陳崇 李政 陳峰沈 建雄

（中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院骨科，協(xié)和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心，北京 100730）

先天性脊柱側(cè)凸（congenital scoliosis,CS）為胚胎期中軸骨發(fā)育異常所致的脊柱畸形，新生兒發(fā)病率約0.5‰～1‰[1,2]，常合并肋骨畸形[3]、椎管內(nèi)畸形[4,5]、心肺功能障礙[6]等多個系統(tǒng)畸形[7]，常給臨床診療工作帶來極大挑戰(zhàn)[8]。其致病機(jī)制尚未明確，而孕期環(huán)境因素與椎體畸形存在一定聯(lián)系[9]。

維生素A是一種脂溶性維生素及其包括維甲酸（retinoic acid,RA）在內(nèi)的衍生活性代謝產(chǎn)物，為機(jī)體生物功能所必需，在維持正常視力、胚胎發(fā)育、生殖、細(xì)胞分化、免疫功能和生長發(fā)育等方面發(fā)揮重要作用。RA的劑量效應(yīng)具有雙面性，一方面，就體節(jié)形成及胚胎發(fā)育而言是必要的化學(xué)物質(zhì)之一[10]，另一方面，孕期接觸過量RA可致中軸骨異位轉(zhuǎn)化或中軸骨截斷等[11,12]。RA受體（RA receptor,RAR）與其配體基因在軸旁中胚層顯著表達(dá)，對體節(jié)形成過程中的分節(jié)時鐘和HOX基因的表達(dá)模式進(jìn)行調(diào)控[13]。然而高濃度RA可干擾神經(jīng)嵴遷移、器官發(fā)育，甚至可以引起軸旁中胚層、脊索和神經(jīng)管細(xì)胞的死亡[14]。

1 孕期維生素 A與胚胎發(fā)育

目前認(rèn)為血漿維生素A≥1.05 μmol/L為正常，0.7～1.05 μmol/L 為 邊 緣 缺 乏 ，＜0.7 μmol/L 為 缺乏，＜0.35 μmol/L為嚴(yán)重缺乏[15]。縱觀全球，仍有近700萬孕婦和學(xué)齡前期兒童遭受維生素A缺乏的危害，我國孕婦維生素A攝入量遠(yuǎn)低于推薦攝入量，情況不容樂觀[16]。

妊娠期婦女血漿維生素A水平不但影響孕婦本身的營養(yǎng)狀況，對胎兒發(fā)育的影響更為重要[17]。其中子宮高度、新生兒出生體重、身長與胎齡、孕婦產(chǎn)前血清維生素A水平呈正相關(guān)[18]。

孕激素可促進(jìn)肝臟和脂肪組織中儲存的維生素A釋放進(jìn)入血液，由于妊娠早期孕激素水平較低，維生素A較低可能與孕激素水平相對較低有關(guān)。此外，孕早期嘔吐等妊娠反應(yīng)，也可導(dǎo)致維生素A的攝入不足[19]。

孕早期維生素A攝入不足會直接影響胎兒發(fā)育，導(dǎo)致一系列先天畸形，包括心臟（室間隔缺損、海綿狀心肌、主動脈弓缺陷、動脈導(dǎo)管未閉）、泌尿生殖系統(tǒng)（異位卵巢、假兩性畸形、腎臟畸形）、中樞神經(jīng)系統(tǒng)（腦水腫、脊柱裂）等，甚至死胎[20]。

近年來的研究提示，維生素A代謝產(chǎn)物RA及RA信號通路在調(diào)控胚胎體節(jié)發(fā)育起到重要作用。RA是維生素A的重要代謝活性小分子，在體內(nèi)由維生素A經(jīng)連續(xù)二步酶促反應(yīng)合成而來。視黃醛去氫酶（RALDH）參與第二步酶促反應(yīng)，作為調(diào)控RA合成的關(guān)鍵酶，其家族成員包括RALDH1，RALDH2和RALDH3，這些酶的表達(dá)具有時空特異性。其中RALDH2主要參與胚胎期前肢、體節(jié)和重要內(nèi)臟器官（心、肺、腎）的形成發(fā)育，而RALDH1和RALDH3涉及眼睛和鼻子的形成、發(fā)育[21]。體內(nèi)實驗證明，斑馬魚胚胎發(fā)育過程中RALDH2基因敲除后RA水平明顯下降，引起包括半椎體、楔形椎和蝴蝶椎等嚴(yán)重的脊柱畸形[22]。Li等[23]研究發(fā)現(xiàn)大鼠孕期外源性維生素A缺乏條件下，可觀察到子代多種先天性骨骼畸形，發(fā)生率約 13%，同時 RALDH1，RALDH2和RALDH3及RAR α、β、γ基因表達(dá)顯著下調(diào)，提示孕期維生素A缺乏或不足可直接導(dǎo)致CS的發(fā)生、發(fā)展。

