特發(fā)性矮小遺傳學(xué)研究及展望*

楊萬(wàn)嶺 班 博

(1香港大學(xué)兒童及青少年醫(yī)學(xué)系，香港 999077；2中國(guó)生長(zhǎng)發(fā)育行為醫(yī)學(xué)研究中心，3濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院內(nèi)分泌科，濟(jì)寧 272029)

身材矮小的原因很多，矮小常常是某些綜合征表現(xiàn)的一部分[1],如：小于胎齡兒而且缺乏生長(zhǎng)追趕、不對(duì)稱性骨骼發(fā)育異常、小頭畸形、有明顯的智力發(fā)育異常、有明顯的生長(zhǎng)激素缺乏或多種垂體激素缺乏、對(duì)生長(zhǎng)激素或胰島素樣生長(zhǎng)激素不敏感、明顯的面部或身體的特殊表現(xiàn)、第二性征發(fā)育異常等。觀察表現(xiàn)陽(yáng)性往往提示矮小是某種綜合征表現(xiàn)的一部分，應(yīng)該結(jié)合患者的其他性狀綜合考慮，進(jìn)一步行臨床和遺傳學(xué)檢測(cè)，明確分子診斷。另外，詳細(xì)采集三代家族史、孕史、發(fā)育史，全面評(píng)估骨骼發(fā)育、激素水平、功能試驗(yàn)及生長(zhǎng)激素治療效果等，均有利于對(duì)疾病做出準(zhǔn)確診斷、規(guī)范治療。本文將著重闡述特發(fā)性矮小的遺傳學(xué)病因及鑒別，判斷是單一基因?qū)е碌倪z傳病，還是多種基因和環(huán)境因素共同造成的復(fù)雜性疾病，以及如何選擇有效的分子診斷方法對(duì)患者進(jìn)行遺傳學(xué)檢測(cè)或研究。

1 特發(fā)性矮小

特發(fā)性矮小(idiopathic short stature，ISS)是指患者身高低于同年齡、同性別、同種族兒童身高平均值至少2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差(SD)，生長(zhǎng)速率緩慢，無(wú)其他可識(shí)別的生長(zhǎng)激素-胰島素樣生長(zhǎng)因子軸異常，無(wú)明顯的骨骼發(fā)育不良、小頭畸形、智力發(fā)育障礙等。可分為家族性矮小和非家族性矮小。家族性矮小指患者身高較參考人群矮小，但依據(jù)父母的身高推算尚屬期待范圍。非家族性矮小指患者相對(duì)于參考人群和家庭都屬矮小。有些特發(fā)性矮小患者會(huì)有不太明顯的軟骨或骨發(fā)育不良。

人類的身高呈正態(tài)分布，遺傳在身高增長(zhǎng)方面起最重要的作用，可以解釋大約80%的個(gè)體身高差異。在許多復(fù)雜性疾病或人類性狀的研究中，若樣本的其他性狀和疾病對(duì)身高的增長(zhǎng)沒(méi)有明顯的影響，可以同時(shí)研究影響身高的遺傳因素。

2 特發(fā)性矮小的遺傳學(xué)

任何遺傳性疾病的研究，首先要明確它是復(fù)雜性疾病，還是單一遺傳因素導(dǎo)致的疾病，特發(fā)性矮小的研究也是如此。人類智力、性情等性狀及自身免疫性疾病、精神性疾病、2型糖尿病、中風(fēng)、動(dòng)脈粥樣硬化、高脂血癥等疾病，除極個(gè)別情況外，都與復(fù)雜性遺傳有關(guān)。遺傳因素對(duì)這些性狀或疾病起著重要作用。很多疾病有高度家族遺傳傾向，而其他非遺傳因素也與疾病有密切關(guān)系。遺傳因素起作用的方式較復(fù)雜，可能是成百上千個(gè)基因位點(diǎn)共同起作用的結(jié)果，每一個(gè)位點(diǎn)的作用比較細(xì)微。

