先天性颈椎融合畸形的病因学研究进展*

姚思远 刘书中 李政垚 李子全 王牧川 牛潼 高晨郜 王以朋

（中国医学科学院北京协和医学院北京协和医院骨科，北京 100730）

先天性颈椎融合畸形，是脊柱外科中一种罕见的先天性疾病，以短颈、低后发际线与颈部活动受限为经典临床三联征[1]。此外，KFS患者常有颈痛、疲劳、头晕症状[2]，遭受轻微外伤即可出现颈椎骨折、脱位[3]，且可合并有骨关节系统[4,5]、神经系统[6]、泌尿生殖系统、心血管系统畸形表现[7,8]，严重影响患者的身心健康[9]。该病于1912年由Maurice Klippel与Andre Feil共同归纳总结，故又称为Klipple-Feil综合征（Klipple-Feil syndrome,KFS）。最初，文献报道KFS发病率约为1/40000，女性稍多于男性[1]。但近年来学者普遍认为，由于部分患者起病隐匿，患者的临床表现存在较大异质性，且过往缺乏简便易行的普查手段，故这一发病率很可能被低估[10]。KFS患者早期通常无明显颈部活动受限及神经症状，或仅因其他骨骼及脏器畸形就诊而忽视颈椎病变，这也为KFS的早期诊断与合理干预带来了极大的挑战。

迄今为止，KFS的病因学及发病机制尚未完全明确。在早期的群体遗传学研究中，有学者发现部分KFS患者有一定的家族聚集与遗传倾向。近年来，文献报道在KFS患者中检测出多种染色体异常以及基因突变类型，同时在对22q11.2染色体缺失综合征等患者的观察统计中发现，伴发先天性颈椎融合的比例明显高于正常人群[11]。目前已知的KFS致病基因功能多与胚胎体节分化、骨骼发育等过程密切相关[12]。因此，主流研究观点认为遗传因素在KFS的发病过程中起到决定性作用[13]。现就近年来KFS病因学及发病机制的研究进展进行综述。

1 胚胎学研究

KFS并无颈椎缺失，其成因是胚胎发育过程中出现异常。若胚胎在颈部分节阶段出现分节与再分节异常，或因椎间盘发育不良、继而椎间隙骨性融合，均可导致KFS的发病。在胚胎发育过程中，枕部第4生骨节（4thoccipital sclerotome），即前寰椎（proatlas），与颈部第1生骨节（1stcervical sclerotome）共同影响寰椎形成，若这两部分结构分离失败，则会引起寰椎枕化（atlas occipitalization,AOZ），即寰枕融合。Natsis等发现由于脊椎间发育分化的相关性，AOZ可能与颈椎融合、半椎体等先天脊柱畸形并存[14]。人体脊椎与其他部位分化起源亦具有同源性，与肋骨、泌尿系统以及颜面等发育过程密切相关，因此在胚胎早期出现颈椎分化发育异常，常并发其他系统畸形。由于脊柱分节等形成过程自头侧向尾侧进行，因此颈椎分节不良等发育异常发生时间更早，相比于腰骶椎等尾侧椎体发育异常，对胎儿的不良预后影响更为显著[15]。

2 遗传学研究

2.1 群体遗传学研究

目前遗传学研究发现KFS并非单一遗传方式，既有显性致病基因又存在隐性致病基因[16]，除多数以常染色体为载体遗传外，还可能存在X染色体连锁的遗传模式。同时部分致病基因的外显性较弱，呈半显性或呈多基因遗传[17]。1919年Feil首先根据KFS患者脊柱融合节段将其分为三型：Ⅰ型为颈椎或上胸椎广泛融合，Ⅱ型为仅累及1～2个椎间隙，Ⅲ型为颈椎合并下胸椎或腰椎融合。根据Feil分型，文献报道Ⅰ型与Ⅲ型KFS常为常染色体隐性遗传，而Ⅱ型KFS中常染色体显性遗传居多[18]。1998年Clarke等综合颈椎融合节段、可能的遗传模式以及与伴发畸形的关系，将KFS分为以下4型[17]。KF1型：存在C1融合，即寰枕融合或寰枢椎融合，呈常染色体隐性遗传；KF2型：C2-C3为融合头端，呈常染色体显性遗传；KF3型：C2-C3或C3-C4为融合头端，呈常染色体隐性遗传或不完全显性遗传；KF4型：颈椎融合合并眼部异常，可能为X染色体连锁遗传。后有学者将该分型命名为Wildervanck综合征，或称颈眼耳综合征（cervico-oculo-acoustic syndrome），表现为Klippel-Feil畸形、Duane综合征（Duane retraction syndrome,DRS）以及先天性耳聋，是一种X连锁遗传性疾病[19]。

