多囊卵巢綜合征的遺傳學研究進展

李春竹,邢川綜述 何冰審校

多囊卵巢綜合征(polycystic ovary syndrome，PCOS)，也稱Stein-Leventhal綜合征，是最常見的生殖內分泌代謝疾病，全球患病率為5%～15%[1]。 目前PCOS的診斷使用鹿特丹共識標準，需至少滿足以下2項：高雄激素血癥、少經或閉經和多囊卵巢樣改變。PCOS患者常伴發(fā)肥胖、IR、血脂紊亂及促性腺激素分泌異常等[2]。PCOS被認為是一種病因未明的多基因遺傳病[3]，近來研究者主要通過候選基因關聯(lián)分析法和全基因組關聯(lián)研究(genome-wide association study，GWAS)來尋找PCOS 關鍵的致病基因，結合基因路徑研究分析基因作用的分子機制。

1 多囊卵巢綜合征的基因組學

1.1 候選基因關聯(lián)研究 候選基因關聯(lián)研究是基于已有研究結果假設某段基因序列的變異是影響疾病表型變異的主基因，借助基因擴增等實驗技術，采用病例對照設計方法來比較病例組與對照組候選基因的組間差異，以此來確定候選基因與表型變異是否存在關聯(lián)。借此篩選出的重要基因，包括參與體質量和能量調節(jié)的基因如與脂肪質量和肥胖相關基因FTO和 MC4R基因；參與雄激素生物合成轉運、作用和調節(jié)的AR基因，代謝酶CYP基因如CYP17、CYP11A、CYP19、CYP21基因，SHBG基因，17β羥基脫氫酶HSD17β基因，5-α還原酶基因,FSHR基因，LHCGR基因;胰島素抵抗有關基因：胰島素基因，胰島素受體基因，胰島素受體底物基因，CAPN10基因,PPAR基因；慢性炎性反應相關基因如TNF-α基因和IL基因等[4]。

1.2 全基因組關聯(lián)研究(GWAS) GWAS被認為是闡明疾病復雜遺傳易感機制的強有力工具，與候選基因關聯(lián)分析策略明顯不同，GWAS 是應用人類全基因組范圍內的單核苷酸基因多態(tài)性SNPs 為標記，在大樣本量的研究對象中篩選與疾病或性狀相關的位點，然后在獨立的人群中進行驗證，最終確定關鍵性的 SNP 位點[5]。截至2018年，中國、韓國、歐洲通過GWAS共確定了如下與PCOS 具有顯著關聯(lián)的易感基因及SNP位點：DENND1A(rs2479106)，INSR(rs2059807)，YAP1(rs1894116、rs11225154)，C9orf3(rs4385527)，RAB5B/SUOX(rs705702)，HMGA2(rs2272046)，TOX3(rs4784165)，SUMO1P1/ZNF217(rs6022786)，THADA(rs13429458)，FSHR(rs2268361、rs2349415)，LHCGR/GTF2A1L(rs13405728)，GATA4/NEIL2(rs804279)，ERBB4(rs1351592)，KCNA4/FSHB(rs11031006)，RAD50(rs13164856)，KRR1(rs1275468)，KHDRBS3(rs10505648)，PLGRKT(rs10739076), ZBTB16(rs1784692 )，MAPRE1(rs853854)。多個基因已在不同區(qū)域的PCOS患者人群中得到了驗證，這些相關基因與胰島素信號通路、細胞增殖凋亡、組織器官大小、性激素功能、鈣信號通路和細胞內吞等有關，為深入研究 PCOS 的發(fā)病機制奠定了基礎。