如果矮小是某綜合征多種表現(xiàn)之一，往往是由單一遺傳因素導(dǎo)致。比較嚴(yán)重矮小(如身高小于3標(biāo)準(zhǔn)差或0.15個(gè)百分位)，即使沒(méi)有其他的明顯表現(xiàn)，其為單基因病的可能性也大大增加。除了依據(jù)病史、臨床表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)室檢查外，如果有比較明確的家族史，并且能夠明確一種遺傳模式，如常染色體顯性、常染色體隱性遺傳和性染色體連鎖遺傳，也可以確定是單基因遺傳病。常染色體顯性遺傳的特點(diǎn)是每一代都有人發(fā)病。常染色體隱性遺傳的特點(diǎn)是先證者一代有一個(gè)或多個(gè)發(fā)病，而父母一代一般沒(méi)有人發(fā)病。性染色體連鎖遺傳的特點(diǎn)是攜帶者母親將致病基因遺傳給兒子。

家族性矮小一般認(rèn)為是遺傳因素起主要作用。但應(yīng)該注意的是，這并不一定就是單基因病的表現(xiàn)。如果家系分析很難判斷是常染色體顯性遺傳、常染色體隱性或性染色體連鎖遺傳，則說(shuō)明遺傳因素有可能較復(fù)雜，可能不是單一基因位點(diǎn)變異導(dǎo)致發(fā)病。相反，非家族性矮小未必不是單基因引起，因?yàn)橛邢喈?dāng)一部分致病突變是新發(fā)突變。因此，如果父母和家系中其他人身高都正常，患者身材非常矮小，則可能是新發(fā)突變?cè)斐傻?也可能是常染色體隱性遺傳)。比較嚴(yán)重的特發(fā)性矮小，既可能是復(fù)雜性性狀的一部分，也可能是一些不同的單基因病的混合。即使他們不是由單基因造成的，但是否更有可能存在一些作用比較大的罕見(jiàn)變異，也是一個(gè)有待回答的問(wèn)題。

3 特發(fā)性矮小遺傳檢測(cè)方法

不同的遺傳方式要選擇不同的檢測(cè)或研究手段(圖1)。對(duì)于懷疑單一位點(diǎn)變異導(dǎo)致的疾病，可以用核型分析、染色體微陣列(chromosomal microarray，CMA)，也可對(duì)全基因組、全外顯子組、一組備選基因進(jìn)行二代測(cè)序。這些方法各有其適應(yīng)癥、優(yōu)缺點(diǎn)(表1)，應(yīng)該選擇性使用或聯(lián)合使用。如染色體核型分析用于檢測(cè)大的結(jié)構(gòu)性缺失和擴(kuò)增、染色體單體、染色體三體和平衡異位等。女性矮小常常需要進(jìn)行核型分析以排除Turner 綜合征。另外，熒光原位雜交(fluorescence in situ hybridization,FISH)可以定位檢測(cè)特定位點(diǎn)的變異，如SHOX基因的全缺失、22q11.2、Xp13.2 區(qū)域的微缺失等。

3.1 靶基因測(cè)序

單一基因的檢測(cè)曾經(jīng)在遺傳檢測(cè)中占有重要地位，如不對(duì)稱骨骼發(fā)育不良者需檢查FGFR3，懷疑Noonan綜合征的患者需檢查PTPN11或其他 ras-MAPK通路的基因等。下丘腦-垂體-生長(zhǎng)激素軸的異常，可以檢查GH1，GHRHr或IGF1R。對(duì)于不同機(jī)制造成的矮小的已知致病基因[2]見(jiàn)表2。

