小耳畸形的医学遗传学研究现状

　　医学遗传学论文（最新期刊范文8篇）之第四篇

　　摘要：先天性小耳畸形病因复杂,是环境与遗传因素共同作用的结果。目前有大量研究探索其致病因素,遗传学研究发现多种与小耳畸形相关的致病基因以及基因表达过程的调控环节。现主要从重要和新发现的候选基因及其表达过程的调控步骤,如基因甲基化、非编码RNA对基因的调控环节等方面对非综合征性小耳畸形遗传学研究现状及进展作一综述。

　　关键词：小耳畸形,遗传学,候选基因,甲基化,微小RNA,长链非编码RNA

　　小耳畸形是一种常见的先天性畸形缺陷,主要表现为外耳郭结构及形状异常,少数患者会累及中耳,内耳一般不受影响;就其严重程度而言,轻者可仅表现为轻微的结构畸形,重者可表现为完全性耳郭缺失,即无耳畸形;超过90%的小耳畸形患者伴有传导性听力缺失[1],给患者生活造成不便的同时也带来心理负担[2]。小耳畸形既可单独发生,也可作为综合征中一系列症状表现之一。目前有大量研究探索小耳畸形的致病病因,已发现小耳畸形相关基因百余种。现主要针对非综合征性小耳畸形基因研究的相关进展作一综述。

　　1 耳郭的胚胎发育

　　耳郭由胚胎时期第一鳃弓(下颌弓)、第二鳃弓(舌弓)和第一鳃裂组织发育而来;鳃弓是由颅神经嵴细胞(cranial neural crest cell,CNCC)迁徙发育而来,到胚胎发育8～9周时外耳轮廓基本形成[3]。第一鳃弓的发育主要形成外耳的耳轮脚、耳屏、耳轮根部以及中耳的锤骨和砧骨,外耳的大部分结构包括耳垂、对耳轮、对耳屏、耳轮下部以及中耳的镫骨由第二鳃弓发育而来[4]。此外,第一、二鳃弓除了发育形成耳部,还参与上颌骨、下颌骨、神经、肌肉及心脏的脉管系统等发育过程。因此,小耳畸形常伴有其他部位组织、器官的畸形。凡是能够影响第一、二鳃弓发育及颅神经嵴细胞迁移分化的因素都有可能造成外耳及中耳畸形的发生。

　　2 遗传学研究

　　关于先天性小耳畸形的病因还没有明确的结论,目前认为先天性小耳畸形的发生是环境因素与遗传因素共同作用的结果。家系研究是对小耳畸形遗传特性探索的重要资源,此外,随着生物技术的不断发展,全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS)、外显子组测序等方法已经运用于遗传学研究中,通过比较小耳畸形患者与正常人之间的遗传差异来研究基因与小耳畸形发生的相关性。

　　2.1 基因变异

　　HOX基因在胚胎发育过程中是编码一类高度保守的转录子,其对多种组织细胞的位置和形态调控起重要作用。HOX基因在颅神经嵴细胞的迁移、分化中的多个步骤中起调节作用,同时还参与许多其他基因的级联反应[5]。Alasti和van Camp[6]通过动物实验发现,HOXA2基因被敲除的小鼠表现出小耳畸形,并且在其模型中发现,由第一鳃弓颅神经嵴细胞发育形成的砧骨、锤骨和鼓膜发生了异位及形态改变,由第二鳃弓发育的部分耳软骨囊也出现不同程度的异常,HOXA2还通过影响鼓膜环的调节作用造成发育畸形,长期以来HOXA2一直被认为是小耳畸形致病的候选基因。郝少娟等[7]对3例先天性小耳畸形患者的基因组进行了SNP芯片分析,经筛选后发现,HOXA2基因为先天性小耳畸形候选的致病基因之一。Xin等[8]对与小耳畸形及相关综合征相关的10 348个基因通过软件进行筛选,得到78个候选基因,HOXA2基因列于其排行首位。现认为HOXA2的单倍剂量不足是导致小耳畸形与听力缺失的原因[9]。同为HOX家族的HOXA1基因在胚胎早期发育中也起到重要的调控作用,多年来被认为是小耳畸形的一个重要的候选基因[10]。但非综合征性小耳畸形的遗传学研究对HOXA1基因的报道较少。吴施楠等[11]对1 152例非综合征性小耳畸形患者的HOXA1基因标签SNP位点与对照组进行了比较分析,发现HOXA1基因与非综合征性小耳畸形之间不存在关联,因此,HOXA1基因与非综合征性小耳畸形的关联性仍需更多的相关研究进一步探讨。

