COL2A1基因突變與Ⅱ型膠原蛋白病表型關系的研究進展

張鉑彥，張 悅，劉 賀，吳乃超，王金成

(1.吉林大學第二醫院骨科中心，吉林 長春 130041; 2.吉林大學第一醫院放療科，吉林 長春 130021)

COL2A1基因編碼Ⅱ型膠原前體蛋白α1鏈，3條完全相同的α1鏈相互折疊后能夠形成前體蛋白同型三聚體，同型三聚體再經交聯作用構成成熟的Ⅱ型膠原蛋白[1]。在α1鏈中存在一段特殊的三重螺旋區，該區域特征序列為重復的Gly-X-Y序列(Gly為甘氨酸，X和Y表示其他氨基酸)，BARAT-HOUARI等[2]研究顯示：三重螺旋結構對膠原蛋白分子的穩定性起重要作用。

COL2A1基因突變會改變基因序列-蛋白結構-蛋白功能關系軸，進而導致一系列疾病[3]，統稱為Ⅱ型膠原蛋白病(OMIM編號：120140)，該疾病主要為常染色體顯性遺傳病。本研究基于《萊頓突變位點開放式數據庫》(LOVD) 以及最新研究報道，匯總獲得COL2A1基因突變所致的21種疾病亞型，以及全部基因突變位點、突變類型和臨床表型，并匯總患者年齡、性別和國籍信息。基于以上信息，本研究對COL2A1基因型和表型的關系進行探討和分析。

近年來有關COL2A1基因突變的研究在國內外均可見較多報道，但綜述類報道較少，且綜述類報道均未對COL2A1基因突變類型進行匯總分析亦未對Ⅱ型膠原蛋白病進行總結分類。本研究旨在幫助臨床醫生深入了解COL2A1基因突變導致的Ⅱ型膠原蛋白病的復雜臨床表型，推進基因篩查在臨床中的應用，從而進一步擴大COL2A1基因突變的表型譜。

1 COL2A1基因突變的位置和類型

1.1 突變位置

COL2A1基因長度為33 246 bp，包含54個外顯子，蛋白質編碼區(coding sequence,CDS)區域總長度為4 464 bp，三重螺旋區位于CDS的601～3 642 bp，其N末端前肽區對應1～608 bp，C末端前肽區對應3 643～4 464 bp。COL2A1基因和Ⅱ型膠原蛋白結構示意圖見圖1。

圖1 COL2A1基因和Ⅱ型膠原蛋白示意圖

Fig.1 Diagram of illustration of COL2A1 gene and type Ⅱ collagen

本研究匯總的657例COL2A1基因突變病例中，有535例COL2A1基因突變發生在CDS區，有117例發生在內含子區，還有5例大片段基因缺失的情況。在CDS區發生突變的病例中，有437例突變位點發生在三重螺旋區，49例發生在N末端前肽區，49例發生在C末端前肽區。

1.2 COL2A1基因突變類型和突變效果

COL2A1基因突變中最多為點突變(substitution)，約占73.4%(n=657)，其次是小片段刪除(小于20 bp的片段刪除)占19.0%，復制(duplication)占4.7%，缺失插入(delins)占1.4%，大片段刪除占1.1%，插入(insertion)占0.5%。見圖2。

1:Substitution;2:Small deletion;3:Duplicaton;4:Delins;5:Large deletion;6:Insertion.

圖2 本研究中COL2A1突變類型

Fig.2 Mutation types percentage of COL2A1 in our study

從突變效果的角度分析，錯義突變占比最高(39.6%)，其次是移碼突變(23.7%)、無義突變(16.7%)和發生在內含子的突變(14.5%)等。見圖3。

2 COL2A1基因突變的臨床相關資料

COL2A1基因突變會導致一系列以軟骨發育異常和視聽障礙為特征的表型，致病機制為COL2A1基因所編碼的Ⅱ型膠原蛋白是透明軟骨(如肋軟骨、氣管軟骨)和關節軟骨(如膝關節、髖關節)，Ⅱ型膠原蛋白結構異常會影響軟骨的正常生理功能[4]。

1:Missense;2:Framehift;3:Nonsense;4:RNA processing;5:Other mutations.

圖3 本研究中COL2A1突變效果

Fig.3 Mutation effects of COL2A1 in our study

2.1 COL2A1基因突變患者的年齡、性別和國籍分布

本研究匯總385例患者的年齡信息，平均確診年齡為15.32歲，確診患者年齡最低的表型為Ⅱ型軟骨發育不全(0.53歲)，其為“致死型”表型；確診患者年齡最高的表型是股骨頭缺血性壞死(30.29歲)，其為“輕型”表型，故可推測確診患者年齡與疾病嚴重程度存在相關性。

在294例患者的性別信息中，男性150例，女性144例，各表型的性別分布見圖4。在657例患者國籍信息中，病例報道較多的國家分別是英國(167例)、比利時(122例)、日本(82例)、美國(79例)、中國(60例)和法國(50例)。

1:STL 1;2:SEDC;3:ACG 2;4:Kniest;5:ANFH+LCPD;6:SEMD-S;7:EO-OA;8:PLSD-T;9:EO-HM.

