下颌前突畸形遗传学研究进展

熊雪妍,马嘉磊,陆嘉玲,夏润芃,徐余波

(同济大学附属东方医院口腔科,上海 200120)

下颌前突(Mandibular prognathism,MP)是一种口腔正畸领域常见的复杂颌面部发育畸形,以下颌骨过度发育为特征,可伴或不伴上颌发育不足,涉及骨骼、肌肉、牙齿结构及功能不调;主要表现为面部侧貌凹陷,前牙反牙合,磨牙近中关系等临床特征。该病在全球发病率有明显的地域差异,在日本、韩国和中国等蒙古人种中高达10%～23%;且大规模流行病学调查结果显示,MP的患病率和畸形严重程度随年龄增长而增加[1]。这种畸形一方面损害患者口颌系统咀嚼、发音等生理功能,引起咀嚼肌功能失调和颞下颌关节功能紊乱,造成吞咽异常,严重降低患者生存质量;另一方影响患者颜面美观,对其社会生活、就业选择和恋爱婚姻造成负面影响,带来不可修复的精神心理创伤[2]。

MP病因较为复杂,大量研究表明MP是由遗传和环境相互作用引起的多基因复杂疾病,可能存在一个及以上主效基因[3]。影响MP患病的环境因素包括替牙期障碍、不良口腔习惯、唇腭裂、呼吸道疾病、全身因素等。随着人类基因组计划的完成和后基因组计划的开展,人们对于基因组变异和疾病之间关系的了解逐渐深入[4-5]。遗传因素在MP的发生、发展及预后中的作用越来越受到重视。得益于遗传学检测平台和分析手段的飞速发展,一些与MP发生相关的基因和位点也陆续被提出。本文将围绕家系连锁分析、病例对照关联研究、microRNA与MP 相关研究以及MP相关的遗传综合几个方面,对MP的遗传学病因研究进展作一综述。

1 家系连锁分析

颅面骨生长发育遵循多基因模式,其表型是基因和环境共同作用的结果。遗传度越大的性状从亲代传递给子代的能力越强,一般遗传度在60%以上即可认为遗传较环境因素更为重要。MP在中国、日本等蒙古人种中遗传度高达70%至90%,是基因连锁分析的有利基础[6]。家系连锁分析的理论基础是疾病家系中的致病基因或者染色体区域与疾病表型共分离。染色体上相邻基因座位的等位基因由于连锁会在遗传过程中同时传递,因此可通过遗传标记如微卫星序列或者单核苷酸多态性位点(Single nucleotide polymorphism,SNP)实现致病变异的定位。

YAMAGUCHI等[7]学者首次使用家系连锁分析策略对日本和韩国地区的MP家系患病同胞对进行微卫星标记的全基因组扫描和非参数连锁分析,发现3个与MP相关的染色体座位 1p36、6q25和19p13.2;并根据该区段内基因的功能推测1p36上的 ALPL、HSPG2和 MATN1为可疑致病基因:其中 ALPL 与骨形成相关,HSPG2 与软骨发育相关,MATN1 编码的软骨基质蛋白-1在软骨生长过程中特异性表达。国内最早由LI等[8-9]对汉族MP患者家系进行了资料收集和连锁分析,发现了新的MP相关染色体座位14q24.3-14q31.2和4p16.1,推测TGFB3、LTBP2和EVC、EVC2为易感基因。CRUZ等[10]验证了巴西地区家系MP患者的6个候选微卫星标记(D1S234、D4S3038,D6S1689、 D7S503、D10S1483和D19S566),显示仅D4S3038与MP显著关联;该研究印证了MP的遗传机制具有异质性和种族差异。

早期对MP遗传因素的探索一般定位至疾病相关的连锁区段,随着新一代测序技术的兴起,研究者对于MP遗传结构的描绘日渐细致。NIKOPENSIUS等[11]对一个爱沙尼亚骨性Ⅲ类错颌畸形家系的3个患病成员和1个对照同胞对进行全外显子组测序(Whole-exome sequencing,WES),鉴定出DUSP基因c.545C>T错义突变为MP可致病位点。GUAN等[12]学检测到ADAMTS1基因上c.742I>T突变在一个汉族MP家系中与表型共分离;并在散发患者中验证到230例MP患者中有3例携带该突变,对照组中无此突变,rs2738和rs229038与MP显著关联。KAJII等[13]发现BEST3基因的罕见非同义突变c.1816C>A为MP的易感位点。