　　MEOX2基因也属于HOX家族,又称GAX基因,主要在血管平滑肌细胞、血管外膜成纤维细胞和血管内皮细胞中表达,起负性调控作用。冯涛等[12]对328例小耳畸形患者MEOX2基因的SNP位点进行对照研究,发现2个SNP位点与小耳畸形发病显着相关,并认为MEOX2可能通过影响血管发育导致局部缺血而造成小耳畸形的发生,但是目前对MEOX2基因与小耳畸形关系的报道较少,期待更多的相关研究验证其与小耳畸形的致病关系。

　　PRKRA基因编码的PACT蛋白参与细胞信号转导、增殖、分化、凋亡等多个步骤。其可以激活蛋白激酶PKR,PKR的过度表达会抑制细胞增殖,诱导细胞分化及凋亡,PACT-PKR途径可受p53、e IF2α以及其他双链RNA结合蛋白调节;此外,PRKRA基因可以通过调控si RNA和mi RNA的生成而调节基因的表达[13]。在动物实验中发现,被敲除PACT基因的小鼠表现出较小体形以及严重的中耳及外耳畸形伴听力损害[14]。

　　人类Goosecoid(GSC)基因位于14q.32区域,是同源域转录因子,参与早期胚胎发育过程。GSC的表达具有时相性,在颅神经嵴细胞的迁移过程中起重要作用。此外,GSC还参与调控TGF-β信号通路,其变异可造成鳃弓的发育不全,表现为多种颅面部及其他部位的发育畸形[15]。动物实验研究发现,被破坏了GSC基因的小鼠表现为下颌、内耳及外耳的畸形;对综合征性和非综合征性小耳畸形患者基因分析的实验也均发现有GSC的变异[16,17]。Hao等[18]对106例中国小耳畸形患者进行基因测序研究,在GSC、HOXA2、PRKRA基因中发现了5处新的变异。郝少娟等[7]对小耳畸形SNP芯片的研究结果也将GSC基因和PRKRA基因作为小耳畸形致病的候选基因。

　　FOXI基因参与早期颅面发育,在小鼠、鸡、斑马鱼等动物模型实验中发现,FOXI3在外胚层及内胚层均有表达,参与下颌、外耳、中耳及内耳的发育[19]。敲除了FOXI基因的小鼠表现为外耳、中耳及内耳的完全缺失,FOXI3杂合变异的秘鲁无毛犬表现出外耳畸形[20]。Tassano等[19]首次发现并报道了1例FOXI3基因缺失的小耳畸形女婴,认为FOXI3的缺失与其表现相关,FOXI3可能为小耳畸形的候选基因,但是目前有关FOXI3与小耳畸形相关的研究较少,需要更多的研究证实。

　　TBX基因为转录因子T-box基因,Arnold等[21]在小鼠实验中发现,TBX1变异可导致外耳及中耳的发育不全,在鳃弓内胚层使TBX1失活造成了外耳的畸形发育,意味着TBX1在鳃弓发育过程中起重要作用。Adhikari等[22]进行了GWAS研究发现,TBX15与外耳畸形表现有高度相关性。XIN等[8]也将TBX15基因列入与小耳畸形及相关综合征相关的候选基因中。

