青少年特发性脊柱侧凸候选基因研究进展

王 静，汤 逊，李 阳

青少年特发性脊柱侧凸(adolescent idiopathic scoliosis，AIS)是指10岁以上儿童至发育成熟前的一种伴有椎体旋转脊柱侧方弯曲的三维畸形。多发于青少年，发生率为3%［1］，女性患者高于男性［2］。其发生机制一直未明确，目前认为是多因素造成，如遗传、骨骼肌肉、生长发育、神经系统、内分泌系统异常等原因。近年来，遗传学方面的候选基因研究取得一些进展，本文对此方面研究进展做一综述。

AIS 患者家族发病明显多于一般的人群，表明AIS 发病具有遗传学的基础［2］。母女之间的遗传率达到28%，亲缘关系越远发病风险越低［3］。有学者首先提出AIS 为常染色体显性遗传模式［2］，由于AIS 发病女性多于男性，进而应用全基因组扫描和连锁分析研究X 连锁遗传，认为X 染色体存在AIS易感位点［4］。单基因遗传遵循孟德尔遗传定律，但各种报道显示AIS 患者发病比例不同及表现各异的发病形式，促使人们对多基因遗传方面进一步研究［5］。不断进展的研究发现单一基因因素不能完全解释AIS，现倾向于多基因遗传及基因间相互作用。

脊柱侧凸发病与遗传基因相关性得到广泛认可，但具体的发病方式没有定论，基因研究成为热点。主要的研究策略是:①定位克隆策略［6］;②候选基因策略。其主要依据为:①AIS 发生发展生物学通路有关基因，来自于临床评估和动物实验;②通过连锁分析得出的某个区域内的基因位点;③已有报道与疾病假说有关的基因。目前已确定与AIS 相关基因区域:6p、10q、18q［7］，17p11［8］，19p13.3［9］，Xq22.3-Xq27.2［10］，9q31.2-9q34.2、17q25.3［11］，18q12.1-18q 12.2［12］，12p［13］，3q12、15q13.3［14］，17［15］，6q15-q21、10q23-q25.3［16］。现就如下主要候选基因做一综述。

1 结缔组织相关基因

1.1 软骨基质蛋白基因——MATN-1 基因

由于老鼠和人类之间存在同线性，即部分基因序列相对保守或全部保守，通过对有脊柱畸形的老鼠研究，MATN-1 基因而成为候选基因。人类MATN-1 基因位于染色体1p35，于软骨中表达。其所表达的MATN-1 是一种软骨基质蛋白，参与细胞外基质合成，是维持脊柱功能重要蛋白。通过对存在AIS 患者的81 个家庭研究报道选自基因库的标记SNP 后行聚合酶进入反应(polymerase chain reaction，PCR)扩增及分析得到结果其中103 bp 片段传递率达到63%，证实3’非转录区域短串联重复序列103 bp 多态性与AIS 发病相关联［17］。中国学者通过病例对照研究报道，选取标记的SNP 位于MATN-1 基因组自上游5 kb至下游2 kb 区域的确定的7 个位点，其中位于5’侧翼位点rs1149048 具有等位基因多态性，较正常组有更高发病风险，对照结果在统计学上有意义，证实MATN-1 基因启动子区域位点rs1149048 多态性是AIS的易感基因［18］。韩国学者研究报道应用选自Hap-Map 的SNP 标记后经聚合酶链式反应-限制性片段长度多态性法(polymerase chain reaction-restriction fragment length polymorphism，PCR-RFLP)［19］得出7个位点，其中位点rs1065755 统计学结果提示在AIS患者与正常对照组之间存在差异，表明MATN-1 基因区域外显子6 SNPrs1065755 多态性与韩国人AIS 弯曲类型相关联［20］。

1.2 组织金属基质蛋白酶抑制剂(tissue inhibitor of metalloproteinases，TIMP)和金属基质蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)

MMPs 与TIMP 相互作用对于细胞外基质调节软骨内骨化非常重要，TIMP 定位于候选基因17q25.3区域。通过对中国女性AIS 进行病例对照研究，将AIS 患者分为胸凸、腰凸2组，每组按Cobb角分为＜40°、≥40°组。外周血提取的DNA 经PCR-RFLP 法分析得出结果，证实胸凸、Cobb 角≥40°组存在TIMP-2 启动子区域-418 位点rs8179090多态性GC 表型，表明该位点的多态性与AIS 的胸凸发展有关联［21］。但不同种族大样本研究报道相同位点多态性与AIS 发病、进展无关联［22］。

MMP-3 基因在退变及脊柱侧凸椎间盘中表达程度高于正常人。有学者通过小样本研究报道MMP-3 基因启动子多态性5A/6A 表型与AIS 发病相关联［23］。但不同人种大样本研究发现MMP-3 基因多态性5A/6A 表型与AIS 无明显关联［24］。

