骨质疏松若干候选基因的研究进展
作者：林忆阳 蔡德鸿
单位：林忆阳(510282 广州市珠江医院内分泌科)；蔡德鸿(510282 广州市珠江医院内分泌科)
关键词：
中国骨质疏松杂志000328 骨质疏松是一种全身性的骨代谢疾病，以骨量减少、骨的微观结构退化，骨的脆性增加，且易于发生骨折为特征。许多对双胞胎或家庭进行的研究均证实：遗传因素对骨密度变异的影响十分明显，约在特定年龄段的骨密度变异中占50%～85%。为进一步探讨骨质疏松的病因，进而研究其发病机理，本文将对骨质疏松若干“候选基因”的研究进展作一综述。
1 维生素D受体基因
维生素D是重要的骨代谢调节激素之一，其作用在于调节骨、钙的内环境稳定。活性维生素D3通过与成骨细胞核内高度特异性的维生素D受体(vitamin D receptor,VDR)结合，反馈作用于骨钙素基因的促进子，激活骨钙素基因，从而促进骨的转化。
VDR基因位于第12号染色体上，长度为43.2kb,由9个外显子组成。目前研究发现与骨代谢相关的VDR基因多态性分别对应于内切酶BsMI\,ApaI\,TaqI\,FokI的酶切位点。BsmI\,ApaI的识别部位位于第8内含子上，TaqI的酶切位点位于第9外显子上，而FokI的酶切位点位于基因的5′端。目前一般用b\,a\,t\,f表示这四种内切酶的多态性位点，而用B、A、T、F表示缺乏这些多态性位点。
Morrison[1]对VDR基因多态性进行了研究，首次发现VDR不同的基因型可以预测不同的骨矿密度(bone mineral density,BMD)值，bb型妇女比BB型妇女的BMD值高15%，而且前者髋部骨折发生率仅为后者的1/4左右。因此推论，VDR基因多态性与BMD间存在较强的遗传连锁关系。这在骨质疏松的研究中立刻引起广泛的关注，并迅速在不同地区、种族及人群中展开了相关的研究。
来自日本[2]、意大利[3]、冈比亚及中国沈阳[4]的研究结果均证实VDR等位基因型与BMD密切相关，可以预测骨质疏松性骨折的风险。AABBtt基因型人群腰椎BMD比aabbTT型要低13%，人群中b等位基因频率越高，BMD的平均值就越高，骨质疏松发生率也越低。中国及冈比亚人种有较高频率的bb型人群，骨质疏松性骨折发生率低，系对上述观点的进一步印证。与妇女为研究对象的结果相类似，S.Ferrari等[5]对瑞典Geneva大学的104名健康男性青年(平均年龄24.3±3.1岁)的研究表明，年轻男性的VDR基因多态性(BsmI、FokI内切酶)与椎体BMD间也存在明显关联，BB(f+)型BMD比BB(f-)要低20%，而BB(f-)腰椎BMD与Bb或bb型间无显著差异。BB基因型血中PTH浓度较bb型明显升高。
但是Sung Kil Lim等[6]对177名韩国妇女(年龄30～45岁)进行VDR基因多态性分析，同时测定了腰椎BMD，发现人群中仅有1.4%为BB型，并且这些BB型人群BMD与bb型间并无显著性差异，没有提示高或低骨密度的等位基因。来自巴西[7]、丹麦[8]、中国台湾、挪威的报告也未发现VDR与骨密度间有任何相关关系。
VDR基因多态性可影响VDR mRNA的表达与稳定性，造成其受体蛋白在数目及/或亲和力上的差异，进而通过对其所调节基因的反馈放大作用，表现为一些骨代谢指标较大的不同。VDR基因多态性与骨密度之间的关系在不同人群中实验重复性差，可能是由于在不同的地区、种族或人群间，不但有VDR基因多态性的频率不同，而且VDR基因与BMD间的连锁程度也不同，进而致使不同地区、种族或人群间骨质疏松症发病机理上存在差异。
2 雌激素受体基因
雌激素受体(estrogen receptor,ER)是一种糖蛋白，分子量大约为35000～90000，具有特异性强、亲和力高的特点。雌激素受体有α和β两种亚型，两者区别在于它们的C末端配体结合区和N末端活性转化区不同，以及在各靶组织的含量不同[23]。雌激素可与破骨细胞表面的雌激素受体结合，直接造成破骨细胞的凋亡，这种效应呈时间和剂量依赖性，绝经后骨质疏松的发生原因至少部分是由于雌激素水平低下，破骨细胞凋亡减少、寿命延长、相对数量增多、破骨细胞性骨吸收增加所致。
