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【述評】兒童矮身材遺傳學(xué)診斷與研究的挑戰(zhàn)和機(jī)遇


時(shí)間: 2022/9/30 10:02:04 瀏覽量:889 字號(hào)選擇: 分享到:

線性生長發(fā)生于胚胎期到青春期至成人早期,受遺傳、內(nèi)分泌、營養(yǎng)、疾病以及環(huán)境等多因素的影響。下丘腦垂體-生長激素-胰島素樣生長因子(insulin like growth factor,IGF)-1軸以及生長板是調(diào)控生長的重要因素。胚胎發(fā)育過程中下丘腦垂體發(fā)育相關(guān)的基因變異通常會(huì)導(dǎo)致多種垂體激素缺乏,下丘腦-垂體信號(hào)異常可影響生長激素的合成和釋放,靶組織受體缺陷可致生長激素、IGF-1功能異常,均引起身材矮小[1,2,3,4,5]。在內(nèi)分泌和旁分泌因子的影響下,生長板參與軟骨細(xì)胞增殖、肥大和分泌軟骨細(xì)胞外基質(zhì)過程的基因異常也與身材矮小相關(guān),但大多伴有骨骼發(fā)育不良[1,2,3,4,5]。隨著遺傳學(xué)新技術(shù)的廣泛臨床應(yīng)用,越來越多的矮身材患兒得到了明確的病因診斷,提高了臨床醫(yī)師對疾病的認(rèn)識(shí)和診斷水平。而對矮身材患兒復(fù)雜的遺傳檢測結(jié)果的解析與鑒定,臨床表型和基因型的多樣性及復(fù)雜性分析方面,仍面臨諸多問題和挑戰(zhàn)。

一、矮身材相關(guān)基因的研究進(jìn)展

(一)下丘腦-垂體發(fā)育相關(guān)基因

在胚胎發(fā)育過程中,多種轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控下丘腦垂體的正常發(fā)育。如早期轉(zhuǎn)錄因子HESX1、SOX2、SOX3、LHX3、LHX4、PTX1、PTX2基因以及晚期轉(zhuǎn)錄因子PROP1、POU1F1基因等。這些轉(zhuǎn)錄因子的異常,除可導(dǎo)致生長障礙、其他垂體激素缺乏通常還伴有相關(guān)發(fā)育異常,如視中隔發(fā)育不良和(或)眼部缺陷(HESX1、OTX2、SOX2、SOX3基因)、骨骼缺陷(LHX3、PITX2基因)、智力缺陷(SOX3和SOX2基因)等[5]。PROP1、POU1F1、HESX1基因異常相對常見,其中PROP1基因缺陷占6.7%~11.6%[4]。近年來還發(fā)現(xiàn)GLI2、FGF8、FGFR1、PROKR2、PROK2、ARNT2和IGSF1等基因與下丘腦垂體發(fā)育相關(guān),患兒可出現(xiàn)身材矮小、多種垂體激素缺乏、垂體發(fā)育不良等。GLI2基因變異的患兒易出現(xiàn)多指畸形,腭裂等面中部發(fā)育不良;IGSF1基因變異的男性患者還可出現(xiàn)巨睪癥[2]。因此,矮身材患兒若同時(shí)伴有多垂體激素缺乏,應(yīng)注意下丘腦、垂體發(fā)育相關(guān)基因的檢測和重點(diǎn)分析。
(二)與生長激素-IGF-1軸相關(guān)的基因
生長激素和IGF-1是縱向生長的重要調(diào)節(jié)因子。迄今已證實(shí)了40余個(gè)可影響生長激素分泌、IGF-1生物利用度和作用的基因缺陷與生長障礙相關(guān)[2]。這些基因缺陷可導(dǎo)致生長激素缺乏癥、生長激素不敏感、IGF不敏感等,甚至在特發(fā)性矮身材(idiopathic short stature,ISS)及小于胎齡兒(small for gestational age,SGA)中也可檢測到相應(yīng)的基因變異。
1. GH1基因:GH1基因缺陷可導(dǎo)致單純性生長激素缺乏癥,患兒的典型表現(xiàn)為勻稱性身材矮小、生長速率降低,生長激素及IGF-1水平低[1]。但也有研究顯示GH1雜合或純合變異與生長激素生物失活有關(guān),患兒可出現(xiàn)單純性生長激素缺乏癥類似的表型,但生長激素水平正?;蛏?,表現(xiàn)為部分生長激素不敏感[3]。甚至也有研究發(fā)現(xiàn)GH1基因啟動(dòng)子的雜合變異與ISS相關(guān)[1]
