骨形成相關(guān)基因及其遺傳性疾病的研究進(jìn)展

陳馨怡，鄧曄坤，張靖晨

1.蘇州大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)系，江蘇蘇州 215006；2.蘇州大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨科，江蘇蘇州 215006

人體的骨骼有多種功能，在起到支撐人體作用的同時(shí)，也保護(hù)重要臟器并支持人體的運(yùn)動(dòng)。骨骼的發(fā)育和形成是由干細(xì)胞分化、成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞增殖等一系列過(guò)程逐步形成的，并受到多種基因、轉(zhuǎn)錄因子和信號(hào)通路的調(diào)控。然而，在骨的發(fā)育和生長(zhǎng)過(guò)程中，由于遺傳物質(zhì)的異變，會(huì)導(dǎo)致人體骨骼出現(xiàn)一系列病變與異常，即發(fā)生遺傳性骨病（Genetic Skeletal Disorders, GSD）。由于任何一個(gè)因素的變化都可能致使骨骼發(fā)育異常或產(chǎn)生骨骼疾病，所以理清調(diào)控骨骼形成和生長(zhǎng)的分子機(jī)制，對(duì)于骨病的預(yù)防、診斷和治療具有重要的意義。

1 調(diào)控骨形成的重要基因或轉(zhuǎn)錄因子

骨骼在成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的介導(dǎo)下，處于動(dòng)態(tài)的成骨和破骨平衡中。成骨細(xì)胞作為骨的功能細(xì)胞，合成骨基質(zhì)并調(diào)節(jié)其礦化。破骨細(xì)胞可以吸收完全礦化的骨，介導(dǎo)骨破壞過(guò)程。骨骼損傷后，其重塑和改建對(duì)人體骨骼有重要意義。因此，梳理總結(jié)影響骨細(xì)胞的分化、骨礦化和骨重塑的相關(guān)基因和轉(zhuǎn)錄因子十分關(guān)鍵。

1.1 與成骨細(xì)胞分化和形成相關(guān)的基因

RUNX2（Runt-Related Transcription Factor 2,RUNX2）為RUNT 相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2，是成骨細(xì)胞分化最上游的轉(zhuǎn)錄因子，通過(guò)特異性結(jié)合DNA 的Runt結(jié)構(gòu)域調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄[1]，在骨形成過(guò)程中對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞分化起著重要作用。

Osterix 基因即成骨相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子，也被稱為Sp7。Sp7 在骨形成中是必需的，在成骨細(xì)胞的成熟、分化中起著一系列調(diào)控作用。Sp7 作用于RUNX2 的下游，調(diào)控I 型膠原、骨鈣蛋白、骨涎蛋白、骨橋素、骨唾液酸蛋白（Bone Sialoprotein, BSP）等表達(dá)。Sp7 還上調(diào)各種成軟骨因子來(lái)促進(jìn)軟骨細(xì)胞的分化。Sp7 與成骨不全和骨質(zhì)疏松也有顯著關(guān)聯(lián)，Sp7 基因突變的患者常出現(xiàn)骨折易發(fā)生、骨骼畸形、牙齒發(fā)育延遲等成骨不全癥的特征[2]。

BMP2（Bone Morphogenetic Protein 2, BMP2）是骨形態(tài)發(fā)生蛋白，又稱為“成骨素”，是TGF-β 超家族BMP 亞家族的重要成員，在調(diào)控骨骼的發(fā)育與形成中起著關(guān)鍵作用，擁有增強(qiáng)間充質(zhì)干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞分化的能力，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化成熟。BMP2 還參與骨和軟骨的生長(zhǎng)發(fā)育及其重建過(guò)程，加速骨缺損修復(fù)。在骨形成早期，BMP2 可上調(diào)其受體的表達(dá)，增強(qiáng)骨髓基質(zhì)細(xì)胞的成骨分化，促進(jìn)骨基質(zhì)的礦化[3]。

胰島素樣生長(zhǎng)因子1（Insulin-like Growth Factors-1, IGF1）是促進(jìn)骨的發(fā)育、保持骨正常結(jié)構(gòu)的重要的生長(zhǎng)因子，可保持骨的正常合成代謝，增強(qiáng)骨密度，促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖、分化以及基質(zhì)形成，同時(shí)增強(qiáng)骨髓基質(zhì)細(xì)胞內(nèi)堿性磷酸酶的活性，上調(diào)骨鈣素分泌和骨膠原合成[4]。IGF1 還有助于軟骨生長(zhǎng)，促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖，合成軟骨基質(zhì)。

