青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)的表觀遺傳學(xué)因素研究進(jìn)展*

劉小梅,王艷洋,劉 敏,王 謙

(四川大學(xué)華西醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)中心,成都 610041)

青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸(adolescent idiopathic scoliosis,AIS)是一種復(fù)雜的脊柱三維結(jié)構(gòu)改變,多見于10歲至骨骼發(fā)育成熟的兒童,發(fā)病率為0.47%～5.20%[1]。AIS的病因尚不明確,但目前普遍認(rèn)為它是一種由遺傳因素和環(huán)境因素共同作用的多基因疾病[2-3],治療目標(biāo)主要以控制側(cè)凸進(jìn)展,避免后期手術(shù)為主[4]。雖然支具治療的有效性已得到證實(shí)[5-6],但治療效果存在很大異質(zhì)性,部分患者即使經(jīng)過嚴(yán)格的支具治療,側(cè)凸仍然進(jìn)展并達(dá)到手術(shù)閾值[7-8]。準(zhǔn)確預(yù)測側(cè)凸進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)將有助于醫(yī)生及治療師對AIS患者進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級,評估患者預(yù)后,提供更加個(gè)性化的治療方案[9]。臨床上常用的進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)因素主要包括剩余生長潛能、側(cè)凸大小、側(cè)凸類型等[10-11],并基于此開發(fā)了多種預(yù)測模型,但靈敏度和特異度有限[12-14]。近年全基因組關(guān)聯(lián)研究(genome-wide association studies,GWAS)促進(jìn)了AIS候選基因的鑒定,并確定了多組與AIS進(jìn)展相關(guān)的基因[15-17],但在后續(xù)的多種族復(fù)制研究中并不成功[18-19],這也使得它的預(yù)測價(jià)值十分有限。同卵雙胞胎AIS患者側(cè)凸進(jìn)展的差異性表明環(huán)境因素可能通過表觀遺傳變化導(dǎo)致AIS的進(jìn)展,這在后續(xù)的研究中得到證實(shí)[20-21]。表觀遺傳學(xué)標(biāo)志物在預(yù)測AIS進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)方面的價(jià)值開始受到越來越多的關(guān)注。

表觀遺傳學(xué)標(biāo)志物主要包括DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA(如 miRNA)[22],這些標(biāo)志物通過引起局部染色質(zhì)重塑,改變調(diào)控元件對基因的可及性,進(jìn)而在染色質(zhì)水平動(dòng)態(tài)調(diào)控基因的表達(dá),但并不改變基因序列[23]。表觀遺傳學(xué)因素可穩(wěn)定地反映遺傳因素及環(huán)境暴露之間的相互作用,在預(yù)測側(cè)凸進(jìn)展方面顯示出更多優(yōu)勢[24-25],同時(shí)它可以識別患者對干預(yù)治療的反應(yīng)[26],在精準(zhǔn)醫(yī)療、個(gè)性化醫(yī)療方面擁有巨大潛力。本文將對AIS進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)的表觀遺傳學(xué)因素的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,以期為后續(xù)AIS的治療及研究提供思路。

1 DNA甲基化

DNA甲基化是最常見的表觀遺傳機(jī)制,其通過招募參與基因抑制的蛋白質(zhì)或抑制轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合來調(diào)節(jié)基因表達(dá)[27]。甲基與CpG二核苷酸共價(jià)結(jié)合,在常規(guī)DNA提取過程中不會(huì)丟失,因此是非常適合用于大規(guī)模流行病學(xué)研究的表觀遺傳標(biāo)志,這為利用現(xiàn)有DNA生物標(biāo)志物來發(fā)現(xiàn)復(fù)雜疾病的表觀遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素開辟了更多可能性[28]。目前的研究表明一些DNA區(qū)域的低甲基化及部分基因啟動(dòng)子的高甲基化都與AIS進(jìn)展有關(guān)。