2 骨的形成和骨的代谢相关基因

2.1 骨形态发生蛋白-4(bone morphogenetic protein-4，BMP-4)基因

BMP-4 是一种生长因子刺激骨的生长发育。Mórocz 等［25］研究证实在BMP-4 基因启动子区域-3445 的SNPrs4898820 多态性GT 表型与正常对照组差异无统计学意义，提示BMP-4 基因启动子多态性与匈牙利人AIS 发病无关联。该研究团队同一研究报道瘦素基因位点rs7799039 多态性与AIS 发病无关联，推测瘦素可能作用于IL-6 基因引起AIS。

2.2 Ca2+调节亲环素配体-1(Ca2+-modulating cyclophilin ligand-1，CAML-1)基因

CAML-1 基因编码的CAM 蛋白为Ca2+受体结合蛋白，在生物体内Ca2+进行细胞间信息传递、完成细胞分化、增殖及调节递质、血管、肌肉等生理生化活动所必须受体蛋白，主要功能多样。国内学者对所选AIS 病例按北京协和医学院(Peking Union Medical College，PUMC)分型分为双凸组、腰凸组，选取的位点rs12885713、rs5871 均存在差异与正常对照组有统计学意义，提示CAML-1 基因区域SNPrs12885713 位点多态性与AIS 弯曲类型，双凸有关联，位点rs5871 多态性可能是AIS 腰弯的风险因素［26］。

2.3 白细胞介素-6(interleukin-6，IL-6)基因

IL-6 作为成骨细胞刺激因子、前炎症因子、抗炎细胞因子发挥作用，在AIS 椎间盘IL-6 表达量增高，扩大的炎症反应加速了AIS 椎间盘的退变，因而被列为候选基因。意大利学者报道IL-6 基因多态性GG 表型与意大利人AIS 发病相关［23］。不同人种及样本研究报道IL-6 基因多态性GG 表型与AIS 无关联［24］。尽管IL-6与AIS 发病、进展在不同种族表现不一致，韩国学者报道，IL-6 基因-572 多态性CC 表型与韩国人AIS 腰椎椎体骨密度下降关联［27］。

2.4 IL-17 受体C(IL-17 receptor C，IL-17RC)基因

IL-17RC 可以调节IL-6，同时IL-17RC 可增加肿瘤坏死因子α，IL-1β 数量从而增加MMPs 表达促进椎间盘退变。Zhou 等［28］报道IL-17 RC 基因GG 表型与G等位表型与正常对照组存在差异，并且差异具有统计学意义，表明IL-17 RC 基因位点rs708567 多态性与中国汉族人AIS 发病和进展相关联［29］。

3 褪黑素通路相关基因

3.1 褪黑素

褪黑素为吲哚类激素产生于松果体，具有广泛的生理功能如调节体温、代谢、激素分泌等。体内受体包括MT1、MT2，分布广泛，如脑部、人体外周血细胞以及骨骼细胞(MT1)、软骨细胞(MT2)。Machida等［30］报道给予90 只孵化后3 d 小鸡切除松果体后可产生脊柱侧凸，发现产生脊柱侧凸小鸡褪黑素含量明显低于无侧凸产生小鸡，术后补充褪黑素后脊柱侧凸发生率降低，认为褪黑素缺乏是导致脊柱侧凸发病原因。文献［31］报告褪黑素相关基因是AIS发病机制而不是病因，不能清晰反映人类脊柱侧凸发生时褪黑素在多个水平的作用，病例对照组间没有显著的不同，提示脊柱侧凸发生可能与细胞信号传导通路有关。中国学者应用2 阶段病例对照研究，第一阶段提取DNA 经连锁不平衡标记SNP 后行PCR-RFLP 法，确定10 个位点包括启动子区域位点rs4753426。第二阶段Meta 分析该位点CC 表型存在差异与正常对照组有统计学意义。证实MTNR1B(MT2)启动子基因位点rs4753426 多态性与AIS 发生有关联［32］。此后多个国家学者通过不同的样本研究却报道MTNR1B 启动子多态性与AIS 发病进展无相关［25，33-34］。椎旁肌肉中也有褪黑素受体基因表达。已有研究报道AIS 凸侧椎旁肌纤维分布存在不对称现象，这种分布不对称可能为继发性改变［35］。之后Qiu 等［36］通过褪黑素受体mRNA 转录在两侧椎旁肌表达方式研究，结果进一步证实肌纤维分布不对称为次要改变。

3.2 色氨酸羟化酶(tryptophan hydroxylase，TPH)基因和芳香胺-N-乙酰基转移酶(arylalkylamine Nacetyltransferase，AANAT)基因

