劉 妍(綜述), 吳青青, 于 松(審校)
胎兒骨骼發(fā)育不良分子遺傳學進展
劉 妍(綜述), 吳青青, 于 松(審校)
胎兒; 肌肉骨骼發(fā)育; 骨病醫(yī)學; 遺傳; 產前診斷
胎兒骨骼發(fā)育不良是包括骨骼生長發(fā)育異常的一系列疾病,由于骨骼分布廣泛,由胎兒骨骼發(fā)育異常導致的骨骼畸形種類繁多,分類復雜,造成骨骼系統(tǒng)異常的原因多由遺傳或環(huán)境因素(包括藥物或機械作用)導致[1-3]。目前,幾乎所有的胎兒骨骼異常都是靠產前超聲診斷的[4-7]。然而,產前超聲著重于區(qū)分致死性和非致死性骨發(fā)育不良,并不能對所有的骨骼系統(tǒng)畸形作出具體類型的判斷,這也使得胎兒骨骼的分子遺傳學診斷成為近年來胎兒骨骼異常產前診斷的重要手段[8-13]。筆者現(xiàn)就胎兒骨骼發(fā)育不良的產前診斷分類及分子遺傳學研究進展做一綜述,旨在為胎兒骨骼畸形的產前診斷提供幫助。
骨骼分布于全身各處,骨骼異常的表現(xiàn)形式多樣、分類復雜。
1.1 根據骨骼發(fā)生的部位分類
1.1.1 全身性骨骼發(fā)育不良 原因多樣,種類繁多,表現(xiàn)也多種多樣,預后各不相同。對于全身性骨骼發(fā)育不良,超聲主要將其診斷為致死性和非致死性骨骼發(fā)育不良。
李勝利等報道,區(qū)分致死性和非致死性骨發(fā)育不良的主要超聲特征為[4]:(1)嚴重的四肢均勻短小畸形,四肢所有長骨長度均低于正常孕周平均值的4倍標準差。股骨長/腹圍比值<0.16。(2)嚴重的胸部發(fā)育不良,常導致肺發(fā)育不良和胎兒死亡。主要診斷指標有:心胸比值>60%(除外心臟畸形),胸圍/腹圍比值<0.89,胸圍低于正常平均孕周的第5百分位數。(3)某些特殊征象:如三角形頭顱為致死性侏儒Ⅱ型特征表現(xiàn),多發(fā)骨折為成骨不全Ⅰ型的特征。較常見的致死性骨發(fā)育不良包括:致死性侏儒、軟骨發(fā)育不全、成骨不全Ⅱ型;少見的包括先天性低磷酸酶癥、肢體屈曲癥、骨骺點狀發(fā)育不良、短肋多指綜合征等。
非致死性骨發(fā)育不良較少見,發(fā)生率低于1/20 000,部分類型罕見。如:雜合子軟骨發(fā)育不良,成骨不全Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ型及窒息性胸廓發(fā)育不良等。
1.1.2 肢體局部畸形 肢體局部畸形包括橫行肢體缺失、縱行肢體缺失、并腿畸形、裂手/足畸形、多指/趾、并指/趾等,肢體-體壁綜合征(limb body wall complex,LBWC)和胎兒運動不能綜合征(fetal akinesia deformationsequence,F(xiàn)ADS)多伴典型的肢體局部畸形表現(xiàn)。
1.2 根據導致骨骼異常的原因分類
1.2.1 遺傳性骨病 遺傳性骨病是一大類具有廣泛遺傳異質性的骨軟骨發(fā)育不良性疾病,大多是發(fā)病率很低的罕見病。按照2010年修訂的骨發(fā)育異常國際分類標準,456種骨軟骨發(fā)育不全按其分子遺傳、影像及生化特點歸納為40組骨發(fā)育障礙,其中316種骨骼疾病與發(fā)現(xiàn)的226種骨骼致病基因的一種或多種相關(表1)[14]。
1.2.2 染色體異常所致的骨骼發(fā)育異常 不同種類的染色體異常,合并的骨骼畸形種類繁多,形式多樣[15]。如,13-三體,18-三體,甚至在21-三體即唐氏綜合癥的患兒中也可以出現(xiàn)骨骼系統(tǒng)發(fā)育異常;其他一些常見的三倍體及常染色體的非整倍體也會合并不同類型的骨骼畸形。
