下頜前突畸形遺傳學研究進展

熊雪妍,馬嘉磊,陸嘉玲,夏潤芃,徐余波

(同濟大學附屬東方醫(yī)院口腔科,上海 200120)

下頜前突(Mandibular prognathism,MP)是一種口腔正畸領域常見的復雜頜面部發(fā)育畸形,以下頜骨過度發(fā)育為特征,可伴或不伴上頜發(fā)育不足,涉及骨骼、肌肉、牙齒結構及功能不調(diào);主要表現(xiàn)為面部側貌凹陷,前牙反牙合,磨牙近中關系等臨床特征。該病在全球發(fā)病率有明顯的地域差異,在日本、韓國和中國等蒙古人種中高達10%～23%;且大規(guī)模流行病學調(diào)查結果顯示,MP的患病率和畸形嚴重程度隨年齡增長而增加[1]。這種畸形一方面損害患者口頜系統(tǒng)咀嚼、發(fā)音等生理功能,引起咀嚼肌功能失調(diào)和顳下頜關節(jié)功能紊亂,造成吞咽異常,嚴重降低患者生存質(zhì)量;另一方影響患者顏面美觀,對其社會生活、就業(yè)選擇和戀愛婚姻造成負面影響,帶來不可修復的精神心理創(chuàng)傷[2]。

MP病因較為復雜,大量研究表明MP是由遺傳和環(huán)境相互作用引起的多基因復雜疾病,可能存在一個及以上主效基因[3]。影響MP患病的環(huán)境因素包括替牙期障礙、不良口腔習慣、唇腭裂、呼吸道疾病、全身因素等。隨著人類基因組計劃的完成和后基因組計劃的開展,人們對于基因組變異和疾病之間關系的了解逐漸深入[4-5]。遺傳因素在MP的發(fā)生、發(fā)展及預后中的作用越來越受到重視。得益于遺傳學檢測平臺和分析手段的飛速發(fā)展,一些與MP發(fā)生相關的基因和位點也陸續(xù)被提出。本文將圍繞家系連鎖分析、病例對照關聯(lián)研究、microRNA與MP 相關研究以及MP相關的遺傳綜合幾個方面,對MP的遺傳學病因研究進展作一綜述。

1 家系連鎖分析

顱面骨生長發(fā)育遵循多基因模式,其表型是基因和環(huán)境共同作用的結果。遺傳度越大的性狀從親代傳遞給子代的能力越強,一般遺傳度在60%以上即可認為遺傳較環(huán)境因素更為重要。MP在中國、日本等蒙古人種中遺傳度高達70%至90%,是基因連鎖分析的有利基礎[6]。家系連鎖分析的理論基礎是疾病家系中的致病基因或者染色體區(qū)域與疾病表型共分離。染色體上相鄰基因座位的等位基因由于連鎖會在遺傳過程中同時傳遞,因此可通過遺傳標記如微衛(wèi)星序列或者單核苷酸多態(tài)性位點(Single nucleotide polymorphism,SNP)實現(xiàn)致病變異的定位。

YAMAGUCHI等[7]學者首次使用家系連鎖分析策略對日本和韓國地區(qū)的MP家系患病同胞對進行微衛(wèi)星標記的全基因組掃描和非參數(shù)連鎖分析,發(fā)現(xiàn)3個與MP相關的染色體座位 1p36、6q25和19p13.2;并根據(jù)該區(qū)段內(nèi)基因的功能推測1p36上的 ALPL、HSPG2和 MATN1為可疑致病基因:其中 ALPL 與骨形成相關,HSPG2 與軟骨發(fā)育相關,MATN1 編碼的軟骨基質(zhì)蛋白-1在軟骨生長過程中特異性表達。國內(nèi)最早由LI等[8-9]對漢族MP患者家系進行了資料收集和連鎖分析,發(fā)現(xiàn)了新的MP相關染色體座位14q24.3-14q31.2和4p16.1,推測TGFB3、LTBP2和EVC、EVC2為易感基因。CRUZ等[10]驗證了巴西地區(qū)家系MP患者的6個候選微衛(wèi)星標記(D1S234、D4S3038,D6S1689、 D7S503、D10S1483和D19S566),顯示僅D4S3038與MP顯著關聯(lián);該研究印證了MP的遺傳機制具有異質(zhì)性和種族差異。

