多囊卵巢綜合征的遺傳學(xué)研究進(jìn)展

李春竹,邢川綜述 何冰審校

多囊卵巢綜合征(polycystic ovary syndrome，PCOS)，也稱Stein-Leventhal綜合征，是最常見的生殖內(nèi)分泌代謝疾病，全球患病率為5%～15%[1]。 目前PCOS的診斷使用鹿特丹共識標(biāo)準(zhǔn)，需至少滿足以下2項：高雄激素血癥、少經(jīng)或閉經(jīng)和多囊卵巢樣改變。PCOS患者常伴發(fā)肥胖、IR、血脂紊亂及促性腺激素分泌異常等[2]。PCOS被認(rèn)為是一種病因未明的多基因遺傳病[3]，近來研究者主要通過候選基因關(guān)聯(lián)分析法和全基因組關(guān)聯(lián)研究(genome-wide association study，GWAS)來尋找PCOS 關(guān)鍵的致病基因，結(jié)合基因路徑研究分析基因作用的分子機(jī)制。

1 多囊卵巢綜合征的基因組學(xué)

1.1 候選基因關(guān)聯(lián)研究 候選基因關(guān)聯(lián)研究是基于已有研究結(jié)果假設(shè)某段基因序列的變異是影響疾病表型變異的主基因，借助基因擴(kuò)增等實驗技術(shù)，采用病例對照設(shè)計方法來比較病例組與對照組候選基因的組間差異，以此來確定候選基因與表型變異是否存在關(guān)聯(lián)。借此篩選出的重要基因，包括參與體質(zhì)量和能量調(diào)節(jié)的基因如與脂肪質(zhì)量和肥胖相關(guān)基因FTO和 MC4R基因；參與雄激素生物合成轉(zhuǎn)運、作用和調(diào)節(jié)的AR基因，代謝酶CYP基因如CYP17、CYP11A、CYP19、CYP21基因，SHBG基因，17β羥基脫氫酶HSD17β基因，5-α還原酶基因,FSHR基因，LHCGR基因;胰島素抵抗有關(guān)基因：胰島素基因，胰島素受體基因，胰島素受體底物基因，CAPN10基因,PPAR基因；慢性炎性反應(yīng)相關(guān)基因如TNF-α基因和IL基因等[4]。

1.2 全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS) GWAS被認(rèn)為是闡明疾病復(fù)雜遺傳易感機(jī)制的強(qiáng)有力工具，與候選基因關(guān)聯(lián)分析策略明顯不同，GWAS 是應(yīng)用人類全基因組范圍內(nèi)的單核苷酸基因多態(tài)性SNPs 為標(biāo)記，在大樣本量的研究對象中篩選與疾病或性狀相關(guān)的位點，然后在獨立的人群中進(jìn)行驗證，最終確定關(guān)鍵性的 SNP 位點[5]。截至2018年，中國、韓國、歐洲通過GWAS共確定了如下與PCOS 具有顯著關(guān)聯(lián)的易感基因及SNP位點：DENND1A(rs2479106)，INSR(rs2059807)，YAP1(rs1894116、rs11225154)，C9orf3(rs4385527)，RAB5B/SUOX(rs705702)，HMGA2(rs2272046)，TOX3(rs4784165)，SUMO1P1/ZNF217(rs6022786)，THADA(rs13429458)，F(xiàn)SHR(rs2268361、rs2349415)，LHCGR/GTF2A1L(rs13405728)，GATA4/NEIL2(rs804279)，ERBB4(rs1351592)，KCNA4/FSHB(rs11031006)，RAD50(rs13164856)，KRR1(rs1275468)，KHDRBS3(rs10505648)，PLGRKT(rs10739076), ZBTB16(rs1784692 )，MAPRE1(rs853854)。多個基因已在不同區(qū)域的PCOS患者人群中得到了驗證，這些相關(guān)基因與胰島素信號通路、細(xì)胞增殖凋亡、組織器官大小、性激素功能、鈣信號通路和細(xì)胞內(nèi)吞等有關(guān)，為深入研究 PCOS 的發(fā)病機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

