D型短指癥與HOXD13基因的相關研究進展

劉通 陳宇 許強 姬廣林

【關鍵詞】 D型短指;球拍拇指;HOXD13基因

中圖分類號：R726.2?? 文獻標志碼：A?? DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2021.03.014

短指癥（brachydactyly，BD）是一類由于指骨或掌骨發(fā)育異常導致的指骨縮短畸形，臨床上患病率為0.41%～4.0%[1]。其中以D型短指（brachydactyly type D，BDD）最為常見，因拇指甲板和甲床的寬度大于長度，形狀短而寬，而余指體不受累，故又稱為球拍拇指（racquet thumbs）[2]。常表現(xiàn)為末節(jié)指骨發(fā)育不良，伴指間關節(jié)活動輕度受限。近年來，隨著發(fā)病率的升高，BDD越來越受到人們的重視，研究顯示HOXD13基因突變參與了BDD的形成。HOX基因屬于同源盒家族的一員，通常成簇分布、高度保守，D簇是肢體發(fā)育的關鍵，它參與發(fā)育過程中末節(jié)肢體的分化和形態(tài)發(fā)生[3～4]。但相關的致病機制尚不明確，因此BDD有關分子水平的研究在單基因病家系中有著重要的意義?，F(xiàn)對BD分類、流行病學，BDD分子遺傳學特點、與HOXD13基因的聯(lián)系及治療等研究進行綜述，以期為人類指骨發(fā)育的分子調控機制研究及治療提供參考。

1 BD分類及流行病學

根據(jù)臨床表型，可將BD分為單純型BD以及包含BD的綜合征，又因畸形發(fā)生部位和受累程度的不同，Bell將單純型BD分為A、B、C、D和E等5種類型（圖1）[1]。其中A型中指骨短;B型中指骨短且伴有指骨末端發(fā)育不全或缺如、拇指畸形、指關節(jié)粘連、并指等，為BD中最嚴重的一類;C型第Ⅱ、Ⅲ指中指骨及近端指骨異常，近端指骨分節(jié)過多;D型拇指的末端指骨短而寬;E型由于掌骨變短形成，部分患者可伴其他骨骼異常。其中A型又分為5個亞型，A1最為典型，表現(xiàn)為所有指骨的中指節(jié)縮短伴第1指的近端指節(jié)縮短，并出現(xiàn)中指節(jié)和遠端指節(jié)融合的現(xiàn)象，又稱Farabee型短指癥[5]。其次，BD可出現(xiàn)在不同種族背景的人群中。其中D型和A型最為常見，其他類型相較少見[6]。但它們的發(fā)生率在不同族群之間有著極大的差異，D型的患病率為0.41%～4.0%，其中以日本人和以色列阿拉伯人患病率最高;A型的患病率為3.4%～21%，在美國印第安人和蒙古人中更為常見[7]。此外，我國人群中也有相應的BD家系的報道[8]。

2 BDD分子遺傳學特點及相關的綜合征

BD最先于1903年被發(fā)現(xiàn)，HALL等[9]研究證實其符合孟德爾遺傳定律，通常發(fā)生于胚芽形成時（約胚胎第8周）。BDD通常以常染色體顯性的方式進行遺傳，并且女性外顯完全而男性外顯不完全，大約3/4的患者表現(xiàn)為雙手拇指對稱性短指畸形[10]。這種末節(jié)指骨的先天性畸形是由于骨膜持續(xù)生長過程中，指骨的骨骺線過早的骨化引起了閉塞，同時又失去了側指甲的褶皺，導致短而寬的指骨覆蓋于已成型的指甲板，引起B(yǎng)DD的發(fā)生[12]。致病機制方面，HOXD13基因中聚丙氨酸鏈的短縮導致的錯義突變可誘發(fā)BDD及相關的綜合征的出現(xiàn)[11]。此外，位于第20號染色體q13.3上的GNAS基因突變也參與構建人體先天性肢端畸形[12～13]。郭芮吉等[14]分別應用全外顯子測序和Sanger測序對我國3名BDD/BDE患者及其家系進行基因突變檢測，結果兩者方法檢測結果一致，提示3名患者均存在GNAS基因13號外顯子上c.A1145T雜合錯義突變，再次驗證了GNAS基因突變導致BDD存在于某些家系中。一些與BDD相關的綜合征如Rubinstein-Taybi綜合征[15]、Poland綜合征[16]、Robinow綜合征[17]如表1所示。

