劉鳳松，胡欽亮，杜世新

Hox基因在馬蹄內(nèi)翻足病因中的研究進展

劉鳳松，胡欽亮，杜世新△

先天性馬蹄內(nèi)翻足（CCF）是危害兒童健康的常見先天畸形，病因不明，現(xiàn)階段認(rèn)為是多基因遺傳因素與環(huán)境因素共同作用的結(jié)果。關(guān)于遺傳因素在CCF病因中的研究眾多，結(jié)合目前研究成果，多個基因可能在CCF發(fā)病中起重要作用，如同源異型盒基因（Hox）、PITX1、NAT2、P63、DTDS、COL9A等，這為探討CCF的預(yù)防和治療提供了更多設(shè)想，但是還未確定哪個基因在發(fā)病因素中起決定性作用。近年來有研究報道顯示CCF發(fā)病與Hox基因的表達密切相關(guān)。Hox是一類專門調(diào)控生物形體的基因，一但它發(fā)生突變，就會導(dǎo)致身體的一部分變形，在人體中表現(xiàn)為肢體的先天畸形。本文就Hox在CCF致病相關(guān)基因的研究進展作一綜述，為其臨床治療提供基礎(chǔ)。

基因，同源盒；馬蹄足畸形；遺傳學(xué)，醫(yī)學(xué)；綜述；HOTAIR

先天性馬蹄內(nèi)翻足（CCF）是危害兒童健康的常見先天畸形，病因不明，現(xiàn)階段認(rèn)為是多基因遺傳因素與環(huán)境因素共同作用的結(jié)果［1］。CCF發(fā)病率為0.1%～0.8%，雙側(cè)同時發(fā)病占50%，有24%～50%有家族史［2］。先天性馬蹄內(nèi)翻足畸形的確切病因迄今不清。目前臨床多認(rèn)為遺傳因素、胚胎因素、環(huán)境因素等是CCF發(fā)病的可能病因。其中，遺傳因素和環(huán)境因素起著重要作用。可能在CCF發(fā)病中起重要作用的基因有同源異型盒基因（Hox）、PITX1［3］、NAT2、P63［4］、DTDS、COL9A等，但是還未確定哪個基因在發(fā)病因素中起決定性作用。有研究表明，Hox基因的異常表達與CCF的發(fā)生關(guān)系密切［5］。長鏈非編碼RNA（lncRNA）通過調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表觀遺傳特征來影響胚胎發(fā)育的功能，有助于闡明CCF的發(fā)病機制［6］。本文就CCF的可能致病基因Hox基因的研究進展進行簡要綜述，為揭示CCF的發(fā)病機制提供參考。

1 Hox基因

Hox基因?qū)儆谕串愋秃屑易宓某蓡T之一，是生物體中一類專門調(diào)控生物形體的基因，同源異型盒基因是脊椎動物胚胎發(fā)育及器官形成的主要調(diào)控基因。Hox基因是一個進化上高度保守的基因家族，在大多數(shù)Hox基因中，會含有一段約180個核苷酸的同源異型盒，可以轉(zhuǎn)錄出含有約60個氨基酸序列的蛋白質(zhì)，稱為同源蛋白質(zhì)區(qū)段。Hox基因所編碼的60個氨基酸構(gòu)成螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)的同源結(jié)構(gòu)域，作為轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子發(fā)揮作用。Hox基因通過相互作用或作用于其他靶基因來調(diào)控不同蛋白質(zhì)的表達，從而決定胚胎在發(fā)育過程中的細胞增殖、遷移、分化、凋亡的時空狀況，并最終決定胚胎的組織和器官的成形［7］。

在脊椎動物中，Hox基因以基因簇的形式存在于染色體中。在哺乳動物中，有4個基因簇存在于4個不同的染色體中。人類與大鼠的Hox基因亞群由A（人7號、大鼠4號染色體）、B（人17號、大鼠10號染色體）、C（人12號、大鼠7號染色體）、D（人2號、大鼠3號染色體）4個基因簇（每簇最多13個基因），共39個Hox基因組成［8］。從進化的角度看，4個Hox基因家族中，Hox D最古老，Hox B和Hox C相對年輕，Hox A和Hox D在調(diào)節(jié)肢體形成中起重要作用。

