H O XD 13基因突变及所致疾病

陈晓源，张晋雯，师秀艳

（1.沈阳医学院基础医学院医学检验技术专业2015级2班，辽宁 沈阳 110034；2.临床医学专业2014级1班；3.生物化学教研室）

H O XD 13基因突变及所致疾病

陈晓源1，张晋雯2，师秀艳3*

（1.沈阳医学院基础医学院医学检验技术专业2015级2班，辽宁 沈阳 110034；2.临床医学专业2014级1班；3.生物化学教研室）

HOX基因家族在脊椎动物的肢体发育中发挥巨大的作用。隶属于HOXD基因群的HOXD13基因参与肢体最远端（手和脚）的发育过程。HOXD13基因突变可以导致并多指（趾）畸形。随着研究的深入，新的突变以及疾病类型不断被发现，对HOXD13基因的结构与功能，以及HOXD13基因突变引起的疾病有了进一步认识。

HOXD13基因；基因突变；并多指（趾）畸形

HOXD13基因在早期胚胎肢芽与手指结构的发育中起关键作用，因此，HOXD13的突变是造成肢端畸形（如并指、短指等）的重要因素。普遍认为HOXD13基因突变可以导致并多指（趾）畸形（synpolydactyly，SPD）。随着科学的发展与研究的深入，发现HOXD13基因的突变还可导致短指、V型并指等其他肢端畸形，其表达水平与调控作用也对先天性马蹄内翻足以及某些癌症的预后有重要影响。本文将对HOXD13基因的突变以及突变引起的疾病的相关研究进展进行综述。

1 H O XD 13基因简介

HOX基因家族对胚胎形成与发育起重要作用。脊椎动物的基因组中包含39个HOX基因，根据排列分成4个基因簇（HOXA-HOXD）。HOXD13定位于2q31.1，位于HOXD 基因簇的5′端，含2个外显子，全长1 365 bp，编码区长1 008 bp。HOXD13编码的蛋白产物在3′端是一个180 bp的同源盒功能域，在5′端则含2个聚丝氨酸链和1个聚丙氨酸链［1］。

2 H O XD 13基因突变所致疾病及相应的突变位点

2.1 SPD 并指（趾）症（syndactyly）是一种显性遗传的先天手足畸形，但具有不完全外显率和变异性表达。根据 Temtamy与 McKusick［2］的命名，将其分为5种类型，SPD是Ⅱ型并指（趾）畸形。到目前为止，已知3种明确致病基因的SPD，分别被命名为 SPD1、SPD2 和SPD3［3］，由HOXD13基因突变导致的SPD1将在本文中详细讨论。

到目前为止，在以家族为单位以及散发的SPD患者中鉴定出的HOXD13基因突变包括多聚丙氨酸链长度改变、移码突变及点突变。其中多聚丙氨酸链延展（polyalanine expansion，PAE）和单碱基的错义突变占绝大多数。

2.1.1 PAE 1996年，Muragaki等［4］发现正常人类HOXD13蛋白N端的多聚丙氨酸链（polyalanine tract，Poly-A）有15个丙氨酸残基，而在3个无关联的美国SPD家庭患者中发现，他们的病症与发生PAE突变的异常HOXD13有关，丙氨酸残基分别扩增到了22、23和25个。HOXD13的PAE突变是第一个在人HOX基因家族中被发现的突变，并揭示了HOX蛋白N末端区域功能的重要性。

目前研究发现，在HOXD13中扩增≥7个丙氨酸残基的PAE突变会导致具有典型临床表现的SPD，扩增≤6个丙氨酸残基则不会导致表型异常［5］。

SPD临床表型的严重程度和外显率已被证明随着多聚丙氨酸链长度增加而增加。最合理的解释是扩增的7个或更多的丙氨酸残基致使HOXD13蛋白与另一个蛋白质结合，并且随着扩增规模的增大，结合的亲和力增加。这种蛋白结合可能不仅会干扰剩余的野生型HOXD13蛋白的作用，也会干扰其他HOX蛋白［6］。