3 HOXD13及相關疾病的研究

HOX基因編碼一個高度保守的轉錄因子家系，這些轉錄因子在胚胎發(fā)育中起著重要作用[13]。人類HOX基因至少有39個，分為A、B、C、D四簇，依次位于染色體7pl4、17q21、12q13和 2q31，每個基因簇含9～12個基因，長度大約120 kDa，其中D簇是脊椎動物肢體發(fā)育的關鍵，位于該簇端粒和中心?；騼蓚鹊脑鰪娮诱{節(jié)著HOXD13基因的轉錄[3，18]。HOXD13基因編碼同源異型結構域轉錄因子，與肢體生長發(fā)育有著緊密的聯(lián)系，其定位于2q31.1（HOXD基因簇的5的最末端），通常含兩個外顯子，全長1365 bp，編碼區(qū)長1008 bp，編碼的蛋白質由335個氨基酸組成。其產物在3端是一個180 bp的同源盒功能域，5端則含兩個聚絲氨酸鏈和一個聚丙氨酸鏈[19]。按照5端→3端方向進行轉錄，在每個基因簇中的基因其自然位置與發(fā)育過程中的表達方式相對應，在特定的位置依次進行表達或沉默。因此接近尾端（5端）的HOXD13基因一般較晚表達[20～21]。HOXD13基因常表現(xiàn)于體軸遠端及神經(jīng)外胚層末端，“掌管”著早期胚胎肢芽和指骨結構的發(fā)育，亦是造成并多指畸形（synpolydactyly，SPD）、BDD、BDE的重要因素[22～23]。此外，HOXD13基因還參與其他系統(tǒng)的形成，KAJIOKA等[24]通過原位雜交檢測出HOXD13在生殖結節(jié)間質中表達，參與外生殖器的形成。WIESEMANN等[6]報道了一例同時患有SPD的母子。母親在HOXD13基因中有一個新的移碼突變（c.708 - 708delc），在胎兒中也發(fā)現(xiàn)了這種突變，胎兒的染色體微陣列是正常的，胎兒除了SPD外還伴有先天性臍膨出。但HOXD13移碼突變與SPD胎兒臍膨出之間的聯(lián)系尚不明確，有待進一步研究證實。同時，HOXD13基因的甲基化參與了部分腫瘤的進展，如乳腺癌和膽管細胞癌[25～26]。此外，該基因的表達水平與腫瘤的發(fā)病率呈正相關，這一點在散發(fā)性乳腺癌患者的低生存率、預后方面的研究中得以證實[27～28]。

4 BDD與HOXD13的聯(lián)系

如前所述，HOXD13是編碼與肢體末端生長發(fā)育相關的同源異型結構域轉錄因子基因。BDD均可由HOXD13基因突變引起。NELSON等[29]通過雞的動物實驗發(fā)現(xiàn)HOXD13基因的突變在四肢形成期得到了相應的表達，這種突變包括錯義及無義突變等。短指畸形大部分是由HOXD13基因中聚丙氨酸鏈的延展或縮短所造成，聚丙氨酸鏈結構在轉錄因子中廣泛存在，可進行轉錄調控或介導蛋白質間的相互作用[30～31]。短鏈聚丙氨酸鏈（7個丙氨酸殘基）形成α螺旋，長鏈（>10個丙氨酸殘基）形成β折疊[32]。聚丙氨酸鏈的延展或縮短可阻礙HOXD13基因與轉錄因子的相互作用，進一步誘發(fā)蛋白質的快速加工過程[33]。聚丙氨酸鏈延展參與了SPD的形成，而聚丙氨酸鏈的縮短所致的錯義和無義突變均可引起B(yǎng)DD及相關的綜合征，并與NOTCH信號通路共同參與誘導骨的增殖、分化[34]。以下就分基因突變和信號通路兩個方面闡述BDD與HOXD13基因的聯(lián)系。

