先天性頸椎融合畸形的病因學研究進展*

姚思遠 劉書中 李政垚 李子全 王牧川 牛潼 高晨郜 王以朋

（中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院北京協(xié)和醫(yī)院骨科，北京 100730）

先天性頸椎融合畸形，是脊柱外科中一種罕見的先天性疾病，以短頸、低后發(fā)際線與頸部活動受限為經典臨床三聯(lián)征[1]。此外，KFS患者常有頸痛、疲勞、頭暈癥狀[2]，遭受輕微外傷即可出現(xiàn)頸椎骨折、脫位[3]，且可合并有骨關節(jié)系統(tǒng)[4,5]、神經系統(tǒng)[6]、泌尿生殖系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)畸形表現(xiàn)[7,8]，嚴重影響患者的身心健康[9]。該病于1912年由Maurice Klippel與Andre Feil共同歸納總結，故又稱為Klipple-Feil綜合征（Klipple-Feil syndrome,KFS）。最初，文獻報道KFS發(fā)病率約為1/40000，女性稍多于男性[1]。但近年來學者普遍認為，由于部分患者起病隱匿，患者的臨床表現(xiàn)存在較大異質性，且過往缺乏簡便易行的普查手段，故這一發(fā)病率很可能被低估[10]。KFS患者早期通常無明顯頸部活動受限及神經癥狀，或僅因其他骨骼及臟器畸形就診而忽視頸椎病變，這也為KFS的早期診斷與合理干預帶來了極大的挑戰(zhàn)。

迄今為止，KFS的病因學及發(fā)病機制尚未完全明確。在早期的群體遺傳學研究中，有學者發(fā)現(xiàn)部分KFS患者有一定的家族聚集與遺傳傾向。近年來，文獻報道在KFS患者中檢測出多種染色體異常以及基因突變類型，同時在對22q11.2染色體缺失綜合征等患者的觀察統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，伴發(fā)先天性頸椎融合的比例明顯高于正常人群[11]。目前已知的KFS致病基因功能多與胚胎體節(jié)分化、骨骼發(fā)育等過程密切相關[12]。因此，主流研究觀點認為遺傳因素在KFS的發(fā)病過程中起到決定性作用[13]。現(xiàn)就近年來KFS病因學及發(fā)病機制的研究進展進行綜述。

1 胚胎學研究

KFS并無頸椎缺失，其成因是胚胎發(fā)育過程中出現(xiàn)異常。若胚胎在頸部分節(jié)階段出現(xiàn)分節(jié)與再分節(jié)異常，或因椎間盤發(fā)育不良、繼而椎間隙骨性融合，均可導致KFS的發(fā)病。在胚胎發(fā)育過程中，枕部第4生骨節(jié)（4thoccipital sclerotome），即前寰椎（proatlas），與頸部第1生骨節(jié)（1stcervical sclerotome）共同影響寰椎形成，若這兩部分結構分離失敗，則會引起寰椎枕化（atlas occipitalization,AOZ），即寰枕融合。Natsis等發(fā)現(xiàn)由于脊椎間發(fā)育分化的相關性，AOZ可能與頸椎融合、半椎體等先天脊柱畸形并存[14]。人體脊椎與其他部位分化起源亦具有同源性，與肋骨、泌尿系統(tǒng)以及顏面等發(fā)育過程密切相關，因此在胚胎早期出現(xiàn)頸椎分化發(fā)育異常，常并發(fā)其他系統(tǒng)畸形。由于脊柱分節(jié)等形成過程自頭側向尾側進行，因此頸椎分節(jié)不良等發(fā)育異常發(fā)生時間更早，相比于腰骶椎等尾側椎體發(fā)育異常，對胎兒的不良預后影響更為顯著[15]。

