儿童青少年骨量累积相关基因研究进展

2019.08.15 10:06
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  儿童青少年骨量累积相关基因研究进展

  ·综述·

  罗娟 综述,熊丰 审校(重庆医科大学附属儿童医院,重庆400014)

  [中图分类号] R725.8 [文献标识码]A [文章编号]1672-108X( 2018) 06-0058-05

  Children and Adolescents Bone Mass Accumulation Related Gene Research Progress

  Luo Juan, Xiong Feng(Children's Hospital of Chongqing Medical University,Chongqing 400014, Chin.a)

  胎儿和新生儿出生后骨的发育被认为是骨矿物质累积(即骨量累积),主要由骨组织中的成骨细胞和破骨细胞不断的进行骨形成、骨吸收来完成。儿童青少年时期是骨量累积、骨骼发育以及成年早期峰值骨量获得的关键时期,在青春期达到峰值骨量的950/0。成年早期达到的骨量峰值是决定生命后期是否发生骨质疏松、骨折的关键因素。Clark E M等心j在对6 213例平均年龄9.9岁的儿童长达24个月的随访研究发现,骨含量每下降1个标准差,骨折的风险将增加89%。因此,了解影响骨量累积的因素至关重要。骨量累积整个过程与遗传、激素、维生素、身高、体质量、生活方式等多种因素相关。近年来随着分子生物学技术的发展与进步,遗传因素对骨量累积的影响逐步引起人们的重视。在对孪生子女的研究表明,遗传因素决定60%~ 85 010的骨量、50%~ 75%的骨代谢、25%~35 010的骨折。目前越来越多的研究显示,骨量累积不仅仅由单个基因决定,可能是由多个或更多的基因相互作用所决定。目前已发现,维生素D受体基因、I型胶原基因、钙敏感受体基因、雌激素受体基因、人类低密度脂蛋白受体相关蛋白基因、白细胞介素6基因、载脂蛋白E基因、降钙素受体基因、转化生长因子-[31基因、护骨素基因、SOX6基因与骨量累积过程可能有关,这些基因可能通过影响骨形成、骨吸收、骨矿化、钙磷沉积、靶细胞亲和力,终影响骨量累积。本文将对近年来研究发现的可能影响骨量累积过程中的相关基因及其具体作用机制进行相关概述。

       【关键词】儿童青少年;骨量累积相关基因

  1 维生素D受体基因

  维生素D受体( vitamin D receptor,VDR)基因位于染色体12q13~ 14上,由8个内含子和9个外显子构成,长100 kb。VDR基因多态性分别对应多个内切酶酶切位点,目前研究发现VDR基因含有5个限制性内切酶酶切位点分别是:Bsm I、Apa I、Taq I、Fok I、Tru9 I酶切位点‘引。Bsm I和Apa I多态性位点位于VDR基因的第Ⅷ个内含子,其多态性不影响VDR氨基酸序列和VDR蛋白表达;Taq I多态性位点位于VDR基因的第Ⅸ个外显子,其多态性位点是由同义突变造成,不会使VDR的氨基酸序列改变。列。Fok I多态性位点位于转录起始部,是VDR基因多态性中目前发现的唯一能改变VDR氨基酸序列的内切酶位点,通过改变VDR的蛋白序列,进而对骨代谢产生较大影响。Tru9 I多态性位点位于VDR基因的第Ⅷ内含子末端,其转录出VDR基因的mRNA 末端区域可以影响mRNA的表达和稳定性,从而影响增强子对靶部位的亲和力。Molgaard C等研究发现,VDR基因多态性影响峰值骨量的形成。Yasovanthi J等研究表明,VDR Fok I基因多态性与骨量下降有相关,Fok I中的“f”等位基因与骨密度下降、骨质疏松症密切相关。近,Dehghan M等研究表明,VDR Taq I和Bsm I基因多态性也可能是女性骨质疏松的一个较好标记。有研究指出,VDR基因多态性与骨代谢的机制可能表现为VDR基因多态性通过影响VDR氨基酸序列长度的位点,进而改变VDR蛋白序列和表达H1;VDR和1,25( OH):D,结合对许多靶基因包括骨钙素基因的转录有重要作用,进而影响骨钙素的生成哺1;骨钙素能保持骨的正常矿化和抑制由于异常的羟磷灰石结晶、沉积所致的软骨矿化加速。