2 Hox基因與肢體形成

肢體發(fā)育是復(fù)雜多基因時空的表達調(diào)控過程。首先是邊側(cè)盤的中胚層間充質(zhì)細胞在一系列調(diào)控因子的作用下發(fā)育形成肢芽，并確定其前后端（A-P）與近遠端（P-D）軸向。肢芽頂端的間充質(zhì)細胞誘導(dǎo)覆蓋在其上面的外胚層細胞增厚，形成頂端外胚層脊（AER）。AER又誘導(dǎo)其下面間充質(zhì)細胞快速生長，進而形成進展區(qū)（PZ），而在肢芽后部邊緣則有一個由間充質(zhì)細胞構(gòu)成的極化活動區(qū)（ZPA）。

ZPA形成后，Hox基因家族中的Hox D9～D13以ZPA為原點，沿著A-P軸呈巢式表達形式：Hox D9貫穿于整個區(qū)域，其后是Hox D9～D11，后部區(qū)域是Hox D9～D13表達；Hox A基因則是沿著P-D軸以Hox A9、Hox A9-A11、Hox A9-A13順序表達，如果其中的基因發(fā)生異常，則會導(dǎo)致某些肢體畸形［9］。

CCF與骨骼、肌肉、軟組織、神經(jīng)和血管等發(fā)育異常有關(guān)。動物實驗表明，缺乏Hox11基因的功能將導(dǎo)致動物肢體的明顯畸形，Hox11基因在骨骼、肌肉、肌腱的形成及其之間的結(jié)合上起重要作用［10］。因此可以推測CCF的發(fā)生是肢體發(fā)育過程中Hox基因調(diào)控發(fā)生異常的結(jié)果，進而導(dǎo)致胚胎發(fā)育缺陷。

Chew等［11］的動物實驗認(rèn)為，HoxA13和HoxD13在肢體前肢和后肢的發(fā)育過程中起作用。Hox不僅表達于整個發(fā)育胚胎期，而且表達于新生兒期。該實驗還證明，Hox家族中Hox D9基因不僅在調(diào)節(jié)正常關(guān)節(jié)的早期形成中起作用，而且參與出生后關(guān)節(jié)疾病的病理生理過程?？梢酝茰y，Hox基因不僅在胚胎形成過程中調(diào)節(jié)后肢發(fā)育，導(dǎo)致CCF，而且使CCF的病理改變在出生后進一步加重。

3 Hox基因與表觀遺傳

表觀遺傳變化是一種可遺傳性表型變化，其發(fā)生原因不是DNA序列改變，而是主要由DNA甲基化、組蛋白甲基化以及RNA介導(dǎo)的基因沉默等引發(fā)。近年來，繼miroRNA、內(nèi)源性siRNA之后，lncRNA的表觀遺傳調(diào)控機制越來越引起人們的重視。lncRNA是一類轉(zhuǎn)錄長度大于200 nt的RNA分子，它并不編碼蛋白質(zhì)，而是以RNA的形式在多個層面上調(diào)控基因的表達水平，與物種進化、胚胎發(fā)育以及腫瘤發(fā)生等都有著緊密的聯(lián)系。已經(jīng)證實人類細胞基因組轉(zhuǎn)錄的lncRNA超過1 000種［12］。由于研究處于初始階段，僅有為數(shù)不多的lncRNA的性質(zhì)和功能得到了鑒定，包括Xist、HOTAIR、Kcnq1ot1、AIR等。

Rinn等［13］在人類Hox基因家族中發(fā)現(xiàn)了超過200個lncRNA，其中HOTAIR是來自Hox C12和Hox C13基因之間的一段反義非編碼序列，全長2.2 kb。HOTAIR不對12號染色體的Hox C基因家族發(fā)揮cis作用，卻反式作用于2號染色體上的Hox D基因簇，使Hox D8、Hox D9、Hox D10及Hox D11基因部分區(qū)域特別是啟動子區(qū)域組蛋白H3K27三甲基化，使這些基因沉默，敲減HOTAIR能夠使HoxD基因簇迅速活化。