2 遺傳學研究

2.1 群體遺傳學研究

目前遺傳學研究發(fā)現(xiàn)KFS并非單一遺傳方式，既有顯性致病基因又存在隱性致病基因[16]，除多數以常染色體為載體遺傳外，還可能存在X染色體連鎖的遺傳模式。同時部分致病基因的外顯性較弱，呈半顯性或呈多基因遺傳[17]。1919年Feil首先根據KFS患者脊柱融合節(jié)段將其分為三型：Ⅰ型為頸椎或上胸椎廣泛融合，Ⅱ型為僅累及1～2個椎間隙，Ⅲ型為頸椎合并下胸椎或腰椎融合。根據Feil分型，文獻報道Ⅰ型與Ⅲ型KFS常為常染色體隱性遺傳，而Ⅱ型KFS中常染色體顯性遺傳居多[18]。1998年Clarke等綜合頸椎融合節(jié)段、可能的遺傳模式以及與伴發(fā)畸形的關系，將KFS分為以下4型[17]。KF1型：存在C1融合，即寰枕融合或寰樞椎融合，呈常染色體隱性遺傳；KF2型：C2-C3為融合頭端，呈常染色體顯性遺傳；KF3型：C2-C3或C3-C4為融合頭端，呈常染色體隱性遺傳或不完全顯性遺傳；KF4型：頸椎融合合并眼部異常，可能為X染色體連鎖遺傳。后有學者將該分型命名為Wildervanck綜合征，或稱頸眼耳綜合征（cervico-oculo-acoustic syndrome），表現(xiàn)為Klippel-Feil畸形、Duane綜合征（Duane retraction syndrome,DRS）以及先天性耳聾，是一種X連鎖遺傳性疾病[19]。

2.2 細胞遺傳學研究

在染色體水平的研究中，學者發(fā)現(xiàn)部分KFS患者存在染色體異位、缺失、重復等異常[20,21]。Dabkowska-Huc等對1例MURCS聯(lián)合征（MURCS association）患者進行了病因研究，MURCS聯(lián)合征即米勒管發(fā)育不全（Müllerian duct aplasia）、腎發(fā)育不全（renal aplasia）以及頸胸體節(jié)發(fā)育不良（cervicothoracic somite dyspla?sia），研究發(fā)現(xiàn)5號染色體5q35.1段重復，但具體基因功能尚不明確[20]。另外，Coman等報道了2例9p四體的限制性胎盤嵌合體（confined placental mosaicism,CPM）患者，均診斷為脊柱肋骨發(fā)育不全（spondylo?costal dysostosis,SCD），表現(xiàn)為廣泛的頸椎與胸椎先天融合畸形，表明部分類型染色體重復可能影響頸椎分節(jié)[22]。除染色體重復外，片段缺失同樣對頸椎發(fā)育產生重要影響。Tamai等在2004年對71例22q11.2染色體缺失綜合征（22q11DS）患者的頸椎X線進行分析，發(fā)現(xiàn)34%存在C2-C3頸椎融合，且其中56%存在鄰近節(jié)段的過度活動表現(xiàn)[23]。隨后Konen等在2008年對此進一步驗證，發(fā)現(xiàn)45例22q11DS患兒中，97.7%存在不同類型的C1-C2椎體發(fā)育異常，32%的患兒具有C2-C3融合表現(xiàn)，與Tamai等的統(tǒng)計結果基本吻合[11]。Hamidi等在對16例22q11DS患者的研究中表示，與匹配對照組相比C1發(fā)育異常具有統(tǒng)計學意義，且C2-C3椎體有融合趨勢（P＜0.05）[24]。

3 基因組學研究

3.1 基于病因學的臨床分型

由于KFS遺傳和表型的不均一性，潛在的分子病因學至今仍未完全闡釋清楚。近年來，國內外學者已經在KFS人類家系中依次發(fā)現(xiàn)GDF6、MEOX1、GDF3、MYO18B等基因突變。這些突變類型在后續(xù)文獻報道中已得到進一步驗證，并對其功能進入了深入探究?；谝陨?種致病基因類型將KFS分為KFS 1、KFS 2、KFS 3、KFS 4四型[13]。