通过基因测序探究MP相关遗传因素无疑对理解该病的发生发展具有重大意义,生物学和功能分析可以进一步加深我们对于遗传数据的理解。CHEN等[1]筛查到FGF23基因上c.35C>A突变在一个汉族MP家系中共分离;第二阶段在3位散发病例中检出该突变。随后研究者将该野生型和突变型FGF23基因分别导入293T细胞,观察到突变导致FGF23蛋白产物累积于细胞内、分泌过程受阻,证实此突变可能为MP潜在致病位点之一。该研究首次从功能层面揭示了MP可疑致病突变的生物学作用。KANTAPUTRA等[14]报道ADAMTSL1基因c.176C>A与MP相关,原位杂交显示ADAMTSL1在胚鼠髁突部位浓缩的间充质细胞高表达,而在其他软骨或长骨处不表达,推断该基因在MP发病机制中具有重要作用。最近RAO等[15]学者通过家系连锁分析检测出新的MP易感基因位点——ERLEC1基因c.1237C>T,并在90例散发病例中检测到ERLEC1基因c.419C>G、c.419C>T和c.1448A>G与骨性Ⅲ类错颌畸形相关。细胞功能实验进一步发现ERLEC1突变增强了ERLEC1对前成骨细胞增殖和分化的抑制作用。

2 病例-对照关联分析

连锁分析的研究结果使得我们窥探到部分家系MP患者的遗传轮廓。由于MP遗传因素存在个体异质性和种族差异,一般人群中的MP遗传变异谱需要使用关联分析的方法来探查。病例-对照关联分析的原理是基于群体中病例和对照组等位基因频率分布存在显著差异来鉴定疾病或性状相关的易感基因和位点。目前常用的关联分析方法包括候选基因关联分析、全基因组关联分析(Genome wide association study,GWAS)和基因集关联分析等。

2.1 候选基因关联分析 候选基因关联分析通过检测目标基因中的标签SNP或者目标SNP在病例和对照样本中的等位基因分布频率,筛选出具有统计学意义的显著差异位点作为疾病关联位点。靶向基因深度测序利用序列捕获技术将目标基因特定区域 DNA 捕捉并富集后再进行高通量测序,可以实现多样本、高通量、低成本的目标序列突变的细致评估,从而可系统探索与疾病相关的“常见弱效”、“少见弱效”及“少见强效”变异,还可能检测出潜在的“罕见弱效”变异。目标基因的选择策略包括根据疾病发生机制推断的相关基因、全基因组关联分析或家系连锁分析检测到的易感基因或位点,以及其他模式生物相关疾病的研究结果等。

XUE等[16]通过病例-对照关联研究策略检测了文献报道的染色体1p36上103个SNP,发现EPB41基因上4个SNP与MP显著相关;扩大样本验证阶段EPB41基因上共23个SNP,两阶段研究结果均显示rs4654388与MP患病风险增加显著相关,单倍型分析显示GTTCAGGT与MP关联。还报道COL2A1基因rs1793953的A等位基因是MP的保护性位点[17]。JANG[18]研究了骨性Ⅲ类手术患者和骨性Ⅰ类对照MATN-1基因上的3个SNP,鉴定rs1065755多态性与MP患病风险显著相关,rs20566为保护性位点。DA-FOUNTOURA等[3]在北美地区骨性Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类错颌畸形受试者群体中检测了71个颅颌面骨相关基因上198个SNP,筛选出FGFR2基因rs11200014和COL1A1基因rs2249492与Ⅲ类骨面型风险增加相关,TBX5基因rs1248046降低骨性Ⅲ类风险。

TASSOPOULOU-FISHELL[19]在文献报道的MP相关染色体座位中鉴定出MYO1H基因rs10850110 的G等位分布频率在病例和对照组中存在显著差异。MYO1H编码Ⅰ型肌球蛋白,在细胞运动、胞吞和囊泡转运过程中具有重要作用。以往的MP遗传因素分析,研究者们更多地将目光聚焦于颅颌面骨骼的相关基因上,这一研究提示肌肉力量也是颌面部生长发育的遗传决定因素之一。而后CRUZ等[20]报道MYO1H (rs10850110 AG)和 FGF10(rs593307 A