BMAL1 基因是調(diào)控人體晝夜節(jié)律的生物鐘基因的重要成員，對(duì)胚胎時(shí)期和出生后發(fā)育有至關(guān)重要的作用。BMAL1 也參與調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞分化。BMAL1 調(diào)控骨的形成機(jī)制與多種基因和信號(hào)通路有關(guān)，例如通過(guò)調(diào)控RUNX2 以間接地調(diào)節(jié)骨細(xì)胞分化[5]。

SOX9[SRY（性別決定區(qū)Y）9]在性別調(diào)控方面起關(guān)鍵作用，同時(shí)也在軟骨發(fā)育和軟骨內(nèi)成骨上起重要的調(diào)控作用[6]。SOX9 可以激活Col2α1、SOX5或SOX6 的表達(dá)，這對(duì)軟骨的分化起到一定作用。SOX9 可通過(guò)對(duì)RUNX2 進(jìn)行負(fù)調(diào)控以抑制軟骨細(xì)胞的成骨進(jìn)程。

激活轉(zhuǎn)錄因子4（Activating Transcription Factor 4, ATF4）在成骨細(xì)胞表達(dá)、分化和功能中具有不可或缺的價(jià)值。ATF4 缺乏可延緩發(fā)育期間的骨形成。ATF4 突變還可導(dǎo)致Coffin-Lowry 綜合征和I 型神經(jīng)纖維瘤病的骨量減少[7]。ATF4 缺失的成骨細(xì)胞中，BSP 和骨鈣素表達(dá)也存在明顯降低。

1.2 調(diào)控骨礦化相關(guān)的基因

BSP 是細(xì)胞外基質(zhì)中的一種陰離子磷蛋白，在礦化組織中高度表達(dá)，成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞以及其他骨相關(guān)細(xì)胞中都可分泌BSP。因此，BSP 基因表達(dá)的調(diào)控不僅影響各種骨相關(guān)細(xì)胞的分化，也與骨基質(zhì)的礦化密切相關(guān)。當(dāng)成骨細(xì)胞中BSP 缺失，成骨細(xì)胞功能減退，骨密度降低，骨礦化減少，骨修復(fù)出現(xiàn)延遲，還可導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。此外，血清BSP 濃度可反映破骨細(xì)胞活性和骨吸收過(guò)程。如果血清BSP 水平明顯升高，需要警惕一些骨代謝性疾病的發(fā)生，如多發(fā)性骨髓瘤、無(wú)癥狀或良性的甲狀旁腺機(jī)能亢進(jìn)癥、Paget 病等[8]。

LIM 礦化蛋白-1（LIM Mineralization Protein-1,LMP-1）一般在骨骼中表達(dá)，能夠促進(jìn)骨骼的礦化，在成骨細(xì)胞分化中也起著正調(diào)節(jié)作用，還有助于成骨細(xì)胞骨鈣素的分泌，形成骨結(jié)節(jié)[9]。

RNA 腺苷脫氨酶1（Adenosine Deaminase Acting on RNA, ADAR1）的功能為維持骨形成和骨吸收的平衡以控制骨量的適當(dāng)與正常。ADAR1 功能受損主要抑制成骨細(xì)胞的分化，但不影響破骨細(xì)胞的形成，所以其導(dǎo)致的骨量減少原因主要成骨細(xì)胞的功能損害。

尼爾樣-1 型分子（Nel-Like Molecule-1,NELL1）是一種分泌蛋白，其在骨骼發(fā)育中的作用主要有誘導(dǎo)骨和軟骨再生、促進(jìn)骨細(xì)胞分化和骨形成。NELL1 基因的缺失和過(guò)表達(dá)均會(huì)引起骨骼發(fā)育和形成的異常。NELL1 也參與牙齒形成和礦化，包括促進(jìn)成釉細(xì)胞和成牙本質(zhì)細(xì)胞分化、細(xì)胞外基質(zhì)和磨牙牙冠釉質(zhì)礦化以及牙根形成[10]。

1.3 調(diào)控骨損傷修復(fù)的基因

骨折指由于機(jī)械力和骨骼疾病等因素所致的骨的連續(xù)性和完整性中斷，在破壞骨骼正常結(jié)構(gòu)的同時(shí)，也可使骨內(nèi)的血管等組織發(fā)生損傷。在骨骼損傷后愈合過(guò)程中，血管破壞后可創(chuàng)造局部缺氧環(huán)境，此時(shí)，缺氧誘導(dǎo)因子1（Hypoxia Inducible Factor 1, HIF1）可以被激活。HIF1 調(diào)節(jié)細(xì)胞對(duì)缺氧發(fā)生的反應(yīng)，具有促進(jìn)骨骼愈合、血管生成的功能。HIF1 主要在骨損傷后的血管形成中發(fā)揮作用，促進(jìn)骨損傷后愈合。