2. GHSR基因:GHSR是編碼Ghrelin受體的基因。GHSR基因變異可致ISS、生長激素缺乏癥、體質(zhì)性生長和青春期發(fā)育延遲,但其嚴(yán)重程度和外顯率各有不同,甚至在同一家族中可出現(xiàn)兩種不同的表型[1]。臨床表現(xiàn)的異質(zhì)性可能是基因缺陷導(dǎo)致的蛋白改變,進(jìn)而影響了與Ghrelin的親和力和受體的固有活性[1]
3. GHR基因:GHR基因純合或復(fù)合雜合變異可致完全性生長激素不敏感,如Laron綜合征,表現(xiàn)為顯著矮小、生長激素水平升高或正常、IGF-1及IGF結(jié)合蛋白3(binding protein 3,BP-3)水平較低。但GHR基因雜合變異也可致不同程度生長激素不敏感,從GHR基因活性完全喪失到輕度受損,引起不同程度的臨床表型,表現(xiàn)為部分生長激素不敏感或因僅有輕度生長激素不敏感的表型,而被歸類于ISS[2]。在ISS隊(duì)列研究中發(fā)現(xiàn)GHR基因雜合變異的頻率為5.0%~15.5%[1]。
4. IGF1、IGF1R基因:IGF1基因是胎兒宮內(nèi)及生后生長發(fā)育的重要生長因子。IGF1基因缺失或純合功能喪失基因變異可致嚴(yán)重的宮內(nèi)及生后生長障礙、小頭畸形、智力發(fā)育障礙等,患兒IGF-1水平顯著降低,生長激素水平正?;蛏?。與非攜帶者相比,IGF1基因雜合變異的患兒也可出現(xiàn)明顯矮小和小頭圍,但存在表型差異[1,2,3]。IGF1R基因雜合變異或缺失,可導(dǎo)致IGF-1不敏感綜合征,患兒表現(xiàn)與IGF1基因變異患兒的表型相似,但I(xiàn)GF-1水平正常或升高[3,6]。也有研究發(fā)現(xiàn)3%的SGA患兒可檢測到IGFR缺陷[3]
5. IGF2基因:IGF-2是重要的宮內(nèi)生長發(fā)育因子,但近期研究發(fā)現(xiàn)IGF-2對生后的生長也非常重要。父源IGF2基因變異致基因表達(dá)不足時(shí),患兒可出現(xiàn)生長受限[3]。如Silver-Russell綜合征(Silver-Russell Syndrome,SRS)中,約60%的病例是由于11p15.5的印記區(qū)域父源性H19/IGF2 IG-DMR低甲基化,使父源性IGF-2表達(dá)減少所致[2]。Begemann等[7]在一家族中發(fā)現(xiàn)4例有SRS表型的個(gè)體,但未檢測到公認(rèn)的幾種已知SRS缺陷,通過外顯子分析發(fā)現(xiàn)4例患者均有遺傳自父親的IGF2基因無義變異。已發(fā)現(xiàn)IGF2基因的1種錯(cuò)義變異和6種失功能變異與矮小相關(guān)[2,7,8]。
6. STAT5B基因:STAT5B基因編碼GHR激活下游細(xì)胞內(nèi)信號(hào)途徑的主要蛋白。STAT5B基因純合失活變異,可導(dǎo)致典型的生長激素不敏感,患兒顯著矮小,并伴有免疫缺陷[1,2]。STAT5B基因雜合變異可導(dǎo)致身高輕度降低。攜帶變異的個(gè)體身高比無變異的家族成員矮,可能與部分單倍劑量不足有關(guān)[2,3]。
7. 三聚體缺陷(IGFALS和PAPPA2基因):大部分IGF-1在血循環(huán)中與IGFBP-3和酸不穩(wěn)定亞基結(jié)合形成三聚體復(fù)合物,該復(fù)合物可延長血清IGF-1的半衰期和降低其在組織水平的生物利用度[1,2]。IGFALS雙等位基因功能喪失變異可導(dǎo)致患兒出現(xiàn)輕度矮身材伴性發(fā)育遲緩,IGF-1、IGFBP-3水平升高[1]。ALS基因雜合變異可導(dǎo)致身高降低,部分患兒可能被診斷為ISS,并可伴有胰島素抵抗、骨質(zhì)疏松[3]。PAPPA2基因純合或復(fù)合雜合變異可致矮身材,IGF-1和IGFBP-3明顯升高(但游離IGF-1水平低),骨齡與實(shí)際年齡相稱[9]。