1.1 DNA區(qū)域的低甲基化

側(cè)凸角度的增加與一些DNA區(qū)域的甲基化減少有關(guān),特定基因的甲基化可以作為疾病診斷篩查和預(yù)后預(yù)測的生物標(biāo)志物。2018年,MENG等[29]首次使用全基因組方法確定了DNA甲基化在預(yù)測AIS進(jìn)展方面的潛力。MENG等首先對兩對側(cè)凸進(jìn)展不同的同卵雙胞胎AIS患者進(jìn)行了表觀遺傳學(xué)基因組分析,發(fā)現(xiàn)他們的DNA甲基化水平存在明顯差異,進(jìn)展組的血液樣本中cg01374129的甲基化水平明顯低于非進(jìn)展組。然后,MENG等分析了其他進(jìn)展不同的AIS患者,得到了相同的結(jié)果。DNA甲基化差異與側(cè)凸進(jìn)展呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性,并且不受遺傳差異的影響,因此MENG等認(rèn)為位點(diǎn)cg01374129的低甲基化水平是側(cè)凸進(jìn)展高風(fēng)險(xiǎn)的獨(dú)立預(yù)測因素。另一項(xiàng)研究分析了8對同卵雙胞胎AIS患者(其中6對側(cè)凸進(jìn)展不同,2對側(cè)凸進(jìn)展相同)的全基因組甲基化水平,確定了4個(gè)與側(cè)凸嚴(yán)重程度相關(guān)的CpG位點(diǎn)(cg02477677、cg12922161、cg08826461、cg16382077),側(cè)凸嚴(yán)重程度的增加往往與這些位點(diǎn)甲基化水平降低有關(guān),同時(shí)側(cè)凸嚴(yán)重程度的差異與雙胞胎之間的甲基化差異呈正相關(guān)或負(fù)相關(guān)[20]。后續(xù)研究還報(bào)道了AIS患者兩側(cè)深層椎旁肌和背部淺層肌肉中雌激素受體1基因(estrogen receptor 1 gene,ESR1)的組織依賴區(qū)域和差異甲基化區(qū)域(tissue dependent and differentially methylated regions,T-DMRs)的甲基化水平,發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)T-DMR2 CpG中甲基化水平與側(cè)凸凹側(cè)的ESR1表達(dá)水平相關(guān),在Cobb角≤70°患者的4個(gè)CpG位點(diǎn)上,側(cè)凸凹側(cè)深部椎旁肌的T-DMR2甲基化水平明顯降低,這提示T-DMR2甲基化的差異可能與AIS的嚴(yán)重程度有關(guān)[30]。這些研究結(jié)果表明,一些DNA區(qū)域的甲基化差異與側(cè)凸的嚴(yán)重程度及進(jìn)展相關(guān),DNA區(qū)域的低甲基化水平是側(cè)凸進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)的有效預(yù)測因素。

1.2 基因啟動(dòng)子的高甲基化

基因啟動(dòng)子甲基化與基因表達(dá)密切相關(guān),在基因表達(dá)中起重要作用,基因啟動(dòng)子可通過調(diào)節(jié)其甲基化水平來調(diào)控基因的表達(dá)[31]。近年來的研究發(fā)現(xiàn)基因啟動(dòng)子的高甲基化與AIS的進(jìn)展及其嚴(yán)重程度密切相關(guān)。MAO等[32]研究發(fā)現(xiàn)AIS患者血清中的軟骨寡聚基質(zhì)蛋白(cartilage oligomeric matrix protein,COMP)基因表達(dá)明顯降低,而COMP的啟動(dòng)子甲基化與基因表達(dá)密切相關(guān)。他們評估了50例AIS患者和50例健康對照者COMP啟動(dòng)子的甲基化水平,發(fā)現(xiàn)AIS患者的COMP啟動(dòng)子甲基化水平明顯升高,且與Cobb角和實(shí)際年齡明顯相關(guān)。COMP啟動(dòng)子的甲基化水平越高,則患者的主彎Cobb角越大、發(fā)病年齡越早、側(cè)凸進(jìn)展的風(fēng)險(xiǎn)也更高。COMP是一種細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)糖蛋白,影響膠原蛋白的組裝和ECM的穩(wěn)定性。COMP突變會(huì)引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和軟骨細(xì)胞凋亡,導(dǎo)致罕見的骨骼疾病[33-34]。這也提示COMP通過調(diào)節(jié)其啟動(dòng)子的甲基化水平,調(diào)控基因表達(dá),進(jìn)而參與脊柱側(cè)凸的進(jìn)展。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)AIS患者的PITX1啟動(dòng)子甲基化水平與側(cè)凸進(jìn)展和側(cè)凸嚴(yán)重程度明顯相關(guān),在Cobb角>30°的AIS患者中,PITX1啟動(dòng)子甲基化水平明顯升高,而PITX1基因表達(dá)降低[28]。作者在后續(xù)的研究中還發(fā)現(xiàn)AIS患者PCDH10啟動(dòng)子甲基化的平均水平高于健康對照組,而基因表達(dá)水平明顯低于健康對照組,兩者呈明顯負(fù)相關(guān)。同時(shí),PCDH10啟動(dòng)子甲基化水平與主彎Cobb角呈正相關(guān),PCDH10甲基化水平越高,主彎Cobb角越大,這提示PCDH10啟動(dòng)子甲基化異常與AIS的進(jìn)展有關(guān)[35]。