1.2.3 其他因素導致 如羊膜帶綜合癥及藥物及原發(fā)性代謝疾病所致的骨骼發(fā)育異常。
1.3 根據肢體畸形的胚胎發(fā)生將骨骼系統(tǒng)畸形分為七大部分[16]。
1.3.1 部分形成失敗 以肢芽形成失敗為特征,又分橫向與縱向兩類。橫向類涉及所有的先天性截肢,縱向類又分為撓側尺側,中央與中段形成失敗,包括橈、尺骨部分或全部缺如。
1.3.2 部分分化失敗 部分分化失敗,有發(fā)育形成基本單位,但未分化形成正常組織結構,如骨性聯(lián)合、并指、屈曲指等。
1.3.3 重復 部分肢芽或外胚層帽在早期受損,原始胚基形成裂隙,導致重復畸形,如多指、多趾畸形。
1.3.4 過度生長 所有肢體過度生長或局部肢體過度生長伴有神經脂肪血管浸潤,如半側肥大、巨指畸形。
表1 《國際遺傳性骨病分類標準(2010版)》疾病分組
續(xù)表
注:主要參照 國際骨骼發(fā)育不良協(xié)會( International Skeletal Dysplasia Society)2010版國際遺傳性骨病分類標準.
1.3.5 發(fā)育不全 指某一組織結構發(fā)育不完善,不完全,如短掌骨短、短指并指畸形。
1.3.6 先天性絞窄環(huán)綜合征 與羊膜帶綜合征有關。羊膜帶綜合癥可引起各種淺表軟組織或深部骨骼發(fā)生壞死,嚴重者可表現(xiàn)為宮內截肢或截指,輕者只呈現(xiàn)軟組織絞窄環(huán)攣縮帶。
1.3.7 全身骨骼異常 指全身骨骼發(fā)育異常,包括染色體畸形、各類綜合癥、骨軟骨發(fā)育異常等。
2.1 物理原因 如羊膜帶綜合癥所致的物理方面的宮內截肢或截指。
2.2 染色體異常 可致不同種類的骨骼異常。如:13-三體的患兒會出現(xiàn)多指(趾)、馬蹄內翻足、握拳手或手指交疊;18-三體會出現(xiàn)多指(趾)、肢體短小畸形、馬蹄足內翻以及鐮刀足;21-三體即唐氏綜合癥的患兒,可有短頭、枕骨扁平、長骨短小、手指彎斜、并指畸形、手指粗短、草鞋足等表現(xiàn)。其他一些常見的三倍體也可以出現(xiàn)骨骼系統(tǒng)的異常,如手或腳三趾和四指的并指畸形、酒瓶樣大腿。還有一些常染色體的非整倍體也會合并不同類型的骨骼畸形,如9-三體的嬰兒有小頭畸形、膝關節(jié)和肘關節(jié)錯位,Turner綜合癥也會有股骨短小等表現(xiàn)。
2.3 分子遺傳方面的基因診斷 不管是骨的發(fā)育、重塑、還是修復,都是在軟骨細胞、成骨細胞、破骨細胞的協(xié)調作用下完成的。不同類型的細胞在時間及空間上形成一系列復雜的關系,如果突變造成基因表達的破壞則會引起相應的骨骼系統(tǒng)疾病,這包括了一些編碼細胞、通信通路、重要的中介蛋白、基質蛋白及轉錄因子等。按照骨骼發(fā)育的遺傳及分子生物學特點,骨病發(fā)育不良協(xié)會在2001年按致病機制將骨骼發(fā)育不良分為7組(表2)[17]。
表2 遺傳性骨病的分子致病機制分類標準
續(xù)表
基于以上的致病基因對其進行的聚類分析如下:
