骨質疏松癥相關基因研究進展

骨質疏松癥（osteoporosis）是一種常見的全身性、代謝性骨病，其特征為骨量減少和骨組織結構破壞，導致骨密度（bone mineral density，BMD）下降和脆性骨折的風險增加[1-2]。在成年期，隨著年齡的增長，骨量逐漸減少，所以骨質疏松癥是公認的老年人常見疾病。骨質疏松癥影響了全世界范圍內三分之一的女性和八分之一50歲以上的男性[3]。

骨質疏松癥的易感性是各種不同的遺傳變異與環境因素相互作用的結果[4]。一些針對中東國家女性的研究發現，其BMD低于西方人，可能是由于穿衣方式減少了皮膚暴露于陽光下，從而減少了維生素D的激活[5]。但60%～80%的骨丟失加速是由遺傳因素引起的[6]。全基因組關聯研究（GWAS）中研究了60多個BMD基因座，證實了BMD基因的多態性。BMD在母親和女兒之間存在高度相關性，主要是由于骨表型的遺傳決定了骨質疏松癥[7]。雙胞胎和家庭研究表明，BMD中50%～85%的個體間變異是由遺傳決定的。對雙胞胎或多代家庭進行的研究也證實，骨微結構和重塑標記的差異主要是由遺傳因素而非環境因素引起[8-10]。

近年來，一系列影響骨再生的骨骼和非骨骼因素被用于評估骨折的發生風險[11]，但還需要進一步的校準研究來證明這些工具的穩健性[12]。所以，BMD仍是診斷骨質疏松癥和評價骨質疏松病人發生脆性骨折的指標。

1 鑒定骨質疏松癥易感基因的方法

通常用連鎖和關聯遺傳研究來分析復雜性狀和疾病與多態性之間的關系。連鎖分析是人類孟德爾單基因遺傳性疾病中基因發現的經典方法，已經對BMD和骨質疏松癥的其他相關表型進行了多次全基因組連鎖掃描，但未能得到可重復檢測的BMD顯著位點[13-14]。鑒于連鎖研究的失敗，研究人員將重點轉向GWAS這一候選基因研究方法。該方法是應用基因組中數以百萬計的單核苷酸多態性（singlenucleotide polymorphism，SNP）為分子遺傳標記，進行全基因組水平上的對照分析或相關性分析，發現影響復雜性狀的基因變異的方法。

2 關鍵的生物學途徑

GWAS報道了超過66個影響BMD的位點，證實了BMD基因多態性的性質。骨骼發育涉及多種關鍵的生物學途徑和（或）信號轉導通路，現總結如下。

2.1 Wnt信號 Wnt是一類分泌型糖蛋白，可與卷曲蛋白受體或復合受體結合，導致細胞內級聯反應，在骨細胞的分化和增殖中發揮重要作用。低密度脂蛋白受體相關蛋白5（LRP5）是一種跨膜受體，它允許外源性化學信號傳遞到細胞核并參與骨形成。LRP5是Wnt蛋白的輔受體，骨形態發生蛋白（BMP）2誘導的堿性磷酸酶的激活依賴于LRP5／Wnt信號通路。LRP5突變，尤其是171位甘氨酸突變所引起的LRP5失活是骨質疏松癥-假性膠質瘤綜合征的發病原因，其特點是低骨量和骨折[15]。硬化蛋白（SOST）通過充當LRP5／6受體的拮抗劑來防止骨形成。Dickkopf1（DKK1）是另一種調節蛋白，通過與LRP5／6受體結合來抑制Wnt信號傳導。攜帶突變體DKK1基因的小鼠表現為骨量增加，而小鼠中DKK1的過表達則導致嚴重的骨質減少和骨形成減少[16]。血清DKK1水平與腰椎和股骨BMD呈負相關[17]。

肌細胞增強因子2C（MEF2C）基因編碼另外一種通過Wnt信號傳導參與骨發育控制的轉錄因子[18]，其過表達可誘導軟骨細胞肥大和侏儒癥[19]。腺瘤性結腸息肉病蛋白（APC）是編碼腫瘤抑制蛋白的一種調節基因，參與細胞遷移和黏附、轉錄激活和細胞凋亡的過程，其主要作用是結合β-連環蛋白，并負性調節Wnt信號級聯反應。小鼠中APC的功能喪失突變導致股骨遠端的BMD增加[20]。此外，在APC基因中攜帶一個突變的家族性腺瘤性息肉病（FAP）病人表現出比年齡和性別匹配的對照組更高水平的BMD[21]。