  2 I型胶原基因

  I型胶原基因位于17q21.3~q22,大小约为18kb,由2条al链和1条a2链交互缠绕组成,极少部分由3条d1链形成。I型胶原基因有两种类型:I型胶原基因al、I型胶原基因a2。Majchrzycki M等通过对538例参人者进行研究发现,I型胶原基因仪1与骨密度相关;梁伟等研究表明,I型胶原仅1基因影响骨代谢的机制可能是由I型胶原d1基因Spl结合位点的多态性影响与Spl转录因子的亲和力,进而从转录水平上改变了I型胶原al链基因的表达,破坏了I型胶原al和a2链之间的平衡,改变I型胶原的结构,终导致I型胶原的力学功能障碍、骨量减少、骨脆性增加及骨的成熟和发育障碍。近在I型胶原基因al启动子区SP结合位点又有2个新的基因多态性被发现,而该基因多态性与骨密度也有一定关联。Carmichael C M等[1l]研究表明,I型胶原al基因多态性通过影响骨质流失速度而影响骨密度变化,而这些改变依赖于膳食中钙的摄人量;当钙摄入过低时,不仅能使骨破坏活动增加,还会影响I型胶原al RNA或蛋白质的生产率和稳定性。

  3钙敏感受体基因

  钙敏感受体( calcium-sending receptor,CASR)基因定位于染色体3 q13上,由7个外显子构成,共编码1 085个氨基酸残基,具有3个结构域、七个跨膜区,是G蛋白耦联受体的家族成员之一。CASR广泛分布于甲状旁腺、肾脏、骨骼、甲状腺C细胞等中对调节机体钙离子和其他金属离子的稳态起关键作用,同时对离子通道调节、激素分泌、细胞信号转导以及多种细胞生物学行为均有作用。有研究[12]表明,CASR基因对骨代谢影响的机制可能为CASR基因通过编码细胞内外域和跨膜钙敏感受体蛋白,从而影响钙敏感受体的水平;而钙敏感受体通过调节甲状旁腺素的分泌和肾小管细胞对钙的重吸收来维持机体钙平衡,从而影响骨骼钙磷沉积,终影响骨代谢。

  4雌激素受体基因

  雌激素受体( estrogen receptor,ER)基因位于6号染色体长臂6q25.1上,含有8个外显子,长度约140 kb,由5个不同的功能区域组成:DNA结合区、绞链区、激素结合区和两个转录激活区。目前已发现的3个限制性片段长度多态性分别由3个限制性酶位点决定:But I、PvuⅡ、Xba I,分别以B-b、P-p、X-x表示。其中,ER基因的PvuⅡ、Xba I酶切位点多态性是目前发现与骨量、骨密度关系较为密切的多态性酶位点。一个由5 834例健康女性组成的大样本研究表明,ER基因的Xba I酶切位点多态性与全身、腰椎、股骨颈骨密度有关,具有XX基因型ER基因骨密度高于其他型,且有更低的骨折发生率;具有ppXX基因型的ER基因有更高的骨转换和骨丢失率。Albagha o M E等研究发现,PvuⅡ、Xba I基因多态性与骨量呈正相关;Shang D P等研究发现,在不同的国家ER基因多态性与骨密度之间有不同的相关性,中国女性与日本有相同的相关性;Wajanavisit W等[16]研究表明,雌激素受体基因多态性G2014A与女性髋部骨折相关。Shoukry A等研究发现,雌激素受体d、雌激素受体p基因也与骨密度相关;尽管目前已经发现ER基因与成年后骨量丢失有关,但其与儿童青少年骨量累积是否相关以及对骨代谢的机制目前还不明确,有待进一步研究。

  5人类低密度脂蛋白受体相关蛋白5基因

  人类低密度脂蛋白受体相关蛋白5基因( low-densitylipoprotein receptor-related protein 5 gene,LRP5)位于染色体11 q13.4,由22个内含子和23个外显子组成,基因组全长为131.6 kb.cDNA全长5.1 kb,编码由1 615个氨基酸残基组成的单跨膜受体蛋白,是低密度脂蛋白受体家族成员中的一种,分布在许多组织和分泌细胞中,如肝脏、乳房组织、骨骼组织,、内皮细胞等。尽管LRP5基因有广泛的表达,然而其突变引起的组织病理改变很局限。目前研究发现,LRP5基因丧失突变导致骨质疏松·假性神经胶质瘤综合征,主要表现为骨密度降低、儿童期骨折、眼发育异常[18];LRP5基因获得功能突变引起高骨密度综合症;LRP5基因在骨形成中发挥着重要作用,而这种作用主要是通过Wnt信号传导通路来完成:主要表现为胞外的Wnt配体与共受体LRP5/6、Frizzled蛋白结合,激活胞内的散乱蛋白、诱导四聚体解体,提高细胞内的[3-catenin浓度,并进入细胞核内与转录因子相结合,进而诱导靶基因的表达,从而在成骨细胞分化及骨形成过程中发挥作用[21]。Yi J等:研究表明,LRP5基因多态性与腰椎、股骨颈骨密度相关;也有研究者发现,一些常见的LRP5基因多态性与骨表型相关,其中一个编码LRP5基因的单核苷酸多态性rs3736228,被认为是一种容易引起骨质疏松症的类型;然而近,Peng J等四1对亚洲和白种人进行研究发现,LRP5基因Ala1330Val多态性与骨密度下降、骨折并无明显相关性。