Hox基因?qū)Ρ碛^遺傳的修飾不僅貫穿胚胎形成期，也貫穿機體的一生［14］。Hox基因可以抑制多能干細胞分化成平滑肌細胞［15］，這對探討Hox基因調(diào)節(jié)血管、肌肉形成在CCF發(fā)病中的作用提供了依據(jù)。

4 Hox基因與馬蹄內(nèi)翻足

Hox基因調(diào)節(jié)神經(jīng)、肌肉、骨骼和血管等肢體形成的各個方面，因此可以推測CCF的發(fā)生是肢體發(fā)育過程中Hox基因調(diào)控異常導(dǎo)致胚胎發(fā)育缺陷所致。Wang等［16］研究表明，Hox D13通過調(diào)節(jié)FHL1在CCF中起作用，從而說明Hox D13可能是CCF的重要易感基因。Hox基因異常使血管發(fā)育缺陷，最終因缺血或血栓形成導(dǎo)致缺氧、影響肢芽形成而產(chǎn)生畸形。

近來發(fā)現(xiàn)lncRNA，HOTAIR能夠通過介導(dǎo)抑制性組蛋白H3K27甲基化這一表觀遺傳修飾來調(diào)控Hox D8-11基因的表達，而HOTAIR在胚胎發(fā)育過程中又集中表達在足部；HOTAIR通過募集PCR2復(fù)合體導(dǎo)致Hox D基因的組蛋白H3K27甲基化，進而抑制Hox D的表達［17］。胚胎發(fā)育中內(nèi)外環(huán)境因素的變化導(dǎo)致HOTAIR-Hox D表達調(diào)控途徑的異?？赡苁荂CF的主要成因之一。

綜上所述，CCF在遺傳方面的病因十分復(fù)雜，一些研究雖取得了一定進展，尤其是對Hox基因的研究，但是具體的易感基因并不明確，很多基因之間的相互作用機制仍有待于進一步的研究。期待在不久的將來，有關(guān)CCF的致病基因及分子遺傳學(xué)機制能更加明確，使臨床醫(yī)生對于CCF發(fā)病機制有更深入的了解，為CCF的診斷、預(yù)防、治療提供指導(dǎo)。

［1］Honein MA，Paulozzi LJ，Moore CA.Family history，maternal smoking，and clubfoot:an indication of a gene—environment interaction［J］.Am J Epidemiol，2000，152（7）：658-665.doi:10.1093/aje/152.7.658.

［2］Horn BD，Davidson RS.Current treatment of clubfoot in infancyand childhood［J］.Foot Ankle Clin，2010，15（2）:235-243.doi: 10.1016/j.fcl.2010.03.003.

［3］Wang YG，Li XD，Liu ZY，et al.All-trans-retinoid acid（ATRA）may have inhibited chondrogenesis of primary hind limb bud mesenchymal cells by downregulating Pitx1 expression［J］.Toxicol Lett，2014，224（2）:282-289.doi:10.1016/j.toxlet.2013.06.220.

［4］Wang YG，Xie P，Wang YG，et al.All-trans-retinoid acid（ATRA）suppresses chondrogenesis of rat primary hind limb bud mesenchymal cells by downregulating p63 and cartilage-specific molecules ［J］.Environ Toxicol Pharmacol，2014，38（2）:460-468.doi:10.1016/j.etap.2014.07.008.

［5］Wang LL，Jin CL，Liu LY，et al.The correlation analysis on 5＇HOXD genes and Congenital clubfoot［J］.Chinese Journal of Medical Genetics，2005，22（6）:653-656.［王莉莉，金春蓮，劉麗英，等.5′HOXD基因與單純性馬蹄內(nèi)翻足的相關(guān)性分析［J］.中華醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)雜志，2005，22（6）:653-656］.doi:10.3760/j.issn:1003-9406.2005.06.014］.

［6］Pauli A，Rinn JL，Schier AF.Non-coding RNAs as regulators of embryogenesis［J］.Nat Rev Genet，2011，12（2）:136-149.doi:10.1038/ nrg2904.

