馬曉芳 黃永清 石冰 馬堅

1.寧夏醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院 銀川 750003；2.寧夏醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院口腔頜面外科 銀川 750004；3.口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院唇腭裂外科 成都 610041

唇腭裂（cleft lip with or without cleft palate，CL/P）是最為常見的先天性顱頜面部畸形之一，全球發(fā)病率約為1.7/1 000，其發(fā)病率在地理區(qū)域、種族上有較大差異[1]。我國是CL/P的高發(fā)地區(qū)，每年有超過4萬個CL/P患兒出生[2]，且我國西部地區(qū)CL/P的發(fā)病率明顯高于全國其他地區(qū)[3]。該畸形引起的骨組織缺損及軟組織畸形，不僅影響患者的面容、喂養(yǎng)、語音、人際交往及心理健康，而且造成巨大的社會經(jīng)濟負擔(dān)[4]。

根據(jù)是否伴有其他部位或器官的先天性畸形，唇腭裂可分為非綜合征型（non-syndromic cleft lip with/without palate，NSCL/P）和綜合征型（syndromic cleft lip with/without palate，SCL/P）。通常所提到的唇腭裂主要是指NSCL/P，約占70%[5]，是臨床上最為常見的類型。NSCL/P的遺傳特征符合多因素閾值模式，遺傳風(fēng)險因素、環(huán)境暴露和潛在的基因-環(huán)境的相互作用均導(dǎo)致了疾病的易感性。大量雙生子流行病學(xué)分析計算得出唇腭裂遺傳度為70%[6-7]，遺傳因素是疾病發(fā)生的主因。

國內(nèi)外對遺傳因素的研究發(fā)現(xiàn)了10~20個易感基因或染色體區(qū)域與NSCL/P發(fā)病密切相關(guān)，然而在不同人群中驗證所得結(jié)論一致性差，出現(xiàn)了較多分歧。因此，如何優(yōu)化研究設(shè)計更為準確地定位NSCL/P易感基因成為唇腭裂遺傳病因?qū)W研究的難點和熱點。

SCL/P多符合孟德爾單基因遺傳模式，病因較為明確。目前，包含CL/P表型的已知綜合征超過600 多 種[1]， 其 中 以 Pierre Robin 序 列 征 （Pierre Robin sequence，PRS）最為常見，其表型主要為小頜畸形、舌后墜、上呼吸道梗阻及腭裂[8]。研究[9-11]表明，Sox9基因、Med13l基因以及LAR家族磷酸酶基因Ptprs和Ptprf可能是PRS的易感基因。

為更深入地研究唇腭裂的病因，進一步解釋唇腭裂不同表型的致病機制，雙生子模型作為一種獨特的流行病學(xué)設(shè)計，吸引著國內(nèi)外研究人員的注意力[12-13]。本文就雙生子模型在唇腭裂病因?qū)W研究中的應(yīng)用與進展作一綜述，以期為更深入地研究唇腭裂的病因提供新思路。

1 雙生子的分類及鑒別

從胚胎發(fā)生過程的角度看，雙生子有同卵與異卵之分。同卵雙生子（monozygotic twins，MZ）是指由一個精子和一個卵子受精形成的受精卵完成第一次卵裂，形成的兩個子細胞各發(fā)育成一個胚胎[14]，理論上其應(yīng)該具有完全相同的遺傳信息，性別相同，表型特征也基本相同[15]。異卵雙生子（dizygotic twins，DZ）則是由兩個卵子分別與兩個精子受精形成的兩個受精卵，而發(fā)育成的兩個胚胎[14]，其共享基因僅約有50%[16]，這與一般兄弟姐妹之間遺傳相似度差別不大[14,16]，所以其性別不一定相同，遺傳信息與表型特征也僅在一定程度上相似[15]。在相比之下，DZ雙生子的性別、血型、指紋、外觀等表型特征常顯示出明顯的差異。