2.3.1 細胞外基質結構蛋白缺陷 細胞外基質成分的基因包括膠原類基因COL1A1,COL1A2,COL2A1,COL11A1,COL11A2,COL9A1,COL9A2,COL9A3;肥大軟骨細胞外基質的膠原類基因COL10A1;蛋白聚類基因MATN3,COMP,AGC1,HSPG2,GPC6;蛋白聚糖的糖鏈合成基因B3GAT3,EXT1/EXT2;蛋白聚糖硫酸化基因ATPSK2,CHST3,DTDST;及其他細胞外基質成分基因CMG2,F(xiàn)BN1,MGP。從骨骼異常表現(xiàn)分析,細胞外基質雖是骨骼的組成,但其相關基因突變卻不僅造成骨基質或軟骨基質的異常,而且能夠影響細胞的增殖、分化,在整個成骨過程中扮演重要的角色。
2.3.2 膠原類基因突變疾病 Ⅰ型膠原突變常導致頻發(fā)骨折、骨質疏松等骨骼異常表現(xiàn);Ⅱ型膠原突變常導致身材矮小,骨骺骨化缺如等骨骼異常表現(xiàn);Ⅸ型膠原突變常導致骨骺骨化延遲;Ⅺ型膠原突變可導致身材矮小,但受累較輕;Ⅹ型膠原突變常導致身材矮小。不管是軟骨細胞分泌的Ⅱ型膠原還是肥大軟骨細胞分泌的Ⅹ型膠原,在生長板的發(fā)育中均起到重要作用[18]。
2.3.3 蛋白聚糖及其修飾基因突變疾病 涉及蛋白聚糖及及糖基化、硫酸化修飾的基因突變,均導致編碼蛋白的功能或者活性缺失,或滯留于內質網,導致身材矮小、關節(jié)異常。累及部位多數為四肢和軀干骨,較少累及顱面部;糖基化或硫酸化修飾的基因突變還較常累及手部、足部、指(趾)骨。
殖民時代的國際經貿交往與其說是合作,不如說是資源掠奪。然而,即便宗主國以剝削殖民地資源和輸出資本為目的進行經貿往來或者說殖民擴張,他們也注意到了消除混亂、確保資源的獲取需要法律規(guī)則,只不過此時的殖民地附屬于宗主國,因此無所謂通過國際法層面消除混亂的問題,宗主國直接采取法律強制輸出的方式使殖民地的法律與宗主國趨同,就可以實現(xiàn)利用法律規(guī)則控制地區(qū)沖突,消除社會混亂的目的。
在蛋白聚糖的基因中,HSPG2突變的DDSH疾病的癥狀最嚴重,表現(xiàn)為新生兒致死性侏儒病,導致較罕見的椎體分節(jié)不均的表型[19]。MATN3,COMP,AGC1三者滯留內質網時均會造成骨關節(jié)炎,進而導致關節(jié)變形;ATPSK2,COMP突變導致的疾病還會表現(xiàn)為骨骺骨化延遲;B3GAT3與EXT1/EXT2都是蛋白聚糖的糖基化蛋白,兩者的功能缺失突變均會造成骨化中心增多的現(xiàn)象。但EXT1/EXT2突變導致較罕見的多發(fā)性良性骨腫瘤,而B3GAT3突變卻會導致身材矮小、關節(jié)脫位、骨質疏松等。
2.3.4 信號通路 骨相關細胞信號傳導是指除遺傳信息傳遞的中心法則外,細胞環(huán)境信息傳遞的分子途徑。(1)成纖維細胞因子(fibroblast growth factor, FGF)通路:FGF通路共包括18種以上的配體和4種以上的受體,多數為FGFR突變。FGFR的突變多數為功能激活突變,可導致骨骼系統(tǒng)受累較嚴重的軟骨發(fā)育不全、致死性發(fā)育不全、季肋發(fā)育不全等疾病,而功能缺失突變導致骨骼受累較輕的淚管-耳-齒-指綜合征等疾病。突變區(qū)域分布于各自的胞外區(qū)或酪氨酸激酶區(qū),不同位點的突變可導致不同的疾病,如FGFR1,FGFR3突變會影響肢體的發(fā)育導致侏儒、長骨彎曲的表型,而FGFR2的作用不明顯。FGF9,F(xiàn)GF10,F(xiàn)GF23三種配體的突變表型各異,不同的位點突變也會導致同樣表型。如FGF10,F(xiàn)GFR2,F(xiàn)GFR3的功能缺失突變均可造成拇指的三指節(jié)畸形,說明三者在拇指發(fā)育中缺一不可,F(xiàn)GF10有可能同時通過兩種受體發(fā)揮作用。