在生長激素-IGF-1軸作用的過程中任一基因缺陷均可導(dǎo)致身材矮小。而且同一臨床特征可由不同的基因缺陷所致,如生長激素不敏感與GHR、STAT5B、GH1等基因均有關(guān);IGF-1不敏感與IGF1R、ALS、PAPPA2等基因缺陷有關(guān)。同一個(gè)基因的不同變異形式可引起不同的臨床表現(xiàn),如GHR基因缺陷既可導(dǎo)致完全性生長激素不敏感,部分性生長激素不敏感也可導(dǎo)致ISS。另外,在ISS以及SGA患兒中也發(fā)現(xiàn)了生長激素-IGF-1軸的基因異常。上述因素均給矮身材的基因檢測結(jié)果分析帶來困難。

(三)調(diào)節(jié)生長板的基因
軟骨細(xì)胞的增殖、肥大、衰老以及軟骨基質(zhì)合成的過程中,自分泌和旁分泌是主要的調(diào)節(jié)因子。編碼或調(diào)控這些因子的基因、編碼基質(zhì)蛋白和蛋白多糖的基因缺陷以及多種細(xì)胞內(nèi)途徑信號(hào)異常也可致不同形式的矮小和骨骼發(fā)育不良[1,3]
1. SHOX基因:SHOX基因調(diào)節(jié)生長板的具體作用機(jī)制不明。SHOX基因作為轉(zhuǎn)錄激活劑,存在基因-劑量效應(yīng)。SHOX基因純合或復(fù)合雜合變異,可致Langer肢中骨發(fā)育不良[1,3];而雜合變異或缺失則可致多種不同的表型,如輕度骨骼發(fā)育異常、Leri-Weill軟骨生長障礙、ISS[1,3]。6%~22%的ISS可發(fā)現(xiàn)SHOX基因缺陷或調(diào)節(jié)因子異常(缺失、重復(fù)、插入等)[4]
2. NPPC基因:C型利鈉肽(C-natriuretic peptide,CNP)及其受體NPR-B是軟骨內(nèi)成骨的正調(diào)控因子,刺激軟骨細(xì)胞的增殖、分化、軟骨基質(zhì)合成[1]。編碼CNP的基因NPPC與成人身高明顯相關(guān)[3]。在家族性ISS的家系中發(fā)現(xiàn)存在NPPC基因雜合變異,患兒除出現(xiàn)矮身材,還伴有小手[10]。NPR2雙等位基因功能喪失變異可致肢端肢中發(fā)育不全[1]。而雜合變異的表型與SHOX基因單倍劑量不足的患兒相似,可致ISS,但沒有或僅有輕微的骨骼發(fā)育不良特征,一般無馬德隆畸形[1,3,5]。在ISS患兒中NPR2基因雜合變異占0~6%。如果雙親之一有相似的表型,該比例可能更高[11]。
3. ACAN基因:ACAN基因編碼細(xì)胞外基質(zhì)中的重要組成部分蛋白多糖。ACAN基因變異亦存在基因劑量效應(yīng)。ACAN純合變異可致嚴(yán)重骨骼發(fā)育不全(脊椎干骺端發(fā)育不良aggrecan型);而ACAN雜合變異所致骨骼發(fā)育不全稍輕,或僅出現(xiàn)矮身材、骨齡超前,但不伴有明顯影像學(xué)可見的骨骼發(fā)育不良[3]。另外,在20多個(gè)常顯矮身材家族中發(fā)現(xiàn)ACAN基因變異者逾100余例[1]。在SGA、ISS患兒中也證實(shí)存在ACAN基因缺陷[4]。
4. FGFR3基因:FGFR3基因途徑在生長板軟骨生成過程中是一種負(fù)調(diào)節(jié)因子[1,3]。FGFR3基因變異可導(dǎo)致致死性發(fā)育不全、軟骨發(fā)育不全和軟骨發(fā)育不良,臨床表型的不同與變異的位置有關(guān)[1,3,5]。但在勻稱性矮小的家族中也發(fā)現(xiàn)存在FGFR3變異[3]。
5. IHH基因:IHH基因編碼一種關(guān)鍵的軟骨內(nèi)骨化的旁分泌調(diào)節(jié)因子,協(xié)調(diào)軟骨細(xì)胞的增殖與分化[1]。IHH基因純合變異導(dǎo)致肢端骨發(fā)育不良[1]。雜合變異可致短指A1型,表現(xiàn)為中間指、趾骨顯著短小,可與末端指、趾骨融合。有報(bào)道在ISS患兒中3.4%出現(xiàn)IHH雜合變異,現(xiàn)患者的第5中間指骨出現(xiàn)不同程度短小[12]。