早期對MP遺傳因素的探索一般定位至疾病相關的連鎖區(qū)段,隨著新一代測序技術的興起,研究者對于MP遺傳結構的描繪日漸細致。NIKOPENSIUS等[11]對一個愛沙尼亞骨性Ⅲ類錯頜畸形家系的3個患病成員和1個對照同胞對進行全外顯子組測序(Whole-exome sequencing,WES),鑒定出DUSP基因c.545C>T錯義突變?yōu)镸P可致病位點。GUAN等[12]學檢測到ADAMTS1基因上c.742I>T突變在一個漢族MP家系中與表型共分離;并在散發(fā)患者中驗證到230例MP患者中有3例攜帶該突變,對照組中無此突變,rs2738和rs229038與MP顯著關聯(lián)。KAJII等[13]發(fā)現(xiàn)BEST3基因的罕見非同義突變c.1816C>A為MP的易感位點。

通過基因測序探究MP相關遺傳因素無疑對理解該病的發(fā)生發(fā)展具有重大意義,生物學和功能分析可以進一步加深我們對于遺傳數(shù)據(jù)的理解。CHEN等[1]篩查到FGF23基因上c.35C>A突變在一個漢族MP家系中共分離;第二階段在3位散發(fā)病例中檢出該突變。隨后研究者將該野生型和突變型FGF23基因分別導入293T細胞,觀察到突變導致FGF23蛋白產(chǎn)物累積于細胞內(nèi)、分泌過程受阻,證實此突變可能為MP潛在致病位點之一。該研究首次從功能層面揭示了MP可疑致病突變的生物學作用。KANTAPUTRA等[14]報道ADAMTSL1基因c.176C>A與MP相關,原位雜交顯示ADAMTSL1在胚鼠髁突部位濃縮的間充質(zhì)細胞高表達,而在其他軟骨或長骨處不表達,推斷該基因在MP發(fā)病機制中具有重要作用。最近RAO等[15]學者通過家系連鎖分析檢測出新的MP易感基因位點——ERLEC1基因c.1237C>T,并在90例散發(fā)病例中檢測到ERLEC1基因c.419C>G、c.419C>T和c.1448A>G與骨性Ⅲ類錯頜畸形相關。細胞功能實驗進一步發(fā)現(xiàn)ERLEC1突變增強了ERLEC1對前成骨細胞增殖和分化的抑制作用。

2 病例-對照關聯(lián)分析

連鎖分析的研究結果使得我們窺探到部分家系MP患者的遺傳輪廓。由于MP遺傳因素存在個體異質(zhì)性和種族差異,一般人群中的MP遺傳變異譜需要使用關聯(lián)分析的方法來探查。病例-對照關聯(lián)分析的原理是基于群體中病例和對照組等位基因頻率分布存在顯著差異來鑒定疾病或性狀相關的易感基因和位點。目前常用的關聯(lián)分析方法包括候選基因關聯(lián)分析、全基因組關聯(lián)分析(Genome wide association study,GWAS)和基因集關聯(lián)分析等。

2.1 候選基因關聯(lián)分析 候選基因關聯(lián)分析通過檢測目標基因中的標簽SNP或者目標SNP在病例和對照樣本中的等位基因分布頻率,篩選出具有統(tǒng)計學意義的顯著差異位點作為疾病關聯(lián)位點。靶向基因深度測序利用序列捕獲技術將目標基因特定區(qū)域 DNA 捕捉并富集后再進行高通量測序,可以實現(xiàn)多樣本、高通量、低成本的目標序列突變的細致評估,從而可系統(tǒng)探索與疾病相關的“常見弱效”、“少見弱效”及“少見強效”變異,還可能檢測出潛在的“罕見弱效”變異。目標基因的選擇策略包括根據(jù)疾病發(fā)生機制推斷的相關基因、全基因組關聯(lián)分析或家系連鎖分析檢測到的易感基因或位點,以及其他模式生物相關疾病的研究結果等。