4.1 HOXD13基因的突變

JOHNSON等[35]在對HOXD13基因的研究中發(fā)現(xiàn)兩種位于HOXD13基因同源盒的錯義突變：c. 940 A > C（p.I314L）和c. 923 C > G（p.S308C），均產生于HOXD13基因的第二外顯子同源結構域，其中位于同源結構域第47位的亮氨酸對DNA結合引起了BDD的發(fā)生。c. 940 A > C突變的患者第Ⅲ掌骨短縮、第Ⅴ指并指，同樣的突變在一個連續(xù)Ⅵ代出現(xiàn)短指和多指的家族中也被檢出[36];c. 923 C >G突變產生于一個早期報道為BDD的家族，家族中大多數(shù)患者掌骨縮短同時伴有拇指遠節(jié)指骨的縮短[37]。通過體外DNA-蛋白質結合試驗顯示：與野生型HOXD13蛋白相比，發(fā)生c. 923 C >G突變的蛋白結合DNA的能力并未出現(xiàn)明顯的改變，而是其突變的HOXD13蛋白與其核心結合序列5-TTAC-3的親和力增強，與結合序列5-TTAT-3的親和能力減弱，這種復合效應可以由引起改變的氨基酸側鏈上甲基化位點與相關堿基之間相互作用，從而引起B(yǎng)DD的發(fā)生[23]。ZHAO等[33]在一個短指畸形家族中發(fā)現(xiàn)由HOXD13聚丙氨酸鏈縮短導致的錯義突變，該家族所有的肢端畸形呈現(xiàn)對稱性分布，并顯示與BDD和SPD密切相關，BROWN等[30]用兩點連鎖分析法將其致病基因定位于D2S1379-D2S324，5HOXD基因測序指出，HOXD13基因中聚丙氨酸鏈發(fā)生縮短突變：由正常的15個丙氨酸縮短為8個。先前有研究認為HOXD13基因聚丙氨酸鏈在一定范圍之內的延長或縮短是一種多態(tài)現(xiàn)象，但當缺失的丙氨酸數(shù)目>7個就可能引起肢端畸形[33]。隨后KUSS等[38]在小鼠相關模型中進一步提出HOXD13基因的突變經(jīng)視黃醇通道下調了視黃酸的水平，誘導指狀組合型軟骨的生成，從而改變了正常的排列結構。在對一短指畸形家系的研究中發(fā)現(xiàn)，患者攜帶有HOXD13基因內的一個無義突變c.820C > T（p.R274X）[39]。

4.2 NOTCH信號通路

NOTCH信號通路對早期胚胎發(fā)育具有極大影響，也參與誘導骨的增殖、分化，是調控骨代謝的重要途徑之一。通過熒光素酶報告系統(tǒng)和實時定量PCR發(fā)現(xiàn)HOXD13基因的過表達會引起CHSY1基因的上調[40]。CHSY1基因是通過調控NOTCH信號通路影響軟骨的發(fā)育[41]。早期在斑馬魚動物實驗得出：骨骼和胸鰭的發(fā)育過度生長，表明CHSY1基因的缺失會導致NOTCH信號通路上調;WILSON等[42]用同樣的方法在小鼠上觀察到軟骨發(fā)育不良、骨密度下降、遠節(jié)指間關節(jié)移位致使BDD等現(xiàn)象，進一步證明了NOTCH信號通路在指骨發(fā)育中的重要作用，也證實了CHSY1與HOXD13基因有著密切的關系，但究竟以何種方式相聯(lián)系，還需要進一步研究[43～44]。

5 BDD的防治措施

目前BDD主要依賴超聲進行篩查，然而肢端發(fā)育的異常在胚胎早期很難進行觀察及干預?，F(xiàn)今對于該類畸形最好的辦法還是在妊娠期采用超聲技術進行排查。對于生育的畸形患兒可以采用外科技術及義肢進行修復或彌補，但治療方式現(xiàn)今尚無統(tǒng)一的標準，對于單純短指一般不需特殊處理，但如果嚴重影響了手指的功能或伴有并指畸形，則需要手術進一步有效干預，手術一般選擇兩歲后進行。手術的目的一是為了恢復手的功能;二是改善形態(tài)，并盡量避免或減輕后遺癥，目前有指骨延長[45]、植骨成形[46]、修復重建[47]等治療方法，對伴有SPD的患者可采用分指術，很大程度可以緩解畸形，讓患者投入到正常的生活和工作中。隨著科技的進步，近年來提出的仿生技術（丙烯酸材料假指關節(jié)），可根據(jù)患者手指正常生理長度及外形定制生物型仿生手指，加上當今3D打印技術及神經(jīng)科學的發(fā)展，人工生物肢體技術將有可能在BDD的治療中發(fā)揮著重要作用[48]。同時，精準醫(yī)學的理論構建也有了新的支持，這無疑提供了一種新的治療理念，開拓了新的思路。

6 展望

綜上，指骨發(fā)育是一個動態(tài)的過程，受到基因及信號通路的調控。HOXD13作為BDD發(fā)生的關鍵基因，其作用機制、分子水平的探索研究，對了解遺傳性肢體畸形有著極其重要的意義。治療方面，再生醫(yī)學展示了良好的前景，滿足精準醫(yī)療的要求。但如果基因檢測技術應用于胚胎發(fā)育的初期，使其得到相關的檢測及早期的干預，將有助于指導此類患者的合理治療。隨著BDD在分子水平上的研究，指骨發(fā)育的過程有望得到進一步細致的探索，并且可以通過更多分子水平上的手段得到更多對其治療的新思路和新方法;研究方面，對可能具有致病基因的突變進行功能性的實驗研究，基因篩查對遺傳病因的鑒定，為進一步建立有效的干預手段提供基礎的同時，也為臨床表型分類和遺傳咨詢提供了精確的科學依據(jù)。

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（收稿日期：2021-01-09 修回日期：2021-01-26）

（編輯：梁明佩）