生活中，區(qū)分MZ與DZ雙生子主要靠他們的身體特征，比如性別、面容、身材、聲音等，也可以通過其性格、思維來判斷，然而這些方法在嚴謹?shù)目茖W(xué)研究中缺乏說服力。在已經(jīng)應(yīng)用的鑒別技術(shù)中，皮紋學(xué)是最古老的技術(shù)之一。大量的唇腭裂皮紋學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，唇腭裂畸形與皮紋異常具有一定的相關(guān)性。

Harika等[17]對唇腭裂兒童父母的皮紋進行分析研究，發(fā)現(xiàn)與其健康父母及正常對照組相比，唇腭裂兒童的父母存在皮紋異常。他們選擇400名年齡在25~45歲的符合納入標(biāo)準的父母，并將其分為2組，即A組由唇腭裂兒童的父母組成，B組由至少有2名健康兒童的父母組成。用墨汁法收集皮紋，對其指紋類型及掌紋進行分析。研究發(fā)現(xiàn)，A組和B組在指紋類型及掌紋上有明顯差異（A組的皮紋研究參數(shù)異常，但是B組中沒有表現(xiàn)出這些異常特征）。因此，唇腭裂與皮紋學(xué)的相關(guān)性研究將會給揭示唇腭裂畸形的遺傳病因及開展唇腭裂疾病的預(yù)防提供重要的證據(jù)或線索。

Neiswanger等[18]隨后進行了關(guān)于NSCL/P和皮紋類型的研究發(fā)現(xiàn)，NSCL/P個體、其未受影響的親屬或?qū)φ战M在皮紋模式數(shù)量上沒有明顯差異。然而，用相異度評分來衡量，NSCL/P在其皮紋圖案類型上明顯比其未受影響的親屬或?qū)φ战M有更多的皮紋不對稱。此項研究樣本量較大，是由NSCL/P病例（367例）、其未受影響的親屬（836例）和對照組（299例）組成的大型多種族隊列，但是種族因素可能在一定程度上降低樣本的影響力。

通過分析上述研究，筆者發(fā)現(xiàn)利用皮紋學(xué)進行雙生子卵型鑒定，尤其是具有唇腭裂表型的MZ雙生子，缺乏可信度。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基因診斷法成為卵型鑒定的金標(biāo)準，其準確率達99%以上[19]。

微衛(wèi)星DNA基因分型技術(shù)也稱短串聯(lián)重復(fù)序列（short tandem repeat，STR），是最為常見的一種基因診斷法，可以用來鑒別MZ和DZ雙生子，但是無法對具有相同的基因組DNA序列的MZ雙生子進行鑒別區(qū)分[20]。

隨著現(xiàn)代分子生物技術(shù)的不斷發(fā)展，以microRNA為主要分子標(biāo)記的測序篩選成為鑒別MZ雙生子新的手段[21-22]。研究[23]表明，在MZ雙生子中，microRNA的表達存在差異。經(jīng)芯片測序及相關(guān)驗證發(fā)現(xiàn)并證實，miR-151a-3p、miR-3653-3p、miR-142-3p、miR-4325、miR-16-5p、let-7i-5p、miR-222-3p、miR-550b-3p、miR-4791和miR-27a-3p在MZ雙生子中差異表達顯著，以上10種microRNA可作為區(qū)分MZ雙生子的生物標(biāo)志物。不可否認，這一發(fā)現(xiàn)使得MZ雙生子的鑒別變得更加精準，為后續(xù)利用MZ雙生子進行遺傳學(xué)研究提供了技術(shù)支持，以便研究者更加快捷地篩選研究對象。

然而，microRNA具有組織特異性[24]，在對特定的疾病進行研究時可能是血液樣本也可能是組織或其他類型樣本，很難確定上述研究利用血液樣本篩選出來的差異表達microRNA能否在組織或其他類型樣本中表現(xiàn)出同樣的差異表達。同時，上述10種具有生物標(biāo)記作用的microRNA的功能還需進一步研究。

2 雙生子模型的優(yōu)勢及用途

雙生子因為享有相同的環(huán)境因素（包括子宮內(nèi)環(huán)境以及發(fā)育期的環(huán)境暴露因素）且遺傳背景相似[25]，所以雙生子最常被用來研究和評價復(fù)雜性疾病遺傳病因及其對疾病的貢獻度。對于唇腭裂這樣的復(fù)雜性疾病而言，由于遺傳異質(zhì)性和環(huán)境因素的影響，使得絕大多數(shù)研究結(jié)果在不同的人群中驗證結(jié)論不盡相同。因此，為了降低遺傳異質(zhì)性和避免環(huán)境因素的干擾，經(jīng)典的雙生子研究模型因其獨特優(yōu)勢被選擇。