KFS 1型：即GDF6突變，表現(xiàn)為常染色體顯性遺傳，GDF6基因位于8q22.1，所編碼的蛋白質對骨骼發(fā)育產生重要作用。

KFS 2型：即MEOX1突變，表現(xiàn)為常染色體隱性遺傳，MEOX1基因位于17q21.31，由MEOX1基因編碼的蛋白質，稱為同源框蛋白（homeobox protein）MOX-1，是一種在體細胞發(fā)育過程中具有明確作用的轉錄因子，通過轉錄調控和信號途徑，在早期發(fā)育過程中參與調節(jié)椎骨分離的過程[12]。純合MEOX1突變大鼠可模擬出類似人類KFS的表型[25]，敲除ME?OX1則可引起大鼠頸部骨骼缺陷[12]，Dauer等發(fā)現(xiàn)me?ox1cho突變型斑馬魚具有許多類似KFS的表現(xiàn)，包括先天性椎體融合及脊柱側凸等[26]。

KFS 3型：即GDF3突變，表現(xiàn)為常染色體顯性遺傳，GDF3基因位于12p13.31，GDF3基因與GDF6基因類似，參與編碼骨關節(jié)發(fā)育相關生長分化因子[27]。值得一提的是，該型常存在于Feil Ⅱ型KFS患者中[13]。

KFS 4型：即MYO18B突變，表現(xiàn)為常染色體隱性遺傳，MYO18B基因位于8q22.1，編碼的MYO18B是一種非典型肌球蛋白，在骨骼肌與心肌組織中表達為主，對肌原纖維結構的發(fā)育與維持至關重要[28]。Ajima等發(fā)現(xiàn)將大鼠的MYO18B基因敲除后，大鼠將出現(xiàn)心肌肌原纖維排列紊亂，從而導致胚胎死亡[28]。Alazami等對于兩例KFS患者的報道，在電子顯微鏡下發(fā)現(xiàn)病變肌肉中存在異常的肌球蛋白絲[29]，Gurung等在MYO18B突變的斑馬魚模型中發(fā)現(xiàn)了骨骼肌肌節(jié)組裝異常的情況[30]。在臨床病例觀察中，MYO18B的無義突變可導致先天性頸椎融合畸形之外，常會伴發(fā)部分先天性肌病和特征性面部畸形，由此推測MYO18B缺失可能與合并肌肉發(fā)育障礙的KFS類型相關[31]。MYO18B也被認為是一種腫瘤抑制基因，Schieffer等報道了一例KFS與大細胞間變性髓母細胞瘤共病的獨特病例，髓母細胞瘤表達的MYO18B水平升高，推斷為一個功能失調的蛋白質，與先前報道的致病性MYO18B變體非常接近，該基因的致病機制值得進一步探索[32]。

以上4種基因不是KFS所特異的基因突變類型，且這些突變基因僅能解釋部分KFS患者的發(fā)病，部分散發(fā)KFS患者中未檢測出相關基因突變[33]。

3.2 致病基因研究

除上述GDF6、MEOX1、GDF3、MYO18B 4種致病基因外，國際上已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)眾多其他KFS基因突變類型。Karaca等利用外顯子組測序，在KFS患者Rippy2基因中鑒定出一個純合移碼突變，呈常染色體隱性遺傳，該基因在體細胞通過負調控TBX6參與Notch信號通路[34]。值得注意的是，Notch通路被證實在大鼠體節(jié)發(fā)育過程中起到重要作用，該通路中的Dll3突變可造成人體脊椎發(fā)育障礙[35]，可能是未來學者對KFS致病基因作用通路研究的關注對象。近期，李子全等對37例中國漢族的KFS患者進行全外顯子組測序后，在96個與椎骨分離缺陷相關的候選基因中，進一步進行基因負荷檢驗分析，篩選出5種與KFS相關的基因，分別為BAZ1B、FREM2、SUFU、VANGL1和KMT2D，可能是KFS的候選致病基因。該研究確定BAZ1B與KFS的關聯(lián)概率最高，其次是FREM2、SU?FU、VANGL1和KMT2D。此外，在這37例患者中有7例存在多個基因位點的變異，這提示可能是多基因共同作用導致了KFS的發(fā)病[36]。另外，同源框（ho?meobox,Hox）基因是一個可以調控軸向骨發(fā)育順序及分化過程的基因家族，Hox基因突變會導致大鼠枕骨與寰椎的異常分化或骨性融合[37]。PAX基因家族是人類的發(fā)育調控基因，在軸向骨架的發(fā)育中起著重要作用，目前證實PAX1對調控大鼠體節(jié)分化具有重要影響，該基因家族可能參與到KFS的發(fā)病過程中[38]。

