《巴黎圣母院》中的“钟楼怪人”神秘病因探索

2017-09-26   文章来源:首都医科大学附属北京朝阳医院 侯东坡    点击量:36 我要说

法国文学家维克多·雨果名著《巴黎圣母院》中的钟楼怪人”,因相貌丑陋而给人留下深刻印象。他是巴黎圣母院的敲钟人,一个生下来就被父母遗弃在巴黎圣母院门前的畸形儿……


作为一名医生,我不禁好奇钟楼怪人得的是什么病?于是根据雨果对其外貌特征的具体描述(不对称而扭曲的躯干,背部隆起的“山丘”和驼背),推断出“钟楼怪人”得的是先天性脊柱侧弯(CS)。



首先,我们先了解一下这种先天性疾病的一些背景知识。先天性脊柱侧凸(CS)是一种从胚胎时期即出现的脊柱发育异常。这种病主要特点就是“剃刀背”畸形,也就是“钟楼怪人”背部隆起的”山丘“畸形。每一千个新生儿就有一个CS,所以在临床工作中其实这种病很常见。

CS椎体异常的类型多种多样包括三型: I型-椎体形成障碍型(如楔形椎、半椎体或蝴蝶椎等);II型-椎体分节不良型(如阻滞椎、骨桥形成等);III型混合型,既有椎体形成障碍又有椎体分节不良。


那么,是什么原因导致的“钟楼怪人“这种先天性疾病呢?又有那些证据可以证明呢?研究认为CS病因主要有两条线索:一条认为胚胎发育相关基因突变所致;另一条认为妊娠中环境因素所致。让我们逐条线索探寻,看看最终元凶是谁,真相能否大白?

一、遗传学证据


首先是第一条基因线索的一些证据。最早的遗传学证据是CS患者的家系流行病学调查发现有一小部分CS有家庭聚集现象,这篇文献对60例CS患者的家系调查发现,CS患者中有8%的患者有家族史,40%患者的父母为近亲结婚。提示CS可能与遗传因素有关。


时至今日,对于CS患者最大样本的流行病学调查来自1975年一位学者的调查研究,她对337名CS患者及家系进行调查发现,绝大多数单发椎体畸形(如单发半椎体)患儿是呈散发状态发病,其同胞或后代多无发病风险,且单发椎体畸形的CS患者常常不伴随脊柱裂的发育异常。而多发椎体畸形患者的同胞出现椎体畸形或合并脊柱裂可能性为5%-10%,有家庭聚集现象。


这篇文章进一步对26例多发椎体畸形的CS进行遗传方式的研究。发现有一种多椎体异常的CS患者常常在儿童时期死于呼吸衰竭,且根据家系图谱推测这种类型的CS有可能为常染色体隐性遗传。


其实多发椎体异常的CS早在1938年就有学者报道了,并命名为脊柱肋骨发育不全。其在新生儿发病率约为1/40000。其发病往往是家族聚集性的。2006年,有学者对日本SCD患者进行了总结研究,发现大 部分SCD患者的畸形椎体数超过4个,常见的椎体畸形类型包括蝴蝶椎、半椎体、阻滞椎等,肋骨畸形主要表现为融合与缺失。脊柱肋骨发育不全患者主要表现为躯干短小、在影像学上表现为多个椎体畸形,伴肋骨的异常。这篇文献跟追随访8个SCD病人,其中有5个SCD患者身高均低于同龄儿童。

目前CS基因学研究得较为透彻的一个就是SCD的突变基因。已知有五个基因分别单独突变就可引起SCD,皆为常染色体单基因遗传。下面将逐一介绍这五个SCD的相关基因。


首先,揭开CS病因神秘面纱的最早是通过家系连锁分析方法发现的,也就是利用几个受累家系成员资料进行连锁分析来确定是否符合孟德尔遗传规律。

SCD遗传学研究的首次突破是在2000年,一个大的家系通过基因连锁图谱找到了一个与SCD相关的基因。如图所示,先证者为躯干短小的女婴,通过家族系谱研究分析,发现先证者母亲的两个哥哥也患有此病,进一步通过对该家族基因染色体分析,发现DLL3基因突变引起,且遗传方式为常染色体隐性遗传。随后,有学者在小鼠中,通过诱导突变(基因敲除)的方法证明,DLL3基因突变能够导致椎体分节异常。更重要的是,突变小鼠的椎体和肋骨异常与SCD患者表现非常相似。这就提示Dll3对脊椎的发育形成起着重要的作用。