1.3 基因路徑分析法 大多數(shù)通過GWAS識別的SNPs缺乏功能相關(guān)性，存在與某種疾病顯著相關(guān)的SNPs可能由于效應(yīng)小而不能被識別的缺陷。基于路徑的基因分析法將GWAS結(jié)果與生物路徑中的基因相結(jié)合，根據(jù)所有基因統(tǒng)計學(xué)意義的大小對所有基因進(jìn)行排序，賦予潛在與疾病相關(guān)的基因更大效應(yīng)，能更好地檢測出可能被遺漏的基因。Shim等[6]采用基因路徑分析法發(fā)現(xiàn)PCOS涉及的10種生物路徑中與排卵和胰島素分泌有關(guān)的途徑，包括卵母細(xì)胞減數(shù)分裂途徑，乙酰膽堿和游離脂肪酸調(diào)節(jié)胰島素分泌途徑等，這些均是與PCOS相關(guān)的重要途徑。此外，INS、GNAQ、STXBP1、PLCB3、PLCB2、SMC3和PLCZ1也是在生物學(xué)途徑中觀察到的重要基因。

2 多囊卵巢綜合征的表觀基因組學(xué)

雖然PCOS的基因組研究確定了許多PCOS的關(guān)鍵易感基因，但用來解釋 PCOS 病因和臨床表現(xiàn)的復(fù)雜性仍十分困難，大量證據(jù)說明環(huán)境因素和遺傳因素對 PCOS 病因的影響，因此表觀遺傳學(xué)在 PCOS 發(fā)生發(fā)展中的作用日益受到重視。表觀遺傳(epigenetic)是指基于所研究基因的核苷酸序列沒有改變，其所對應(yīng)序列的修飾發(fā)生改變所致基因表達(dá)水平的變化，主要包括 DNA 甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA(non-coding RNA,ncRNA)的改變。

2.1 多囊卵巢綜合征的DNA甲基化 DNA 甲基化被稱為酶促反應(yīng)，是在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferase,DNMT) 的作用下胞嘧啶嘧啶環(huán) 5’位置的碳上添加甲基，然后在鳥嘌呤上添加 CpG 二核苷酸的過程。 DNA 甲基化的改變可能促進(jìn)了涉及炎性反應(yīng)，激素合成的信號傳導(dǎo)，以及葡萄糖和脂質(zhì)代謝基因的失調(diào)，對疾病的發(fā)病機(jī)制造成影響。

2.1.1 外周血及臍帶血DNA甲基化：PCOS患者全血中存在大量差異甲基化的基因組位點，這些位點及其豐富的功能途徑與不同的臨床特征(催乳素、雌二醇、孕酮和月經(jīng)周期)顯著相關(guān)[7]。Lambertini等[8]通過檢測臍帶血的DNA甲基化水平及表達(dá)情況來探討雄激素水平正常的PCOS患者宮內(nèi)環(huán)境是否會影響人類胎兒表觀遺傳基因。結(jié)果發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)激素分泌的雌激素受體α基因，控制線粒體活動的APP和PARK2基因，參與葡萄糖代謝的INS基因均發(fā)生不同程度的甲基化。說明DNA甲基化參加了PCOS糖毒性和全身性炎性反應(yīng)狀態(tài)的誘導(dǎo)。

2.1.2 卵巢DNA甲基化：Sagvekar等[9]對PCOS患者卵丘GC進(jìn)行DNA甲基組譜分析，發(fā)現(xiàn)PCOS中共有6 486個CpG位點存在不同程度的甲基化，涉及3 840個介導(dǎo)炎性反應(yīng)的相關(guān)基因。它們主要與高雄激素血癥、黃體減少和卵母細(xì)胞發(fā)育缺陷有關(guān)。然而也有學(xué)者觀察到卵丘顆粒細(xì)胞(CGCs)僅存在單一CpG位點(CpG-4)持續(xù)的低甲基化[10]，CpG-4的低甲基化與PCOS的易感性密切相關(guān)。Jiang等[11]觀察到GC中YAP1啟動子的低甲基化促進(jìn)了PCOS易感基因YAP1的表達(dá)。Pan等[12]發(fā)現(xiàn)PCOS患者GC中與脂質(zhì)和類固醇合成相關(guān)的幾個基因啟動子呈低甲基化，這可能部分解釋了PCOS高雄激素血癥的機(jī)制。

2.1.3 子宮內(nèi)膜DNA甲基化：我國研究者對80例PCOS患者按是否合并胰島素抵抗分為IR-PCOS和NIR-PCOS組，每組各40例，比較2組患者子宮內(nèi)膜組織胰島素受體INSR基因甲基化水平和在DNA甲基化過程中具有重要作用的DNMT表達(dá)水平[13]。結(jié)果2組均未檢出INSR基因完全甲基化患者，但I(xiàn)R-PCOS組部分甲基化檢出率高于NIR-PCOS組。IR-PCOS組 DNMT3b表達(dá)水平顯著高于NIR-PCOS組。DNMT3b主要作用是催化DNA甲基化新生位點，在腫瘤異常甲基化的發(fā)病機(jī)制中起到重要作用。這一結(jié)果說明PCOS屬于表觀遺傳學(xué)疾病，且合并IR的PCOS患者是子宮內(nèi)膜癌的高發(fā)人群[13]。