圖1 矮小遺傳學(xué)研究思維

表2 不同機(jī)制造成的矮小已知致病基因

注：AR，常染色體隱性;AD，常染色體顯性;XLR，性染色體連鎖隱性

3.2 特發(fā)性矮小的單基因研究

對(duì)特發(fā)性矮小的單基因研究主要是外顯子測(cè)序，一個(gè)或一組基因的靶向測(cè)序[3]。近年來(lái)，一些針對(duì)性較強(qiáng)的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了一些已知的嚴(yán)重疾病致病基因中有雜合而非純合的突變，或者對(duì)功能沖擊相對(duì)較小的突變?cè)斐奢^不典型的臨床表現(xiàn)。如對(duì)86個(gè)特發(fā)性矮小患者，Hattori等[4]檢測(cè)了ACAN,FGFR3,NPR2,SHOX，GHRHG,GH1,STAT5B,IGF1,IGFALS,IGF1R等10個(gè)基因，因?yàn)檫@些基因和骨骼發(fā)育異常、生長(zhǎng)激素-胰島素樣生長(zhǎng)因子軸有關(guān)，但也有報(bào)道這些基因的某些突變或雜合子的變異可能造成特發(fā)性矮小。在19個(gè)病人中他們發(fā)現(xiàn)了18個(gè)較罕見(jiàn)的雜合突變。他們認(rèn)為ACAN 的突變有可能和無(wú)明顯骨骼異常的特發(fā)性矮小有關(guān)。SHOX基因的雜合缺失造成的單體劑量不足也是最常見(jiàn)的單基因性矮小的致病基因之一，據(jù)認(rèn)為大概出現(xiàn)于2%～15%的特發(fā)性矮小患者中[5]。David等[6]研究了144名特發(fā)性矮小患者SHOX基因的雜合缺失，發(fā)現(xiàn)有7.6%的患者有SHOX缺失。另外，雜合子的NPR2突變和IGF1 雜合缺失造成的單倍劑量不足也有報(bào)道[7]。Quintos 等[8]對(duì)一家三代疑似常染色體顯性遺傳的矮小研究發(fā)現(xiàn)了ACAN 上的一個(gè)無(wú)義突變，且患者伴有明顯的骨齡超前。Hauer等[9]研究了428個(gè)特發(fā)性矮小的家庭，發(fā)現(xiàn)4個(gè)家庭有ACAN 基因的雜合無(wú)義突變，2個(gè)家庭有可能致病的錯(cuò)義突變。這些患者平均身高在-3.2SD左右。需要指出的是，這些研究一般樣本量不大，要完全證實(shí)這些常見(jiàn)致病基因的一些突變是否導(dǎo)致相對(duì)較輕微的臨床表現(xiàn)，還需要更大樣本的獨(dú)立研究加以驗(yàn)證。從另一角度來(lái)說(shuō)，針對(duì)這些基因，設(shè)計(jì)整個(gè)基因的捕獲和深度二代測(cè)序，也許是增加靈敏度和診斷成功率、降低費(fèi)用的有益嘗試。

3.3 染色體微陣列

隨著測(cè)序價(jià)格的進(jìn)一步降低，一個(gè)或數(shù)個(gè)基因的檢測(cè)將會(huì)逐漸被全外顯子或全基因組測(cè)序所取代。對(duì)于核型分析無(wú)法檢測(cè)到的缺失或擴(kuò)增，可以用染色體微陣列的方法。它對(duì)于生長(zhǎng)發(fā)育不良和先天性異常的檢測(cè)，已經(jīng)達(dá)到了取代核型分析的地位[10]。二代測(cè)序的方法則是分辨率可以高到單核苷酸變異的程度，而且可以發(fā)現(xiàn)新的致病基因。缺點(diǎn)是對(duì)結(jié)構(gòu)性的突變敏感性不高，數(shù)據(jù)的分析和解讀比較復(fù)雜。目前對(duì)于懷疑單基因異常導(dǎo)致的疾病，且核型分析沒(méi)有明確發(fā)現(xiàn)的，可以采取微陣列加全外顯子測(cè)序的方法。