生长激素是前垂体腺分泌的一种多肽激素,在调节颅颌面复合体生长和发育过程中具有重要作用。BAYRAM等[22]检测了GHR基因上P561T and C422F两个SNP与MP的关系,结果显示与P561T位点CC比CA等位基因型受试者具有更长的下颌体(Co-Gn)以及更短的面高(ANS-Me),但是这两个SNP均未发现与MP相关,推测GHR可能只是MP的候选基因。TOBN-ARROYAVE等[23]学者同样评估了GHR基因上rs6184、 rs6180多态性与骨面型的关系,发现rs6184的CA基因型受试者表现为ANB角度减小和下颌体长增加,该位点A等位基因可能是Ⅲ类骨面型的强效预后指标。

2.2 全基因组关联研究 不同于候选基因关联研究,全基因关联分析针对所有遗传位点,可以检测到未知的与疾病相关的基因变异,并且能筛查出复杂疾病中多个相关疾病的影响有关,有利于了解疾病遗传背景的全貌。IKUNO等[24]学者最先使用微卫星标记GWAS筛查MP易感基因,发现2 个染色体座位1q32.2 (D1S1358i)和1p22.3(D1S0411i)与MP关联,推测PLXNA2和SSX2IP为候选基因。该研究报道的基因座位1p22.3与FRAZIER-BOWERS等[25]连锁分析鉴定的1p22.1区段接近,验证了以往家系连锁分析的结果。PERILLO等[26]学者对一个意大利MP家系中5个患病成员进行WES,发现了5个可疑错义突变BMP3(c.199T>A),ANXA29(c.872G>A),FLNB(c.1142C>T),HOXA2(c.979G>A)和 ARHGAP21(c.3361G>A)。随后在多数家系成员的基因分型检测中发现该家系遗传背景分为两个分支。ARHGAP突变在较大的这个分支以不完全外显的常染色体显性遗传模式与表型共分离。ARHGAP21具有加强细胞间黏附的作用,在骨形成过程中具有重要作用,可能是MP的易感基因之一。

SAITO等[27]通过GWAS检测出了6个微卫星等位基因频率在MP病例和对照组中存在差异(D1S0411i、 D1S1358i、D3S0810i、D6S0827i、D7S0133i),推测SSX2IP、PLXNA2、RASA2、TCF21、CALN1以及RORA为可疑致病基因。PLXNA2基因编码丛状蛋白A2,是轴突导向因子的协同受体——丛状蛋白A家族成员之一。轴突导向因子3A与丛状蛋白A2在软骨细胞高表达,二者结合可以介导软骨细胞生长加速和细胞外基质沉淀。甲状旁腺激素相关肽受体1具有维持软骨细胞增殖活性和延迟软骨细胞肥大化的作用。为了研究PLXNA2基因在MP发生中潜在机制,Takashi等将外源性轴突导向因子3A加入到体外培养的人软骨细胞系后,抑制了状旁腺激素相关肽受体1的表达;推测PLXNA2基因可能抑制轴突导向因子3A的功能,从而延迟髁突软骨细胞的早期生长终止,导致下颌发育过度。

2.3 基因集关联分析 基因集关联分析通常选择疾病或性状相关的通路基因作为候选基因集合,以整个信号/代谢通路或多个互作候选基因的角度研究疾病或性状的遗传易感因素,可以提高关联信号强度利于检测弱效变异,并且有助于揭示复杂疾病背后的生物学过程。XIONG等[28]对MP患者和对照组MP表型进行了主成分降维分析,并通过FGF/FGFR信号通路基因进行靶向测序,报道FGF7基因上SNP rs372127537与代表前面高的主成分1显著关联,FGF12罕见变异与MP相关。另一项类似的基因集关联分析研究报道Notch信号通路基因6个SNP在MP组和对照组间分布频率存在差异(NOTCH4 rs41592、rs520688、423023,NOTCH3 rs1044006,JAG1 rs1051415,NUMB rs75236173),JAG1基因rs1051415与代表上下颌骨相对矢状向位置的主成分显著相关[29]。