1.3 基因路徑分析法 大多數通過GWAS識別的SNPs缺乏功能相關性，存在與某種疾病顯著相關的SNPs可能由于效應小而不能被識別的缺陷。基于路徑的基因分析法將GWAS結果與生物路徑中的基因相結合，根據所有基因統(tǒng)計學意義的大小對所有基因進行排序，賦予潛在與疾病相關的基因更大效應，能更好地檢測出可能被遺漏的基因。Shim等[6]采用基因路徑分析法發(fā)現PCOS涉及的10種生物路徑中與排卵和胰島素分泌有關的途徑，包括卵母細胞減數分裂途徑，乙酰膽堿和游離脂肪酸調節(jié)胰島素分泌途徑等，這些均是與PCOS相關的重要途徑。此外，INS、GNAQ、STXBP1、PLCB3、PLCB2、SMC3和PLCZ1也是在生物學途徑中觀察到的重要基因。

2 多囊卵巢綜合征的表觀基因組學

雖然PCOS的基因組研究確定了許多PCOS的關鍵易感基因，但用來解釋 PCOS 病因和臨床表現的復雜性仍十分困難，大量證據說明環(huán)境因素和遺傳因素對 PCOS 病因的影響，因此表觀遺傳學在 PCOS 發(fā)生發(fā)展中的作用日益受到重視。表觀遺傳(epigenetic)是指基于所研究基因的核苷酸序列沒有改變，其所對應序列的修飾發(fā)生改變所致基因表達水平的變化，主要包括 DNA 甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA(non-coding RNA,ncRNA)的改變。

2.1 多囊卵巢綜合征的DNA甲基化 DNA 甲基化被稱為酶促反應，是在DNA甲基轉移酶(DNA methyltransferase,DNMT) 的作用下胞嘧啶嘧啶環(huán) 5’位置的碳上添加甲基，然后在鳥嘌呤上添加 CpG 二核苷酸的過程。 DNA 甲基化的改變可能促進了涉及炎性反應，激素合成的信號傳導，以及葡萄糖和脂質代謝基因的失調，對疾病的發(fā)病機制造成影響。

2.1.1 外周血及臍帶血DNA甲基化：PCOS患者全血中存在大量差異甲基化的基因組位點，這些位點及其豐富的功能途徑與不同的臨床特征(催乳素、雌二醇、孕酮和月經周期)顯著相關[7]。Lambertini等[8]通過檢測臍帶血的DNA甲基化水平及表達情況來探討雄激素水平正常的PCOS患者宮內環(huán)境是否會影響人類胎兒表觀遺傳基因。結果發(fā)現調節(jié)激素分泌的雌激素受體α基因，控制線粒體活動的APP和PARK2基因，參與葡萄糖代謝的INS基因均發(fā)生不同程度的甲基化。說明DNA甲基化參加了PCOS糖毒性和全身性炎性反應狀態(tài)的誘導。

2.1.2 卵巢DNA甲基化：Sagvekar等[9]對PCOS患者卵丘GC進行DNA甲基組譜分析，發(fā)現PCOS中共有6 486個CpG位點存在不同程度的甲基化，涉及3 840個介導炎性反應的相關基因。它們主要與高雄激素血癥、黃體減少和卵母細胞發(fā)育缺陷有關。然而也有學者觀察到卵丘顆粒細胞(CGCs)僅存在單一CpG位點(CpG-4)持續(xù)的低甲基化[10]，CpG-4的低甲基化與PCOS的易感性密切相關。Jiang等[11]觀察到GC中YAP1啟動子的低甲基化促進了PCOS易感基因YAP1的表達。Pan等[12]發(fā)現PCOS患者GC中與脂質和類固醇合成相關的幾個基因啟動子呈低甲基化，這可能部分解釋了PCOS高雄激素血癥的機制。

2.1.3 子宮內膜DNA甲基化：我國研究者對80例PCOS患者按是否合并胰島素抵抗分為IR-PCOS和NIR-PCOS組，每組各40例，比較2組患者子宮內膜組織胰島素受體INSR基因甲基化水平和在DNA甲基化過程中具有重要作用的DNMT表達水平[13]。結果2組均未檢出INSR基因完全甲基化患者，但IR-PCOS組部分甲基化檢出率高于NIR-PCOS組。IR-PCOS組 DNMT3b表達水平顯著高于NIR-PCOS組。DNMT3b主要作用是催化DNA甲基化新生位點，在腫瘤異常甲基化的發(fā)病機制中起到重要作用。這一結果說明PCOS屬于表觀遺傳學疾病，且合并IR的PCOS患者是子宮內膜癌的高發(fā)人群[13]。