3.4 全基因組關(guān)聯(lián)分析

對(duì)于大部分非嚴(yán)重矮小，且無(wú)明顯的其他異常，則可能是復(fù)雜性狀的一種較極端表現(xiàn)。目前對(duì)于復(fù)雜性疾病的遺傳因素，最有效的研究方法是全基因組的關(guān)聯(lián)分析(genome-wide association studies,GWAS)。這是一種對(duì)基因組中的單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism，SNP)進(jìn)行分析的方法。每個(gè)芯片可以同時(shí)對(duì)基因組中數(shù)萬(wàn)到上百萬(wàn)不等的SNP進(jìn)行分析。SNP 的選擇是基因組中人群頻度較高的位點(diǎn)，再略去那些相互之間有高度連鎖不平衡性，信息重復(fù)的位點(diǎn)。因?yàn)椴煌N族之間SNP的頻度有很大區(qū)別，有些芯片針對(duì)特別人群設(shè)計(jì)，如中華芯片。也有專門注重于編碼區(qū)域的外顯子芯片等。2010年發(fā)表的一項(xiàng)身高全基因組關(guān)聯(lián)分析研究[11]，發(fā)現(xiàn)基因組中的180個(gè)位點(diǎn)和身高有關(guān)，這些位點(diǎn)解釋了大約10%的身高差異。然而，這些位點(diǎn)并非在基因組中隨機(jī)分布，而是突出表現(xiàn)了骨骼發(fā)育信息通路和已知的與骨骼發(fā)育有關(guān)的基因在身高增長(zhǎng)中的作用。另一方面，這也表示對(duì)身高的關(guān)聯(lián)分析有可能會(huì)發(fā)現(xiàn)與身高有關(guān)的重要基因，加深對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)制的認(rèn)識(shí)。2014年，《自然遺傳學(xué)雜志》發(fā)表了一項(xiàng)基于25萬(wàn)多人的研究，發(fā)現(xiàn)了697個(gè)遺傳多態(tài)性變異[12]。他們報(bào)道基因組中頻度較高的常見(jiàn)遺傳變異大約能夠解釋身高差異的60%。2017年發(fā)表重點(diǎn)研究頻度較低的編碼區(qū)域變異的一篇文章，報(bào)道了83個(gè)與身高相關(guān)的編碼位點(diǎn)。其中，IHH，STC2，AR和CRISPLD2 4個(gè)基因上的位點(diǎn)對(duì)身高有較大的作用[13]。最近一項(xiàng)待發(fā)表的研究，在以前工作的基礎(chǔ)上加上了45萬(wàn)個(gè)英國(guó)生物樣本庫(kù)(UK Biobank)的樣本，把總樣本量增加到70萬(wàn)人，同時(shí)把與身高有關(guān)的位點(diǎn)增加到3200多個(gè)。然而，這些研究都是在歐洲人群中進(jìn)行的，目前基于亞洲人的研究尚少。許多復(fù)雜性疾病的遺傳易感位點(diǎn)都表現(xiàn)出了明顯的種族差異，對(duì)于身高在亞洲人的研究是否會(huì)有不同的發(fā)現(xiàn)，我們拭目以待。

4 小結(jié)與展望

綜上所述，人類疾病發(fā)生、人類的性狀是極端復(fù)雜的。既有單一位點(diǎn)造成的遺傳性疾病，也有成百上千的多態(tài)性位點(diǎn)相關(guān)的復(fù)雜性性狀和疾病。目前的方法是對(duì)比較嚴(yán)重和/或伴有其他表現(xiàn)的患者進(jìn)行針對(duì)單基因的檢查，如染色體微陣列和全外顯子測(cè)序，或者針對(duì)一些常見(jiàn)致病基因的全面測(cè)序。對(duì)于身高介于-2.5SD 和-2SD之間的且不伴有其他表現(xiàn)的矮小，和群體的身高分布，我們可以考慮用SNP全基因組分析的方法進(jìn)行研究。魯西南地區(qū)是孔孟之鄉(xiāng)，歷史悠久，人口流動(dòng)性不高，是理想的群體遺傳學(xué)研究對(duì)象。我們近年來(lái)在臨床診斷和治療方面已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但如何把臨床實(shí)踐和分子水平的研究結(jié)合起來(lái)，是我們需要進(jìn)一步探索的問(wèn)題。目前我們對(duì)基因的功能和遺傳突變對(duì)基因組的影響所知不多。未來(lái)的發(fā)展，一方面依賴于我們對(duì)基因生物學(xué)的深入理解，另一方面依賴于我們對(duì)基因型和表型之間關(guān)系的深入分析。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們需要有人群的遺傳學(xué)大樣本和大數(shù)據(jù)。我們需要充分利用國(guó)內(nèi)、國(guó)際的廣泛合作，并鼓勵(lì)患者積極參與。群體遺傳數(shù)據(jù)的積累無(wú)論對(duì)我們?cè)\斷單基因突變導(dǎo)致的矮小，還是理解對(duì)身高有關(guān)聯(lián)的常見(jiàn)多態(tài)性位點(diǎn)和機(jī)制，都會(huì)起到重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] Seaver LH,Irons M;American College of Medical Genetics(ACMG) Professional Practice and Guidelines Committee.ACMG practice guideline:genetic evaluation of short stature[J].Genet Med,2009,11(6):465-470.DOI:10.1097/GIM.0b013e3181a7 e8f8.