降鈣素相關(guān)肽基因（Calcitonin Gene Related Peptide, CGRP）主要分布于中樞神經(jīng)和外周神經(jīng)。在骨組織損傷后愈合過(guò)程中，骨膜和骨組織中的神經(jīng)纖維CGRP 表達(dá)增加，調(diào)節(jié)骨的代謝[11]。骨折修復(fù)時(shí)，隨著血液中CGRP 濃度增加，表達(dá)CGRP 的神經(jīng)纖維數(shù)量也增加，逐漸出現(xiàn)新生纖維和分支，骨折2 周后的骨痂從纖維性和軟骨性向骨性轉(zhuǎn)變。總之，CGRP 基因促進(jìn)細(xì)胞的成骨分化，抑制骨的吸收，對(duì)于骨折后修復(fù)具有積極意義。

C 型利鈉肽（C-type Natriuretic Peptide, CNP）是來(lái)自尿鈉肽家族的多肽類物質(zhì)，主要由血管內(nèi)皮細(xì)胞分泌產(chǎn)生，可作用于血管使血管擴(kuò)張。它不僅在大腦、心臟和腎臟等組織中均有表達(dá)并發(fā)揮功能，還能促進(jìn)軟骨內(nèi)成骨和骨折修復(fù)。

2 常見(jiàn)骨形成相關(guān)的遺傳性疾病

2.1 軟骨發(fā)育異常

軟骨發(fā)育不全（Achondroplasia, ACH）是一種常染色體顯性遺傳病，也是最常見(jiàn)的遺傳性骨病之一。患者的臨床癥狀為骨發(fā)育不良引起不勻稱的身材矮小，四肢畸形，與軀干比例失衡。頭面部也呈異常改變，如出現(xiàn)前額突出、面中部發(fā)育不良、鼻塌和鼻前傾等畸形變化。該病患者的肌肉和關(guān)節(jié)也有不同程度的異常改變，如出現(xiàn)四肢長(zhǎng)骨縮短、肘關(guān)節(jié)活動(dòng)受限、髖關(guān)節(jié)異常活動(dòng)、膝內(nèi)翻等，嬰兒期表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)發(fā)育遲緩、肌張力不足。除了骨骼相關(guān)的癥狀外，患者還會(huì)出現(xiàn)其他并發(fā)癥，例如錯(cuò)頜畸形、肥胖、心血管問(wèn)題、低氧血癥、聽(tīng)力受損和壽命減少等[12]。

研究發(fā)現(xiàn)，ACH 的主要致病基因?yàn)槌衫w維細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體3（Fibroblast Growth Factor Receptor 3,FGFR3）[13]。FGFR3 編碼成纖維生長(zhǎng)因子受體3，當(dāng)基因發(fā)生各種錯(cuò)義突變時(shí)，編碼蛋白功能缺失，已經(jīng)報(bào)道的致病性突變包括c.1138G＞A，導(dǎo)致p.Gly380Arg；c.1138G＞C，導(dǎo)致p.Gly380Arg，均為第380 個(gè)氨基酸的錯(cuò)義突變，其中絕大多數(shù)患者表現(xiàn)為p.Gly380Arg 突變[13]。同時(shí)，軟骨發(fā)育低下與軟骨發(fā)育不全相似，也與FGFR3 基因突變相關(guān)，突變類型為c.1620C＞A 或c.1620C＞G，導(dǎo)致第540 個(gè)氨基酸錯(cuò)義突變（p.Asn540Lys）。其臨床癥狀的嚴(yán)重程度比軟骨發(fā)育不全輕，如顱面骨異常更加少見(jiàn)，四肢、手指畸形的程度也相對(duì)較輕[14]。

2.2 成骨不全

成骨不全癥（Osteogenesis Imperfecta, OI）為一種結(jié)締組織病，對(duì)骨骼的影響主要表現(xiàn)為出現(xiàn)骨密度低、骨骼畸形、骨骼脆性增加和易骨折等現(xiàn)象，因此也稱為脆骨病。OI 最初被分為4 種類型，目前則被分為15 種，其臨床表現(xiàn)復(fù)雜，異質(zhì)性顯著，其中Ⅱ型最嚴(yán)重，甚至可致死；Ⅰ型最輕，在身體形態(tài)上無(wú)明顯異樣[15]。