2.1.4 骨骼肌組織DNA甲基化：Nilsson等[14]對17例PCOS女性和14例對照組女性的骨骼肌組織進行DNA分析，結果顯示對骨骼肌功能和代謝中有影響的基因(如 MAP2K6 和COL1A1)表達差異最大且與 DNA 甲基化有關。雄激素可下調 COL1A1 和MAP2K6 的表達水平，其中COL1A1的表達與脂肪細胞大小、C肽水平和HOMA-IR指數呈負相關。

2.1.5 脂肪組織DNA甲基化：Kokosar等[15]發(fā)現PCOS女性皮下脂肪組織中的全基因組 mRNA 表達發(fā)生了改變，并且?guī)讉€基因與IR、脂肪細胞大小和高雄激素血癥相關。研究還發(fā)現 mRNA 表達的下降與 DNA 甲基化的增加平行，表明 DNA 甲基化會降低轉錄活性。Jones等[16]觀察到PCOS脂肪組織LHCGR基因位點的甲基化減少，INSR基因位點的甲基化增加，說明DNA甲基化對代謝有影響。而低頻電刺激針灸可改變 PCOS 婦女脂肪組織的表觀遺傳和轉錄水平，可促進PCOS婦女代謝功能障礙的恢復[17]。

2.1.6 下丘腦DNA甲基化：有研究發(fā)現PCOS大鼠的DNA甲基化水平和DNMTs表達均增加，低頻電針刺激可降低PCOS大鼠DNA甲基化水平和DNMT3b的表達[18]。提示下丘腦DNA甲基化可能與PCOS的發(fā)生發(fā)展有關，電針對PCOS大鼠下丘腦DNA甲基化有影響。

2.2 多囊卵巢綜合征的組蛋白修飾 組蛋白修飾與DNA甲基化存在內在聯(lián)系。涉及PCOS的組蛋白修飾多為組蛋白甲基化和乙酰化。Guo等[19]發(fā)現PCOS綿羊(產前經睪酮處理)的卵泡膜中組蛋白H3 Lys4位點(H3K4)二甲基化增加，GC中H3K9三甲基化增加，Eini等[20]在用脫氫睪酮處理的PCOS小鼠卵母細胞中H3K9的甲基化和二甲基化顯著減少，這與H4K12乙?；脑黾佑嘘P，最終可能影響PCOS卵母細胞的成熟。雖然國內外報道的研究結果有限，但可以證明組蛋白修飾參與PCOS的卵巢功能障礙。

2.3 多囊卵巢綜合征非編碼RNA(ncRNA)變化

2.3.1 長鏈非編碼RNA(lncRNA)：lncRNA是一類長度超過200個核苷酸的不編碼蛋白質的RNA。有臨床研究證據表明，lncRNA參與了PCOS的發(fā)生發(fā)展。在PCOS中高表達的lncRNA有l(wèi)ncRNA H19、BANCR、CTBP1-AS、lncRNA CD36-005、lncRNA甾體激素受體RNA激活物，低表達的有生長特異抑制物5、端粒RNA等。

2.3.2 微小RNA(microRNA,miRNA)：miRNA是內源產生的短鏈ncRNA，由21～25個核苷酸組成，廣泛存在于不同的組織環(huán)境中。miRNA 的異常表達與多種疾病有關，包括糖尿病、子宮內膜異位癥和癌癥等。在生物醫(yī)學和生物技術應用中，miRNA 可能被用作一類新的生物標志物或治療靶標。近期報道PCOS女性的卵巢、血清中均能檢測到miRNA的異常表達，主要包括miR-324-3p、miR-204、miR-92a、miR-92b、miR-145、miR-182、miR-601、miR-93、miR-21、miR-320、miR-23a、miR-320、miR-130b-3p等，miRNA的異常表達對PCOS 的發(fā)生和發(fā)展至關重要。

