COL2A1基因突變與Ⅱ型膠原蛋白病表型關(guān)系的研究進(jìn)展

張鉑彥，張 悅，劉 賀，吳乃超，王金成

(1.吉林大學(xué)第二醫(yī)院骨科中心，吉林 長(zhǎng)春 130041; 2.吉林大學(xué)第一醫(yī)院放療科，吉林 長(zhǎng)春 130021)

COL2A1基因編碼Ⅱ型膠原前體蛋白α1鏈，3條完全相同的α1鏈相互折疊后能夠形成前體蛋白同型三聚體，同型三聚體再經(jīng)交聯(lián)作用構(gòu)成成熟的Ⅱ型膠原蛋白[1]。在α1鏈中存在一段特殊的三重螺旋區(qū)，該區(qū)域特征序列為重復(fù)的Gly-X-Y序列(Gly為甘氨酸，X和Y表示其他氨基酸)，BARAT-HOUARI等[2]研究顯示：三重螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)膠原蛋白分子的穩(wěn)定性起重要作用。

COL2A1基因突變會(huì)改變基因序列-蛋白結(jié)構(gòu)-蛋白功能關(guān)系軸，進(jìn)而導(dǎo)致一系列疾病[3]，統(tǒng)稱(chēng)為Ⅱ型膠原蛋白病(OMIM編號(hào)：120140)，該疾病主要為常染色體顯性遺傳病。本研究基于《萊頓突變位點(diǎn)開(kāi)放式數(shù)據(jù)庫(kù)》(LOVD) 以及最新研究報(bào)道，匯總獲得COL2A1基因突變所致的21種疾病亞型，以及全部基因突變位點(diǎn)、突變類(lèi)型和臨床表型，并匯總患者年齡、性別和國(guó)籍信息?；谝陨闲畔?，本研究對(duì)COL2A1基因型和表型的關(guān)系進(jìn)行探討和分析。

近年來(lái)有關(guān)COL2A1基因突變的研究在國(guó)內(nèi)外均可見(jiàn)較多報(bào)道，但綜述類(lèi)報(bào)道較少，且綜述類(lèi)報(bào)道均未對(duì)COL2A1基因突變類(lèi)型進(jìn)行匯總分析亦未對(duì)Ⅱ型膠原蛋白病進(jìn)行總結(jié)分類(lèi)。本研究旨在幫助臨床醫(yī)生深入了解COL2A1基因突變導(dǎo)致的Ⅱ型膠原蛋白病的復(fù)雜臨床表型，推進(jìn)基因篩查在臨床中的應(yīng)用，從而進(jìn)一步擴(kuò)大COL2A1基因突變的表型譜。

1 COL2A1基因突變的位置和類(lèi)型

1.1 突變位置

COL2A1基因長(zhǎng)度為33 246 bp，包含54個(gè)外顯子，蛋白質(zhì)編碼區(qū)(coding sequence,CDS)區(qū)域總長(zhǎng)度為4 464 bp，三重螺旋區(qū)位于CDS的601～3 642 bp，其N(xiāo)末端前肽區(qū)對(duì)應(yīng)1～608 bp，C末端前肽區(qū)對(duì)應(yīng)3 643～4 464 bp。COL2A1基因和Ⅱ型膠原蛋白結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 COL2A1基因和Ⅱ型膠原蛋白示意圖

Fig.1 Diagram of illustration of COL2A1 gene and type Ⅱ collagen

本研究匯總的657例COL2A1基因突變病例中，有535例COL2A1基因突變發(fā)生在CDS區(qū)，有117例發(fā)生在內(nèi)含子區(qū)，還有5例大片段基因缺失的情況。在CDS區(qū)發(fā)生突變的病例中，有437例突變位點(diǎn)發(fā)生在三重螺旋區(qū)，49例發(fā)生在N末端前肽區(qū)，49例發(fā)生在C末端前肽區(qū)。

1.2 COL2A1基因突變類(lèi)型和突變效果

COL2A1基因突變中最多為點(diǎn)突變(substitution)，約占73.4%(n=657)，其次是小片段刪除(小于20 bp的片段刪除)占19.0%，復(fù)制(duplication)占4.7%，缺失插入(delins)占1.4%，大片段刪除占1.1%，插入(insertion)占0.5%。見(jiàn)圖2。

1:Substitution;2:Small deletion;3:Duplicaton;4:Delins;5:Large deletion;6:Insertion.