  6 白细胞介素-6基因

  白细胞介素石基因( interleukin 6 gene,IL-6)位于染色体7p21,含有5个外显子,跨度80Kbp。IL-6基因编码的IL-6是一种多效细胞素,能直接参与调节骨吸收、免疫应答和造血过程,对骨代谢具有重要作用。该基因对骨代谢的机制可能为:IL-6基因通过编码产生IL-6,而IL-6与细胞表面相应受体结合后,具有刺激破骨细胞分化作用,进而促进骨吸收;同时,IL-6基因还能促使骨细胞向成骨细胞转换;有研究发现,IL-6基因启动子区域-634 C/G多态性与骨密度相关,GG基因型对骨量减少有重要预测作用心列;在健康白种男性中,IL-6基因-174位多态性是青春晚期峰值骨密度的一个独立预测因子心[8]。Hanai Y等研究表明,IL-6基因启动子区域-572 G/C功能突变与骨密度下降无明显相关性。IL-6基因多态性引起骨密度、骨量变化的机制目前不清楚,仍在进一步探索中。

  7载脂蛋白E基因

  载脂蛋白E基因( apolipoprotein E gene,ApoE)位于19号染色体上( 19ql3. 2),含有3个内含子和4个外显子,长度约3.7 kb,有3种不同种类的等位基因(E2、E3、E4)通过组合可产生不同种类的基因型。Tong T Y等研究表明,ApoE基因与女性腰椎、髋部、股骨颈、臀部骨密度相关;Dieckmann M等研究指出,ApoE等位基因与骨代谢密切相关,可作为骨量下降和脊柱骨折潜在的遗传风险因素。ApoE基因多态性影响骨代谢机制可能为:ApoE基因多态性与血脂代谢有关,其与低密度脂蛋白受体之间有较强的结合能力,从而能加速血浆中乳糜微粒和极低密度脂蛋白代谢;而乳糜微粒中具有高亲脂性的维生素K.,ApoE在加速乳糜微粒代谢的同时也加速了维生素K,的代谢速率,而维生素K.作为酶的辅助因子参与骨钙素的羧化;骨钙素由成骨细胞产生,通过与I型胶原蛋白结合后形成网络支架,能为钙磷沉积提供产所,还能与矿物质结合促进骨矿化;由于维生素Kl被过快的清除,使骨钙素羧化减少,进而使钙磷沉积和骨矿化障碍,影响骨代谢,终使骨量丢失、骨密度下降、骨强度降低。

  8 降钙素受体基因

  人类降钙素受体基因位于为第7号和第9号染色体上,有490个氨基酸残基组成,分子量为8.5~9.0 kD。Nakamura等利用Alu I限制性酶定位于降钙素基因多态位点,发现降钙素受体基因能突变为3种基因型,分别是纯亮氨酸型(CC)、纯脯氨酸型(TT)以及亮氨酸和脯氨酸的杂交型(TC)。Masi L等[33]利用与Alu I识别同一碱基序列的Taq I酶切基因组DNA后产生TT、Tt、tt三种基因型。Masi L等口纠在对青少年进行研究发现,降钙素受体基因CC型腰椎骨密度明显高于TT型,认为TT型降钙素受体基因是骨量丢失的高危因素。Xiong Q I等研究发现,CC型降钙素受体基因对腰椎骨密度具有保护作用。Zhang H等研究表明,降钙素受体基因多态性与腰椎骨密度密切相关,可作为一个有用的遗传标记来预测骨质疏松症风险。有研究[36]表明该基因对骨代谢作用机制可能表现为:降钙素受体基因单核苷酸突变能影响其与受体结合,并能改变受体信号传导,而影响降钙素对靶细胞作用,进而影响骨代谢。9转化生长因子-pi基因转化生长因子-31基因(Transforming growth factor Blgene,TGF-[31)位于第19号染色体长臂上,由含7个外显子和6个内含子组成,其中外显子V、Ⅵ、Ⅶ编码TGF-[31]基因的活性。1998年Yamada等对日本绝经后妇女TGF-p1基因序列进行研究发现,该基因第29位核苷酸存在L-C的位置转换,CC基因型的腰椎骨密度相比rr和TC型明显要增高,并且CC基因型腰椎骨折发现率也显著低于TT和TC型,并发现该基因多态性与骨密度有一定相关性。Hinke V等研究表明,TT基因型的全髋骨量高于其他基因型,股骨颈及腰椎骨密度高于CC型,血清中TGF含量也较CC型高。然而,Firat S C等[38]研究发现TGF-[31基因与骨量、骨质疏松并无相关性。尽管目前已发现TGF-[31基因与可能与成年后骨量丢失、骨密度下降有相关性,但其是否与儿童青少年相关及其具体作用机制仍不清楚,仍需进一步研究。