圖4 各疾病表型的男女患者例數

Fig.4 Number of male and female patients with different disease phenotypes

2.2 COL2A1基因突變的臨床表型

COL2A1基因突變導致的疾病通過常染色體顯性遺傳的方式在家族中遺傳，該基因突變會導致骨骼、口腔頜面、聽力系統和視力系統的異常表型，按照疾病嚴重程度和表型特征，對COL2A1基因突變導致的臨床表型進行分類。見表1。

表1 COL2A1基因突變的臨床表型

2.2.1 致死型表型 該類表型共有2種，疾病特征為胎兒圍產期夭折或出生后不久死亡。本研究結果顯示：Ⅱ型軟骨發育不全總計54例，患者通常會死于胎兒期或新生兒早期，該疾病的臨床特征為不完全骨化、較短軀干、窄小胸部、膨隆腹部和短肢。研究[5]顯示：Ⅱ型軟骨發育不全病患者軟骨細胞數量過多、軟骨細胞體積過大且生長板紊亂。在54例突變中，比例最高為錯義突變(50例)，錯義突變中48例為Gly突變。

扁平椎骨骼發育不良-Torrance分型總計12例，NISHIMMRA等[6]于1979年首次描述該疾病表型，該病為致死型表型，臨床特征包括扁平椎、短肋骨、髂骨下端發育不全伴隨較寬的坐骨和恥骨，或伴隨短指及干骺端發育不良。該病12例突變中有10例突變發生在54號外顯子，可推測COL2A1基因C端前肽區的突變與該疾病有較強的相關性[7-8]。

2.2.2 以脊柱病變為特征的表型 該類表型特征為脊柱畸形，由于并發不同程度關節病變或視聽系統的病變，因此細分為多個亞型。本研究結果顯示：先天性脊柱骨骺發育不良總計88例，其臨床特點是身材異常矮小、骨骺異常和扁平椎體，伴隨癥狀有感覺神經性耳聾、高度近視、平臉、腭裂、小頜畸形、齒狀突發育不全、髖內翻、膝外翻和馬蹄足等。在88例突變中，比例最高為錯義突變(81例)，其中有60例位于Gly-X-Y重復序列的Gly位點，且p.Arg989Cys位點多次出現[9-10]，可推斷該位點是突變熱點。

脊柱外周長骨末端發育不良-Strudwick分型總計18例，其臨床表型特征：侏儒癥、視力近視、視網膜脫落、腭裂、齒狀突發育不良、胸壁前凸畸形(雞胸)、脊柱側彎、髖關節僵硬、髖內翻、膝外翻、馬蹄內翻足和干骺端發育不良，在14例錯義突變中，有13例為Gly突變。脊柱手指腳趾發育不良總計8例，ZHANG等[11]于1977年首次描述該疾病，其表型特征包括椎體異常融合、髖關節異常、較短掌骨和跖骨，手指及腳趾遠端指(趾)骨較短，其中7例突變發生于C末端前肽區[12-13]。脊柱干骺端發育不良-Sutcliffe分型患者臨床表型為輕度身材矮小、進展性髖內翻、輕度扁平椎、角骨折樣損傷(特指長骨一端的角形部位骨折)，突變位點分別為p.Gly345Asp和p.Gly945Ser突變[14]。脊柱骨骺發育不良-Stanescu分型患者的身高正常，伴發明顯關節痛、進展性關節腔隙狹窄、扁平椎和髖內翻，有2例患者突變位點均位于p.Gly207Arg[15]。脊柱干骺端發育不良-Algerian分型患者臨床特點是輕度身材矮小、嚴重膝外翻(特征性表型)、輕度扁平椎和干骺端異常，KOZLOWSKI等[16]在阿爾及利亞(Algerian)家系中發現該表型，2013年MATSUBAYASHI等[17]報道該疾病的突變位點位于p.Gly861Val。脊柱關節病臨床特征僅有明顯的關節病變和扁平椎，突變位點分別位于p.Arg519Cys和p.Arg1076Cys[18]。

2.2.3 以關節病變為特點的表型 該類表型的特征為關節病變，由于伴發不同程度軟骨發育不全或視聽系統病變，因此細分為多個亞型。

研究[19]顯示：Kniest發育不良總計報道了27例，該病臨床特征：身材矮小、關節腫大、關節活動度下降、長骨呈啞鈴型、胸呈鈴形、椎體扁平，常伴腭裂、聽力缺失、突眼和近視等癥狀。在27例突變中，有5例p.Ala302突變，可推測其為突變熱點。多發性骨骺發育不良總計3例，臨床特征：短肢侏儒癥、關節疼痛和關節僵硬[20]，該病主要由COMP等基因突變導致，COL2A1基因突變位點分別為p.Gly1179Arg和p.Gly1176Val[21]， p.Gly678Arg突變可導致特征表型伴隨雙層髕骨[20]。