[2] Wit JM,Oostdijk W,Losekoot M,et al.MECHANISMS IN ENDOCRINOLOGY:Novel genetic causes of short stature[J].Eur J Endocrinol,2016,174(4):R145-R173.DOI:10.1530/EJE-15-0937.

[3] Dauber A,Rosenfeld RG,Hirschhorn JN.Genetic evaluation of short stature[J].J Clin Endocrinol Metab,2014,99(9):3080-3092.DOI:10.1210/jc.2014-1506.

[4] Hattori A,Katoh-Fukui Y,Nakamura A,et al.Next generation sequencing-based mutation screening of 86 patients with idiopathic short stature[J].Endocr J,2017,64(10):947-954.DOI:10.1507/endocrj.EJ17-0150.

[5] Sandoval GT,Jaimes GC,Barrios MC,et al.SHOX gene and conserved noncoding element deletions/duplications in Colombian patients with idiopathic short stature[J].Mol Genet Genomic Med,2014,2(2):95-102.DOI:10.1002/mgg3.39.

[6] Dávid A,Butz H,Halász Z,et al.The prevalence of SHOX gene deletion in children with idiopathic short stature.A multicentric study[J].Orv Hetil,2017,158(34):1351-1356.DOI:10.1556/650.2017.30829.

[7] Batey L,Moon JE,Yu Y,et al.A novel deletion of IGF1 in a patient with idiopathic short stature provides insight Into IGF1 haploinsufficiency[J].J Clin Endocrinol Metab,2014,99(1):E153-E159.DOI:10.1210/jc.2013-3106.

[8] Quintos JB,Guo MH,Dauber A.Idiopathic short stature due to novel heterozygous mutation of the aggrecan gene[J].J Pediatr Endocrinol Metab,2015,28(7-8):927-932.DOI:10.1515/jpem-2014-0450.

[9] Hauer NN,Sticht H,Boppudi S,et al.Genetic screening confirms heterozygous mutations in ACAN as a major cause of idiopathic short stature[J].Sci Rep,2017,7(1):12225.DOI:10.1038/s41598-017-12465-6.

[10] Miller DT,Adam MP,Aradhya S,et al.Consensus statement:chromosomal microarray is a first-tier clinical diagnostic test for individuals with developmental disabilities or congenital anomalies[J].Am J Hum Genet,2010,86(5):749-764.DOI:10.1016/j.ajhg.2010.04.006.

[11] Lango Allen H,Estrada K,Lettre G,et al.Hundreds of variants clustered in genomic loci and biological pathways affect human height[J].Nature,2010,467(7317):832-838.DOI:10.1038/nature09410.

[12] Wood AR,Esko T,Yang J,et al.Defining the role of common variation in the genomic and biological architecture of adult human height[J].Nat Genet,2014,46(11):1173-1186.DOI:10.1038/ng.3097.

[13] Marouli E,Graff M,Medina-Gomez C,et al.Rare and low-frequency coding variants alter human adult height[J].Nature,2017,542(7640):186-190.DOI:10.1038/nature21039.