大多OI 為常染色體顯性遺傳，也有部分為常染色體隱性遺傳或X 染色體連鎖的遺傳。有報(bào)道稱IFITM5 基因的5’非翻譯區(qū)c.-14C＞T 雜合突變也可導(dǎo)致常染色體顯性O(shè)I，本基因可影響骨的礦化。此外，常染色體隱性遺傳型OI 較罕見(jiàn)，并與Ⅰ型膠原蛋白合成和翻譯后表達(dá)的基因相關(guān)。膠原蛋白的伴侶分子基因HSP47、FKBP65 和BiP 突變，以及與成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子SP7 和與陽(yáng)離子通道相關(guān)的TMEM38B[15]突變也可以引發(fā)常染色體隱性型OI。X 染色體連鎖的OI 報(bào)道較少，PLS-3（Plastin 3）基因突變?yōu)榇朔N類型[16]。

2.3 其他骨骼發(fā)育不良

除了以上提到的遺傳性骨病，還有很多其他典型的遺傳性骨病，如假性軟骨發(fā)育不全（Peseudoachondroplasia, PSACH）。PSACH 是一種常染色體顯性遺傳病，患者有身材矮小、骨骼發(fā)育異常等特點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，其致病基因?yàn)檐浌枪丫鄣鞍谆颍–artilage Oligomeric Protein, COMP）[17]。

點(diǎn)狀軟骨發(fā)育不良（Chondrodysplasia Punctata,CDP）也稱為先天性點(diǎn)狀軟骨發(fā)育不良、先天性鈣化性灌入發(fā)育不良等。常出現(xiàn)鼻骨發(fā)育不良、點(diǎn)狀鈣化等癥狀，有時(shí)還存在身高較矮，病理特征為軟骨的鈣鹽異常沉積。該疾病有多種類型，對(duì)應(yīng)的致病基因也不同。X 染色體隱性遺傳的CDPX1 型由基硫酸酯酶E（Aryl-Sulfatase E, ARSE）基因突變或該基因所在的X染色體短臂缺失或重排造成，主要為錯(cuò)義突變。X 染色體顯性遺傳的CDPX2 型Emopamil 結(jié)合蛋白基因突變所致[18]。

3 展望

骨骼的正常發(fā)育和維持對(duì)人體健康和正常活動(dòng)都至關(guān)重要，對(duì)骨形成調(diào)控機(jī)制的研究有助于加深對(duì)骨形成和骨相關(guān)疾病病因的理解，并為骨組織疾病的診斷、治療和預(yù)防提供更加有效的方法。此外，結(jié)合基因編輯和高通量篩選等技術(shù)手段，有利于研究關(guān)鍵調(diào)控基因和分子，并且在多種技術(shù)與方法的幫助下，通過(guò)藥物開(kāi)發(fā)、基因編輯治療、干細(xì)胞治療等方法實(shí)現(xiàn)更多骨相關(guān)疾病的治療。目前，針對(duì)骨疾病的治療主要包括手術(shù)、藥物和生物治療等。許多遺傳性骨病通過(guò)外科手術(shù)的方式進(jìn)行治療，從而改善患者病情、提高生活質(zhì)量。手術(shù)治療的手段包括矯正畸形、固定、植入和延長(zhǎng)骨骼等，輔以適當(dāng)?shù)目祻?fù)訓(xùn)練，可以有效緩解患者的痛苦。同時(shí)，藥物治療也對(duì)部分骨病患者有效，如雙膦酸鹽有影響破骨細(xì)胞功能的作用，可以抑制骨吸收，因此對(duì)OI患者安全有效。基因治療的目的是從根源上治療遺傳性骨病，消除缺陷基因及其表達(dá)產(chǎn)物對(duì)機(jī)體的不良影響，但基因治療還有許多安全問(wèn)題需要考慮和解決。這些治療方法應(yīng)結(jié)合患者的具體情況和疾病特點(diǎn)來(lái)選擇，從而進(jìn)行個(gè)體化治療，力求達(dá)到最佳的治療效果。骨組織生物學(xué)和骨疾病治療的實(shí)際應(yīng)用也十分重要，包括使用新的治療方法和技術(shù)，針對(duì)不同患者的不同病情實(shí)現(xiàn)個(gè)體化治療。