XUE等[16]通過病例-對照關聯(lián)研究策略檢測了文獻報道的染色體1p36上103個SNP,發(fā)現(xiàn)EPB41基因上4個SNP與MP顯著相關;擴大樣本驗證階段EPB41基因上共23個SNP,兩階段研究結果均顯示rs4654388與MP患病風險增加顯著相關,單倍型分析顯示GTTCAGGT與MP關聯(lián)。還報道COL2A1基因rs1793953的A等位基因是MP的保護性位點[17]。JANG[18]研究了骨性Ⅲ類手術患者和骨性Ⅰ類對照MATN-1基因上的3個SNP,鑒定rs1065755多態(tài)性與MP患病風險顯著相關,rs20566為保護性位點。DA-FOUNTOURA等[3]在北美地區(qū)骨性Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類錯頜畸形受試者群體中檢測了71個顱頜面骨相關基因上198個SNP,篩選出FGFR2基因rs11200014和COL1A1基因rs2249492與Ⅲ類骨面型風險增加相關,TBX5基因rs1248046降低骨性Ⅲ類風險。

TASSOPOULOU-FISHELL[19]在文獻報道的MP相關染色體座位中鑒定出MYO1H基因rs10850110 的G等位分布頻率在病例和對照組中存在顯著差異。MYO1H編碼Ⅰ型肌球蛋白,在細胞運動、胞吞和囊泡轉(zhuǎn)運過程中具有重要作用。以往的MP遺傳因素分析,研究者們更多地將目光聚焦于顱頜面骨骼的相關基因上,這一研究提示肌肉力量也是頜面部生長發(fā)育的遺傳決定因素之一。而后CRUZ等[20]報道MYO1H (rs10850110 AG)和 FGF10(rs593307 A

生長激素是前垂體腺分泌的一種多肽激素,在調(diào)節(jié)顱頜面復合體生長和發(fā)育過程中具有重要作用。BAYRAM等[22]檢測了GHR基因上P561T and C422F兩個SNP與MP的關系,結果顯示與P561T位點CC比CA等位基因型受試者具有更長的下頜體(Co-Gn)以及更短的面高(ANS-Me),但是這兩個SNP均未發(fā)現(xiàn)與MP相關,推測GHR可能只是MP的候選基因。TOBN-ARROYAVE等[23]學者同樣評估了GHR基因上rs6184、 rs6180多態(tài)性與骨面型的關系,發(fā)現(xiàn)rs6184的CA基因型受試者表現(xiàn)為ANB角度減小和下頜體長增加,該位點A等位基因可能是Ⅲ類骨面型的強效預后指標。

2.2 全基因組關聯(lián)研究 不同于候選基因關聯(lián)研究,全基因關聯(lián)分析針對所有遺傳位點,可以檢測到未知的與疾病相關的基因變異,并且能篩查出復雜疾病中多個相關疾病的影響有關,有利于了解疾病遺傳背景的全貌。IKUNO等[24]學者最先使用微衛(wèi)星標記GWAS篩查MP易感基因,發(fā)現(xiàn)2 個染色體座位1q32.2 (D1S1358i)和1p22.3(D1S0411i)與MP關聯(lián),推測PLXNA2和SSX2IP為候選基因。該研究報道的基因座位1p22.3與FRAZIER-BOWERS等[25]連鎖分析鑒定的1p22.1區(qū)段接近,驗證了以往家系連鎖分析的結果。PERILLO等[26]學者對一個意大利MP家系中5個患病成員進行WES,發(fā)現(xiàn)了5個可疑錯義突變BMP3(c.199T>A),ANXA29(c.872G>A),FLNB(c.1142C>T),HOXA2(c.979G>A)和 ARHGAP21(c.3361G>A)。隨后在多數(shù)家系成員的基因分型檢測中發(fā)現(xiàn)該家系遺傳背景分為兩個分支。ARHGAP突變在較大的這個分支以不完全外顯的常染色體顯性遺傳模式與表型共分離。ARHGAP21具有加強細胞間黏附的作用,在骨形成過程中具有重要作用,可能是MP的易感基因之一。