利用雙生子模型開展唇腭裂的病因?qū)W研究有三大優(yōu)勢[14]：1）MZ雙生子可以在控制遺傳效應(yīng)的前提下研究環(huán)境暴露與唇腭裂發(fā)病的關(guān)系；2）DZ雙生子可以在控制早期環(huán)境的前提下（共同撫養(yǎng)）研究遺傳與唇腭裂發(fā)病的關(guān)系；3）MZ雙生子（共同撫養(yǎng)）可以在控制遺傳與環(huán)境因素的影響下研究復(fù)雜疾病的表觀遺傳機制[26]。表型不一致的MZ雙生子可以最大程度地控制遺傳和環(huán)境因素[14]，因此可以作為研究唇腭裂的表觀遺傳機制的最佳模型。

雙生子是一種很珍貴的研究資源，其僅占所有出生人口的0.5%~4.0%，不同種族和國家的比例有所不同[27-28]。收集雙生子樣本耗時較長，患有唇腭裂的雙生子資源更是難得。由于雙生子共享發(fā)育環(huán)境、具有相同的遺傳背景，因此在實際研究中通常采用這樣的研究策略，既可以選擇小樣本量的雙生子做高通量測序篩選，然后針對篩選的分子標(biāo)記或結(jié)果再進行大樣本核心家系或病例對照等設(shè)計進行驗證，這樣就可以較為有效地解決雙生子樣本不足的難題。

雙生子模型在遺傳性疾病的病因研究中雖然優(yōu)勢出眾，但是在實際研究中也存在一定的問題和缺陷，主要是以下3個方面。首先，雙生子樣本量較少，收集相對困難，留取的標(biāo)本類型受限，尤其是MZ-A有畸形，MZ-B正常的雙生子；其次，收集樣本過程中家屬常常不能提供是否是MZ，研究中需進行MZ與DZ的鑒別，否則不能控制DZ雙生子的遺傳效應(yīng)造成的誤差；再次，雙生子測序樣本量小，需要結(jié)合其他研究設(shè)計進行驗證。以往的研究表明，進行唇腭裂的全基因組關(guān)聯(lián)研究易感基因時，由于大部分采用的是病例對照設(shè)計，使得篩選的變異在人群中驗證結(jié)果并不十分理想。然而，雙生子模型的諸多優(yōu)勢可能會在唇腭裂遺傳或表觀遺傳研究中有更大的價值。

3 雙生子模型在唇腭裂病因?qū)W研究中的應(yīng)用進展

3.1 雙生子研究方法

19世紀有學(xué)者首次提出了雙生子研究模型，認為雙生子是可以用來評價先天和后天相對影響度的一個標(biāo)準。20世紀雙生子研究被廣泛地應(yīng)用于認識遺傳和環(huán)境因素在復(fù)雜性疾病發(fā)生過程中的相對貢獻，研究方法多是通過比較MZ和DZ雙生子之間的一致率來確定遺傳力，這些研究的基礎(chǔ)是MZ雙生子共享100%的遺傳信息。

隨著人類基因組計劃的完成以及生物信息學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的不斷發(fā)展與成熟，以全基因組關(guān)聯(lián)分析（genome wide association studies，GWAS）為代表的組學(xué)研究在復(fù)雜性疾病的遺傳學(xué)研究中的應(yīng)用十分突出[29-30]。21世紀以來，隨著現(xiàn)代分子生物技術(shù)的不斷發(fā)展，分子生物學(xué)研究也開始廣泛地被用于解釋MZ雙生子不一致之間的差異，結(jié)合全基因組測序方面的進展提高了這一研究領(lǐng)域的準確性。

