骨形成相關基因及其遺傳性疾病的研究進展

陳馨怡，鄧曄坤，張靖晨

1.蘇州大學口腔醫學系，江蘇蘇州 215006；2.蘇州大學附屬第二醫院骨科，江蘇蘇州 215006

人體的骨骼有多種功能，在起到支撐人體作用的同時，也保護重要臟器并支持人體的運動。骨骼的發育和形成是由干細胞分化、成骨細胞和軟骨細胞增殖等一系列過程逐步形成的，并受到多種基因、轉錄因子和信號通路的調控。然而，在骨的發育和生長過程中，由于遺傳物質的異變，會導致人體骨骼出現一系列病變與異常，即發生遺傳性骨病（Genetic Skeletal Disorders, GSD）。由于任何一個因素的變化都可能致使骨骼發育異常或產生骨骼疾病，所以理清調控骨骼形成和生長的分子機制，對于骨病的預防、診斷和治療具有重要的意義。

1 調控骨形成的重要基因或轉錄因子

骨骼在成骨細胞和破骨細胞的介導下，處于動態的成骨和破骨平衡中。成骨細胞作為骨的功能細胞，合成骨基質并調節其礦化。破骨細胞可以吸收完全礦化的骨，介導骨破壞過程。骨骼損傷后，其重塑和改建對人體骨骼有重要意義。因此，梳理總結影響骨細胞的分化、骨礦化和骨重塑的相關基因和轉錄因子十分關鍵。

1.1 與成骨細胞分化和形成相關的基因

RUNX2（Runt-Related Transcription Factor 2,RUNX2）為RUNT 相關轉錄因子2，是成骨細胞分化最上游的轉錄因子，通過特異性結合DNA 的Runt結構域調控基因的轉錄[1]，在骨形成過程中對間充質干細胞向軟骨細胞和成骨細胞分化起著重要作用。

Osterix 基因即成骨相關轉錄因子，也被稱為Sp7。Sp7 在骨形成中是必需的，在成骨細胞的成熟、分化中起著一系列調控作用。Sp7 作用于RUNX2 的下游，調控I 型膠原、骨鈣蛋白、骨涎蛋白、骨橋素、骨唾液酸蛋白（Bone Sialoprotein, BSP）等表達。Sp7 還上調各種成軟骨因子來促進軟骨細胞的分化。Sp7 與成骨不全和骨質疏松也有顯著關聯，Sp7 基因突變的患者常出現骨折易發生、骨骼畸形、牙齒發育延遲等成骨不全癥的特征[2]。

BMP2（Bone Morphogenetic Protein 2, BMP2）是骨形態發生蛋白，又稱為“成骨素”，是TGF-β 超家族BMP 亞家族的重要成員，在調控骨骼的發育與形成中起著關鍵作用，擁有增強間充質干細胞向軟骨細胞和成骨細胞分化的能力，促進成骨細胞分化成熟。BMP2 還參與骨和軟骨的生長發育及其重建過程，加速骨缺損修復。在骨形成早期，BMP2 可上調其受體的表達，增強骨髓基質細胞的成骨分化，促進骨基質的礦化[3]。

胰島素樣生長因子1（Insulin-like Growth Factors-1, IGF1）是促進骨的發育、保持骨正常結構的重要的生長因子，可保持骨的正常合成代謝，增強骨密度，促進成骨細胞的增殖、分化以及基質形成，同時增強骨髓基質細胞內堿性磷酸酶的活性，上調骨鈣素分泌和骨膠原合成[4]。IGF1 還有助于軟骨生長，促進軟骨細胞增殖，合成軟骨基質。

BMAL1 基因是調控人體晝夜節律的生物鐘基因的重要成員，對胚胎時期和出生后發育有至關重要的作用。BMAL1 也參與調節軟骨細胞、成骨細胞和破骨細胞分化。BMAL1 調控骨的形成機制與多種基因和信號通路有關，例如通過調控RUNX2 以間接地調節骨細胞分化[5]。

SOX9[SRY（性別決定區Y）9]在性別調控方面起關鍵作用，同時也在軟骨發育和軟骨內成骨上起重要的調控作用[6]。SOX9 可以激活Col2α1、SOX5或SOX6 的表達，這對軟骨的分化起到一定作用。SOX9 可通過對RUNX2 進行負調控以抑制軟骨細胞的成骨進程。

激活轉錄因子4（Activating Transcription Factor 4, ATF4）在成骨細胞表達、分化和功能中具有不可或缺的價值。ATF4 缺乏可延緩發育期間的骨形成。ATF4 突變還可導致Coffin-Lowry 綜合征和I 型神經纖維瘤病的骨量減少[7]。ATF4 缺失的成骨細胞中，BSP 和骨鈣素表達也存在明顯降低。