2.1.4 骨骼肌組織DNA甲基化：Nilsson等[14]對17例PCOS女性和14例對照組女性的骨骼肌組織進(jìn)行DNA分析，結(jié)果顯示對骨骼肌功能和代謝中有影響的基因(如 MAP2K6 和COL1A1)表達(dá)差異最大且與 DNA 甲基化有關(guān)。雄激素可下調(diào) COL1A1 和MAP2K6 的表達(dá)水平，其中COL1A1的表達(dá)與脂肪細(xì)胞大小、C肽水平和HOMA-IR指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。

2.1.5 脂肪組織DNA甲基化：Kokosar等[15]發(fā)現(xiàn)PCOS女性皮下脂肪組織中的全基因組 mRNA 表達(dá)發(fā)生了改變，并且?guī)讉€基因與IR、脂肪細(xì)胞大小和高雄激素血癥相關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn) mRNA 表達(dá)的下降與 DNA 甲基化的增加平行，表明 DNA 甲基化會降低轉(zhuǎn)錄活性。Jones等[16]觀察到PCOS脂肪組織LHCGR基因位點的甲基化減少，INSR基因位點的甲基化增加，說明DNA甲基化對代謝有影響。而低頻電刺激針灸可改變 PCOS 婦女脂肪組織的表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄水平，可促進(jìn)PCOS婦女代謝功能障礙的恢復(fù)[17]。

2.1.6 下丘腦DNA甲基化：有研究發(fā)現(xiàn)PCOS大鼠的DNA甲基化水平和DNMTs表達(dá)均增加，低頻電針刺激可降低PCOS大鼠DNA甲基化水平和DNMT3b的表達(dá)[18]。提示下丘腦DNA甲基化可能與PCOS的發(fā)生發(fā)展有關(guān)，電針對PCOS大鼠下丘腦DNA甲基化有影響。

2.2 多囊卵巢綜合征的組蛋白修飾 組蛋白修飾與DNA甲基化存在內(nèi)在聯(lián)系。涉及PCOS的組蛋白修飾多為組蛋白甲基化和乙酰化。Guo等[19]發(fā)現(xiàn)PCOS綿羊(產(chǎn)前經(jīng)睪酮處理)的卵泡膜中組蛋白H3 Lys4位點(H3K4)二甲基化增加，GC中H3K9三甲基化增加，Eini等[20]在用脫氫睪酮處理的PCOS小鼠卵母細(xì)胞中H3K9的甲基化和二甲基化顯著減少，這與H4K12乙?；脑黾佑嘘P(guān)，最終可能影響PCOS卵母細(xì)胞的成熟。雖然國內(nèi)外報道的研究結(jié)果有限，但可以證明組蛋白修飾參與PCOS的卵巢功能障礙。

2.3 多囊卵巢綜合征非編碼RNA(ncRNA)變化

2.3.1 長鏈非編碼RNA(lncRNA)：lncRNA是一類長度超過200個核苷酸的不編碼蛋白質(zhì)的RNA。有臨床研究證據(jù)表明，lncRNA參與了PCOS的發(fā)生發(fā)展。在PCOS中高表達(dá)的lncRNA有l(wèi)ncRNA H19、BANCR、CTBP1-AS、lncRNA CD36-005、lncRNA甾體激素受體RNA激活物，低表達(dá)的有生長特異抑制物5、端粒RNA等。

2.3.2 微小RNA(microRNA,miRNA)：miRNA是內(nèi)源產(chǎn)生的短鏈ncRNA，由21～25個核苷酸組成，廣泛存在于不同的組織環(huán)境中。miRNA 的異常表達(dá)與多種疾病有關(guān)，包括糖尿病、子宮內(nèi)膜異位癥和癌癥等。在生物醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)應(yīng)用中，miRNA 可能被用作一類新的生物標(biāo)志物或治療靶標(biāo)。近期報道PCOS女性的卵巢、血清中均能檢測到miRNA的異常表達(dá)，主要包括miR-324-3p、miR-204、miR-92a、miR-92b、miR-145、miR-182、miR-601、miR-93、miR-21、miR-320、miR-23a、miR-320、miR-130b-3p等，miRNA的異常表達(dá)對PCOS 的發(fā)生和發(fā)展至關(guān)重要。

