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AME骨科频道001|青少年特发性脊柱侧凸遗传基础的单核苷酸多态性

Published at: 2015年第1卷第S1期

程豪
关键词:

编者按:《AME骨科频道》为大家呈现的第一篇特邀 Editorial“青少年特发性脊柱侧凸遗传基础的单核苷酸多态性”,出自美国 University of Wisconsin School of Medicine and Public Health 的 Philip F. Giampietro 教授,针对 Nature Genetics 杂志发表的 "A genome-wide association study identifies common variants near LBX1 associated with adolescent idiopathic scoliosis",和 "Genetic variants in GPR126 are associated with adolescent idiopathic scoliosis" 分享了他的学术观点,感谢程豪医生的翻译!

摘要:青少年特发性脊柱侧凸(Adolescent idiopathic scoliosis, AIS)是脊柱发育过程中和基因相关的复杂疾病,其定义为儿童的生长高峰期脊柱 10º 或以上测凸。在此之前的使用的阐明 AIS 的遗传基础连锁分析和候选基因分析的方法来识别候选基因受到限制。全基因组关联研究最近已经鉴定出导致 AIS 发生(Genome wide association studies, GWAS)LBX1 和 G 蛋白偶联受体126(GPR126)的单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms, SNPs)。这些发现佐证了之前的关于 AIS 患者体感功能和骨骼生长改变的病因假设。然而,这些基因位点的表型变异只占与 AIS 相关所有基因一个很小的比例,引起 AIS 的遗传基因绝大多数仍有待确定。一个涉及到理解 AIS 的遗传因素转化应用和高效性息息相关。

关键词:青少年特发性脊柱侧凸(AIS);支撑;基因组关联研究;单核苷酸多态性(SNP);骨骼生长;体感功能

 

青少年特发性脊柱侧凸(AIS)定义为的生长高峰期病因不明的脊柱 10º 或以上测凸(www.srs.org)。虽然有研究表明,遗传和环境因素都可能在其发病过程中发挥作用,当前 AIS 的发病机制仍然不明确。旋转畸形前倾程由倾斜计在向前 bending 位测量,转体程度位置由斜度计测量(ATR)。通过脊柱侧位片测量弯曲程度或 Cobb 角即可确诊脊柱测凸。

由于对诊断特发性侧凸(IS)弯所需曲度的定义不同,特发性脊柱测凸(IS)的发病率在在各年龄段人群中在 2%-3% 之间变化。老版 IS 根据年龄的亚分类:(I)婴幼儿(出生至3岁);(II)儿童(3-11岁);(III)青少年(11岁及以上)。而AIS的发病率在 0.47%-5.2% 之间(1)。

人群调查表明,11.1% 的特发性测凸患者一级亲属有显著的脊柱测凸,而在二级亲属和三级亲属中分别发病率 1.1% 为 2.4% (2)。至 16 岁,0.6% 的患病人群需要通过胸腰骶椎矫形器(TLSO)或手术器械矫正(3,4)进行积极的治疗干预。

考虑到与 IS 病理进程,与 IS 相关的后期的症状并不令人惊讶。与 IS 相关的主要健康问题包括慢性背部和颈部疼痛,椎间盘突出平背综合征,骨质疏松症,脊柱后凸,对容貌的不满,残疾及心理压力(5)。测凸超过 70 度(重度脊柱侧凸)的患者死于心肺疾病的几率是的正常人的 3 倍(6)。

解释 IS 发病机制的假设包括结缔组织中的组合物异常,身体中轴线变异、钙调蛋白、褪黑素失调,神经肌肉的不协调以及前庭功能的改变(2,5,7-11)。IS 的遗传模式仍未被确定,并仍在探讨之中。有报道 IS 的遗传方式包括可变外显率的常染色体显性遗传,常染色体隐性遗传,多因素和与 X 染色体关联的显性遗传模式。在(12)中所提及的过往的研究表明 IS 具有遗传异质性。针对家族的连锁研究已被用来识别与IS相关联的基因组区域(13,14)。尽管这些研究有一些用途,它们却有一个缺点:不能有效识别与较复杂的疾病所相关连的基因并且识别的相关染色体大片段中的大量特定的候选基因(15)。