連環蛋白β1（CTNNB1）可在 Wnt信號傳導和間充質干細胞分化為成骨細胞中起關鍵作用。CTNNB1上調成骨細胞中骨保護素（OPG）的表達，而OPG是一種重要的可減少骨吸收的破骨細胞生成抑制因子[22]。

2.2 維生素D內分泌途徑 維生素D是一種類固醇激素，在鈣穩態和骨骼代謝中起著至關重要的作用。維生素D受體（VDR）介導其配體，維持正常的骨礦化和重塑[23]。VDR是研究骨質疏松癥遺傳基礎的第一個基因，此后還研究了維生素D結合蛋白（DBP），它在維持鈣穩態中起重要作用，并可直接激活介導骨吸收的破骨細胞轉化為DBP-巨噬細胞活化因子[24]。

2.3 雌激素內分泌途徑 絕經后雌激素缺乏是骨丟失的重要決定因素，在骨量調節和骨質疏松癥的發病中占有重要地位。雌激素與雌激素受體（ER）結合，通過皮質、骨代謝調節和預防骨質流失，對骨骼發育和穩態發揮有益作用。候選基因關聯研究（CGAS）和GWAS報道了骨質疏松癥病人在雌激素途徑中的基因遺傳變異，發現ERβ蛋白在骨相關細胞中表達，其在不同年齡和性別上的特異性表達參與雌激素途徑對骨質疏松癥的調節[25]。CYP17和CYP19也是參與雌激素生物合成的重要基因。CYP17基因編碼細胞色素P450c17α，這對于性腺激素的生物合成參與的骨重建具有有益作用。CYP17的突變可能導致骨骼生長滯后和彌漫性骨質疏松癥[26]。CYP19基因編碼芳香酶，可將雄激素轉化為雌激素。

2.4 RANK-RANKL-OPG 途徑 核因子（NF）-κB 配體的受體激活劑（RANKL）是由成骨細胞和骨細胞分泌的可溶性因子，對于骨代謝至關重要。破骨細胞活性是通過RANKL與破骨細胞前體細胞上存在的RANK（TNFRSF11A）受體的相互作用觸發的；而OPG（TNFRSF11B）作為 RANKL的誘餌受體，通過阻止RANK與 RANKL的結合而阻止骨吸收循環[27]。GWAS和薈萃分析證實了RANK多態性與骨折以及BMD之間的關聯[28]。此外，在幾個GWAS和雙胞胎研究中觀察到，OPG基因座上的幾個SNP與BMD顯著相關，證實TNFRSF11B也是骨質疏松癥的易感基因[29]。RANK-RANKL-OPG系統還可與白細胞介素（IL）-6相互作用，并參與絕經后骨質疏松癥的發生。事實上，RANKL的表達可被IL-6上調[30]。絕經后雌二醇水平的下降導致包括IL-6在內的促炎細胞因子的增加。

2.5 軟骨內骨化通路 軟骨通過骨化形成成熟骨，許多轉錄因子參與骨化的調節，其中SOX（SRY相關HMG盒）基因家族在軟骨細胞分化和軟骨內骨化中起重要作用。胃腸道異常增生病人的軟骨形成缺陷是由SOX9基因雜合突變引起的。小鼠中的雜合SOX6突變體呈現輕度骨骼異常，而純合突變體小鼠胎兒死于全身性軟骨發育不良[31]。

Runt相關轉錄因子2（RUNX2）也稱為核心結合因子a1（Cbfa1），是成骨細胞特異性轉錄因子。小鼠中的純合Cbfa1突變體表現為完全骨缺失，并且雜合突變體表現為類似于顱頜發育不良的骨骼異常[32]。整合素結合唾液蛋白（IBSP）在所有主要的骨細胞中表達，包括成骨細胞、骨細胞和破骨細胞，并且其在骨質疏松病人中表達上調。IBSP和其他三個基因[牙本質基質酸性磷蛋白1（DMP1）、基質細胞外磷酸糖蛋白（MEPE）和分泌型磷蛋白1（SPP1）]均與BMD相關。2.6 轉化生長因子β（TGF-β）信號通路 TGF-β和BMPs屬于TGF-β超家族，TGF-β1介導了骨骼組織的發育和維持。TGF-β1被認為是骨吸收和骨形成之間的耦合因子，也是最常見的骨質疏松癥研究候選基因之一[33]。TGF-β1敲除的小鼠表現出骨量和骨彈性降低。 此外，TGF-β受體Ⅲ（TGFβR3）能夠調節 BMP2的生物學功能。SMAD家族成員6（SMAD6）和SMAD7基因也涉及TGF-β信號傳導途徑。