SAITO等[27]通過GWAS檢測出了6個微衛(wèi)星等位基因頻率在MP病例和對照組中存在差異(D1S0411i、 D1S1358i、D3S0810i、D6S0827i、D7S0133i),推測SSX2IP、PLXNA2、RASA2、TCF21、CALN1以及RORA為可疑致病基因。PLXNA2基因編碼叢狀蛋白A2,是軸突導向因子的協(xié)同受體——叢狀蛋白A家族成員之一。軸突導向因子3A與叢狀蛋白A2在軟骨細胞高表達,二者結合可以介導軟骨細胞生長加速和細胞外基質(zhì)沉淀。甲狀旁腺激素相關肽受體1具有維持軟骨細胞增殖活性和延遲軟骨細胞肥大化的作用。為了研究PLXNA2基因在MP發(fā)生中潛在機制,Takashi等將外源性軸突導向因子3A加入到體外培養(yǎng)的人軟骨細胞系后,抑制了狀旁腺激素相關肽受體1的表達;推測PLXNA2基因可能抑制軸突導向因子3A的功能,從而延遲髁突軟骨細胞的早期生長終止,導致下頜發(fā)育過度。

2.3 基因集關聯(lián)分析 基因集關聯(lián)分析通常選擇疾病或性狀相關的通路基因作為候選基因集合,以整個信號/代謝通路或多個互作候選基因的角度研究疾病或性狀的遺傳易感因素,可以提高關聯(lián)信號強度利于檢測弱效變異,并且有助于揭示復雜疾病背后的生物學過程。XIONG等[28]對MP患者和對照組MP表型進行了主成分降維分析,并通過FGF/FGFR信號通路基因進行靶向測序,報道FGF7基因上SNP rs372127537與代表前面高的主成分1顯著關聯(lián),FGF12罕見變異與MP相關。另一項類似的基因集關聯(lián)分析研究報道Notch信號通路基因6個SNP在MP組和對照組間分布頻率存在差異(NOTCH4 rs41592、rs520688、423023,NOTCH3 rs1044006,JAG1 rs1051415,NUMB rs75236173),JAG1基因rs1051415與代表上下頜骨相對矢狀向位置的主成分顯著相關[29]。

3 microRNA 相關研究

microRNA(miRNA)是一種由22～25個核苷酸組成的非編碼RNA,通過與靶mRNA 結合調(diào)節(jié)其翻譯抑制或降解;在細胞生長、凋亡和死亡、信號轉(zhuǎn)導、轉(zhuǎn)錄等過程中都具有關鍵作用。miRNA參與成骨/軟骨分化過程中基因表達的精細調(diào)控,其表達水平改變也與多種遺傳性骨病密切相關[30]。GU等[31]研究者在混合牙列期、恒牙列早期的MP患者,以及相應對照組中,通過基于微陣列的表達譜分析了四種血清miRNA(let-7i-3p、miR-595、miR-16-2-3p和miR-367-5p)的表達狀況,結果顯示let-7i-3p在MP組顯著高表達,miR-595低表達。多元Logistic回歸分析和受試者工作特征曲線分析顯示,let-7i-3p和miR-595能夠顯著區(qū)分MP受試者和正常對照。Let-7i-3p和miR-595可能是準確早期發(fā)現(xiàn)和診斷MP的潛在非侵入性生物標志物。TIAN等[32]采用miRNA陣列基因芯片檢測了MP患者手術切除的下頜骨和對照組的下頜骨組織的miRNA表達,尋找到了11個上調(diào)和11個下調(diào)的miRNA,共有3569個基因被預測為hsa-miR-10a-5p,hsa-miR-150-5p,hsa-miR-192-5p,hsa-miR-194-5p的靶標。靶基因參與成骨相關生物功能和信號通路。Hsa-miR-30d-5p是miRNA基因網(wǎng)絡的關鍵節(jié)點。