ER基因位于染色体6q25.1上，长度约140kb，含有8个外显子与5个功能区，这5个功能区分别命名为A/B-F。与骨质疏松有关的多态性酶切位点均位于A/B功能区内。其中，B多态性(BstUI酶切位点)位于1号外显子，为无义突变，即第87号密码子GCG→GCC(均为丙氨酸)；PvuII酶切位点位于第1个内含子，在2号外显子上游约0.4kb处，为一点突变(T→C)；XbaI酶切位点位于PvuII酶切位点下游约50bp处，也在第1个内含子上，为一点突变(A→G)。
Kobayashi等[24]就238名绝经后健康的日本妇女作了有关ER基因多态性与骨密度关系的研究。结果显示ER的不同基因型(PvuII及XbaI酶切位点多态性)对应不同的骨密度值，PPxx基因型与低腰椎BMD有相关关系。这两种多态性位点均位于内含子上。因此很可能是这些多态性位点与其它内含子或外显子的突变相偶联而影响ER的表达与功能。但Qi等[25]发现妇女pp基因型(而非PP基因型)与低BMD相关，而且男性的pp基因型与低股骨颈BMD也相关。
KI OK Han等人[26]对248名健康的绝经后韩国妇女进行ER基因多态性与BMD及对激素替代疗法(hormone replace therapy,HRT)治疗后反应的研究。实验用的三种内切酶分别是BstUI,PvuII及XbaI；他们发现韩国妇女ER基因多态性与腰椎BMD并无相关关系，而且不同基因型对HRT治疗1年后的BMD的改变也无显著性差异。LuiGI Gennari等[2]以426名绝经后的意大利妇女为对象，进行了ER基因多态性分析(PvuII及XbaI内切酶)，结果也证实PvuII及XbsI的任何基因型与BMD间无相关关系。
ER基因的重要突变无疑会导致骨质疏松，而ER基因的多态性也可能与骨密度变化有一定关联，但是相关程度在不同人群中可能并不相同。
3 甲状旁腺素基因主变异
甲状旁腺素(PTH)是由84个氨基酸残基组成的多肽，系钙磷代谢调节的重要激素。PTH促使细胞外Ca2+内流及从胞内储钙池中释出，使胞浆[Ca2+]上升，在不同骨细胞内产生不同的生理效应，主要作用表现为促进骨的吸收。
Hosoi T等[15]对383名绝经后健康日本妇女，作了PTH基因多态性与BMD之间相关性的研究。以BSTB1限制性内切酶酶切扩增(用B表示存在BSTB1限制性内切酶的酶切位点，b表示缺乏相应的酶切位点)，发现日本妇女人群中BB、Bb\,bb型各占82.5%，16.7%及0.8%。BB型腰椎骨密度(0.859±0.019g/cm2)比Bb型(0.925±0.011g/cm2)明显要低。因此，作者认为PTH基因多态性与骨密度的大小有一定相关性，可以预测骨质疏松发生的危险性。
4 降钙素受体基因
降钙素由甲状腺C细胞合成，通过破骨细胞的降钙素受体调节破骨细胞的骨吸收活动。破骨细胞对CT的高敏感性正是由于破骨细胞膜上有着丰富的特异性高、亲和力强的降钙素受体(CRT)，数量达106/OC以上，CTR分子量约为80000～90000。它与PTH-PTHrP受体相似，其氨基酸顺序与其它报道的G蛋白连接受体不同，是一种新的能激活cAMP的G蛋白结合受体家族[16]。
CTR基因3′端的结构序列中T→C突变可引起CTR的第447位氨基酸由CCG(脯氨酸)→CTG(亮氨酸)。Taboulet等[17]以215名绝经后高加索妇女为研究对象，运用PCR及SSCP技术对CTR基因进行筛选，继以DNA测序，结果发现，Rr型股骨颈BMD比RR型(CTG447)或rr型(CCG447)高，而且骨质疏松性骨折危险明显降低。CTR另一个与骨代谢有关的多态性位点是Taq1限制性内切酶切位点，tt型的BMD明显低于Tt型[18]。这些均表明CTR多态性与骨质疏松间存在着某种相关关系。
5 转化生长因子-β(TGF-β)基因