Takahashi等[31]利用全基因組測序分析了一對具有鏡像唇腭裂（MZ-A右側(cè)顯示唇裂合并腭裂，MZ-B左側(cè)顯示同樣的缺陷）的4歲男性MZ雙生子，其研究發(fā)現(xiàn)MZ-A與MZ-B的GRHL3和TPM1基因均異常表達，但是全基因組測序未能發(fā)現(xiàn)MZ-A和MZ-B存在不一致的DNA變異。由此，他們推測表觀遺傳變異是導(dǎo)致這對MZ雙生子表現(xiàn)出鏡像唇腭裂的原因。

雙生子不僅是應(yīng)用傳統(tǒng)遺傳標(biāo)記進行疾病易感基因定位非常理想的研究樣本，也是聯(lián)系DNA拷貝數(shù)變異以及其他遺傳標(biāo)記與人類疾病相關(guān)非常珍貴的模型。雙生子模型為復(fù)雜性疾病的表觀遺傳學(xué)研究提供了非常好的設(shè)計思路[16,32]，并確認了一些基因或區(qū)域DNA甲基化或表觀學(xué)變異與疾病的發(fā)生高度相關(guān)，如精神分裂癥、自閉癥譜系障礙、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等疾病。

近年來研究[33-34]表明，人腸道菌群與表觀遺傳存在一定的相關(guān)性，這些研究多集中在自閉癥譜系障礙的表觀遺傳和腸道菌群之間的關(guān)系。Imamura等[35]在利用雙生子模型分析遺傳和環(huán)境因素對精神分裂癥和自閉癥譜系障礙的影響研究中提到腸道菌群的潛在影響可能是MZ雙生子表型不一致的原因，而腸道菌群被歸納為環(huán)境因素，在DNA序列未發(fā)生改變的前提下，腸道菌群可能對MZ雙生子的表觀遺傳變化發(fā)生潛在的影響。

目前，關(guān)于唇腭裂與腸道菌群的研究未見報道。筆者致力于唇腭裂病因?qū)W研究的初心是為了給揭示唇腭裂畸形的病因及開展唇腭裂疾病的預(yù)防提供重要的證據(jù)或線索，上述的研究思路為進一步探索唇腭裂的表觀遺傳機制提供了一個新的切入點，對唇腭裂兒童父母與正常對照組的腸道菌群進行關(guān)聯(lián)研究或許可以會有新的發(fā)現(xiàn)。

3.2 表型不一致的單卵雙生子

盡管MZ雙生子在理論上擁有100%相同的遺傳信息，但是關(guān)于表型不一致的MZ雙生子的臨床病案報道卻是不勝枚舉。Li等[36]報告了一對表型不一致MZ雙生子（MZ-A表現(xiàn)為主動脈縮窄、左心室致密化不全、房間隔缺損、心包積液、左腎積水、中度發(fā)育遲緩，MZ-B表現(xiàn)為單臍動脈），對雙生子及其父母進行染色體微陣列分析后發(fā)現(xiàn)，在這對雙生子中位于16p11.2上均存在一個相同的244 kb微缺失，其中包括SH2B1基因。

此外，Takahashi等[31]報告了一對具有鏡像唇腭裂（MZ-A顯示右側(cè)結(jié)構(gòu)缺陷，MZ-B顯示左側(cè)同樣的缺陷）的雙生子，經(jīng)全基因組測序后推測表觀遺傳是導(dǎo)致這對MZ雙生子表現(xiàn)出鏡像唇腭裂的原因。鏡像唇腭裂是一種具有不對稱表型特征的唇腭裂MZ雙生子，約25%的MZ雙生子可能具有鏡像特征[15]。Gomes等[37]經(jīng)超聲檢查發(fā)現(xiàn)了一對女性MZ雙生胎兒的表型不一致（MZ-A正常，MZB表現(xiàn)為心臟發(fā)育畸形、右側(cè)肺發(fā)育不全，呈馬蹄形、右側(cè)唇腭裂、右側(cè)腎過小且位于盆腔內(nèi)）。上述報道使得研究人員開始思考并且推測MZ雙生子是否存在遺傳學(xué)差異。