圖2 本研究中COL2A1突變類(lèi)型

Fig.2 Mutation types percentage of COL2A1 in our study

從突變效果的角度分析，錯(cuò)義突變占比最高(39.6%)，其次是移碼突變(23.7%)、無(wú)義突變(16.7%)和發(fā)生在內(nèi)含子的突變(14.5%)等。見(jiàn)圖3。

2 COL2A1基因突變的臨床相關(guān)資料

COL2A1基因突變會(huì)導(dǎo)致一系列以軟骨發(fā)育異常和視聽(tīng)障礙為特征的表型，致病機(jī)制為COL2A1基因所編碼的Ⅱ型膠原蛋白是透明軟骨(如肋軟骨、氣管軟骨)和關(guān)節(jié)軟骨(如膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié))，Ⅱ型膠原蛋白結(jié)構(gòu)異常會(huì)影響軟骨的正常生理功能[4]。

1:Missense;2:Framehift;3:Nonsense;4:RNA processing;5:Other mutations.

圖3 本研究中COL2A1突變效果

Fig.3 Mutation effects of COL2A1 in our study

2.1 COL2A1基因突變患者的年齡、性別和國(guó)籍分布

本研究匯總385例患者的年齡信息，平均確診年齡為15.32歲，確診患者年齡最低的表型為Ⅱ型軟骨發(fā)育不全(0.53歲)，其為“致死型”表型；確診患者年齡最高的表型是股骨頭缺血性壞死(30.29歲)，其為“輕型”表型，故可推測(cè)確診患者年齡與疾病嚴(yán)重程度存在相關(guān)性。

在294例患者的性別信息中，男性150例，女性144例，各表型的性別分布見(jiàn)圖4。在657例患者國(guó)籍信息中，病例報(bào)道較多的國(guó)家分別是英國(guó)(167例)、比利時(shí)(122例)、日本(82例)、美國(guó)(79例)、中國(guó)(60例)和法國(guó)(50例)。

1:STL 1;2:SEDC;3:ACG 2;4:Kniest;5:ANFH+LCPD;6:SEMD-S;7:EO-OA;8:PLSD-T;9:EO-HM.

圖4 各疾病表型的男女患者例數(shù)

Fig.4 Number of male and female patients with different disease phenotypes

2.2 COL2A1基因突變的臨床表型

COL2A1基因突變導(dǎo)致的疾病通過(guò)常染色體顯性遺傳的方式在家族中遺傳，該基因突變會(huì)導(dǎo)致骨骼、口腔頜面、聽(tīng)力系統(tǒng)和視力系統(tǒng)的異常表型，按照疾病嚴(yán)重程度和表型特征，對(duì)COL2A1基因突變導(dǎo)致的臨床表型進(jìn)行分類(lèi)。見(jiàn)表1。

表1 COL2A1基因突變的臨床表型

2.2.1 致死型表型 該類(lèi)表型共有2種，疾病特征為胎兒圍產(chǎn)期夭折或出生后不久死亡。本研究結(jié)果顯示：Ⅱ型軟骨發(fā)育不全總計(jì)54例，患者通常會(huì)死于胎兒期或新生兒早期，該疾病的臨床特征為不完全骨化、較短軀干、窄小胸部、膨隆腹部和短肢。研究[5]顯示：Ⅱ型軟骨發(fā)育不全病患者軟骨細(xì)胞數(shù)量過(guò)多、軟骨細(xì)胞體積過(guò)大且生長(zhǎng)板紊亂。在54例突變中，比例最高為錯(cuò)義突變(50例)，錯(cuò)義突變中48例為Gly突變。

扁平椎骨骼發(fā)育不良-Torrance分型總計(jì)12例，NISHIMMRA等[6]于1979年首次描述該疾病表型，該病為致死型表型，臨床特征包括扁平椎、短肋骨、髂骨下端發(fā)育不全伴隨較寬的坐骨和恥骨，或伴隨短指及干骺端發(fā)育不良。該病12例突變中有10例突變發(fā)生在54號(hào)外顯子，可推測(cè)COL2A1基因C端前肽區(qū)的突變與該疾病有較強(qiáng)的相關(guān)性[7-8]。

2.2.2 以脊柱病變?yōu)樘卣鞯谋硇?該類(lèi)表型特征為脊柱畸形，由于并發(fā)不同程度關(guān)節(jié)病變或視聽(tīng)系統(tǒng)的病變，因此細(xì)分為多個(gè)亞型。本研究結(jié)果顯示：先天性脊柱骨骺發(fā)育不良總計(jì)88例，其臨床特點(diǎn)是身材異常矮小、骨骺異常和扁平椎體，伴隨癥狀有感覺(jué)神經(jīng)性耳聾、高度近視、平臉、腭裂、小頜畸形、齒狀突發(fā)育不全、髖內(nèi)翻、膝外翻和馬蹄足等。在88例突變中，比例最高為錯(cuò)義突變(81例)，其中有60例位于Gly-X-Y重復(fù)序列的Gly位點(diǎn)，且p.Arg989Cys位點(diǎn)多次出現(xiàn)[9-10]，可推斷該位點(diǎn)是突變熱點(diǎn)。