3 microRNA 相关研究

microRNA(miRNA)是一种由22～25个核苷酸组成的非编码RNA,通过与靶mRNA 结合调节其翻译抑制或降解;在细胞生长、凋亡和死亡、信号转导、转录等过程中都具有关键作用。miRNA参与成骨/软骨分化过程中基因表达的精细调控,其表达水平改变也与多种遗传性骨病密切相关[30]。GU等[31]研究者在混合牙列期、恒牙列早期的MP患者,以及相应对照组中,通过基于微阵列的表达谱分析了四种血清miRNA(let-7i-3p、miR-595、miR-16-2-3p和miR-367-5p)的表达状况,结果显示let-7i-3p在MP组显著高表达,miR-595低表达。多元Logistic回归分析和受试者工作特征曲线分析显示,let-7i-3p和miR-595能够显著区分MP受试者和正常对照。Let-7i-3p和miR-595可能是准确早期发现和诊断MP的潜在非侵入性生物标志物。TIAN等[32]采用miRNA阵列基因芯片检测了MP患者手术切除的下颌骨和对照组的下颌骨组织的miRNA表达,寻找到了11个上调和11个下调的miRNA,共有3569个基因被预测为hsa-miR-10a-5p,hsa-miR-150-5p,hsa-miR-192-5p,hsa-miR-194-5p的靶标。靶基因参与成骨相关生物功能和信号通路。Hsa-miR-30d-5p是miRNA基因网络的关键节点。

4 遗传综合征相关下颌前突

Nance-Horan综合征是一种NHS基因截断导致的遗传病,患者表现为先天性白内障、斜视和MP[33]。12号染色体短臂嵌合四体型引起的Pallister-Killian综合征患者亦具有前额隆起和MP等面部特征[34]。马凡氏综合征是一种常染色体显性遗传的多系统结缔组织疾病,主要由FBN1基因突变所致,少数由TGFBR1或TGFBR2基因突变引起;口腔颌面部表现包括上颚高弓、MP、牙发育不全等[35]。痣样基底细胞癌综合征(Nevoid basal cell carcinoma syndrome,NBCCS)是一种常染色体显性遗传病,可能与PTCH1、PTCH2以及SUFU基因突变有关;部分病例可伴发颌面部骨骼异常,如MP、额骨和顶骨突出[36]。Simpson-Golabi-Behmel综合征是一种X染色体连锁的过度发育性疾病,由GPC3基因突变引起。头影测量分析显示患者具有前颅底增长、上下颌骨体积增大、前面高增加、Ⅲ类骨面型特点[37]。

毛牙骨综合征(Trichodentoosseous syndrome,TDO)是一种以外胚层衍生结构发育异常为特征的常染色体显性遗传病,颌面部表现包括MP、釉质发育不良、牛牙症等。LIU等[38]报道DLX3基因杂合变异(c.534G>C)是该病的可疑致病位点。Proteus综合征是一种由体细胞嵌合突变所致的罕见病,呈散发趋势,LINDHURST等在病变组织检测到了AKT1(c.49G>A)嵌合突变。该病临床表现多样、累及多系统,引起非典型骨过度生长,包括MP以及颞下颌关节退行性变等。这些遗传综合征相关的MP都较为罕见,发病机制有待进一步研究。

5 下颌前突遗传学研究的临床意义

MP是一种遗传和环境因素共同作用引起的颌骨发育畸形。目前临床上对MP的治疗策略倾向于多阶段治疗:乳牙期MP患者应尽早解除咬合干扰,诱导上下颌骨正常生长;对于替牙期和恒牙早期MP患者可利用其生长潜力改善上下颌骨发育和相对位置关系;对于成年MP患者根据严重程度考虑掩饰治疗或正畸-正颌联合治疗。但由于 MP 是一类颌骨发育性疾病,有大量的生长发育及转归难以预测,导致部分患者经过长时间多阶段治疗后下颌骨过度生长仍不能得到有效控制,最终不得不采取正颌外科手术治疗,这种状况给患者带来巨大的身心痛苦和经济负担。MP遗传学研究从分子水平探究其病因和发病机制,对该病进行早期精确诊断及准确预后判断,有助于临床筛选遗传病因占主导患者,选择设计更有效的治疗方案。

综上所述,近年来大量MP相关遗传学研究结果延展了学者对MP病因的认知,也为将来疾病的预防筛查和精准诊疗提供了线索。