中国学者经研究报道褪黑素合成通路上2 个关键酶TPH-1 和AANAT 基因，TPH-1 基因中位点rs10488692 多态性与AIS 发生相关联，与AIS 患者性别，Cobb 角无关联。同一研究证实AANAT 基因多态性与AIS 发生无关联［37］。但美国、日本学者报道TPH-1 与AIS 发病无关联［34，38］。研究扩展到褪黑素受体调节受体50(G protein-coupled receptor 50，GPRSO)基因时，未发现其多态性与AIS 相关联［38］。

4 青春期和生长相关基因

4.1 雌激素受体1(estrogen receptor 1，ESR1)基因

随着青春期和生长开始，观察到脊柱侧凸随着生长发育加重。生长发育相关基因受到重视，如雌激素，ESR，生长因子，椎旁肌肉异常等。雌激素通过受体调节成骨细胞的分化发挥作用，其受体ESR1、ESR2 表达于成骨、破骨细胞。ESR1 基因被广泛 研 究，位 点 Pvu Ⅱ(rs2234693)、Xba Ⅰ(rs9340799)位于该基因区域内。日本学者通过304例日本女性AIS 研究报道XbaⅠ位点多态性与日本人AIS 进展相关联，而PvuⅡ位点多态性与AIS发病、进展无关联［39］。中国学者报道证实XbaⅠ位点多态性与中国人AIS 进展相关联［40］。后续研究报道4例AIS 处于低的雌激素水平下XbaⅠ位点多态性与AIS 发病相关联［41］。但Tang 等［42］报道以上均不能在大样本中国人AIS 中重复。

4.2 ESR2 基因

雌激素通过ESR1 发挥作用，ESR2 受体调节ESR1，中国学者进行ESR2 的研究报道ESR 基因-458 区域T→C，统计学结果提示位于5’非转录区基因OK-1 多态性CC 表型多态性与女性AIS组发病、进展相关联［43］。大样本研究报道ESR2 基因多态性与AIS 发生及发展无关联［34］。

4.3 G 蛋白偶联受体(G-protein coupled receptor，GPER)基因

GPER 同样被深入研究，中国学者应用2 阶段病例对照研究报道，第一阶段应用SNP 标记，扫描GPER30 外显子、外显子与内显子交接区域确定16个位点，其中包括位点rs3808351。第二阶段应用新型基因分析技术探针标记法(TagMan)［19］微阵列分析，统计学结果提示病例组与对照组存在差异，证实位于GPER 的5’非转录区基因位点SNPrs3808351多态性AIS 发展关联［44］。但随后不同种族研究报道rs3808351 位点多态性与AIS 进展无关联［25，34］。

4.4 胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)及生长激素受体(growth hormone receptor，GHR)相关基因

雌激素-生长激素-IGF-1 轴存在于男性和女性，这种作用是主要调节生长和增加骨维度。AIS 患者生长加速过程侧凸加重，IGF-1 相关的基因成为候选基因。中国学者研究后报道IGF-1 基因TT 表型多态性与AIS 进展相关联［45］。不同样本研究却提示IGF-1 基因多态性与AIS 发病进展无关联［34，46］。进一步研究GHR 多态性未发现与AIS 相关［34，46-47］。

AIS 研究中基因学方面已经取得长足的进展，虽然确定了许多候选基因区域、位点，具体致病的基因仍不清楚，提示该疾病的复杂性。候选基因研究中仍存在较多问题:①上述研究在小样本中得出阳性结果，而重复在大的样本得出阴性结果，后续的研究需在足够大的样本内寻找致病原因;②同一基因在不同种族研究结果不一致，提示需要在不同种族人AIS 内进行，以便寻找共同的发病基因;③各种研究的分层、分组不一致，需确定病例选择标准，防止统计学检验时产生偏移、误差等;④通过家系连锁或关联分析得出候选基因区域内仍然有较多的位点需要进一步的研究;⑤已通过研究候选基因所编码的蛋白质，这些蛋白质需进一步验证是否具有AIS 关联性。

目前对于AIS 早期缺乏有效的诊断方法，往往患者发现脊柱侧凸后就诊，严重时需外科处理且伴随各种并发症［48］。晚期则治疗难度增大，个人和社会经济负担加重，因此早发现、早诊断十分重要。随着高通量技术［19］的应用，未来的研究将能够从更多的样本中短时间内获取大量的信息，找出不同基因表型及等位基因表型的因果变化，只有准确找到发病的易感基因、修饰基因，才可能筛选出高危人群，为预防提供理论依据，制定一套完整有效的诊断、治疗的方法，以减轻或甚至可能完全消除脊柱侧凸。

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