而FGF23突變導致低磷酸血癥的佝僂病表型,說明FGF23主要通過調節(jié)磷酸水平而調節(jié)骨代謝。(2)甲狀旁腺素 (parathyroid hormone, PTH)通路。PTH通路紊亂導致的骨骼異常多累及長骨,突變類型各異,導致的表型各異。PTH信號通路在調節(jié)生長板的軟骨細胞增殖、生長、分化過程中具有明顯的劑量效應,只有適當的PTH信號通路,才能夠保證正常的成長過程。甲狀旁腺相關蛋白PTHR(PTH-related protein)的突變還會導致骨骺骨化延遲、骨骼過早成熟等異?,F(xiàn)象,說明PTH通路也參與軟骨內成骨的固化環(huán)節(jié)的調節(jié)。(3)轉化生長因子β(transformig growth factor beta, TGFβ)的信號通路。TGFβ包括3種亞型:TGFβ1、TGFβ2和TGFβ3。TGFβ通路增強導致四肢短的表型、TGFβ1信號增強可導致骨皮質增厚的表型,說明TGFβ在骨發(fā)育中的作用多樣,不同亞型之間可能存在差異。(4)骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein, BMP)信號通路。涉及BMP信號通路的突變基因包括配體GDF-5,GDF-6,受體BMPR1B,ACVR-1和通路抑制分子NOG,LEMD3。骨骼異常表現(xiàn)主要為椎體、遠端肢體關節(jié)異常融合、某些骨骼部件缺失、軟組織異位骨化等。GDF5的功能增強突變或缺失突變都會造成肢體關節(jié)的異常融合、某些骨骼部件的缺失(例如股骨、腓骨等)、短指等癥狀。同樣是BMP受體,與BMPR1B突變不同的是,ACVR-1的突變卻導致軟組織的異位骨化,并為軟骨內成骨形式,說明ACVR-1介導的BMP通路可主導成纖維細胞向軟骨細胞分化繼而骨化的過程。NOG與LEMD3同為BMP通路的抑制因子,但兩者突變表型差距較大,說明BMP介導的通路多樣性,且BMP通路可能受到各方面復雜的調節(jié)作用。(5)WNT信號通路。主要涉及通路中的配體分子WNT3,WNT7A,WNT5A,抑制分子WTX,SOST,受體分子LRP5,ROR2。與其他信號通路不同的是,WNT信號通路分子的突變在骨骼異常表現(xiàn)方面不僅累及四肢骨、中軸骨,顱蓋骨也表現(xiàn)出明顯的發(fā)育異?,F(xiàn)象,主要表現(xiàn)為四肢的發(fā)育缺陷或缺如及長骨、顱蓋骨的骨量異常變化[20]。LRP5和ROR2的功能缺失突變會導致身材矮小的癥狀;WTX和SOST的功能缺失突變會表現(xiàn)為長骨、顱蓋骨的骨量增加;而SOST的功能缺失突變還會導致巨人癥的表型;WNT3,WNT7A,WNT5A三種配體分子中,WNT3/WNT7A突變后會導致嚴重的四肢發(fā)育缺陷,而WNT5A突變的癥狀則相對較輕,主要表現(xiàn)為身材矮小,牙齒異常。(6)NOTCH信號通路。NOTCH信號在骨骼系統(tǒng)中,對體節(jié)生成、成骨細胞和破骨細胞的分化、成熟具有復雜的調控作用。NOTCH信號突變可引起脊柱肋骨發(fā)育不全、脊柱胸廓發(fā)育不全、Alagille綜合征和短指/趾等骨骼疾病[21-22]。(7)Hedgehog信號通路。