  10护骨素基因

  护骨素基因( osteoprotegerin gene,OPG)定位于染色体8q24,序列全长29 kb,含有5外显子,包含401个氨基酸残基,其中是由21个氨基酸组成的信号肽和7个结构域组成。护骨素基因在人体各种组织中均有表达,其中以骨骼、心肺肾、胃肠、甲状腺等组织表达多,成纤维细胞、主动脉平滑肌细胞、B淋巴细胞等细胞中也有表达。有研究发现,护骨素基因诱导产生的护骨素是一种具有调节骨吸收功能的分泌型糖蛋白,该基因对骨代谢作用主要是通过抑制破骨细胞形成、分化、存活并诱导其凋亡实现的。近年来发现护骨素基因单核苷酸多态性与骨密度、骨质疏松间有相关性。波兰Boron D等[40]研究表明,护骨素基因多态性与骨量减少、骨质疏松相关,可能是骨质疏松的一个遗传标记;Wang F等研究发现,护骨素基因启动子区的g18873C、g27522G与骨密度密切相关。尽管不同的国家均先后发现护骨素基因单核苷酸多态性与成年后骨密度、骨质疏松有关,但其与儿童青少年是否相关及其具体机制仍有待进一步研究。

  1 1 SOX6基因

  人类SOX6基因位于染色体11 p15. 2-lJ p15上,包含有16个外显子,在组织中有广泛表达,尤其在骨骼肌中。Yang T L等研究发现,SOX6基因多态性与髋部骨密度密切相关;谭丽君在对1 000例白种人进行研究发现,SOX6基因中rs11023787与手腕部骨密度相关,其中C等位基因携带者的手腕骨密度明显高于T等位基因。目前研究发现,SOX6基因对骨代谢的作用机制可能为SOX6基因表达的SOX6是重要的软骨形成转录因子,该基因与I型胶原仪l基因协同在维护骨折愈合过程中的软骨形成、激活骨形态发生蛋白2中均有作用;此外SOX6在成骨细胞形成中也有显著的表达。但该基因的具体作用机制目前仍在研究中。

  综上所述,儿童、青少年时期是骨量累积、峰值骨量形成的关键时期,若儿童、青少年时期未能获得理想峰值骨量,成年后将面临更大的骨质疏松及骨折风险。而儿童、青少年骨量累积是一个复杂的过程,是由遗传因素与环境因素相互作用的结果,其中遗传因素中的基因因素至关重要。本文就近年来研究发现可能影响骨量累积过程中的相关基因及其作用机制进行概述:维生素D受体基因通过影响维生素D受体氨基酸序列的内切酶位点、改变维生素D受体蛋白序列和表达,进而影响骨的矿化、钙磷沉积;I型胶原基因通过影响转录因子亲和力,进而破坏I型胶原平衡,改变其结构,终使骨量减少;钙敏感受体基因通过影响钙敏感受体水平进而影响骨骼钙磷沉积;人类低密度脂蛋白受体相关蛋白基因通过作用于Wnt信号通路而影响成骨细胞分化、骨形成过程;白细胞介素6基因通过刺激破骨细胞分化作用进而促进骨吸收;载脂蛋白E基因通过影响钙磷沉积、骨矿化而影响骨量累积;降钙素受体基因突变影响其与受体结合、信号传导,终影响其对靶细胞亲和力;护骨素基因通过抑制破骨细胞形成、分化、存活并诱导其凋亡而影响骨代谢;SOX6基因通过影响软骨形成和成骨细胞的作用进而对骨量累积产生影响。这些基因终通过影响骨形成、骨吸收、骨矿化、钙磷沉积、靶细胞亲和力,而影响骨量累积;然而,目前还有诸多基因以及具体作用机制没有发现,有待进一步研究,为儿童青少年获得更好的骨量提供更明确的临床干预措施。

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