1.2 調控骨礦化相關的基因

BSP 是細胞外基質中的一種陰離子磷蛋白，在礦化組織中高度表達，成骨細胞、破骨細胞以及其他骨相關細胞中都可分泌BSP。因此，BSP 基因表達的調控不僅影響各種骨相關細胞的分化，也與骨基質的礦化密切相關。當成骨細胞中BSP 缺失，成骨細胞功能減退，骨密度降低，骨礦化減少，骨修復出現延遲，還可導致骨質疏松。此外，血清BSP 濃度可反映破骨細胞活性和骨吸收過程。如果血清BSP 水平明顯升高，需要警惕一些骨代謝性疾病的發生，如多發性骨髓瘤、無癥狀或良性的甲狀旁腺機能亢進癥、Paget 病等[8]。

LIM 礦化蛋白-1（LIM Mineralization Protein-1,LMP-1）一般在骨骼中表達，能夠促進骨骼的礦化，在成骨細胞分化中也起著正調節作用，還有助于成骨細胞骨鈣素的分泌，形成骨結節[9]。

RNA 腺苷脫氨酶1（Adenosine Deaminase Acting on RNA, ADAR1）的功能為維持骨形成和骨吸收的平衡以控制骨量的適當與正常。ADAR1 功能受損主要抑制成骨細胞的分化，但不影響破骨細胞的形成，所以其導致的骨量減少原因主要成骨細胞的功能損害。

尼爾樣-1 型分子（Nel-Like Molecule-1,NELL1）是一種分泌蛋白，其在骨骼發育中的作用主要有誘導骨和軟骨再生、促進骨細胞分化和骨形成。NELL1 基因的缺失和過表達均會引起骨骼發育和形成的異常。NELL1 也參與牙齒形成和礦化，包括促進成釉細胞和成牙本質細胞分化、細胞外基質和磨牙牙冠釉質礦化以及牙根形成[10]。

1.3 調控骨損傷修復的基因

骨折指由于機械力和骨骼疾病等因素所致的骨的連續性和完整性中斷，在破壞骨骼正常結構的同時，也可使骨內的血管等組織發生損傷。在骨骼損傷后愈合過程中，血管破壞后可創造局部缺氧環境，此時，缺氧誘導因子1（Hypoxia Inducible Factor 1, HIF1）可以被激活。HIF1 調節細胞對缺氧發生的反應，具有促進骨骼愈合、血管生成的功能。HIF1 主要在骨損傷后的血管形成中發揮作用，促進骨損傷后愈合。

降鈣素相關肽基因（Calcitonin Gene Related Peptide, CGRP）主要分布于中樞神經和外周神經。在骨組織損傷后愈合過程中，骨膜和骨組織中的神經纖維CGRP 表達增加，調節骨的代謝[11]。骨折修復時，隨著血液中CGRP 濃度增加，表達CGRP 的神經纖維數量也增加，逐漸出現新生纖維和分支，骨折2 周后的骨痂從纖維性和軟骨性向骨性轉變。總之，CGRP 基因促進細胞的成骨分化，抑制骨的吸收，對于骨折后修復具有積極意義。

C 型利鈉肽（C-type Natriuretic Peptide, CNP）是來自尿鈉肽家族的多肽類物質，主要由血管內皮細胞分泌產生，可作用于血管使血管擴張。它不僅在大腦、心臟和腎臟等組織中均有表達并發揮功能，還能促進軟骨內成骨和骨折修復。

2 常見骨形成相關的遺傳性疾病

2.1 軟骨發育異常

軟骨發育不全（Achondroplasia, ACH）是一種常染色體顯性遺傳病，也是最常見的遺傳性骨病之一。患者的臨床癥狀為骨發育不良引起不勻稱的身材矮小，四肢畸形，與軀干比例失衡。頭面部也呈異常改變，如出現前額突出、面中部發育不良、鼻塌和鼻前傾等畸形變化。該病患者的肌肉和關節也有不同程度的異常改變，如出現四肢長骨縮短、肘關節活動受限、髖關節異常活動、膝內翻等，嬰兒期表現為運動發育遲緩、肌張力不足。除了骨骼相關的癥狀外，患者還會出現其他并發癥，例如錯頜畸形、肥胖、心血管問題、低氧血癥、聽力受損和壽命減少等[12]。