調(diào)節(jié)生長板的基因缺陷大多引起非勻稱性矮小和骨骼發(fā)育不良,臨床相對容易識(shí)別。但這些基因的雜合變異也可引起臨床及影像學(xué)不易識(shí)別的骨骼發(fā)育不良,甚至在ISS患兒中,也檢測到這些基因的雜合變異,這進(jìn)一步加大了基因分析的難度。
除上述基因異常外,染色體異常、基因組印記基因異常等也可導(dǎo)致矮身材,如Turner綜合征、Silver-Russell綜合征、Prader-Willi綜合征等。
二、矮身材遺傳學(xué)分析的意義與挑戰(zhàn)
矮小是一種臨床常見的臨床表征,矮身材的診斷過程實(shí)質(zhì)上是確定導(dǎo)致身材矮小病因的過程。盡管身高和生長發(fā)育受多因素影響,但遺傳因素的影響在其中占有較大比重。隨著新型、高通量醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)的廣泛臨床應(yīng)用,越來越多的基因被證實(shí)與矮小相關(guān),越來越多的矮身材兒童通過基因分析明確了矮小的病因。積極探尋矮小的遺傳病因,其意義在于:(1)有助于明確診斷,判斷預(yù)后。在確定患兒致病基因的同時(shí),通過基因變異的具體信息可了解該基因變異容易影響哪些組織器官,從而提示醫(yī)生應(yīng)注意是否存在其他合并癥的可能[3]。(2)有助于確定矮身材患者的治療方案,避免重組人生長激素(recombined human growth hormone,rhGH)的濫用。盡管大多矮身材的患者可采用rhGH治療以改善成人身高,但并非所有矮身材的患者均可或適合應(yīng)用rhGH治療。如生長激素受體(growth hormone receptor,GHR)缺陷者對rhGH治療反應(yīng)差;生長板相關(guān)基因異常導(dǎo)致的矮小,應(yīng)用rhGH治療難以取得較好療效。Bloom綜合征等則禁用rhGH治療。(3)對可以應(yīng)用rhGH治療的患兒,明確基因變異有助于判斷rhGH的治療效應(yīng)。如GH1基因純合缺失患兒用rhGH治療易產(chǎn)生生長激素抗體,導(dǎo)致療效不佳。IGFR缺陷的患兒,rhGH治療后,患兒的IGF-1的水平可明顯升高,但敏感性降低[3]。SHOX基因下游和上游增強(qiáng)子的雜合缺失,可引起與SHOX基因缺陷相似的臨床表型,但攜帶SHOX基因增強(qiáng)子缺失的兒童對rhGH治療的反應(yīng)優(yōu)于攜帶SHOX基因缺陷者。(4)利于新藥開發(fā)和臨床應(yīng)用。CNP及其受體在生長板中的功能是近年生長遺傳學(xué)研究領(lǐng)域的突破,闡明CNP/NPR-B這一途徑在線性生長中的作用,利于對軟骨發(fā)育不全患兒的治療藥物開發(fā)。CNP類似物在軟骨發(fā)育不全小鼠模型中已取得較好療效,針對軟骨發(fā)育不全兒童的臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行中[3,13]。長效CNP類似物還有望作為非綜合征矮小,特別是NPR2或NPPC基因雜合變異患兒的潛在治療[1]。(5)基因診斷還有利于對家系進(jìn)行遺傳咨詢,特別是針對部分同時(shí)嚴(yán)重影響骨骼發(fā)育以及可合并智力發(fā)育障礙的基因異常,可早期實(shí)施家系調(diào)查、攜帶者檢出、產(chǎn)前診斷等,有效實(shí)施優(yōu)生優(yōu)育。(6)通過矮小相關(guān)基因的大數(shù)據(jù)分析可進(jìn)一步了解基因與矮小的關(guān)系、基因型與表型的關(guān)系,總結(jié)分析導(dǎo)致矮小的某種基因檢查指征,利于選擇恰當(dāng)?shù)臋z測方法實(shí)施精準(zhǔn)診斷。如基于當(dāng)前的研究結(jié)果,有學(xué)者推薦宮內(nèi)生長遲緩、小頭畸形、精神運(yùn)動(dòng)發(fā)育遲緩、耳聾者宜考慮是否存在IGF1基因異常;家族性矮身材、SGA,同時(shí)血IGF-1水平升高者應(yīng)警惕IGF-1R缺陷;具有SRS的臨床特征,IGF-2降低,而又未發(fā)現(xiàn)目前已知的SRS遺傳缺陷時(shí),應(yīng)考慮IGF-2缺陷[4];矮身材伴多指畸形應(yīng)進(jìn)行GLI2基因檢測[2];矮身材伴骨齡超前者應(yīng)警惕ACAN基因變異等。
