次数划分等位基因型。3)限制性片段长度多态性(restriction fragment length polymorphism,RFLP)。根据某一限制性内切酶酶切后的基因片段长度分类,该方法简便,如果将同一基因的多种内切酶RFLP结合进行分类,能进一步提高准确率。

由于骨密度的降低或骨量的减少以及各种骨代谢指标与骨质疏松的发病风险密切相关,通过研究ER基因的多态性与BMD和骨代谢指标的关系,就可以了解ER的多态性与骨质疏松的关系。

3 ERα基因多态性与骨质疏松

虽然人类患骨质疏松症的风险性与ER基因多态性的关系的观点不一[10],但以往的研究多表明骨密度和骨转换的变化与后者存在一定的关联性[11-13]。认为人类ERα基因是调节骨量、骨重建以及绝经后骨丢失的重要候选基因。ERα基因位于6号染色体长臂2区5带,由595个氨基酸残基组成,分子质量约为66 kU,有5个结构性功能域(A/B、C、D、E、F),长度约为140 kb,包含8个外显子和7个内含子[10,14]。研究较多的与骨代谢表型有关的ERα基因多态性主要是位于1号内含子的PvuⅡ(T397C)[15]和XbaⅠ(C351G)[16]限制性片段长度多态性以及基因启动子区的(TA)n这一数目可变的顺向重复多态性(微卫星多态性)[17]。

3.1 PvuⅡ和XbaⅠRFLP

PvuⅡ和XbaⅠ限制性片段长度多态性位于基因非功能区的内含子中,可能受到50个碱基分隔的影响而呈现强烈的连锁不平衡[18]。有研究显示亚洲人群PP和(或)xx基因型与BMD呈正相关[19]。P.B.Rapuri等[20]没有发现ERα基因多态性与BMD和其它骨代谢指标的关系,但他们发现PP和XX基因型有较低的骨重建和低概率的骨丢失。国内的研究结果也不一致。黄琪仁[21]发现上海绝经后妇女的ERα的p等位基因型具有一定的骨量维持作用。安徽安庆地区却发现绝经后妇女XX基因型与腰椎的BMD呈显著正相关,但PvuⅡ和XbaⅠ单倍型与腰椎及股骨骨密度却无显著相关性[22],董杰[23]也发现武汉绝经后妇女BMD与ERα得Px单倍型未显示相关。一项对1994～2006年国内研究资料数据的meta分析发现,中国女性ERα PvuⅡ多态性与股骨颈BMD有弱的相关性,而XbaⅠ多态性与股骨颈和腰椎BMD无相关性[24]。最近,Y.Jeedigunta等[25]对西印度妇女ERα基因多态性与骨密度的相关性研究显示PP和XX基因型个体的骨密度较pp和xx低,确认了西印度妇女ER基因多态性与BMD之间存在相关性。

3.2 ERα短串联重复多态性

TA串联重复序列(TA)n位于距离第一内含子1 174个碱基对处。自从1995年M.Sano等[17]在对144名日本绝经后妇女的研究中发现ERα基因TA重复多态性与骨密度可能存在一定得关联性之后,又有多个项目对这一关联性进行了研究,但结果并不一致。另有多项研究发现与TA串联重复数多的人群相比重复次数少的人群骨密度更低[18,26-27],而H.Y.Chen等[28]发现中国绝经后妇女低TA串联重复数者(≤15)较重复次数多者(≥20)骨密度更高。同时O.M.Albagha等[13]的研究又认为TA串联重复与BMD不存在关联性。C.H.Yim等[29]在对284名韩国绝经后妇女不同TA串联重复对雌激素替代治疗反应性的进行研究,虽然认为他们之间存在联系,却未达到显著相关,并且骨质疏松组、骨质减少组、正常骨密度组间的TA串联重复次数没有显著差别。D.Kastelan等[30]对一组21～35岁的男性进行了研究,发现TA重复次数为19和21的等位基因型与极低腰脊柱和股转子BMD相关。根据这些实际研究推测,ERα(TA)n与骨质疏松的发生存在联系,但仅是一个较弱的相关因子,可能还需要和其他多态性位点或遗传因素配合才能作为骨质疏松的候选基因位点。新近一项针对中国南方妇女的大样本研究还发现ERα第5外显子的5'剪接位点下游(CA)n重复多态性也与骨代谢相关[31]。CA串联重复数少的等位基因型具有较低的骨密度,增加了骨丢失和骨折的风险。