［7］Tamura K，Yonei-Tamura S，Yano T，et al.The autopod:its formation during limb development［J］.Dev Growth Differ，2008，50:177-187.doi:10.1111/j.1440-169x.2008.01020.x.

［8］ Zakany J，Duboule D.The role of Hox genes during vertebrate limb development［J］.Curr Opin Genet Dev，2007，17（4）:359-366.doi: 10.1016/j.gde.2007.05.011.

［9］Villavicencio-Lorini P，Kuss P，F(xiàn)riedrich J，et al.Homeobox genes d11-d13 and a13 control mouse autopod cortical bone and joint formation［J］.J Clin Invest，2010，120（6）:1994-2004.

［10］Swinehart IT，Schlientz AJ，Quintanilla CA，et al.Hox11 genes are required for regional patterning and integration of muscle，tendon and bone［J］.Development，2013，140（22）:4574-4582.doi: 10.1242/dev.096693.

［11］Chew KY，Yu H，Pask AJ，et al.HOXA13 and HOXD13 expression during development of the syndactylous digits in the marsupial Macropus eugenii［J］.BMC Dev Biol，2012，12:2.doi:10.1186/1471-213X-12-2.

［12］Huarte M，Guttman M，F(xiàn)eldser D，et al.A large intergenic noncoding RNA induced by p53 mediates global gene repression in the p53 response［J］.Cell，2010，142（3）:409-419.doi:10.1016/j.cell.2010.06.040.

［13］Rinn JL，Kertesz M，Chang HY，et al.Functional demarcation of active and silent chromatin domains in human HOX loci by noncoding RNAs ［J］.Cell，2007，129（7）:1311-1323.doi:10.1016/j.cell.2007.05.022.

［14］Min H，Lee JY，Kim MH.Hoxc gene collinear expression and epigenetic modifications established during embryogenesis are maintained until after birth［J］.Int J Biol Sci，2013，9（9）:960-965.doi: 10.7150/ijbs.6739.

［15］Klein D，Benchellal M，Kleff V，et al.Hox genes are involved in vascular wall-resident multipotent stem cell differentiation into smooth muscle cells［J］.Sci Rep，2013，3:2178.doi:10.1038/srep02178.

［16］Wang LL，F(xiàn)u WN，Li-Ling J，et al.HOXD13 may play a role in idiopathic congenital clubfoot by regulating the expression of FHL1［J］.Cytogenet Genome Res，2008，121（3-4）:189-195.doi:10.1159/ 000138884.

［17］Zhang J，Zhang P，Wang L，et al.Long non-coding RNA HOTAIR in carcinogenesis and metastasis［J］.Acta Biochim Biophys Sin，2014，46（1）:1-5.doi:10.1093/abbs/gmt117.

（2014-10-17收稿 2014-12-05修回）

（本文編輯 魏杰）

Current research of role of Hox genes in pathogenesis of equinus deformity

LIU Fengsong，HU Qinliang，DU Shixin△
Department of Orthopaedics，Second Hospital of Tianjin Medical University，Tianjin 3002111，China

Congenital clubfoot（CCF），which is also known as equines deformity，is a common congenital malformation that affect children′s life quality.However，its cause is still to be elucidated.Currently，polygenetic and environmental factors are both believed to play important roles in CCF pathogenesis.Several genes including HOX，PITX1，NAT2，P63，DTDS and COL9A were shown to contribute to congenital clubfoot，but which is the most critical gene remains unclear.Several reports have revealed that Hox genes are closely related to the cause of CCF.Hox genes are regulators of body morphogenesis，and its mutation result in limbs and trunk deformity in human.Here，we systematically reviewed the latest literature that studied the role of Hox genes in pathogenesis of Congenital clubfoot，with the prospect of laying a foundation for its future clinic treatment.

genes，homeobox；equinus deformity；genetics，medical；review；HOTAIR

R682.1+6

A DOI:10.11958/j.issn.0253-9896.2015.06.033

天津醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院骨科（郵編300211）

劉鳳松（1977），男，主治醫(yī)師，碩士，主要從事脊柱、關(guān)節(jié)和四肢骨折疾病治療方面的研究

△審校者