　　Adhikari等[22]对5 000例拉丁美洲耳畸形患者进行GWAS研究发现,EDAR基因的表达与耳垂粘连、耳轮卷曲及对耳轮折叠相关,并且发现EDAR基因缺陷的小鼠表现为外耳畸形。Wang等[23]对40例小耳畸形患者进行基因测序,发现了一些未曾报道或较少报道的突变基因,其中FAT4、FKTN、FRAS1、GLI3、KMT2D、LMBRD1、PLEC、POMT1、POMT2、TP63和USH2A基因发生突变相对较频繁;并且发现DCHS1基因突变与严重的小耳畸形及耳道闭锁高度相关;此外,还发现TBX1与TWIST1基因的突变也可能与严重的小耳畸形与耳道闭锁有关。LEE等[24]发现,GDF11基因单侧敲除的小鼠在缺乏GDF-11抑制物GDF-相关血清蛋白1(GASP-1)的情况下表现出小耳畸形。Zhang等[25]对1 382例半侧颜面短小畸形患者与3 000余例健康样本进行全基因组检测和筛查,发现并定位了ROBO1、GATA3、EPAS1、PARD3B、GBX2、SHROOM3、FRMD4A、FGF3、KLF12、EDNRB、NID2、SEMA7A和PLCD3这13个风险基因,其中ROBO1、GBX2、NRP2、EDNRB和FGF19基因与颅神经嵴细胞迁移发育相关,ROBO1、FGF3、EPAS1、KLF12、ARID3B和GBX2基因与鳃弓发育密切相关,可能涉及耳的畸形发育,这些基因有待于进一步深入研究以探讨其与小耳畸形的关系。

　　2.2 基因甲基化

　　DNA的甲基化过程介于DNA的复制与转录过程之间,其基本过程是在DNA甲基转移酶的作用下,以S-腺苷甲硫氨酸为甲基供体,将甲基基团转移到胞嘧啶和鸟嘌呤二核苷酸(CpG)的胞嘧啶上。DNA的甲基化过程参与调节基因表达、细胞的增殖和分化等过程,基因的转录水平与其甲基化水平呈负相关。通过对小耳畸形患者残耳软骨组织的研究,已初步建立了先天性小耳畸形的甲基化谱,发现36个甲基化水平差异的CpG岛,并认为COL18A1、MYH14、RBMY1A1、ZIC3这4个基因的甲基化水平差异可能与小耳畸形的发病相关[26]。对MYH14基因的进一步研究发现,MYH14基因在小耳畸形患者残耳软骨组织中表达水平显着增高,并发现MYH14在正常耳软骨中甲基化水平较高,从而推测MYH14的表达调控与DNA甲基化水平密切相关,且证实先天性小耳畸形患者中MYH14的表达存在异常[27]。

　　2.3信号通路

　　在颅神经嵴细胞迁移以及颅面组织发育分化过程中存在多种信号通路的调控,与外耳发育相关的信号通路有纤维母细胞生长因子通路、骨形态发生蛋白通路、维甲酸信号通路及WNTs通路。这些通路的调节异常可导致耳的畸形发育。

　　FGFR1-3在外耳发育过程中表现出重要作用,有研究发现,FGFR1、FGFR2、FGF3、FGF8和FGF10变异的小鼠表现出小耳畸形[28,29]。BMP基因与耳的发育相关,其中BMP5长期以来被看作为小耳畸形的候选基因,研究发现,相比于外耳早期的分化与形成,BMP5在促进外耳生长的作用更加明显,BMP5变异的小鼠通常由于软骨构架不足而表现出小耳畸形。通过辐射及化学诱导将BMP5基因位点的20余种同位基因分离后发现,不同的变异体可对外耳尺寸产生明显的阶梯效应,完全缺失BMP5基因的小鼠外耳最短小[1]。MSX1和MSX2是BMP信号通路的直接下游靶点,MSX1和MSX2表达异常导致小鼠第一鳃弓区域畸形[30],郝少娟等[7]对3例先天性小耳畸形患者基因组进行SNP芯片分析认为,MSX1和MSX2基因与先天性小耳畸形致病相关。WNT基因参与颅神经嵴细胞的形成与发育,Gendron等[16]曾报道WNT5a在外耳的间充质中表达,被敲除Wnt5a的小鼠表现出小耳畸形。RA信号通路失调所致的胚胎疾病可造成颅神经嵴细胞在迁移至鳃弓前或迁移后不久发生细胞凋亡。Wang等[31]通过对307个致聋基因的测序以及对信号通路的研究发现,5种信号通路与单侧小耳畸形显着相关:蛋白质消化吸收途径、黏着斑途径、细胞外基质(extracellular matrix,ECM)-受体相互作用途径、阿米巴虫途径和磷酸肌醇3-激酶(PI3K)/Akt信号通路。其中黏着斑途径、ECM-受体相互作用途径与软骨的破环相关,且这两个途径位于Wnt信号通路的下游,因此被认为可能与小耳畸形的发病相关,该研究发现与这些通路有关的COL4A4与COL11A1基因可能与小耳畸形的发病相关。