2.1.2 移码突变 1998年，Goodman等［7］在2个无关的家庭中，在HOXD13基因第一个外显子发现不同的碱基缺失突变，产生移码突变，导致突变位点后读码框变化，出现新的长氨基酸链，并导致提前出现终止密码，突变HOXD13蛋白缺少功能性同源盒结构域，无法与DNA结合，导致了SPD。在这2个家庭中所有的突变携带者在第一、第二跖骨间有一个未发育完全的额外的足趾，也经常出现在第四、第五跖骨间。

Kan等［8］报告了一个三代家系中，在手部并没有典型的SPD表型，但在足部显示出的畸形，与Goodman等［7］此前针对两个家系描述过的症状很相似。他们发现了该家系HOXD13基因上的移码突变（758-2delA）导致这个非典型的SPD的发生。这些研究结果支持HOXD13基因单倍剂量不足导致的一个确切明显的表型。

2.1.3 无义突变 以下两个无义突变致病的案例与上面提到的基因单倍剂量不足致病的机制相同，由于突变蛋白缺乏（部分）同源结构域，因此将导致部分或完全不能与DNA结合。

在对一个拥有多种SPD表型变化的巴基斯坦家族的研究中发现，该家族SPD患者的HOXD13基因携带有无义突变 c.742C＞T（p.Q248X），症状严重的患者皆携有纯和的突变，而症状轻微的则表现为杂合。但有些未患病的个体也携带有杂合的该突变，显示出了不完全外显率［9］。

有一对近亲结婚的父母的三女儿同时患有唇裂与SPD。研究发现她携带有纯和的HOXD13无义突变 c.718C＞T（Q240X），其父携带有杂合的该突变。但是在可能导致唇裂的基因段并没找到致病的突变［10］，此前也从未有SPD与唇裂相关联的报告。

2.1.4 错义突变 2002 年，Debeer等［11］报道了 1例杂合了2个家庭的HOXD13/HOXA13突变而导致的严重SPD病例，在患者的HOXD13同源盒中检测到了错义突变 c.892C＞T（R31W）。该 R31W突变被认为使同源结构域-DNA复合物不稳定而致病。

Wang等［12］在一中国SPD患者家庭中检测到错义突变c.893G＞A（R31Q），与先前提到的Debeer等［11］报道的R31W导致SPD的丹麦家庭相比，临床表型有很大的不同，显示出双侧皮纹或双侧食指弯曲。

2009年，Fantini等［13］确定了第 1例发生在HOXD13同源盒功能域之外的错义突变G220V，受影响的家庭成员显示出“经典”SPD的变体形式例如第五指弯曲。该G220V突变并非通过显性负效应机制发挥作用，而被证明是HOXD13基因单倍剂量不足导致的功能缺失突变。

2.1.5 染色体微缺失 2002 年，Goodman 等［14］发现一对被确诊为SPD的父女在其HOXD基因簇的5′端有117 kb的染色体缺失。通过直接测序发现这个染色体微缺失移除了HOXD9-HOXD13及EVX2。该机制同样可用HOXD13基因单倍剂量不足解释。

2.2 短指（趾）-并指（趾）综合征 位于染色体2q31区域的HOXD13基因发生PAE时会导致SPD的发生。而Zhao等［15］在一个有短指（趾）-并指（趾）综合征的家族中发现其HOXD13基因发生了多聚丙氨酸链缩减（polyalanine tract contraction）。多聚丙氨酸链由正常的15个丙氨酸残基缩短为8个。多聚丙氨酸链缩减致病的机制目前还未知。

2.3 V型并指 V型并指患者手部畸形特征表现为第4、5掌骨融合。在一个中国人Ⅴ型并指大家系中发现了HOXD13基因内的一个错义突变。在这个Ⅴ型并指家系中，所有患者存在HOXD13基因内错义突变 c.950A＞G（Q317R），该突变位于HOXD13蛋白的同源结构域内［15］。

2.4 D型短指/E型短指 短指症（Brachydactyly，BD）是由于指（趾）骨和掌（跖）骨短小、缺失或融合造成的手足先天畸形。Bell根据畸形发生部位和患者受累程度的不同分为A、B、C、D、E五类。D型（brachydactyly type D，BDD，MIM 113200）表现为拇指和大脚趾的远节指骨短而宽，E型（brachydactyly type E，BDE，MIM 113300）主要表现为掌（跖骨）短小畸形，且家系内和家系间患者的受累指（趾）数有较大差异，并可进一步分成3个亚型［16］。