2 RA信號通路

RA可直接與細(xì)胞核內(nèi)的RA受體結(jié)合，激活核內(nèi)受體或靶基因而發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)。RA受體發(fā)現(xiàn)已久，屬于核受體配體激活轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子超家族，對其分子水平效應(yīng)多樣性的認(rèn)識循序漸進(jìn)[24,25]。研究報道，全反式維甲酸（all-trans retinoic acid,ATRA）通過抑制Runx2對C/EBPβ的轉(zhuǎn)錄而促進(jìn)成骨分化[26]，也可通過抑制C/EBPβ的轉(zhuǎn)錄活性下調(diào)PPARγ的轉(zhuǎn)錄活性，抑制脂肪細(xì)胞分化，間接促進(jìn)脂肪干細(xì)胞的成骨分化[27]。

RA信號通路調(diào)節(jié)靶基因的方式復(fù)雜多樣。第一級復(fù)雜性體現(xiàn)在RA的存在形式，包括全反式維甲酸、3-4雙脫氫全反式維甲酸、9-順式維甲酸等；第二級復(fù)雜性體現(xiàn)在與細(xì)胞質(zhì)內(nèi)RA結(jié)合蛋白CRABP I或CRABP II結(jié)合后在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)運，其中CRABP I將胞質(zhì)內(nèi)的RA轉(zhuǎn)移至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，而CRABP II與細(xì)胞質(zhì)內(nèi)未被代謝的RA結(jié)合轉(zhuǎn)運至核內(nèi)，作為核受體（RXR或RAR）的配體，進(jìn)而發(fā)揮生物效應(yīng)；第三級復(fù)雜性體現(xiàn)在RA信號通路生物功能可通過膜受體與核受體協(xié)同進(jìn)行。此外，RA核受體可與多種轉(zhuǎn)錄因子（輔助活化因子或輔助抑制因子）相作用，更增加了該信號通路分子基礎(chǔ)的多樣化。

任意一種RXR或RXR異構(gòu)體均包含2個高效協(xié)同轉(zhuǎn)錄激活的功能域，即AF-1（配體非依賴區(qū)）和AF-2（配體依賴區(qū)）。其中，AF-1的研究中，轉(zhuǎn)錄因子TFIIH結(jié)合的CDK77可選擇性磷酸化RARα的77號絲氨酸（Ser-77），而具體機(jī)制不詳[28]。AF-2的功能類似于輔助活化蛋白，在核受體及轉(zhuǎn)錄因子間搭起橋梁[29]。

RAR α、β、γ在神經(jīng)嵴的顱面部起源區(qū)均有表達(dá)，RAR α和RAR β集中在前、中、后腦和脊神經(jīng)中廣泛表達(dá)，RAR β更多集中于后腦和脊神經(jīng)，RAR γ集中在紋狀體、腦垂體表達(dá)。值得注意的是，RAR β2和RAR γ在體節(jié)、骨骼、軟骨組織中高度表達(dá)[30]，體現(xiàn)了胚胎發(fā)育期不同成體組織間的時空特異性，表明RARs和RXRs不同亞類及異構(gòu)體具有獨特的功能[31]。

RA信號通路的功能最終依賴于基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控來實現(xiàn)，體內(nèi)多種激素、激酶及轉(zhuǎn)錄因子都受到RA信號通路的調(diào)節(jié)。其中主要分為兩種作用機(jī)制，即RA直接與間接調(diào)控靶基因。直接調(diào)控機(jī)制中，靶基因啟動子區(qū)包含了RA的反應(yīng)元件RARE，而更多的生物效應(yīng)則是通過間接調(diào)控完成。RA及其受體與細(xì)胞因子功能類似，可作為細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞間的通訊信號，同時，其分子功能又非常依賴于細(xì)胞內(nèi)環(huán)境，借助于同源二聚體（RXR-RXR）、異源二聚體（RXR-RAR）或RXR其它核受體異源二聚體與多種信號通路間發(fā)生交互作用（Cross-talk）。不可忽視的是，多個信號通路見到交互作用，增加了體節(jié)發(fā)育調(diào)控的復(fù)雜性與精密性。