3.3 合并KFS的綜合征相關病因學研究

由于KFS常合并有全身多發(fā)畸形或其他病變，其嚴重程度可能較頸椎異常更加突出。因而頸椎融合畸形可作為其中一種次要合并表現(xiàn)，對其病因的研究常常體現(xiàn)在其他病例報道中。如Roberti等報道了1例Diamond-Blackfan貧血合并II型KFS畸形患者，發(fā)現(xiàn)在染色體12q13.2-q13.3處存在一段長約500 kb的缺失，其中包括RPS26和至少25個旁側基因[39]。Abu-Amero等在Wildervanck綜合征患者中發(fā)現(xiàn)在X染色體Xq26.3處有一個3 kb的缺失，該段缺失僅包含一個基因，即成纖維細胞生長因子同源因子13（FGF13），它編碼一種216個氨基酸的蛋白質，通過在神經元內的表達對大腦發(fā)育起到重要作用，且未發(fā)現(xiàn)該患者HOXA1、KIF21A、SALL4和CHN1的基因突變[19]。Duane綜合征是一種先天性腦神經功能障礙疾病，表現(xiàn)為眼直肌運動障礙和內轉時眼球內陷，Abu-Amero等在另一篇關于Duane綜合征患者的病因探究中，發(fā)現(xiàn)1例年輕女性患者合并有KFS，該患者未發(fā)現(xiàn)SALL4、CHN1、HOXA1和TUBB3基因突變，而存在兩段染色體缺失，在染色體12q24.31處發(fā)現(xiàn)一段21 kb的缺失，該片段僅存在一段編碼環(huán)指蛋白34、E3泛素蛋白連接酶（RNF34）的基因；而在染色體上22q13.31的一段11 kb缺失，其包含基因負責編碼過氧化物酶體增殖物激活受體α（PPARA）[21]。Gi?ampietro等調查了患有KFS且合并Treacher-Collins綜合征的一位父親與其兩名女兒，全外顯子組測序發(fā)現(xiàn)POLR1D（RNA聚合酶Ⅰ和Ⅱ的亞單位）編碼基因存在非同步性突變，且認為KFS和TCS之間在病因及發(fā)病機制上存在聯(lián)系[40]。脊柱肋骨發(fā)育不全是一種以脊椎分割缺陷以及肋骨畸形為特征表現(xiàn)的先天性疾病，根據基因突變類型將其分為3型，分別為DLL3（1型）、MESP2（2型）和LNFG（3型），均呈現(xiàn)常染色體隱性遺傳，以上3個基因均被證實參與了Notch信號通路中[22]。

4 小結與展望

近年來，學者發(fā)現(xiàn)KFS更傾向于是一種以遺傳因素為主導的綜合性疾病。由于KFS病因復雜，發(fā)病形式多樣，且近期調查發(fā)現(xiàn)其發(fā)病率遠高于既往報道，KFS的病因學及發(fā)病機制受到了國際上越來越多學者的關注。隨著KFS相關病例報道的增加，以及學者對KFS的遺傳學、基因組學等基礎研究的逐漸深入，KFS的病因與發(fā)病機制正在一步步地被揭示。近年來，國內外學者已在臨床確診病例中發(fā)現(xiàn)眾多特定的染色體異常以及基因突變類型，且部分基因突變可以在后續(xù)報道中的其他KFS患者中得到證實。但由于KFS患者以散發(fā)分布為主，或僅為小規(guī)模家族聚集，病例間表型差異較大，仍有大量病例無法用目前的研究成果解釋發(fā)病原因及過程，也未在蛋白質組學以及代謝組學中形成明確的通路或網絡體系構建。筆者希望本文可以為KFS的病因學研究提供更多線索和證據，并為該病的早期篩查、精確診斷及合理治療提供一定的理論依據。