劉小梅,王艷洋,劉 敏,王 謙

(四川大學華西醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學中心,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],治療目標主要以控制側(cè)凸進展,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[5-6],但治療效果存在很大異質(zhì)性,部分患者即使經(jīng)過嚴格的支具治療,側(cè)凸仍然進展并達到手術(shù)閾值[7-8]。準確預(yù)測側(cè)凸進展風險將有助于醫(yī)生及治療師對AIS患者進行風險分級,評估患者預(yù)后,提供更加個性化的治療方案[9]。臨床上常用的進展風險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)促進了AIS候選基因的鑒定,并確定了多組與AIS進展相關(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)測價值十分有限。同卵雙胞胎AIS患者側(cè)凸進展的差異性表明環(huán)境因素可能通過表觀遺傳變化導致AIS的進展,這在后續(xù)的研究中得到證實[20-21]。表觀遺傳學標志物在預(yù)測AIS進展風險方面的價值開始受到越來越多的關(guān)注。

表觀遺傳學標志物主要包括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,進而在染色質(zhì)水平動態(tài)調(diào)控基因的表達,但并不改變基因序列[23]。表觀遺傳學因素可穩(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)凸進展方面顯示出更多優(yōu)勢[24-25],同時它可以識別患者對干預(yù)治療的反應(yīng)[26],在精準醫(yī)療、個性化醫(yī)療方面擁有巨大潛力。本文將對AIS進展風險的表觀遺傳學因素的研究進展進行綜述,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[27]。甲基與CpG二核苷酸共價結(jié)合,在常規(guī)DNA提取過程中不會丟失,因此是非常適合用于大規(guī)模流行病學研究的表觀遺傳標志,這為利用現(xiàn)有DNA生物標志物來發(fā)現(xiàn)復(fù)雜疾病的表觀遺傳風險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子的高甲基化都與AIS進展有關(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進展方面的潛力。MENG等首先對兩對側(cè)凸進展不同的同卵雙胞胎AIS患者進行了表觀遺傳學基因組分析,發(fā)現(xiàn)他們的DNA甲基化水平存在明顯差異,進展組的血液樣本中cg01374129的甲基化水平明顯低于非進展組。然后,MENG等分析了其他進展不同的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等認為位點cg01374129的低甲基化水平是側(cè)凸進展高風險的獨立預(yù)測因素。另一項研究分析了8對同卵雙胞胎AIS患者(其中6對側(cè)凸進展不同,2對側(cè)凸進展相同)的全基因組甲基化水平,確定了4個與側(cè)凸嚴重程度相關(guān)的CpG位點(cg02477677、cg12922161、cg08826461、cg16382077),側(cè)凸嚴重程度的增加往往與這些位點甲基化水平降低有關(guān),同時側(cè)凸嚴重程度的差異與雙胞胎之間的甲基化差異呈正相關(guān)或負相關(guān)[20]。后續(xù)研究還報道了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表達水平相關(guān),在Cobb角≤70°患者的4個CpG位點上,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)凸的嚴重程度及進展相關(guān),DNA區(qū)域的低甲基化水平是側(cè)凸進展風險的有效預(yù)測因素。

1.2 基因啟動子的高甲基化

基因啟動子甲基化與基因表達密切相關(guān),在基因表達中起重要作用,基因啟動子可通過調(diào)節(jié)其甲基化水平來調(diào)控基因的表達[31]。近年來的研究發(fā)現(xiàn)基因啟動子的高甲基化與AIS的進展及其嚴重程度密切相關(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)基因表達明顯降低,而COMP的啟動子甲基化與基因表達密切相關(guān)。他們評估了50例AIS患者和50例健康對照者COMP啟動子的甲基化水平,發(fā)現(xiàn)AIS患者的COMP啟動子甲基化水平明顯升高,且與Cobb角和實際年齡明顯相關(guān)。COMP啟動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)凸進展的風險也更高。COMP是一種細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)糖蛋白,影響膠原蛋白的組裝和ECM的穩(wěn)定性。COMP突變會引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和軟骨細胞凋亡,導致罕見的骨骼疾病[33-34]。這也提示COMP通過調(diào)節(jié)其啟動子的甲基化水平,調(diào)控基因表達,進而參與脊柱側(cè)凸的進展。另一項研究發(fā)現(xiàn)AIS患者的PITX1啟動子甲基化水平與側(cè)凸進展和側(cè)凸嚴重程度明顯相關(guān),在Cobb角>30°的AIS患者中,PITX1啟動子甲基化水平明顯升高,而PITX1基因表達降低[28]。作者在后續(xù)的研究中還發(fā)現(xiàn)AIS患者PCDH10啟動子甲基化的平均水平高于健康對照組,而基因表達水平明顯低于健康對照組,兩者呈明顯負相關(guān)。同時,PCDH10啟動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啟動子甲基化異常與AIS的進展有關(guān)[35]。