2.7 間充質干細胞（MSC）成骨分化 人間充質干細胞（hMSC）可分化為成骨細胞，而骨形成的重要步驟是從間充質祖細胞分化為成骨細胞。許多轉錄因子如CBFA1／RUNX2、msh 同源框 2（MSX2）、遠端同源框 5（DLX5）和特異性蛋白7（SP7）以及骨標記基因如SPP1、COLIA1和骨粘連蛋白在此過程中廣泛表達。另外，FAM3C、SOX4／9、MEF2C 和 RUNX2 等基因也參與了MSC分化為成骨細胞的調節過程。另一個大的薈萃分析顯示，雙皮質素結構域（DCDC）基因可能是調節腰椎 BMD 的因素[34]。

2.8 粘著信號通路 粘著家族成員存在于細胞外基質的連接處，并促進膜受體和肌動蛋白絲之間的聯系。Ⅰ型膠原蛋白α1（COL1A1）是骨骼的主要蛋白，在該家族中研究最多[35]。該途徑的另一個關鍵組分是胰島素樣生長因子（IGF）調節系統，在骨骼獲取和維持中起重要作用，它是由兩種配體（IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ）及其特異性受體組成的主要生長促進信號傳導網絡。IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ是骨骼細胞分泌的最普遍的生長因子，并且是成骨細胞功能的自分泌調節劑[36]。

2.9 脂質和神經通路 觀察性研究表明，脂質水平與BMD相關[37]。脂質氧化抑制骨礦化并誘導成骨細胞的分化，而高脂血癥會降低小鼠BMD。載脂蛋白E（APOE）通過脂蛋白和維生素 K轉運調節 BMD，APOE可能導致絕經期婦女膽固醇增加[38]。

受體轉運蛋白3（RTP3）是一種新鑒定的基因，其攜帶與股骨幾何形狀或髖部骨折顯著相關的SNP[39]。Catsper通道輔助亞基β（CATSPERB）可能是鈣信號傳導中起作用的另一個基因。一項在絕經前歐美裔和非裔美國女性中進行的研究表明，CATSPERB基因與絕經前女性股骨頸的BMD有關[40]。

Ras和Rab Interactor 3（RIN3）是遲發性阿爾茨海默病的遺傳危險因素[41]。Rab蛋白通過影響囊泡運輸而調節破骨細胞功能。核孔蛋白205kDa（NUP205）編碼核孔復合物的可溶性組分，在神經發育不良的病人中NUP205被破壞[42]。NUP205和RIN3也被發現與由破骨細胞功能障礙驅動的骨Paget疾病相關[43]。

3 其他易感基因

醛脫氫酶7家族成員A1（ALDH7A1）是乙醛脫氫酶超家族的成員。乙醛可抑制成骨細胞增殖并減少骨形成[44]。促腎上腺皮質激素釋放激素受體 1（CRHR1）也是BMD調節的候選基因。位于CRHR1基因中的SNP rs9303521與脊柱BMD顯著相關[45]。MARK3是腺苷一磷酸激活蛋白激酶（AMPK）超家族的成員，在全基因組水平上被鑒定為與骨質疏松癥相關的基因座。MARK3 rs11623869對BMD的影響在中國人群中進一步得到證實，尤其是在高水平的血清堿性磷酸酶情況下[46]。

4 結論

骨質疏松癥是臨床和公共衛生不可忽視的問題，近年來已經進行了許多研究以了解遺傳對骨質疏松癥和相關表型的影響。由于種族、參與者選擇、基因分型錯誤等原因，CGAS的許多結果似是而非。在這方面，迫切需要驗證相同或不同種族群體和年齡段中多個候選基因的關聯。由于許多基因產物相互作用，關于基因多態性的研究可能為疾病風險評估以及治療干預提供更多信息，這有助于提早預防骨質疏松癥的發生，并為不同人群開展新的診療思路和開發新的靶向藥物提供一定的研究基礎。