2.2 细胞遗传学研究

在染色体水平的研究中，学者发现部分KFS患者存在染色体异位、缺失、重复等异常[20,21]。Dabkowska-Huc等对1例MURCS联合征（MURCS association）患者进行了病因研究，MURCS联合征即米勒管发育不全（Müllerian duct aplasia）、肾发育不全（renal aplasia）以及颈胸体节发育不良（cervicothoracic somite dyspla⁃sia），研究发现5号染色体5q35.1段重复，但具体基因功能尚不明确[20]。另外，Coman等报道了2例9p四体的限制性胎盘嵌合体（confined placental mosaicism,CPM）患者，均诊断为脊柱肋骨发育不全（spondylo⁃costal dysostosis,SCD），表现为广泛的颈椎与胸椎先天融合畸形，表明部分类型染色体重复可能影响颈椎分节[22]。除染色体重复外，片段缺失同样对颈椎发育产生重要影响。Tamai等在2004年对71例22q11.2染色体缺失综合征（22q11DS）患者的颈椎X线进行分析，发现34%存在C2-C3颈椎融合，且其中56%存在邻近节段的过度活动表现[23]。随后Konen等在2008年对此进一步验证，发现45例22q11DS患儿中，97.7%存在不同类型的C1-C2椎体发育异常，32%的患儿具有C2-C3融合表现，与Tamai等的统计结果基本吻合[11]。Hamidi等在对16例22q11DS患者的研究中表示，与匹配对照组相比C1发育异常具有统计学意义，且C2-C3椎体有融合趋势（P＜0.05）[24]。

3 基因组学研究

3.1 基于病因学的临床分型

由于KFS遗传和表型的不均一性，潜在的分子病因学至今仍未完全阐释清楚。近年来，国内外学者已经在KFS人类家系中依次发现GDF6、MEOX1、GDF3、MYO18B等基因突变。这些突变类型在后续文献报道中已得到进一步验证，并对其功能进入了深入探究。基于以上4种致病基因类型将KFS分为KFS 1、KFS 2、KFS 3、KFS 4四型[13]。

KFS 1型：即GDF6突变，表现为常染色体显性遗传，GDF6基因位于8q22.1，所编码的蛋白质对骨骼发育产生重要作用。

KFS 2型：即MEOX1突变，表现为常染色体隐性遗传，MEOX1基因位于17q21.31，由MEOX1基因编码的蛋白质，称为同源框蛋白（homeobox protein）MOX-1，是一种在体细胞发育过程中具有明确作用的转录因子，通过转录调控和信号途径，在早期发育过程中参与调节椎骨分离的过程[12]。纯合MEOX1突变大鼠可模拟出类似人类KFS的表型[25]，敲除ME⁃OX1则可引起大鼠颈部骨骼缺陷[12]，Dauer等发现me⁃ox1cho突变型斑马鱼具有许多类似KFS的表现，包括先天性椎体融合及脊柱侧凸等[26]。

KFS 3型：即GDF3突变，表现为常染色体显性遗传，GDF3基因位于12p13.31，GDF3基因与GDF6基因类似，参与编码骨关节发育相关生长分化因子[27]。值得一提的是，该型常存在于Feil Ⅱ型KFS患者中[13]。

KFS 4型：即MYO18B突变，表现为常染色体隐性遗传，MYO18B基因位于8q22.1，编码的MYO18B是一种非典型肌球蛋白，在骨骼肌与心肌组织中表达为主，对肌原纤维结构的发育与维持至关重要[28]。Ajima等发现将大鼠的MYO18B基因敲除后，大鼠将出现心肌肌原纤维排列紊乱，从而导致胚胎死亡[28]。Alazami等对于两例KFS患者的报道，在电子显微镜下发现病变肌肉中存在异常的肌球蛋白丝[29]，Gurung等在MYO18B突变的斑马鱼模型中发现了骨骼肌肌节组装异常的情况[30]。在临床病例观察中，MYO18B的无义突变可导致先天性颈椎融合畸形之外，常会伴发部分先天性肌病和特征性面部畸形，由此推测MYO18B缺失可能与合并肌肉发育障碍的KFS类型相关[31]。MYO18B也被认为是一种肿瘤抑制基因，Schieffer等报道了一例KFS与大细胞间变性髓母细胞瘤共病的独特病例，髓母细胞瘤表达的MYO18B水平升高，推断为一个功能失调的蛋白质，与先前报道的致病性MYO18B变体非常接近，该基因的致病机制值得进一步探索[32]。