脊柱外周長(zhǎng)骨末端發(fā)育不良-Strudwick分型總計(jì)18例，其臨床表型特征：侏儒癥、視力近視、視網(wǎng)膜脫落、腭裂、齒狀突發(fā)育不良、胸壁前凸畸形(雞胸)、脊柱側(cè)彎、髖關(guān)節(jié)僵硬、髖內(nèi)翻、膝外翻、馬蹄內(nèi)翻足和干骺端發(fā)育不良，在14例錯(cuò)義突變中，有13例為Gly突變。脊柱手指腳趾發(fā)育不良總計(jì)8例，ZHANG等[11]于1977年首次描述該疾病，其表型特征包括椎體異常融合、髖關(guān)節(jié)異常、較短掌骨和跖骨，手指及腳趾遠(yuǎn)端指(趾)骨較短，其中7例突變發(fā)生于C末端前肽區(qū)[12-13]。脊柱干骺端發(fā)育不良-Sutcliffe分型患者臨床表型為輕度身材矮小、進(jìn)展性髖內(nèi)翻、輕度扁平椎、角骨折樣損傷(特指長(zhǎng)骨一端的角形部位骨折)，突變位點(diǎn)分別為p.Gly345Asp和p.Gly945Ser突變[14]。脊柱骨骺發(fā)育不良-Stanescu分型患者的身高正常，伴發(fā)明顯關(guān)節(jié)痛、進(jìn)展性關(guān)節(jié)腔隙狹窄、扁平椎和髖內(nèi)翻，有2例患者突變位點(diǎn)均位于p.Gly207Arg[15]。脊柱干骺端發(fā)育不良-Algerian分型患者臨床特點(diǎn)是輕度身材矮小、嚴(yán)重膝外翻(特征性表型)、輕度扁平椎和干骺端異常，KOZLOWSKI等[16]在阿爾及利亞(Algerian)家系中發(fā)現(xiàn)該表型，2013年MATSUBAYASHI等[17]報(bào)道該疾病的突變位點(diǎn)位于p.Gly861Val。脊柱關(guān)節(jié)病臨床特征僅有明顯的關(guān)節(jié)病變和扁平椎，突變位點(diǎn)分別位于p.Arg519Cys和p.Arg1076Cys[18]。

2.2.3 以關(guān)節(jié)病變?yōu)樘攸c(diǎn)的表型 該類(lèi)表型的特征為關(guān)節(jié)病變，由于伴發(fā)不同程度軟骨發(fā)育不全或視聽(tīng)系統(tǒng)病變，因此細(xì)分為多個(gè)亞型。

研究[19]顯示：Kniest發(fā)育不良總計(jì)報(bào)道了27例，該病臨床特征：身材矮小、關(guān)節(jié)腫大、關(guān)節(jié)活動(dòng)度下降、長(zhǎng)骨呈啞鈴型、胸呈鈴形、椎體扁平，常伴腭裂、聽(tīng)力缺失、突眼和近視等癥狀。在27例突變中，有5例p.Ala302突變，可推測(cè)其為突變熱點(diǎn)。多發(fā)性骨骺發(fā)育不良總計(jì)3例，臨床特征：短肢侏儒癥、關(guān)節(jié)疼痛和關(guān)節(jié)僵硬[20]，該病主要由COMP等基因突變導(dǎo)致，COL2A1基因突變位點(diǎn)分別為p.Gly1179Arg和p.Gly1176Val[21]， p.Gly678Arg突變可導(dǎo)致特征表型伴隨雙層髕骨[20]。

本研究包含股骨頭缺血性壞死和Perthes病總計(jì)14例，包括5例Perthes病(兒童型股骨頭壞死)，CHEN等[22]于2004年在臺(tái)灣家系中定位致病基因位于12號(hào)染色體，2005年LIU等[23]確認(rèn)COL2A1基因突變位于p.Gly1170Ser位點(diǎn)，其臨床特點(diǎn)：進(jìn)展性股骨溝區(qū)疼痛和髖關(guān)節(jié)退化，近年還發(fā)現(xiàn)了3例p.Gly1170Ser突變[24-26]；此外還有p.Gly717Ser、p.Gly582Ser和p.Ala184Thr這3個(gè)錯(cuò)義突變位點(diǎn)[23, 27-28]。研究[29-30]顯示：Perthes病患者中存在p.Gly672Cys、p.Gly630Ser、p.Gly546Ser和p.Gly213Asp突變。