2.3.3 lncRNA-miRNA-基因網(wǎng)絡(luò)：PWRN2是一種ncRNA，與PCOS患者卵母細(xì)胞核成熟有關(guān)。最近研究發(fā)現(xiàn)，PWRN2與miR-92b-3p 和TMEM120B基因存在關(guān)聯(lián)。TMEM120B 是一種脂肪特異性核被膜跨膜蛋白，可能在脂肪生成中起重要作用。在 PCOS 中，上調(diào)的 TMEM120B 將促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化/代謝并誘導(dǎo)肥胖。研究表明，嚴(yán)重肥胖與受精卵母細(xì)胞中紡錘體異常有關(guān)[21]。TMEM120B基因被證明是miR-92b-3p的靶基因。PWRN2 可以通過競爭性地結(jié)合miR-92b-3p，減少 miR-92b-3p 與 TMEM120B 基因結(jié)合靶點的可用性以調(diào)節(jié)基因TMEM120B表達(dá)，最終引起 PCOS卵母細(xì)胞發(fā)育的代謝異常。

3 多囊卵巢綜合征的微生物組學(xué)

腸道微生物區(qū)系通過影響生理、新陳代謝、營養(yǎng)和免疫功能在人體中發(fā)揮重要作用。PCOS婦女腸道微生物群落的總體細(xì)菌物種豐富度(α多樣性)顯著降低，細(xì)菌類群的豐度也發(fā)生了變化[22]。合并IR的PCOS患者腸道微生物失調(diào)更明顯。Zeng等[23]采用16S rRNA基因測序比較NIR-PCOS和IR-PCOS患者腸道微生物組成，發(fā)現(xiàn)IR-PCOS中類桿菌科最多，普氏桿菌科顯著減少。胰島素抵抗、性激素和炎性反應(yīng)等臨床參數(shù)水平的升高與類桿菌科的豐度呈正相關(guān)，而與普氏桿菌科的豐度呈負(fù)相關(guān)，由此提示腸道菌群失調(diào)的差異應(yīng)在PCOS患者的臨床治療和未來的藥物開發(fā)中加以考慮。PCOS腸道菌群的改變與雄激素過多有關(guān)[22]。PCOS母體內(nèi)雄激素過多會影響子代的腸道微生物群，雄激素過多與腸道微生物組多樣性之間存在顯著相關(guān)性 ，而性激素的改變也可能通過調(diào)節(jié)腸道屏障的完整性而間接改變免疫反應(yīng)。腸屏障完整性的降低與革蘭陰性細(xì)菌滲透進(jìn)入循環(huán)及脂多糖(LPS)激活外周炎性反應(yīng)有關(guān)。與健康女性相比，患有 PCOS 的女性血清中腸屏障功能障礙的標(biāo)志物zonulin和 LPS 結(jié)合蛋白的水平均有增加。然而腸道微生物群與PCOS相互作用的機(jī)制仍不清楚?？紤]到性激素對PCOS腸道菌群的影響，未來應(yīng)研究雄激素正常的PCOS患者腸道微生物組的組成和功能變化，開展基因組學(xué)和代謝組學(xué)研究，以確認(rèn)性激素與腸道微生物組的關(guān)系，明確是否可以通過操縱腸道微生物組來治療 PCOS，并確定潛在候選藥物。

4 總結(jié)與展望

PCOS是目前嚴(yán)重困擾全世界女性的生殖內(nèi)分泌代謝疾病，為了更好地解釋PCOS的發(fā)病機(jī)制，篩選出與疾病相關(guān)的重要基因，然而不能完全解釋這些基因的功能，且基因篩選方法仍有無法避免的局限性，從基因組層面上探求疾病病因困難重重。表觀遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了PCOS不同細(xì)胞組織存在DNA甲基化、組蛋白修飾特征及大量非編碼RNA數(shù)量上的改變，并與PCOS高雄激素血癥及胰島素抵抗密切相關(guān)，有助于進(jìn)一步理解PCOS的發(fā)病機(jī)理。PCOS的微生物組學(xué)是一個嶄新的領(lǐng)域，它是人類基因組計劃的延伸，微生物菌群攜帶的龐大的基因構(gòu)成人體內(nèi)第二個基因組，它與人類遺傳而來的基因組相互協(xié)調(diào)，保證人類健康。因此調(diào)節(jié)PCOS患者的微生物菌群對于疾病的治療也相當(dāng)重要。