LBX1是一個(gè)在發(fā)育過程中起著重要作用的同源盒基因。既往研究表明,LBX1在骨骼肌組織中高表達(dá),并在出生后的中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌發(fā)育期間具有特定的調(diào)控表達(dá)模式[36-37]。最近的表觀遺傳學(xué)研究,為LBX1在AIS進(jìn)展中的作用提供了新的證據(jù)。JANUSZ等[38]對57例AIS患者和20例非AIS患者的深層椎旁肌中LBX1啟動(dòng)子區(qū)甲基化水平進(jìn)行了檢測,以分析其與AIS發(fā)生及嚴(yán)重程度的相關(guān)性。結(jié)果顯示,除一個(gè)CpG位點(diǎn)外,AIS患者與非AIS患者之間的椎旁肌LBX1甲基化水平無明顯差異,而對比主彎Cobb角≤70°及Cobb角>70°的患者椎旁肌的LBX1啟動(dòng)子區(qū)甲基化水平顯示,主彎Cobb角>70°的患者側(cè)凸凸側(cè)的反向鏈啟動(dòng)子區(qū)的23個(gè)CpG序列中,有17個(gè)CpG位點(diǎn)甲基化水平明顯升高。因此JANUSZ等認(rèn)為LBX1啟動(dòng)子甲基化水平與AIS的發(fā)生無相關(guān)性,但與AIS的嚴(yán)重程度之間存在關(guān)聯(lián)。在嚴(yán)重的AIS患者中,凸側(cè)深層椎旁肌LBX1啟動(dòng)子區(qū)域甲基化水平的不對稱性表達(dá)揭示了局部作用因素在AIS進(jìn)展中的作用。

2 miRNA過表達(dá)

miRNA是微小非編碼RNA,廣泛存在于生物液體中,易于提取且其圖譜在長期臨床研究中相對穩(wěn)定,是研究AIS的潛在生物標(biāo)志物。miRNA參與了許多可以在表觀遺傳學(xué)上調(diào)節(jié)細(xì)胞發(fā)育和分化的生物過程。研究表明miRNA與骨骼代謝、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞的分化密切相關(guān),成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)失衡將影響骨細(xì)胞的形成、吸收及骨化,改變骨骼的機(jī)械強(qiáng)度[39]。因此,在脊柱成熟過程中保持骨代謝的最佳分子調(diào)控狀態(tài)十分重要。在AIS患者的成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞分化過程中,miRNA介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)失衡,將改變骨形成和吸收的正確穩(wěn)態(tài),從而影響AIS患者的脊柱機(jī)械內(nèi)環(huán)境,改變側(cè)凸的進(jìn)程[40]。ZHANG等[41]通過分析AIS患者和對照組的骨活檢組織及來自這些樣本的原代成骨細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)miR-145是一個(gè)潛在的干擾成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞功能的上游調(diào)控因子,miR-145和β-catenin mRNA(CTNNB1)在AIS骨組織和原代成骨細(xì)胞中過表達(dá),且兩者表達(dá)呈正相關(guān)。同時(shí)miR-145與血清硬化素、骨橋蛋白和骨保護(hù)素之間呈明顯負(fù)相關(guān),通過敲除miR-145可下調(diào)β-catenin的表達(dá)及轉(zhuǎn)錄活性從而恢復(fù)受損的骨細(xì)胞活性。ZHANG等指出AIS患者miRNA異常表達(dá)及其對骨細(xì)胞功能的影響,可能導(dǎo)致AIS患者的骨量減少,而骨密度低被認(rèn)為是AIS進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)的獨(dú)立預(yù)測因素[42],因此建議將miR-145作為AIS預(yù)后評估的生物標(biāo)志物。另一些研究對重度和輕度AIS患者及健康對照組的血漿樣本進(jìn)行了miRNA表達(dá)譜分析,發(fā)現(xiàn)miR-151a-3p在重度AIS患者中過表達(dá),而在患者原代成骨細(xì)胞中GREM1的表達(dá)降低,研究者認(rèn)為miR-151a-3p過表達(dá)可能通過抑制成骨細(xì)胞中GREM1的表達(dá)來中斷骨穩(wěn)態(tài),從而促進(jìn)脊柱側(cè)凸的進(jìn)展,建議將其作為AIS預(yù)后的生物標(biāo)志物[43]。