盡管明確矮小的遺傳病因意義重大,但在基因檢測技術(shù)發(fā)展及廣泛臨床應(yīng)用的同時(shí),也帶來矮身材基因診斷方面的挑戰(zhàn)。(1)遺傳缺陷種類和臨床表型的復(fù)雜多變使基因型-表型的相關(guān)性分析較為困難。主要表現(xiàn)為與矮身材相關(guān)的基因眾多;一種臨床異??捎蓭追N不同的基因變異所致;同一個(gè)基因可出現(xiàn)不同的變異,部分存在基因劑量效應(yīng),患兒可出現(xiàn)較寬的表型譜,從骨骼發(fā)育不良到ISS,如:SHOX、NPR2、ACAN、IGF1、IGF1R、FGFR3基因變異等[1,2,3,4,5,14]。某些基因變異不僅可影響生長發(fā)育,還可影響其他組織器官,導(dǎo)致先天畸形或多系統(tǒng)表型。所以如何識(shí)別這些異常也是臨床醫(yī)生面臨的挑戰(zhàn)。(2)部分概念或觀念需做出轉(zhuǎn)變。如ISS是一種排他性診斷,其實(shí)質(zhì)是目前病因未明的矮小的總稱。在矮身材患者中,70%可單純出現(xiàn)矮身材,而無其他任何臨床和實(shí)驗(yàn)室檢查可見的異常,這些患者通常被歸類于ISS[1]。而隨著基因檢測技術(shù)的普及,在越來越多的ISS患兒(包括家族性和非家族性)中,發(fā)現(xiàn)了不同的基因變異類型,確定了一些新的基因缺陷[1,5],進(jìn)而明確了這些矮小患兒的病因。隨著新一代測序技術(shù)的廣泛臨床應(yīng)用和時(shí)間的推移,被診斷為ISS的兒童有望日益減少,ISS的概念也有可能終被摒棄。另外,以IGF-1水平降低作為矮身材篩查一線基礎(chǔ)檢測,有可能導(dǎo)致生長激素-IGF-1軸功能異常的漏診。除GHR和IGF-1自身的基因缺陷外,GHR后的信號(hào)途徑、ALS異常、IGFR后的信號(hào)途徑異常,均可影響生長激素、IGF-1正常發(fā)揮作用,出現(xiàn)生長激素不敏感或IGF-1抵抗的表現(xiàn)。而在此過程中,生長激素、IGF-1水平可以降低、正?;蛏?/span>[4]。因此,單純依靠IGF-1水平進(jìn)行矮身材的臨床篩查難以進(jìn)行生長激素-IGF-1軸功能的正確評估。(3)遺傳檢測結(jié)果判讀的準(zhǔn)確性及困難。雖然SNP、WES、WGS、RNA序列、甲基化分析等技術(shù)較為成熟,已廣泛應(yīng)用于臨床。然而,導(dǎo)致矮身材的遺傳基因、信號(hào)途徑眾多;特定基因的變異種類繁多;部分存在基因-劑量效應(yīng)、上下游的調(diào)控因素對基因功能也有影響。如何對矮小患者的遺傳學(xué)結(jié)果進(jìn)行精準(zhǔn)的分析與致病基因的確定,仍是目前基因檢測結(jié)果分析的難點(diǎn)。
為明確導(dǎo)致矮身材的病因,規(guī)范rhGH的臨床應(yīng)用,進(jìn)一步確定矮身材的診斷流程,須加大對矮身材兒童的遺傳學(xué)分析力度。特別是針對那些顯著身材矮小、存在多垂體功能缺陷、合并小頭畸形或先天畸形、骨骼發(fā)育異常者以及伴有智力障礙、同胞或父母有相似特征者[1,3]。另外,對ISS和SGA患兒也應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)遺傳學(xué)研究。


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