4 遺傳綜合征相關下頜前突

Nance-Horan綜合征是一種NHS基因截斷導致的遺傳病,患者表現(xiàn)為先天性白內(nèi)障、斜視和MP[33]。12號染色體短臂嵌合四體型引起的Pallister-Killian綜合征患者亦具有前額隆起和MP等面部特征[34]。馬凡氏綜合征是一種常染色體顯性遺傳的多系統(tǒng)結締組織疾病,主要由FBN1基因突變所致,少數(shù)由TGFBR1或TGFBR2基因突變引起;口腔頜面部表現(xiàn)包括上顎高弓、MP、牙發(fā)育不全等[35]。痣樣基底細胞癌綜合征(Nevoid basal cell carcinoma syndrome,NBCCS)是一種常染色體顯性遺傳病,可能與PTCH1、PTCH2以及SUFU基因突變有關;部分病例可伴發(fā)頜面部骨骼異常,如MP、額骨和頂骨突出[36]。Simpson-Golabi-Behmel綜合征是一種X染色體連鎖的過度發(fā)育性疾病,由GPC3基因突變引起。頭影測量分析顯示患者具有前顱底增長、上下頜骨體積增大、前面高增加、Ⅲ類骨面型特點[37]。

毛牙骨綜合征(Trichodentoosseous syndrome,TDO)是一種以外胚層衍生結構發(fā)育異常為特征的常染色體顯性遺傳病,頜面部表現(xiàn)包括MP、釉質(zhì)發(fā)育不良、牛牙癥等。LIU等[38]報道DLX3基因雜合變異(c.534G>C)是該病的可疑致病位點。Proteus綜合征是一種由體細胞嵌合突變所致的罕見病,呈散發(fā)趨勢,LINDHURST等在病變組織檢測到了AKT1(c.49G>A)嵌合突變。該病臨床表現(xiàn)多樣、累及多系統(tǒng),引起非典型骨過度生長,包括MP以及顳下頜關節(jié)退行性變等。這些遺傳綜合征相關的MP都較為罕見,發(fā)病機制有待進一步研究。

5 下頜前突遺傳學研究的臨床意義

MP是一種遺傳和環(huán)境因素共同作用引起的頜骨發(fā)育畸形。目前臨床上對MP的治療策略傾向于多階段治療:乳牙期MP患者應盡早解除咬合干擾,誘導上下頜骨正常生長;對于替牙期和恒牙早期MP患者可利用其生長潛力改善上下頜骨發(fā)育和相對位置關系;對于成年MP患者根據(jù)嚴重程度考慮掩飾治療或正畸-正頜聯(lián)合治療。但由于 MP 是一類頜骨發(fā)育性疾病,有大量的生長發(fā)育及轉(zhuǎn)歸難以預測,導致部分患者經(jīng)過長時間多階段治療后下頜骨過度生長仍不能得到有效控制,最終不得不采取正頜外科手術治療,這種狀況給患者帶來巨大的身心痛苦和經(jīng)濟負擔。MP遺傳學研究從分子水平探究其病因和發(fā)病機制,對該病進行早期精確診斷及準確預后判斷,有助于臨床篩選遺傳病因占主導患者,選擇設計更有效的治療方案。

綜上所述,近年來大量MP相關遺傳學研究結果延展了學者對MP病因的認知,也為將來疾病的預防篩查和精準診療提供了線索。