3 孕期環(huán)境因素與先天性脊柱側(cè)凸

CS臨床上可分為三型：I型（形成障礙型），表現(xiàn)為一個或多個椎體部分或完全的形成障礙，如半椎體、楔形椎和蝴蝶椎等；II型（分節(jié)不良型），表現(xiàn)為兩個及以上椎體部分或完全分節(jié)不良，如融合椎、阻滯椎；III型（混合型），同時存在I型和II型的畸形特征。

其中孕期環(huán)境因素與CS發(fā)病密切相關(guān)，尤其在孕早期不良環(huán)境因素的暴露，可導(dǎo)致椎體畸形，而CS的臨床分型特征與孕期環(huán)境因素間的聯(lián)系未見明確報道[32]。除維生素A和維甲酸外，目前已發(fā)現(xiàn)的相對確切的環(huán)境因素包括以下幾個方面：①丙戊酸，女性妊娠期服用丙戊酸（valproic acid,VPA）可明顯增加胎兒脊柱裂、神經(jīng)管畸形的發(fā)生率，具體機(jī)制可與Pax-1和Paraxis兩個模式基因的表達(dá)下調(diào)有關(guān)[33,34]；②低氧，胚胎發(fā)育早期的一過性低氧，可產(chǎn)生大量活性氧(reactive oxygen species，ROS)。由于神經(jīng)管和體節(jié)中胚層細(xì)胞代謝活躍，大量ROS可造成導(dǎo)中軸骨發(fā)育缺陷[35]；③一氧化碳(carbon monoxide，CO)，妊娠期吸煙婦女，在器官形成早期CO可作為一種信號分子抑制Pax-l和Paraxis基因的表達(dá)，導(dǎo)致神經(jīng)管和軸旁中胚層發(fā)育異常[36]；④砷，砷作為重要的化工產(chǎn)物，孕期接觸可以導(dǎo)致多種出生缺陷，包括發(fā)育遲滯、高死亡率、低體重兒、額面缺陷、脊柱裂和神經(jīng)管發(fā)育異常等[37]；⑤糖尿病，妊娠期糖尿病患者，患兒遠(yuǎn)端中軸骨缺陷和尾骨退化綜合征的發(fā)生率比正常者高約200倍[38]，可能是高糖環(huán)境增加了神經(jīng)管和其他器官中ROS產(chǎn)物的濃度，抑制Pax-3基因表達(dá)，導(dǎo)致脊索發(fā)育關(guān)鍵基因Shh和Brachyury功能紊亂[39,40]或直接造成細(xì)胞死亡[41]。⑥乙醇，乙醇可改變胎盤血管結(jié)構(gòu)間接性引起胚胎宮內(nèi)缺氧，同時也可通過血胎屏障直接引起胚胎細(xì)胞死亡[42]；⑦高溫，持續(xù)超過正常溫度2°C，胚胎脊柱、神經(jīng)管發(fā)育畸形、心臟缺陷、小眼等畸形發(fā)生率增加，主要與熱休克蛋白產(chǎn)生機(jī)制有關(guān)[43]。

4 體節(jié)發(fā)育與RA信號通路

體節(jié)起源于前體節(jié)中胚層（pre-somitic mesoderm,PSM），是胚胎發(fā)育過程中形成的規(guī)律分節(jié)的結(jié)構(gòu)。其沿體軸兩側(cè)從前向后有序形成生皮節(jié)、生肌節(jié)和生骨節(jié)，繼而衍生出真皮、骨骼肌和中軸骨，其中中軸骨日后將發(fā)育為椎體，體節(jié)生成異常將直接導(dǎo)致椎體發(fā)育異常[44]。體節(jié)發(fā)育的分節(jié)時鐘及前向波模型最早由Cooke等于1976年報道[45]。體節(jié)的周期性生成與前體節(jié)中胚層中同步基因表達(dá)的振蕩模式密切相關(guān)，這種基因表達(dá)的模式即分節(jié)時鐘[46]。

這種模型受到Wnt、Fgf和Notch等信號通路的共同調(diào)節(jié)。這些通路中的基因形成一個周期性表達(dá)的沿前體節(jié)中胚層傳遞的表達(dá)波譜，共同影響體節(jié)的延長和分節(jié)[47,48]。利用斑馬魚模型，可觀察delta C在體節(jié)形成中的表達(dá)，進(jìn)一步證明了分節(jié)時鐘-前向波模型的確切性以及Notch信號通路在體節(jié)發(fā)育中的作用[49]。也有學(xué)者認(rèn)為體節(jié)并非完全依賴分節(jié)時鐘-前向波模型，而是依靠體節(jié)細(xì)胞間的相互作用[50]。