AIS椎旁肌凹凸側(cè)的運(yùn)動(dòng)單位電位振幅差異、凹凸側(cè)Ⅰ型纖維的比例失衡、肌肉體積和脂肪浸潤失衡、AIS兩側(cè)椎旁肌中褪黑素受體和轉(zhuǎn)化生長因子信號通路的不對稱表達(dá)等都表明椎旁肌可能在AIS的發(fā)生和進(jìn)展中發(fā)揮重要作用[44]。有研究發(fā)現(xiàn)遺傳及環(huán)境因素通過影響表觀遺傳學(xué)基因組和椎旁肌的轉(zhuǎn)錄變化破壞脊柱的穩(wěn)定性,影響側(cè)凸的進(jìn)展。JIANG等[44]對5例AIS患者的5對椎旁肌進(jìn)行RNA測序發(fā)現(xiàn),ADIPOQ和H19在椎旁肌兩側(cè)存在明顯表達(dá)差異,凹側(cè)肌中H19表達(dá)水平相對較低、ADIPOQ表達(dá)水平較高、較大的側(cè)凸角度與發(fā)病年齡較小有關(guān)。JIANG等鑒定了由H19編碼的miR-675-5p是AIS中ADIPOQ表達(dá)的調(diào)控因子,miR-675-5p在AIS患者的凸側(cè)肌肉組織中高表達(dá),其表達(dá)水平與H19呈正相關(guān),與ADIPOQ呈負(fù)相關(guān)。miR-675-5p高表達(dá)可下調(diào)ADIPOQ的表達(dá)水平,而凸側(cè)肌肉中較低的ADIPOQ水平可能會(huì)導(dǎo)致凸側(cè)的椎旁肌無力,進(jìn)而加速側(cè)凸的進(jìn)展。

ZHANG等[25]在傳統(tǒng)預(yù)測模型的基礎(chǔ)上,引入表觀遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素建立了一個(gè)新型復(fù)合邏輯回歸模型,以預(yù)測AIS進(jìn)展高風(fēng)險(xiǎn)患者。在首次就診時(shí)收集患者最大Cobb角、初潮狀態(tài)、體重、Risser征并測量外周血中miR-145和P1NP的水平,再通過復(fù)合模型計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)評分,當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)評分臨界值設(shè)置為0.2分時(shí),其預(yù)測的靈敏度為91.7%,特異度為79.8%,靈敏度和特異度都遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)預(yù)測模型[45]。另外ZHANG等還計(jì)算了基礎(chǔ)危險(xiǎn)比,初次就診時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評分≥0.2分的患者與<0.2分的患者相比,進(jìn)展為Cobb角>40°的風(fēng)險(xiǎn)高出27.9倍。這種新型預(yù)測模型在為醫(yī)生及治療師提供臨床決策參考,幫助進(jìn)展高風(fēng)險(xiǎn)患者及時(shí)進(jìn)行支具治療,同時(shí)避免進(jìn)展低風(fēng)險(xiǎn)患者的過度醫(yī)療方面顯示出巨大潛力。

3 小 結(jié)

表觀遺傳學(xué)的發(fā)展為AIS進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)因素的研究提供了新的方向。正如AIS一樣,遺傳及環(huán)境因素共同作用影響著脊柱側(cè)凸的進(jìn)展,同卵雙胞胎脊柱側(cè)凸進(jìn)展差異性的研究使人們更加確信表觀遺傳學(xué)因素在AIS進(jìn)展中發(fā)揮重要作用。目前的研究結(jié)果顯示:一些DNA區(qū)域的低甲基化、基因啟動(dòng)子的高甲基化和miRNA的過表達(dá)都與AIS的進(jìn)展有關(guān),這些研究結(jié)果有望為AIS的診療及預(yù)后提供更多參考。但目前的相關(guān)研究仍然較少,雖然組蛋白修飾也是經(jīng)典的表觀遺傳學(xué)機(jī)制之一,但作者檢索文獻(xiàn)后并未找到組蛋白修飾在AIS進(jìn)展方面的研究,因此未對這部分內(nèi)容進(jìn)行綜述。與此同時(shí)關(guān)于非編碼RNA的研究也較少,主要集中miRNA上,研究涉及樣本量均較少并且研究主要集中在外周血和側(cè)凸兩側(cè)椎旁肌的分析上。外周血雖然易于提取,但是特異度較差;而椎旁肌雖然擁有了較高的特異度,但是很難尋找健康對照,這些局限性將限制表觀遺傳因素在預(yù)測AIS進(jìn)展中的可信度及實(shí)用價(jià)值。因此,對于AIS進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)的評估仍然需要結(jié)合多種因素綜合考慮,同時(shí)未來還需要更多高質(zhì)量的研究探討表觀遺傳學(xué)因素在AIS診療及預(yù)后中的應(yīng)用價(jià)值。