相关研究发现 IS 病人体内 CHD7 的多态性,以及发现 rs4738824 有助于阐明基因在 IS 中的作用。预测用 G 等位基因替换该多态的 A 等位基因将扰乱包含 caudal-type (CDX) 同源域的转录因子的可能结合位点。CDH7,即克罗莫结构解旋酶 DNA 结合蛋白,上的突变与 CHARGE 综合症(眼缺损,心脏缺陷,鼻后腔闭锁,生长或发育延迟,生殖器或泌尿异常以及耳畸形和耳聋)相关联(16)。关于 IS 发展的一个假设是 CHD7 可能在青少年生长高峰期后天改变脊柱生长。CHD7 在斑马鱼中体节,脑,眼和耳泡中表达。CHD7 能使与体节形成密切相关的 Wnt 通路下游基因,如 her7, cdx1a, dlc, mespa 和 ripply 适当地对称表达。被敲除 CHD7 的斑马鱼出现尾部纽结和体轴逐渐缩短的特征,为 CHD7 在体轴形成方面具有重要作用这一机制提供了有力的证据(17)。

全基因组关联研究(GWAS)避开了遗传基础连锁分析和候选基因分析会面临的难题。因为他们用单核苷酸多态性(SNP)来衡量整个人类基因组上共同变异之间的关联,并且用可观察到的特征来识别遗传关联(15)。最近两次由同一组科研人员进行的 GWAS 研究突出了它们的发检测潜力(18,19)。第一项研究用 Illumina Human610 Genotyping BeadChip 和 Illumina HumanHap550v3 Genotyping BeadChip 给 1,050 例日本女性 AIS 患者和 1474 例对照进行了检测。10q24.31 上的三个多态单核苷酸,位于同一等位基因非随机性组合区域—这一区域由两个密切连锁等位基因定义,具有与 rs11190870 的全基因组显著性差异,无论是最初的(P <1.0X10-7)和第二次 GWAS 研究(P=1.27X10-10)证明其与 AIS 密切关联。通过使用 imputation 或使用 MACH(Markov Chain framework for genotype imputation and haplotyping)统计推断估算的 SNP 和三个原始的 SNP上10q24.3 均定位于 LBX1 的3'侧翼区。

在全基因组关联研究中,有必要控制人群分层。这指的是实验组和对照组人群之间的基因差异是因为从各个种群采样的不一致而产生,而和潜在的疾病进程无关。几乎所有的受试者都落入了日本人群。此外,采用 Logistic 回归,采用和疾病无关的主要因素,也和群体分层相矛盾。LBX1 是同源基因,和果蝇瓢虫晚期(LBL)基因(20)具有同源性。它在脊髓背侧部,后脑,心脏神经的亚群嵴细胞和肌肉前体细胞内表达。小鼠 Lbx1 基因是脊髓背侧神经元和后脑的体感神经元重要决定因素(21)。外围体感信息向高级大脑中枢是由脊髓背侧索传导。在一些 AIS 个体观察到的体感功能障碍,以及 LBL 表达数据支持假说 -LBX1 基因体感的作用扮演一定的角色(22)。LBX1 作用的遗传机制还没有确切的被理解。