几年前,由8个欧洲国家组成的的一个调查组利用了19 000个样本,试图说明三个多态性位点与骨质疏松间的确切关系,遗憾的是,除了发现XbaⅠ位点缺失与低骨折风险有联系外,其他两个多态性位点均为发现与骨质疏松相关。尽管如此,绝大部分研究结果均确认了他们之间的联系,结果的偏差可能仅是由于人种、地区、生活方式的影响所致[32]。

4 ERβ基因多态性与骨质疏松

ERβ基因多态性与骨质疏松的相关性报道较少。ERβ基因位于染色体14q23-24.1,约43 kb,由8个外显子组成。国外研究报道,位于ERβ基因第五内含子中的(CA)n多态性与绝经后妇女骨密度有一定的相关性,高CA重复数量(≥23)与最低的BMD相关,而在其他单核苷酸多态性位点(RsaI,rs1256034,rs944460)并未发现与骨密度存在相关性[33-34]。L.Geng等[35]也发现高CA重复数量等位基因型与中国汉族绝经后妇女股骨颈和L2-4 BMD降低有关。骨组织中ERβ所介导的功能目前还知之甚少。近年来还发现在不同ERβA1uⅠ和ERβcx Tsp509Ⅰ基因多态性的绝经后妇女,其心血管炎性指标对异黄酮反应性不一致[36]。但二者与骨代谢的关系尚未见报道。

5 雌激素受体基因多态性与激素替代治疗

在雌激素替代治疗(HRT)方面,Ongphiphadhanakul B.等[37]对泰国绝经后妇女应用结合马雌激素(CEE)0.625 mg·d-1治疗1年后,各基因型腰椎BMD均增加;应用CEE 0.3 mg·d-1,PP、Pp基因型腰椎BMD明显增加,pp基因型则无变化;而各种ER基因型的股骨颈BMD在2种CEE剂量下均无变化。从而推测ER基因多态性可能影响绝经后妇女骨骼对雌激素的反应,而这种影响又与骨骼部位的不同有关。前文提及的P.B.Rapuri等[20]还发现PP和XX基因型的老龄绝经后妇女对雌激素替代治疗的骨反应性强于pp和xx型。N.Kobayashi等[38]对286名绝经后日本妇女进行雌激素替代治疗1年后发现,PP基因型者腰椎骨密度增高较Pp及pp基因型明显。这些研究说明ER基因多态性与骨质疏松雌激素替代治疗的反应性密切相关,对这一关系的研究,将为骨质疏松的个体化治疗提供重要的理论依据。

6 基因间及基因与环境相互作用对骨质疏松的影响

如前所述,骨质疏松是一种多因素多基因疾病,受多个基因的调控,且基因的表达受环境因素、个体的具体因素等影响。A.Perez等[39]对176名阿根廷绝经后妇女基因多态性和临床与骨密度关系研究的结果显示,年龄、体质量、身高都与骨质疏松相关,却未雌激素受体基因多态性(PvuⅡ和XbaⅠ位点)与骨密度之间存在联系,而当他们将ER和VDR基因多态性相结合进行分析后发现BBPp型具有最高的股骨颈BMD,bbxx基因型则显示最低的股骨颈BMD。M.Willing等[40]也发现PPBB型与其他基因型比较在所有骨骼部位均显示最高的股骨颈BMD。其它地区的基因联合研究也都得到了相似的结果,反映了在骨质疏松的发病机理中多基因影响因素的复杂性。

7 展望

目前骨质疏松的候选基因还在筛选确认阶段,对基因多态性与骨质疏松的研究也仅处于相关性的层面,而且受国家、地区、种族、样本量以及其他环境因素的影响,研究结果并不一致。因此,将来对骨质疏松候选基因多态性的研究必须充分考虑环境与基因以及基因与基因间的相互作用,采取更为合理、有效的统计学方法。相信随着对骨质疏松候选基因研究的深入,骨质疏松病因的明确,候选基因多态性对基因功能的影响机制的阐明,对骨质疏松和骨量减少的准确预测将成为可能,为骨质疏松的治疗提供新的思路。

随着老龄化时代的到来,骨质疏松的发病率逐渐上升,而且不少研究也显示雌激素受体基因多态性与男性甚至青少年的骨质疏松和骨代谢具有相关性。对该疾病的研究将受到更广泛的关注。

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