研究發現，ACH 的主要致病基因為成纖維細胞生長因子受體3（Fibroblast Growth Factor Receptor 3,FGFR3）[13]。FGFR3 編碼成纖維生長因子受體3，當基因發生各種錯義突變時，編碼蛋白功能缺失，已經報道的致病性突變包括c.1138G＞A，導致p.Gly380Arg；c.1138G＞C，導致p.Gly380Arg，均為第380 個氨基酸的錯義突變，其中絕大多數患者表現為p.Gly380Arg 突變[13]。同時，軟骨發育低下與軟骨發育不全相似，也與FGFR3 基因突變相關，突變類型為c.1620C＞A 或c.1620C＞G，導致第540 個氨基酸錯義突變（p.Asn540Lys）。其臨床癥狀的嚴重程度比軟骨發育不全輕，如顱面骨異常更加少見，四肢、手指畸形的程度也相對較輕[14]。

2.2 成骨不全

成骨不全癥（Osteogenesis Imperfecta, OI）為一種結締組織病，對骨骼的影響主要表現為出現骨密度低、骨骼畸形、骨骼脆性增加和易骨折等現象，因此也稱為脆骨病。OI 最初被分為4 種類型，目前則被分為15 種，其臨床表現復雜，異質性顯著，其中Ⅱ型最嚴重，甚至可致死；Ⅰ型最輕，在身體形態上無明顯異樣[15]。

大多OI 為常染色體顯性遺傳，也有部分為常染色體隱性遺傳或X 染色體連鎖的遺傳。有報道稱IFITM5 基因的5’非翻譯區c.-14C＞T 雜合突變也可導致常染色體顯性OI，本基因可影響骨的礦化。此外，常染色體隱性遺傳型OI 較罕見，并與Ⅰ型膠原蛋白合成和翻譯后表達的基因相關。膠原蛋白的伴侶分子基因HSP47、FKBP65 和BiP 突變，以及與成骨細胞特異性轉錄因子SP7 和與陽離子通道相關的TMEM38B[15]突變也可以引發常染色體隱性型OI。X 染色體連鎖的OI 報道較少，PLS-3（Plastin 3）基因突變為此種類型[16]。

2.3 其他骨骼發育不良

除了以上提到的遺傳性骨病，還有很多其他典型的遺傳性骨病，如假性軟骨發育不全（Peseudoachondroplasia, PSACH）。PSACH 是一種常染色體顯性遺傳病，患者有身材矮小、骨骼發育異常等特點。據報道，其致病基因為軟骨寡聚蛋白基因（Cartilage Oligomeric Protein, COMP）[17]。

點狀軟骨發育不良（Chondrodysplasia Punctata,CDP）也稱為先天性點狀軟骨發育不良、先天性鈣化性灌入發育不良等。常出現鼻骨發育不良、點狀鈣化等癥狀，有時還存在身高較矮，病理特征為軟骨的鈣鹽異常沉積。該疾病有多種類型，對應的致病基因也不同。X 染色體隱性遺傳的CDPX1 型由基硫酸酯酶E（Aryl-Sulfatase E, ARSE）基因突變或該基因所在的X染色體短臂缺失或重排造成，主要為錯義突變。X 染色體顯性遺傳的CDPX2 型Emopamil 結合蛋白基因突變所致[18]。

3 展望

骨骼的正常發育和維持對人體健康和正常活動都至關重要，對骨形成調控機制的研究有助于加深對骨形成和骨相關疾病病因的理解，并為骨組織疾病的診斷、治療和預防提供更加有效的方法。此外，結合基因編輯和高通量篩選等技術手段，有利于研究關鍵調控基因和分子，并且在多種技術與方法的幫助下，通過藥物開發、基因編輯治療、干細胞治療等方法實現更多骨相關疾病的治療。目前，針對骨疾病的治療主要包括手術、藥物和生物治療等。許多遺傳性骨病通過外科手術的方式進行治療，從而改善患者病情、提高生活質量。手術治療的手段包括矯正畸形、固定、植入和延長骨骼等，輔以適當的康復訓練，可以有效緩解患者的痛苦。同時，藥物治療也對部分骨病患者有效，如雙膦酸鹽有影響破骨細胞功能的作用，可以抑制骨吸收，因此對OI患者安全有效。基因治療的目的是從根源上治療遺傳性骨病，消除缺陷基因及其表達產物對機體的不良影響，但基因治療還有許多安全問題需要考慮和解決。這些治療方法應結合患者的具體情況和疾病特點來選擇，從而進行個體化治療，力求達到最佳的治療效果。骨組織生物學和骨疾病治療的實際應用也十分重要，包括使用新的治療方法和技術，針對不同患者的不同病情實現個體化治療。