2.3.3 lncRNA-miRNA-基因網絡：PWRN2是一種ncRNA，與PCOS患者卵母細胞核成熟有關。最近研究發(fā)現，PWRN2與miR-92b-3p 和TMEM120B基因存在關聯(lián)。TMEM120B 是一種脂肪特異性核被膜跨膜蛋白，可能在脂肪生成中起重要作用。在 PCOS 中，上調的 TMEM120B 將促進脂肪細胞分化/代謝并誘導肥胖。研究表明，嚴重肥胖與受精卵母細胞中紡錘體異常有關[21]。TMEM120B基因被證明是miR-92b-3p的靶基因。PWRN2 可以通過競爭性地結合miR-92b-3p，減少 miR-92b-3p 與 TMEM120B 基因結合靶點的可用性以調節(jié)基因TMEM120B表達，最終引起 PCOS卵母細胞發(fā)育的代謝異常。

3 多囊卵巢綜合征的微生物組學

腸道微生物區(qū)系通過影響生理、新陳代謝、營養(yǎng)和免疫功能在人體中發(fā)揮重要作用。PCOS婦女腸道微生物群落的總體細菌物種豐富度(α多樣性)顯著降低，細菌類群的豐度也發(fā)生了變化[22]。合并IR的PCOS患者腸道微生物失調更明顯。Zeng等[23]采用16S rRNA基因測序比較NIR-PCOS和IR-PCOS患者腸道微生物組成，發(fā)現IR-PCOS中類桿菌科最多，普氏桿菌科顯著減少。胰島素抵抗、性激素和炎性反應等臨床參數水平的升高與類桿菌科的豐度呈正相關，而與普氏桿菌科的豐度呈負相關，由此提示腸道菌群失調的差異應在PCOS患者的臨床治療和未來的藥物開發(fā)中加以考慮。PCOS腸道菌群的改變與雄激素過多有關[22]。PCOS母體內雄激素過多會影響子代的腸道微生物群，雄激素過多與腸道微生物組多樣性之間存在顯著相關性 ，而性激素的改變也可能通過調節(jié)腸道屏障的完整性而間接改變免疫反應。腸屏障完整性的降低與革蘭陰性細菌滲透進入循環(huán)及脂多糖(LPS)激活外周炎性反應有關。與健康女性相比，患有 PCOS 的女性血清中腸屏障功能障礙的標志物zonulin和 LPS 結合蛋白的水平均有增加。然而腸道微生物群與PCOS相互作用的機制仍不清楚?？紤]到性激素對PCOS腸道菌群的影響，未來應研究雄激素正常的PCOS患者腸道微生物組的組成和功能變化，開展基因組學和代謝組學研究，以確認性激素與腸道微生物組的關系，明確是否可以通過操縱腸道微生物組來治療 PCOS，并確定潛在候選藥物。

4 總結與展望

PCOS是目前嚴重困擾全世界女性的生殖內分泌代謝疾病，為了更好地解釋PCOS的發(fā)病機制，篩選出與疾病相關的重要基因，然而不能完全解釋這些基因的功能，且基因篩選方法仍有無法避免的局限性，從基因組層面上探求疾病病因困難重重。表觀遺傳學研究發(fā)現了PCOS不同細胞組織存在DNA甲基化、組蛋白修飾特征及大量非編碼RNA數量上的改變，并與PCOS高雄激素血癥及胰島素抵抗密切相關，有助于進一步理解PCOS的發(fā)病機理。PCOS的微生物組學是一個嶄新的領域，它是人類基因組計劃的延伸，微生物菌群攜帶的龐大的基因構成人體內第二個基因組，它與人類遺傳而來的基因組相互協(xié)調，保證人類健康。因此調節(jié)PCOS患者的微生物菌群對于疾病的治療也相當重要。