在由相同研究组进行了第二 GWAS 的研究中(18),10641 的 X 染色体上的 SNP 加入最初的研究样本,有 6 个 SNPs 表明和 AIS 关联(P <1×10-5)。一个 SNP,rs6570507 染色体 6q24.1 与 AIS 相关(P=3.02×10-5)。这一发现更加显著当使用 Bonferroni 校正(由于假阴性检测结果调整误差;P <1.67×10-2),在日本一组由患者 786 例,24466 例对照组成的独立样本上重复时,联合 P 值为 2.25×10-10[OR=1.28,95% 置信区间(CI),1.18-1.38]。进一步观察,在中国汉族人群中 743 例患者,1209 对照和一组包括 447 患者,737 对照具有欧洲血统的人样本上重复试验时,可以进一步观察到 rs6570507 染色体 6q24.1 与 AIS 相关,联合 P 值为 1.27×10-14。使用基因组广归集法,观察到 12 个位点(P<1×10-5)与位于染色体 10q24.31 rs11190870 有关联,具有统计学意义(P <5×10-8)。另外十九个 SNP 被证明与 rs6570507 有强烈的相关性(R2>0.9),所有定位于 G 蛋白偶联受体的内含子区域 126(GPR126)。两个单核苷酸多态性(rs7774095 和 rs9403380)通过使用 DNA 元素百科全书进行评价(ENCODE)(23)并推测具有 GPR126 转录激活的调节作用。斑马鱼基因敲除实验阻断翻译和信使 RNA 剪接,证实 GPR126 突变体平均体长显著减少和椎骨骨化延迟。

GPR126 的观察结果验证之前了假设,异常骨骼生长可以导致脊柱测凸(24)。其他几个试验证据与此假设一致。GPR126-敲除小鼠中除了表现出髓鞘神经病还可以观察到肢体姿势畸形和生长障碍(25)。斑马鱼 GPR126 突变体显示较慢的逃生时间(由流体冲击或视觉刺激触发)这可能与髓鞘形成缺陷有关。此前 GWAS 研究证明在 GPR126 SNP 和儿童和成人的身材之间的关联(26)。具有讽刺意味的是这些深入细致的分析,LBX1 和 GPR126 只占 1% 与 AIS 相关的表型变异。这也表示 AIS 复杂的多层病因可以假设归因于多基因和其他环境影响因素。在最近的一片全面综述中,这种复杂性是由与 IS 相关的 50 篇遗传学文章,在其中和结缔组织代谢,骨相关的基因生长和代谢,褪黑激素信号和青春期生长的基因被各位研究者确定(27)。

神经营养因子3(NTF3)基因启动子多态性(rs11063714)与中国汉族人群测凸严重程度相关。AA 基因型 IS 患者具有较小的平均最大 Cobb 角,相比于 AG 和 GG 基因型患者(30)。与 GG 基因型患者相比,骨骼发育不成熟的 AA 基因型患者支具治疗有更大的成功率。在相应的小鼠模型中,Egr 3−/−小鼠不能表达 NTF3 并由于肌梭发育不全,本体感觉神经元凋亡,肌肉感觉和破坏运动神经之间的突触连接功能障碍从而本体感觉障碍。此外,IS 患者棘肌中的肌梭数量减少并且功能障碍已经得到组织学和组织化学检查证实,提示在本体感觉异常可能导致 IS 发病(31)。总之最近两次 GWAS 研究强调在 LBX1 和 GPR126 SNP 和 AIS 之间的关联。在这些基因的 SNP 可能对在子宫内和出生后脊柱的发育产生影响,和其与改变的体感功能假说之前和骨骼生长相关的假说一致。在基因分析可以用来预测脊柱测凸临床进程之前,还有更多的工作需要做。阐明遗传的复杂性和表观遗传潜在贡献的进一步的研究需要大量医疗中心的协作和遗传变异的功能分析。

致谢:

感谢 MS.Gail 的技术支持。

声明:所有作者无利益冲突。

 

译者|程豪,华中科技大学同济医学院附属同济医院骨科在读博士,导师李锋教授、熊伟教授

英文原文链接:http://www.atmjournal.org/article/view/6065

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——史冬泉, 南京鼓楼医院

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本文题图来自网络。

本文由「AME科研时间」首发,版权归AME出版社所有,转载请注明出处「AME科研时间」(微信号:amegroups)。

Doi:

10.3978/kysj.2014.1.878
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