TGF-β是骨基质中含量最丰富的细胞因子，主要表现促进成骨细胞的增殖和分化，在其浓度发生较大改变时也可表现出对成骨细胞的抑制作用。TGF-β对破骨细胞的作用呈双相性：一方面抑制破骨细胞成熟及分化，促进破骨细胞的凋亡而抑制骨吸收[19]；同时又可通过作用于其它细胞而促进骨吸收。老年性骨质疏松以成骨细胞增生减少、骨局部胰岛素样生长因子和TGF-β浓度减低为特征[20]。
Yamada等[21]对287名绝经后日本妇女的TGF-β基因序列与骨质疏松间的联系进行研究，结果发现TGF-β信号传导区的第29位核苷酸的点突变(T→C)可使它的第10位氨基酸由亮氨酸→脯氨酸，这种基因多态性与骨质疏松间有较强的相关关系。CC基因型腰椎BMD比TT或TC型者要高，前者椎体骨折发生率也比后二者低。回归分析显示骨质疏松的病人T等位基因携带率明显高于正常人。无论是健康人还是骨质疏松患者，CC基因型血中TGF-β均高于TC或TT基因型。Langdah1等[22]也发现骨质疏松病人TGF-β基因变异率明显高于正常人，TGF-β基因变异者表现为骨转换加快及明显的骨丢失。这都表明TGF-β的这一多态性位点与BMD及骨质疏松有着明显关联。
6 I型胶原基因
I型胶原是骨基质的最重要成分，约占骨基质蛋白的80%。编码I型胶原的基因含大量的内含子及外显子，每个外显子长度约54～108个碱基对。基因结构区的突变可以引起成骨不全症与严重的骨质疏松。但是，结构区的突变在一般人群中极为少见，不足以解释绝大多数骨质疏松患者的发病机理。
Grant SF等[9]对绝经后骨质疏松病人I型胶原基因的转录调控序列进行了研究。结果发现，COL1Aα1基因启动子区内的Sp结合域上一个单碱基突变(G→T)的多态性位点与骨质疏松性骨折有一定相关性。Ss型或ss型BMD较SS型为低，而且骨折发生率较高。荷兰的Andre.G等[10]对1778名绝经后妇女的研究显示：Ss型绝经后妇女股骨颈BMD比SSG型低2%，而ss型股骨颈BMD及腰椎BMD比SS型低4%，BMD的这种差异随年龄增长而增加。因此，COL1Aα1更象是骨丢失率的标志，而非BMD的标志。英国的Keen RW等[11]对伦敦地区185名健康的绝经后妇女的研究也证实：携带有s等位基因型人群的腰椎骨密度值较低，而且椎体骨折发生率高，尿中羟脯氨酸浓度较对照组高。Langdah1 BL等人[12]进一步证实：椎体骨折患者中ss基因型携带率比对照组明显要高(14.3% vs 1.4%)，无论是男性还是女性，COLIA Sp1多态性都与骨质疏松性骨折显著相关。Sp1位点基因型可以预测骨质疏松性骨折发生的危险性。
但是Han KO等[13]以200名健康的韩国妇女(平均年龄+/-5.3岁)为对象，用相同的限制性内切酶进行了I型胶原基因多态性分析，进而再用SSCP法筛选，发现人群中并无s等位基因型，从而推论，韩国人中缺失或罕见COLAα1基因多态性，所以在韩国人群中这种基因多态性与骨质疏松间并无相关关系。来自瑞典[14]的报告也认为COLIA1 Sp1多态性与骨质疏松间并无相关关系。这说明不同人群中COL1Aα1基因突变与骨质疏松的联系不尽相同。
COL1Aα1等位基因变异影响骨密度及骨折危险性的具体机制尚不明确。研究发现，S等位基因上的寡核苷酸比s等位基因对Sp1蛋白的亲和力为低，ss型的转录产物为SS型转录产物的3倍。提示s基因携带者COL1Aα1mRNA比S型要多，进而通过胶原合成量的不同，造成骨的脆性增加。
7 IL-1受体拮抗因子基因
IL-1是一族对多种靶细胞有复杂生物学作用的细胞因子家族，包括IL-1α、IL-1β、IL-1受体(IL-1r)与IL-1受体拮抗因子(IL-1ra)。体内研究表明IL-1α与IL-1β是破骨细胞性骨吸收的强刺激剂，绝经后骨质疏松患者外周血细胞产生的IL-1明显增加，而且血清中IL-1β的水平与腰椎骨密度呈显著负相关[27]。IL-1ra是IL-1家庭中的一种自然拮抗IL 1α和IL 1β作用的因子，分子量为17kd，与IL 1β有26%的氨基酸同源性，主要与细胞的I型IL-1r结合，从而作为IL-1α与TL-1β的竞争性抑制物。每个细胞结合5个分子的IL-即可表达全部生物学活性，对IL-1骨作用的50%的抑制需要100倍于IL-1的IL-1ra[28]。