Jonsson等[38]發(fā)現(xiàn)，MZ雙生子基因組序列也不完全相同，在胚胎發(fā)育早期就開始出現(xiàn)遺傳學(xué)差異，這個時間點最早可追溯到受孕后的頭幾天至受精卵分裂瞬間。Jonsson等[38]為了評估MZ雙生子的遺傳學(xué)差異，對387對MZ雙生子和他們的父母、配偶、子女的基因組進行測序，以確定他們的遺傳突變是發(fā)生在體細胞還是生殖細胞。如果MZ雙生子的突變只存在于一方，且其突變傳到了下一代，那么就說明這個突變發(fā)生在雙生子的生殖細胞中。研究[38]表明，這些突變在雙生子的體細胞和生殖細胞中都有發(fā)現(xiàn)，而雙生子胚胎發(fā)育期的原始細胞可同時產(chǎn)生生殖細胞和體細胞。受精卵在分裂的瞬間，細胞會隨機被分配到雙生子的兩個早期胚胎中，這種早期胚胎發(fā)育中的細胞分配不均也可能是造成雙生子遺傳差異的主要原因。此外，Jonsson等[38]的研究結(jié)果顯示，約15%雙生子基因序列會存在不完全一致，有可能會產(chǎn)生不一致的遺傳效應(yīng)。MZ雙生子基因序列不一致主要是因為胚胎發(fā)育早期原始細胞發(fā)生的大量突變，但是只有約15%雙生子基因序列會存在不完全一致。因此，在同卵雙生子研究中需要根據(jù)是否存在基因序列差異來制定研究策略。如雙生子基因序列不一致，這些不一致的變異可能與某些表型相關(guān)聯(lián)，尋找這些基因變異對探討相關(guān)疾病的發(fā)病機制具有重要的意義，如雙生子基因序列一致，可能需要從表觀遺傳等方面來著手研究。

譬如有專家說，多喝牛奶對人體有益，日本有“一瓶牛奶救活一個民族”的說法（指戰(zhàn)后日本政府，每天在課間免費為中小學(xué)生提供一瓶牛奶）。因此，現(xiàn)在日本的年輕人，普遍比他們的父輩長得高大。

3.2.1 表觀遺傳學(xué)與表型不一致的單卵雙生子研究 遺傳信息相同的MZ雙生子表現(xiàn)出表型差異的事實表明，非序列基礎(chǔ)的因素——表觀遺傳，可能是導(dǎo)致MZ雙生子表型不一致的一個不可忽視的原因[39-40]。

目前，大量的雙生子表觀遺傳學(xué)研究表明MZ雙生子存在表觀遺傳差異[41]。表觀遺傳是一種改變基因表達而不改變DNA序列的機制現(xiàn)象。表觀遺傳流行病學(xué)的主要焦點是DNA甲基化，這是一種最具特征性和最穩(wěn)定的表觀遺傳修飾[40]。DNA甲基化是甲基被加到胞嘧啶或腺嘌呤上的過程[42]，主要是通過破壞轉(zhuǎn)錄因子與基因5’端上游特定序列專一性結(jié)合并吸引甲基結(jié)合蛋白來影響基因表達，而甲基結(jié)合蛋白的主要功能是啟動染色質(zhì)壓縮和基因沉默[40]。此外，胞嘧啶在胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤二核苷酸區(qū)域的DNA甲基化是目前在人類群體中研究的最廣泛的表觀遺傳現(xiàn)象[4,40]。

表觀遺傳變異與疾病表型有關(guān)[43]。通過量化MZ與DZ雙生子全血DNA甲基化，Hannon等[40]發(fā)現(xiàn)，與DZ雙生子相比，MZ雙生子的DNA甲基化位點的特異性水平與表型的相關(guān)性更強。Alvizi等[44]使用全基因組關(guān)聯(lián)研究對67名NSCL/P患者以及59名對照組進行DNA甲基化差異分析后發(fā)現(xiàn)了578個DNA甲基化位點與NSCL/P顯著相關(guān)，且推測位于特定基因組位置的DNA甲基化是導(dǎo)致家族性或者非家族性NSCLP的原因。因此表型不一致的MZ雙生子確實是表觀遺傳關(guān)聯(lián)研究的優(yōu)質(zhì)模型[45]。