本研究包含股骨頭缺血性壞死和Perthes病總計14例，包括5例Perthes病(兒童型股骨頭壞死)，CHEN等[22]于2004年在臺灣家系中定位致病基因位于12號染色體，2005年LIU等[23]確認COL2A1基因突變位于p.Gly1170Ser位點，其臨床特點：進展性股骨溝區疼痛和髖關節退化，近年還發現了3例p.Gly1170Ser突變[24-26]；此外還有p.Gly717Ser、p.Gly582Ser和p.Ala184Thr這3個錯義突變位點[23, 27-28]。研究[29-30]顯示：Perthes病患者中存在p.Gly672Cys、p.Gly630Ser、p.Gly546Ser和p.Gly213Asp突變。

本研究包含早發型骨關節炎總計12例，其臨床特征是關節疼痛、關節僵硬、關節腔隙狹窄、軟骨下硬化或有骨贅，最終可導致關節功能喪失。早發性骨關節炎不如其他表型明顯且多為伴發表型，但在少數病例中，該表型較為突出，COL2A1基因突變導致Ⅱ型膠原蛋白結構異常，使關節軟骨彈性改變并最終導致骨關節炎[31]，早發性骨關節炎多伴發輕度軟骨發育不良。在11例錯義突變中有8例Arg突變為Cys，可推斷Arg位點與早發性骨關節炎有關聯。

2.2.4 以眼部疾病為特征的表型 該表型的特征為視覺系統退化和視網膜脫落，由于伴發不同程度的脊柱和關節發育不全，因此細分為多個亞型。

Stickler綜合征Ⅰ型總計388例，是目前報道最多的表型。Stickler綜合征包括6種亞型，Ⅰ～Ⅲ型為常染色體顯性遺傳，Ⅳ～Ⅵ型為常染色體隱形遺傳[32]。Ⅰ型患者臨床特征為玻璃體(膜)病變，可伴隨視網膜脫落、面部畸形、腭裂和輕度脊柱骨骺發育異常[33-34]。本研究結果顯示：在388例突變中比例最高是移碼突變(141例)，其次是無義突變(99例)，Stickler綜合征Ⅰ型中無義突變占COL2A1中無義突變的90%(99/110)，可推測COL2A1無義突變與Stickler綜合征Ⅰ型有關聯。Wagner玻璃體視網膜病變的臨床特征是早期白內障、中度近視和徑向血管周圍色素沉著(特征性視網膜表現)[35]，突變位點分別為p.Cys57*和p.Gly267Asp[36-37]。早發型高度近視總計10例，高度近視的診斷標準是屈光度高于-0.6 D，或軸向長度長于26 mm，高度近視是導致失明的重要病因。2015年SUN等[38]進行一項關于298例嚴重近視患者的研究發現：71例基因突變患者中有10例患者攜帶COL2A1基因突變。

2.2.5 特殊表型分類 該類表型表現為非脊柱和非關節的特殊表型，因此單獨分為一類。研究[39-42]顯示：捷克發育不良患者總計7例，其表型為身高正常、第3和4腳趾較短(特殊表型)、進行性假性類風濕關節炎、扁平椎和脊柱關節病，目前已有5例患者的突變確認位于p.Arg275Cys位點。研究[43-44]顯示：4例脊柱發育不良伴軟骨瘤病患者特征表現為異常椎體、干骺端或長骨骨干處出現軟骨瘤樣損傷(特殊表型)，已經發現4例兒童患者患有該病，突變位點分別是p.Gly753Asp、p.Gly600Asp、p.Gly1098Glu和p.Gly606Asp。耳-脊柱-大骨骺發育不良的臨床表型主要為短肢、骨骺發育不良、面中部發育不良(鼻梁凹陷)和感覺神經性耳聾(特殊表型)，同時常會并發腭裂及小頜畸形[45]，2005年MIYAMOTO等[46]報道了1例發生于內含子的突變(c.709-2A>G)。

3 展 望

COL2A1基因突變導致一系列表型復雜的骨骼遺傳疾病，目前已報道了600多例病例，本文作者發現數個突變熱點，并推測一些潛在的基因型與表型的關系，旨在使臨床醫生更加深入了解COL2A1基因突變導致的遺傳疾病表型，提高臨床工作中對該遺傳疾病的診斷率，并推動基因篩查在臨床工作中的應用。在未來工作中還需要收集更多的病例報道和基礎研究，致力于探討COL2A1基因突變的具體致病機制以及明確的基因型與表型的關系。