Keen RW等[29]对108名绝经后妇女进行了IL-1RN基因多型性与骨丢失率之间的研究。根据IL-1RN基因的86bp长的可变数目串联重复序列，将IL-1RN基因分为三种等位基因型(A1=4次重复；A2=2次重复；A3=5次重复)。结果发现不同的基因型与BMD无关，而与骨丢失率密切相关。A2基因携带者骨丢失速率较非A2基因携带者为慢。因此他们推论，IL-1RN基因变异与绝经后腰椎骨丢失率间有明显的相关关系。
8 IL-6基因突变
IL-6分子量为26KD，是由212个氨基酸组成糖蛋白，为多功能的细胞因子，由人体内多种细胞分泌。IL-6是通过与细胞表面特异性的IL-6受体结合发挥其生物学活性。Ishimi利用Northern杂交技术证实人成骨细胞有IL-6 mRNA的表达。一般认为，IL-6是作用于成骨基质细胞表面的IL-6受体，启动一系列生化反应，促进释放某些介质，或通过细胞间接接触作用于破骨细胞，刺激破骨细胞的发育，使其活性增强、数量增加，发挥促骨吸收作用。健康人血清中IL-6浓度很低，在骨质疏松患者中血清IL-6明显增高。
Tsukamoto-K对472名绝经后的日本妇女进行了IL 6基因多型分析，同时测定了桡骨的BMD。根据CA重复片段的数目(13～18)，将基因型分为6组，发现不同的基因型与BMD间存在明显的相关关系。携有A1等位基因(长度为134bp，含18个CA重复片段)的妇女的BMD明显低于其它基因型妇女。从而证实，IL-6基因变异与骨质疏松的发病有一定关联。
9 c-fos原癌基因
c-fos基因定位于人染色体14q21-23，长约9kb，由四个外显子和三个内含子组成，正常情况下在绝大多数细胞中呈低水平表达。c-fos是即刻早期基因(immediately-early genes,IEG)的一种，许多胞外刺激能诱导c-fos快速而短暂地高水平表达。其表达产物FOS是核内磷酸化蛋白，由380个氨基酸组成，分子量约为55KD。FOS以高亲和力结合在靶基因的AP-1(activator protein 1)位点，调节靶基因的表达并参与胞内信号传导，对细胞的生长、繁殖、分化、信息传递等起重要作用。
SAMP6鼠为老年性骨质疏松症的鼠类模型，研究发现：鼠皮质骨的骨细胞与成骨细胞中均有c-fos的转录并表达，注射PTH可引起c-fos表达增加，SAMP6鼠中c-fos的表达水平比正常鼠要高而且持续时间较长，提示c-fos基因结构在这两种鼠中可能有差异，SAMP6鼠的成骨细胞中c-fos过度表达，可能通过诱导细胞凋亡，使成骨细胞活性降低，最终导致皮质骨的骨量降低[30]。c-fos基因突变可能与老年性骨质疏松症的发病有一定关联。
除了上述几个方面的研究外，最近，哈佛大学的人类基因组计划小组对安庆地区的218名中国人用347种多态性标记进行了全基因组扫描[31]，检测那些与骨密度相关的基因位点。他们发现2号染色体上的近D2S2141、D2S1400、D2S405区与前臂的BMD有相关关系，第13号染色体上的D13S788、D13S800区与前臂远端BMD有相关关系。在这些区上的候选基因有钙调素基因、胶原基因等。但由于样本含量太少，可能仅作为进一步大规模人群调查的序幕而已。
骨质疏松发生过程涉及多个步骤，有多种激素及细胞因子参与调控。上述几个基因突变或基因多态性还不足以说明骨质疏松发生的全部机理。任何一种影响骨再建过程的激素或细胞因子均可能导致骨质疏松。深入了解这些因子在骨质疏松发展中的作用机制，寻找这些基因与骨质疏松间的关系，可使我们更深透的认识骨质疏松，为防治骨质疏松提供理论依据。
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