本研究包含早發(fā)型骨關(guān)節(jié)炎總計(jì)12例，其臨床特征是關(guān)節(jié)疼痛、關(guān)節(jié)僵硬、關(guān)節(jié)腔隙狹窄、軟骨下硬化或有骨贅，最終可導(dǎo)致關(guān)節(jié)功能喪失。早發(fā)性骨關(guān)節(jié)炎不如其他表型明顯且多為伴發(fā)表型，但在少數(shù)病例中，該表型較為突出，COL2A1基因突變導(dǎo)致Ⅱ型膠原蛋白結(jié)構(gòu)異常，使關(guān)節(jié)軟骨彈性改變并最終導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎[31]，早發(fā)性骨關(guān)節(jié)炎多伴發(fā)輕度軟骨發(fā)育不良。在11例錯(cuò)義突變中有8例Arg突變?yōu)镃ys，可推斷Arg位點(diǎn)與早發(fā)性骨關(guān)節(jié)炎有關(guān)聯(lián)。

2.2.4 以眼部疾病為特征的表型 該表型的特征為視覺(jué)系統(tǒng)退化和視網(wǎng)膜脫落，由于伴發(fā)不同程度的脊柱和關(guān)節(jié)發(fā)育不全，因此細(xì)分為多個(gè)亞型。

Stickler綜合征Ⅰ型總計(jì)388例，是目前報(bào)道最多的表型。Stickler綜合征包括6種亞型，Ⅰ～Ⅲ型為常染色體顯性遺傳，Ⅳ～Ⅵ型為常染色體隱形遺傳[32]。Ⅰ型患者臨床特征為玻璃體(膜)病變，可伴隨視網(wǎng)膜脫落、面部畸形、腭裂和輕度脊柱骨骺發(fā)育異常[33-34]。本研究結(jié)果顯示：在388例突變中比例最高是移碼突變(141例)，其次是無(wú)義突變(99例)，Stickler綜合征Ⅰ型中無(wú)義突變占COL2A1中無(wú)義突變的90%(99/110)，可推測(cè)COL2A1無(wú)義突變與Stickler綜合征Ⅰ型有關(guān)聯(lián)。Wagner玻璃體視網(wǎng)膜病變的臨床特征是早期白內(nèi)障、中度近視和徑向血管周?chē)爻林?特征性視網(wǎng)膜表現(xiàn))[35]，突變位點(diǎn)分別為p.Cys57*和p.Gly267Asp[36-37]。早發(fā)型高度近視總計(jì)10例，高度近視的診斷標(biāo)準(zhǔn)是屈光度高于-0.6 D，或軸向長(zhǎng)度長(zhǎng)于26 mm，高度近視是導(dǎo)致失明的重要病因。2015年SUN等[38]進(jìn)行一項(xiàng)關(guān)于298例嚴(yán)重近視患者的研究發(fā)現(xiàn)：71例基因突變患者中有10例患者攜帶COL2A1基因突變。

2.2.5 特殊表型分類(lèi) 該類(lèi)表型表現(xiàn)為非脊柱和非關(guān)節(jié)的特殊表型，因此單獨(dú)分為一類(lèi)。研究[39-42]顯示：捷克發(fā)育不良患者總計(jì)7例，其表型為身高正常、第3和4腳趾較短(特殊表型)、進(jìn)行性假性類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、扁平椎和脊柱關(guān)節(jié)病，目前已有5例患者的突變確認(rèn)位于p.Arg275Cys位點(diǎn)。研究[43-44]顯示：4例脊柱發(fā)育不良伴軟骨瘤病患者特征表現(xiàn)為異常椎體、干骺端或長(zhǎng)骨骨干處出現(xiàn)軟骨瘤樣損傷(特殊表型)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)4例兒童患者患有該病，突變位點(diǎn)分別是p.Gly753Asp、p.Gly600Asp、p.Gly1098Glu和p.Gly606Asp。耳-脊柱-大骨骺發(fā)育不良的臨床表型主要為短肢、骨骺發(fā)育不良、面中部發(fā)育不良(鼻梁凹陷)和感覺(jué)神經(jīng)性耳聾(特殊表型)，同時(shí)常會(huì)并發(fā)腭裂及小頜畸形[45]，2005年MIYAMOTO等[46]報(bào)道了1例發(fā)生于內(nèi)含子的突變(c.709-2A>G)。

3 展 望

COL2A1基因突變導(dǎo)致一系列表型復(fù)雜的骨骼遺傳疾病，目前已報(bào)道了600多例病例，本文作者發(fā)現(xiàn)數(shù)個(gè)突變熱點(diǎn)，并推測(cè)一些潛在的基因型與表型的關(guān)系，旨在使臨床醫(yī)生更加深入了解COL2A1基因突變導(dǎo)致的遺傳疾病表型，提高臨床工作中對(duì)該遺傳疾病的診斷率，并推動(dòng)基因篩查在臨床工作中的應(yīng)用。在未來(lái)工作中還需要收集更多的病例報(bào)道和基礎(chǔ)研究，致力于探討COL2A1基因突變的具體致病機(jī)制以及明確的基因型與表型的關(guān)系。