　　2.4小耳畸形非编码RNA研究

　　Zhang等[32]研究了lncRNA和m RNA在小耳畸形患者的畸形耳软骨及正常耳软骨中的表达情况,发现了180个表达不同的lncRNA以及515种表达不同的m RNA,这对于lncRNA及m RNA与小耳畸形相关性的研究有极大的指导意义。Wei[33]通过对9例先天性小耳畸形患者及3例正常对照者的mi RNA表达情况进行分析,建立了以mi RNA为中心的调控网络,并发现与对照组相比,小耳畸形患者中has-mi R-203、has-mi R-200c和has-mi R-451的调控情况存在明显差异,并认为SOCS3基因、转录因子STAT1、STAT2、lncRNA和MALAT1在外耳发育中起重要作用,这为以后的研究提供了思路。Aslan等[34]首次报道mi R-126,mi R-146a,mi R-222,mi R-21等调控细胞凋亡mi RNA的表达不足与小耳畸形的发生显着相关。mi R21调控Fas与Fas L的结合过程,后者启动细胞外凋亡过程,同时mi R21还参与调控SMAD蛋白的翻译过程,后者参与TGF-β引导的细胞凋亡信号通路,因此mi R21的表达不足会过度激活细胞凋亡。Mi R146a通过调控Fas的表达从而调节细胞外凋亡途径,mir-222与细胞内在凋亡途径相关。mi RNA通过改变细胞凋亡的时间和程度从而可能导致小耳畸形的发生。

　　2.5 染色体变异

　　Li等[35]对一个非综合征性双侧小耳畸形的家系进行了研究,发现一段位于4p15.32-4p16.2的10 Mb片段与小耳畸形发病高度相关。进一步对该家系的5例患者的EVC、NKX3-2、HMX1 3个基因进行测序分析,在发现的38处变异中未发现与疾病表型分离相关的变异,在此10 Mb片段上还有其他与发育相关的基因,如EVC2、SLC2A9等有待进一步考究。Kim等[36]报道了1例染色体11q13缺失的患者,表现为小耳畸形伴严重听力下降,推测可能与位于该区域内的FGF3基因表达不足相关。

　　3 总结与展望

　　综上所述,对小耳畸形遗传学的研究一直以来都是热点,小耳畸形以非综合征性发病居多,目前的研究发现了不少小耳畸形致病候选基因,如HOXA2、GSC、PRKRA、MEOX2、TBX15、MSX和BMP等。基因的甲基化过程也参与小耳畸形的发病,如COL18A1、MYH14、RBMY1A1、ZIC3的甲基化水平差异与小耳畸形存在相关性。对信号通路的研究仍是小耳畸形遗传学病因探索的方式,而在此过程中,非编码RNA对基因表达的调控与小耳畸形的发生也密切相关,如mi R-126、mi R-146a、mi R-222、mi R-21等mi RNA的表达不足与小耳畸形的发生显着相关。对染色体的研究是细胞生物学的关注重点,以往有不少研究报道了与小耳畸形有关的染色体变异,近年来对染色体的研究热度仍然很高。小耳畸形的发生是一个复杂的过程,今后仍需要进行深入地遗传学研究,发现更多新的相关基因,筛选重要相关候选基因,并对基因甲基化及非编码RNA进行更多的探索,为小耳畸形致病机制提供科学的理论依据。

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