脊椎動物的胚胎往往遵循嚴(yán)格的雙側(cè)對稱發(fā)育，從而產(chǎn)生諸如椎骨和骨骼肌等重復(fù)的身體結(jié)構(gòu)。椎體分節(jié)由一個循環(huán)基因表達(dá)系統(tǒng)調(diào)控，即分節(jié)時鐘，其中Delta-Notch信號通路和其靶基因在PSM的表達(dá)，產(chǎn)生雙側(cè)對稱的分子振蕩[51]。體節(jié)形成的邊界區(qū)域是由該振蕩器的相互作用控制的，主要由Fgf和RA信號通路相反的梯度信號構(gòu)成。RA信號通路在體節(jié)形成的作用與Wnt和BMP等信號通路的聯(lián)系日益受到更多學(xué)者的關(guān)注[52]。研究表明，RA信號通路的缺失會導(dǎo)致循環(huán)基因表達(dá)系統(tǒng)的不對稱性，但是RA信號通路和振蕩器之間的聯(lián)系尚未可知。體節(jié)形成過程中，Notch信號通路及靶基因依賴轉(zhuǎn)錄因子Su(H)（Suppressor of Hairless）調(diào)控，而RA的降解酶cyp26a1同樣依賴Su(H)的調(diào)控活性。因此，斑馬魚尾芽中多余的RA可能導(dǎo)致循環(huán)基因表達(dá)系統(tǒng)（振蕩器）的不對稱性。這表明Notch信號通路的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子可影響RA的代謝，且通過影響體節(jié)形成導(dǎo)致尾芽發(fā)育的不對稱性[53]，而體節(jié)的形成又需要RA和它的輔助活化劑包括Wdr5、Hdac1、Hdac2，Rere和組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶Ehmt2的蛋白質(zhì)復(fù)合體的協(xié)同作用[54]。

曾經(jīng)有報道認(rèn)為RA通過RARE調(diào)控元件直接抑制Fgf8的表達(dá)從而影響體節(jié)發(fā)育[55]。Wnt8a和Wnt3a在體節(jié)形成的尾芽出存在協(xié)同促進(jìn)Fgf8的表達(dá)，從而促進(jìn)哺乳動物身體的中軸延長，對Wnt-Fgf-RA信號通路的相互調(diào)控，提出了新觀點，從單一信號通路到多個信號通路協(xié)同調(diào)控[56]。玻璃海鞘脊索及軸旁中胚層的研究[57]提示，RA-Fgf/MAPK及Wnt通路在軀干的生長方面存在協(xié)同調(diào)控機(jī)制。不難看出，RA信號通路與Wnt、Notch、Fgf、MAPK及BMP信號通路間的精密配合說明了重復(fù)組合信號如何進(jìn)行體節(jié)發(fā)育調(diào)控制和隨后特定的功能與分化。

5 小結(jié)與展望

目前我國維生素A的流行病學(xué)研究多源于散在小樣本人群，未來如何開展覆蓋全國城鄉(xiāng)居民的監(jiān)測體系，詳細(xì)評估居民維生素A營養(yǎng)狀況，建立可靠的流行病學(xué)信息數(shù)據(jù)庫，并逐步消除維生素A缺乏這一公共衛(wèi)生問題，預(yù)防先天畸形發(fā)生，關(guān)乎國計民生。

對于維甲酸信號通路在先天性脊柱側(cè)凸體節(jié)發(fā)育的研究中，關(guān)注分子表層功能較多，具體分子機(jī)制的研究相對較少。由于研究檢測指標(biāo)的瞬時性，多以靜態(tài)的觀察為出發(fā)點，如何將體節(jié)發(fā)育中動態(tài)的時空變化進(jìn)行詳細(xì)闡述，是未來的學(xué)者們思考的方向之一。此外，CS的臨床分型特征與孕期環(huán)境因素間的聯(lián)系，也值得學(xué)者們進(jìn)行深入研究。

在維甲酸信號通路調(diào)控體節(jié)發(fā)育的過程中，將表觀遺傳學(xué)、遺傳學(xué)及結(jié)構(gòu)生物學(xué)的觀點納入發(fā)育學(xué)研究領(lǐng)域中，是未來挖掘先天性脊柱畸形的切入點。同時聯(lián)合應(yīng)用不同組學(xué)的分析模式以及單細(xì)胞測序技術(shù)，更為精準(zhǔn)的研究致病機(jī)制，以期為臨床的診療工作服務(wù)[58]。

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