3.2.2 基因突變與表型不一致的單卵雙生子研究在評估遺傳與環(huán)境因素對人類群體的表型變異的影響力方面，MZ雙生子是不可替代的研究資源[46]。例如一個受精卵分裂后形成兩個早期胚胎，此后在MZ雙生子中若只有一個胚胎在發(fā)育過程中形成唇腭裂，環(huán)境因素通常被認為是導(dǎo)致這種表型的主要因素。

研究[38]表明，MZ雙生子的表型不一致可能是早期遺傳突變導(dǎo)致的?；蛲蛔儗?dǎo)致的MZ雙生子表型不一致在大量MZ雙生子病例研究中得到驗證。干擾素調(diào)節(jié)因子6（interferon regulatory factor 6，IRF6）基因[47]已被研究證實是Van der Woude綜合征（Van der Woude syndrome，VWS）的致病基因之一。

VWS是SCL/P最常見的表型之一，占所有病例的2%。其中IRF6基因突變占VWS病因的70%，且這些突變大多數(shù)位于IRF6基因外顯子3、4或蛋白結(jié)合域（外顯子7~9）區(qū)域[48]。此外，研究[49]表明，GRHL3基因是第2個突變后導(dǎo)致VWS的基因，也證實了該綜合征的基因座異質(zhì)性。Schwartz等[50]通過全外顯子組測序一對患有特異AT序列結(jié)合蛋白2（specific at sequence binding protein 2，SATB-2）相關(guān)綜合征的MZ雙生子（主要表現(xiàn)為腭裂、牙齒異常和發(fā)育遲緩），測序結(jié)果表明該對MZ雙生子的SATB2基因發(fā)生了突變。

3.2.3 環(huán)境因素與表型不一致的單卵雙生子研究除了遺傳，妊娠期子宮微環(huán)境及母體身體狀況也對MZ雙生子的不一致產(chǎn)生影響。雖然MZ雙生子在多胎妊娠中共用一個子宮，但他們不一定共用一個子宮環(huán)境。子宮內(nèi)生長受限是雙胎妊娠的常見問題，它經(jīng)常導(dǎo)致出生體重的不一致[52]，并與一系列表型的不一致有關(guān)[53]。子宮內(nèi)生長受限導(dǎo)致MZ雙生子不一致的潛在原因可能是遺傳易感性、子宮內(nèi)擁擠、卵裂時分配不均、血液供應(yīng)不均以及胎盤功能障礙等[54]。

同時，母體的身體狀況也對雙生子的不一致表型產(chǎn)生影響，如妊娠期感染、流產(chǎn)史、孕前孕中服用藥物、吸煙、飲酒、高血壓及糖尿病史、接觸稀土元素鑭和釹等[55-57]。

雖然環(huán)境因素是導(dǎo)致CL/P畸形的另一大因素，但來自動物和人類實驗的證據(jù)表明，當(dāng)環(huán)境差異沒有顯著增加表型變異的程度時，遺傳因素依舊是主要的影響因素，特別是表觀遺傳機制可以解釋MZ雙生子的不一致表型[58]。此外，基因與環(huán)境的相互作用也可能影響MZ雙生子的表型。這種相互作用表現(xiàn)為兩種危險因素的聯(lián)合效應(yīng)形成的協(xié)同作用或僅為兩因素的疊加效應(yīng)。由于個體的遺傳傾向，基因與環(huán)境的相互作用對環(huán)境因素可能存在放大效應(yīng)，例如一個人對某個特定的環(huán)境很敏感，那么由于個體敏感度，這個環(huán)境會對其產(chǎn)生更大的影響[59]。

雙生子設(shè)計結(jié)合全基因組關(guān)聯(lián)分析，彌補傳統(tǒng)遺傳學(xué)研究上的不足。隨著分子生物學(xué)研究的不斷發(fā)展，未來將在表觀水平、信號通路領(lǐng)域上更加深入地探討唇腭裂畸形的病因，希望可以為唇腭裂畸形的遺傳病因研究及開展唇腭裂疾病的預(yù)防提供重要的證據(jù)或線索。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。