涉及Hedgehog信號通路的疾病主要為配體分子SHH,IHH,轉錄因子Gli3以及調控因子Lmbr1,KIF7突變引起,這些疾病的骨骼異常主要表現(xiàn)為并指(趾)、短指(趾)、多指(趾)。IHH突變的疾病主要表現(xiàn)為短指(趾)、骨骺生長板融合過早造成的短肢等;而SHH,Gli3以及調控因子Lmbr1,KIF7突變的疾病主要表現(xiàn)為多指(趾)。IHH突變后既可以導致表型輕微的短指(趾)癥狀,又可以導致表型更為嚴重的伴短指(趾)的股骨頭發(fā)育不良疾病,說明IHH的不同結構域或劑量具有一定的組織部位特異性[23]。
2.3.5 細胞骨架 細胞骨架相關基因的突變,可累及骨骼、皮膚、血管、心臟等多個器官,患病嚴重程度各異。FLNA,F(xiàn)LNB突變可致骨骼礦化缺陷;纖毛、鞭毛形成的相關基因突變主要表現(xiàn)為短肋、短肢、顱面異常、多指(趾)等;微管、紡錘體形成基因突變與生長遲緩、皮質骨增厚、顱面異常相關;細胞核骨架基因突變的疾病,主要表現(xiàn)為生長發(fā)育遲緩、下頜骨發(fā)育不良,遠端指、趾骨、鎖骨進行性骨溶解。
2.3.6 鈣-磷代謝基因 鈣-磷代謝相關基因突變疾病主要累及骨骼、腎、甲狀腺等,以骨骼異常表現(xiàn)最明顯。
2.3.7 轉錄因子 目前已知有很多轉錄因子在軟骨生成和軟骨內骨化階段對骨骼的發(fā)生進行了調控,如SHOXY,SOX9,TBX4,HOXD13,RUNX2,MSX2等。作為信號通路的終端作用分子,轉錄因子突變后的骨骼異常主要表現(xiàn)為某些骨骼元件的發(fā)育不良和缺如等,多數以顱面骨畸形、指(趾)骨缺如、并指(趾)及多指(趾)為主,個別疾病以長骨發(fā)育缺陷為主[24]。如BX4,HOXA13,SALL4,TBX3,TP63,HOXD13突變主要導致手足異常;TBX4,LMX1B可導致特有的髕骨發(fā)育不全;SOX9,DLX3,SHOX/SHOXY突變主要累及長骨,以撓骨、尺骨受累為主;RUNX2,MSX2,TWIST1ALX1-4基因突變所致疾病以顱面骨受累為主[25]。
2.3.8 脂類代謝 脂代謝相關基因主要為膽固醇、磷脂合成相關基因,這些基因的突變主要導致皮膚、骨骼、毛發(fā)、神經系統(tǒng)異常,導致的骨骼異常表現(xiàn)除了明顯的某些骨骼部件發(fā)育不全外,主要為骨骼礦化異常。
2.3.9 破骨細胞相關基因 與破骨細胞分化、功能相關的基因主要包括重要信號通路RANKL/RANK;與吸收陷窩的酸化有關的TCIRG1,OSTM1,CLCN7,PLEKHM1,CAII,以及吸收骨質主要酶類TRAP。
總之,遺傳性骨病的分子遺傳學研究進展迅速,研究應該結合骨骼生物學和骨軟骨發(fā)育不良的分子遺傳學研究建立更加高效的檢測方法,為遺傳性骨病的診斷、產前診斷及基因治療奠定基礎。骨骼系統(tǒng)病種龐大,表現(xiàn)形式復雜多變,如何能夠提高胎兒骨骼發(fā)育異常的產前診斷正確率,尋找致病原因,并對其進行相應的遺傳咨詢及再發(fā)風險評估,指導再次妊娠,是產科及超聲科醫(yī)生共同面臨的一個巨大的挑戰(zhàn)。
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(編輯:常志衛(wèi))
2017-03-20
首都醫(yī)科大學 附屬北京婦產醫(yī)院產科,北京 100026
劉 妍,女,主治醫(yī)師,醫(yī)學碩士
R681; R714.53; R719.8
: A
: 1672-4194(2017)04-0267-08