LBX1是一個在發(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,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)控表達模式[36-37]。最近的表觀遺傳學研究,為LBX1在AIS進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啟動子區(qū)甲基化水平進行了檢測,以分析其與AIS發(fā)生及嚴重程度的相關(guān)性。結(jié)果顯示,除一個CpG位點外,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)的反向鏈啟動子區(qū)的23個CpG序列中,有17個CpG位點甲基化水平明顯升高。因此JANUSZ等認為LBX1啟動子甲基化水平與AIS的發(fā)生無相關(guān)性,但與AIS的嚴重程度之間存在關(guān)聯(lián)。在嚴重的AIS患者中,凸側(cè)深層椎旁肌LBX1啟動子區(qū)域甲基化水平的不對稱性表達揭示了局部作用因素在AIS進展中的作用。

2 miRNA過表達

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的潛在生物標志物。miRNA參與了許多可以在表觀遺傳學上調(diào)節(jié)細胞發(fā)育和分化的生物過程。研究表明miRNA與骨骼代謝、成骨細胞、破骨細胞的分化密切相關(guān),成骨細胞和破骨細胞的穩(wěn)態(tài)失衡將影響骨細胞的形成、吸收及骨化,改變骨骼的機械強度[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患者的成骨細胞和破骨細胞分化過程中,miRNA介導的信號傳導失衡,將改變骨形成和吸收的正確穩(wěn)態(tài),從而影響AIS患者的脊柱機械內(nèi)環(huán)境,改變側(cè)凸的進程[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胞,發(fā)現(xiàn)miR-145是一個潛在的干擾成骨細胞和骨細胞功能的上游調(diào)控因子,miR-145和β-catenin mRNA(CTNNB1)在AIS骨組織和原代成骨細胞中過表達,且兩者表達呈正相關(guān)。同時miR-145與血清硬化素、骨橋蛋白和骨保護素之間呈明顯負相關(guān),通過敲除miR-145可下調(diào)β-catenin的表達及轉(zhuǎn)錄活性從而恢復(fù)受損的骨細胞活性。ZHANG等指出AIS患者miRNA異常表達及其對骨細胞功能的影響,可能導致AIS患者的骨量減少,而骨密度低被認為是AIS進展風險的獨立預(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行了miRNA表達譜分析,發(fā)現(xiàn)miR-151a-3p在重度AIS患者中過表達,而在患者原代成骨細胞中GREM1的表達降低,研究者認為miR-151a-3p過表達可能通過抑制成骨細胞中GREM1的表達來中斷骨穩(wěn)態(tài),從而促進脊柱側(cè)凸的進展,建議將其作為AIS預(yù)后的生物標志物[43]。

AIS椎旁肌凹凸側(cè)的運動單位電位振幅差異、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等都表明椎旁肌可能在AIS的發(fā)生和進展中發(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)凸的進展。JIANG等[44]對5例AIS患者的5對椎旁肌進行RNA測序發(fā)現(xiàn),ADIPOQ和H19在椎旁肌兩側(cè)存在明顯表達差異,凹側(cè)肌中H19表達水平相對較低、ADIPOQ表達水平較高、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,其表達水平與H19呈正相關(guān),與ADIPOQ呈負相關(guān)。miR-675-5p高表達可下調(diào)ADIPOQ的表達水平,而凸側(cè)肌肉中較低的ADIPOQ水平可能會導致凸側(cè)的椎旁肌無力,進而加速側(cè)凸的進展。

ZHANG等[25]在傳統(tǒng)預(yù)測模型的基礎(chǔ)上,引入表觀遺傳風險因素建立了一個新型復(fù)合邏輯回歸模型,以預(yù)測AIS進展高風險患者。在首次就診時收集患者最大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)合模型計算風險評分,當風險評分臨界值設(shè)置為0.2分時,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高于傳統(tǒng)預(yù)測模型[45]。另外ZHANG等還計算了基礎(chǔ)危險比,初次就診時風險評分≥0.2分的患者與<0.2分的患者相比,進展為Cobb角>40°的風險高出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,幫助進展高風險患者及時進行支具治療,同時避免進展低風險患者的過度醫(yī)療方面顯示出巨大潛力。

3 小 結(jié)

表觀遺傳學的發(fā)展為AIS進展風險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)凸的進展,同卵雙胞胎脊柱側(cè)凸進展差異性的研究使人們更加確信表觀遺傳學因素在AIS進展中發(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、基因啟動子的高甲基化和miRNA的過表達都與AIS的進展有關(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)典的表觀遺傳學機制之一,但作者檢索文獻后并未找到組蛋白修飾在AIS進展方面的研究,因此未對這部分內(nèi)容進行綜述。與此同時關(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進展中的可信度及實用價值。因此,對于AIS進展風險的評估仍然需要結(jié)合多種因素綜合考慮,同時未來還需要更多高質(zhì)量的研究探討表觀遺傳學因素在AIS診療及預(yù)后中的應(yīng)用價值。