在对一BDE家系的研究中发现，患者携带有HOXD13基因内的一个无义突变c.820C＞T（p.R274X）［17］。

Johnson等［18］发现了2种位于HOXD13基因同源盒的错义突变c.923 C ＞G（p.S308C）；c.940 A＞C（p.I314L），同源结构域47位的亮氨酸对DNA结合的影响不是简单的功能丧失，而似乎是微妙的改变，引起了BDD和BDE。

2.5 先天性马蹄内翻足 先天性马蹄内翻足是一种常见的先天性足畸形，以后足马蹄、内翻、内旋，前足内收、内翻、高弓为主要表现。

王莉莉［19］等应用延伸型传递不平衡试验（ETDT）对84个先天性马蹄内翻足核心家系HOXD基因簇内的4个多态位点进行分析，提示HOXD13基因有可能是先天性马蹄内翻足的易感基因。在对该84例先天性马蹄内翻足患者该基因编码区的突变情况的检测中，未发现HOXD13基因有突变，但表达有明显下调。他们推测先天性马蹄内翻足患足肌肉的异常与高水平表达于骨骼肌和心肌组织中的FHL1基因变异有关，并用半定量RT-PCR方法检测患足肌肉FHL1的表达，发现其表达下调。用软件预测并验证了HOXD13与FHL1基因启动区的转录因子结合位点的结合作用。推测HOXD13表达下调会影响FHL1的表达水平，进而影响骨骼肌的发育而导致先天性马蹄内翻足［20］。

2.6 癌症 1998年，Raza-Egilmez等［21］报道，在1例患急性髓细胞性白血病的患者体内发现了NUP98-HOXD13基因融合。HOXD13基因的甲基化在肝外胆管癌［22］与恶性黑色素瘤［23］的病例中均有报道。

另外，有研究发现，HOXD13表达水平较低的胰腺癌患者与HOXD13表达水平较高的患者相比，前者的预后较差，这一发现表明，HOXD13基因可能是胰腺癌的一个抑癌基因［24］。Zhong等［25］对散发性乳腺癌与HOXD13的研究也表明，HOXD13甲基化是散发性乳腺癌的常见现象，与散发性乳腺癌患者的低生存率有关，提示HOXD13甲基化是散发性乳腺癌的重要预后因素。

3 小结与展望

HOXD13基因的突变对早期胚胎的肢端异常发育有重要的影响。目前人们研究HOXD13基因突变对指（趾）畸形的影响主要为SPD，短指等其他指（趾）畸形与HOXD13突变的联系也有一定数量的报道。HOXD13的表达水平与调控作用被发现是某些癌症的重要预后因素。然而，还有很多未解之谜亟待探索，随着未来更加深入的研究，人们对HOXD13基因与各类疾病之间的关系的认识必然会迈上新的台阶。

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Mutations ofHOXD13 Gene and Its Related Diseases

CHEN Xiaoyuan1，ZHANG Jinwen2，SHI Xiuyan3*
（1.Class 2，Grade 2015，Shenyang Medical College，Shenyang 110034，China；2.Class 1，Grade 2014；3.Department of Biochemistry）

The HOX genes take an important role in limbs formation of vertebrate.HOXD13，which belongs to HOXD cluster，orchestrates the development of the most distal part of the limb （hands and feet） .Mutations of HOXD13 are associated with synpolydactyly.With accumulating evidence from both clinical and preclinical studies，new mutations and phenotypes of HOXD13 are found constantly.Our understanding of HOXD13 gene-associated phenotypes and diseases caused by mutations of HOXD13 gene have been significantly improved.

HOXD13；mutation；synpolydactyly

R596.1

A

1008-2344（2017）04-0371-04

10.16753/j.cnki.1008-2344.2017.04.023

辽宁省自然科学基金项目（No.2015020389）

师秀艳（1972—），女（汉），副教授，研究方向：遗传病致病基因突变分析.E-mail：xiuyanshi@symc.edu.cn

2016-09-14

（文敏编辑）