以上4种基因不是KFS所特异的基因突变类型，且这些突变基因仅能解释部分KFS患者的发病，部分散发KFS患者中未检测出相关基因突变[33]。

3.2 致病基因研究

除上述GDF6、MEOX1、GDF3、MYO18B 4种致病基因外，国际上已陆续发现众多其他KFS基因突变类型。Karaca等利用外显子组测序，在KFS患者Rippy2基因中鉴定出一个纯合移码突变，呈常染色体隐性遗传，该基因在体细胞通过负调控TBX6参与Notch信号通路[34]。值得注意的是，Notch通路被证实在大鼠体节发育过程中起到重要作用，该通路中的Dll3突变可造成人体脊椎发育障碍[35]，可能是未来学者对KFS致病基因作用通路研究的关注对象。近期，李子全等对37例中国汉族的KFS患者进行全外显子组测序后，在96个与椎骨分离缺陷相关的候选基因中，进一步进行基因负荷检验分析，筛选出5种与KFS相关的基因，分别为BAZ1B、FREM2、SUFU、VANGL1和KMT2D，可能是KFS的候选致病基因。该研究确定BAZ1B与KFS的关联概率最高，其次是FREM2、SU⁃FU、VANGL1和KMT2D。此外，在这37例患者中有7例存在多个基因位点的变异，这提示可能是多基因共同作用导致了KFS的发病[36]。另外，同源框（ho⁃meobox,Hox）基因是一个可以调控轴向骨发育顺序及分化过程的基因家族，Hox基因突变会导致大鼠枕骨与寰椎的异常分化或骨性融合[37]。PAX基因家族是人类的发育调控基因，在轴向骨架的发育中起着重要作用，目前证实PAX1对调控大鼠体节分化具有重要影响，该基因家族可能参与到KFS的发病过程中[38]。

3.3 合并KFS的综合征相关病因学研究

由于KFS常合并有全身多发畸形或其他病变，其严重程度可能较颈椎异常更加突出。因而颈椎融合畸形可作为其中一种次要合并表现，对其病因的研究常常体现在其他病例报道中。如Roberti等报道了1例Diamond-Blackfan贫血合并II型KFS畸形患者，发现在染色体12q13.2-q13.3处存在一段长约500 kb的缺失，其中包括RPS26和至少25个旁侧基因[39]。Abu-Amero等在Wildervanck综合征患者中发现在X染色体Xq26.3处有一个3 kb的缺失，该段缺失仅包含一个基因，即成纤维细胞生长因子同源因子13（FGF13），它编码一种216个氨基酸的蛋白质，通过在神经元内的表达对大脑发育起到重要作用，且未发现该患者HOXA1、KIF21A、SALL4和CHN1的基因突变[19]。Duane综合征是一种先天性脑神经功能障碍疾病，表现为眼直肌运动障碍和内转时眼球内陷，Abu-Amero等在另一篇关于Duane综合征患者的病因探究中，发现1例年轻女性患者合并有KFS，该患者未发现SALL4、CHN1、HOXA1和TUBB3基因突变，而存在两段染色体缺失，在染色体12q24.31处发现一段21 kb的缺失，该片段仅存在一段编码环指蛋白34、E3泛素蛋白连接酶（RNF34）的基因；而在染色体上22q13.31的一段11 kb缺失，其包含基因负责编码过氧化物酶体增殖物激活受体α（PPARA）[21]。Gi⁃ampietro等调查了患有KFS且合并Treacher-Collins综合征的一位父亲与其两名女儿，全外显子组测序发现POLR1D（RNA聚合酶Ⅰ和Ⅱ的亚单位）编码基因存在非同步性突变，且认为KFS和TCS之间在病因及发病机制上存在联系[40]。脊柱肋骨发育不全是一种以脊椎分割缺陷以及肋骨畸形为特征表现的先天性疾病，根据基因突变类型将其分为3型，分别为DLL3（1型）、MESP2（2型）和LNFG（3型），均呈现常染色体隐性遗传，以上3个基因均被证实参与了Notch信号通路中[22]。

4 小结与展望

近年来，学者发现KFS更倾向于是一种以遗传因素为主导的综合性疾病。由于KFS病因复杂，发病形式多样，且近期调查发现其发病率远高于既往报道，KFS的病因学及发病机制受到了国际上越来越多学者的关注。随着KFS相关病例报道的增加，以及学者对KFS的遗传学、基因组学等基础研究的逐渐深入，KFS的病因与发病机制正在一步步地被揭示。近年来，国内外学者已在临床确诊病例中发现众多特定的染色体异常以及基因突变类型，且部分基因突变可以在后续报道中的其他KFS患者中得到证实。但由于KFS患者以散发分布为主，或仅为小规模家族聚集，病例间表型差异较大，仍有大量病例无法用目前的研究成果解释发病原因及过程，也未在蛋白质组学以及代谢组学中形成明确的通路或网络体系构建。笔者希望本文可以为KFS的病因学研究提供更多线索和证据，并为该病的早期筛查、精确诊断及合理治疗提供一定的理论依据。