2004,有学者发现了一个近亲家系的两个SCD患者基因连锁分析没有发现DLL3突变。却在15号染色体有一个与SCD疾病相关的突变基因,就是MESP2。随后,有学者报道Mesp2基因敲除小鼠出现体节分节障碍,脊椎相互融合。从而验证了Mesp2基因与椎体发育形成有关。

2007年,第三个与SCD相关的致病基因也是通过家系图谱发现的。一个近亲家系通过基因连锁分析发现HES7为突变基因。其遗传方式也为常染色体隐性遗传。后来也有学者通过基因敲除的HES7小鼠模型得到了验证。研究认为hes7通过与多个效应基因构成复杂的生物分节时钟,精密的控制体节分节过程,对体节分节的协调起着必不可少的作用。在Hes7缺失小鼠,体节的分节不能完全正常进行,体节的前后极化被破坏,最终导致脊椎和肋骨严重畸形。


2007年,第四个SCD相关基因是通过候选基因法进行研究发现的。因为所有此前发现的三个SCD致病基因都是信号通路的相关基因,就选择了生长发育通路相关的基因作为候选基因,而作为通路靶基因的LFNG就被选中作为研究对象,LFNG敲除的小鼠也有SCD类似的椎体异常出现。

2013年,有学者发现了一个三代中有四名SCD患者的马其顿家系,如图所示,患者为先证者、其父亲、伯父和祖父都为SCD患者,且遗传模式为常染色体显性遗传,临床表现为半椎体形成和椎体融合引起的CS和身材矮小,除每代均有SCD患者外,II代还有6个婴儿不明原因死亡。通过对该家系部分成员进行全外显子测序后,选择与椎体发育相关的基因,进行患者与健康者特异性比对研究,发现患者均存在TBX6的杂合突变,因此推测TBX6可能为SCD致病基因。

他山之石,可以攻玉。目前,SCD有5种基因报道与其有关,皆为常染色体单基因遗传。对SCD的研究使人们对于CS的遗传学病因有了更深人的了解。为进一步研究散发性CS的病因学奠定了基础。


二、基因筛查


上面就是发现的聚集型CS的遗传学证据,可以说是证据确凿,基因突变为聚集型CS的元凶。那么散发型CS与基因有关吗?真正的元凶又是谁呢?人类基因组计划由美国科学家1985年率先提出,首要目的就是对人和小鼠的成千上万的遗传标记进行辨认和绘图。目前的基因组研究结果证实人类和小鼠两者的基因组染色体是高度保守的,相对于进化来说,这两种物种间的毗邻基因组间有较保守的连锁排列。基因组计划的研究进展使我们可以利用小鼠的基因图数据来预测相对应的人类基因的位置。

近20年通过对小鼠的胚胎学研究获得了大量关于脊椎发育的分子胚胎学信息,近年来国外已开始了CS候选基因的初步研究,2003年,Giampietro 等总结报道利用人-小鼠同线性分析发现了小鼠的27个突变基因座及对应的人类CS的候选基因,还推荐了7个重要的候选基因。

随着技术的发展,人群中以前不符合孟德尔遗传规律的散发CS也有了基因研究方法,即关联分析。它是一种建立在群体水平上的研究方法,即群体相关分析,又称病例-对照研究。

由于CS多为散发,很难应用传统的系谱分析方法来找到致病基因,现在的研究多是通过候选基因或关联分析方法发现的。下面让我们探索一下候选基因和关联分析发现的CS突变基因都有哪些吧!


有动物模型发现小鼠Lmx1a对中枢神经系统的背侧细胞和脊椎的发育有重要的作用,基因敲出Lmx1a的小鼠可发生包括尾椎发育畸形、脊髓发育异常等畸形表现。也有中国学者通过对LMX1A 上关键单核苷酸多态性位点的初步筛查,用关联分析的方法初步探索LMX1A 基因与中国汉族人群CS及其不同临床表型之间的关联。发现该基因有三个位点与CS有关。

有学者发现PAX1对中轴骨的发育起到重要作用,PAX1基因敲出的小鼠可出现椎体和椎间盘的缺失。Sim2敲除的小鼠由于两侧肋骨和脊椎大小不对称而引起先天性脊柱侧凸。有中国学者推测动物模型已证实PAX 1和SIM2基因突变与椎体畸形发育有关。那么这两个基因与中国汉族人群CS的发生有关联吗?遗憾的是,通过关联分析来探索PAX1 和SIM2与中国汉族人群先天性脊柱测凸(CS)及其不同临床表型之间的关联的结果是均未发现相关位点。


随着基因测序技术的不断进步,有研究报道另一种研究方法全外显子组测序(WES)已成为最有效的进行疾病定位研究的手段。全外显子组测序是一种高效、快速和高性价比的研究方法。全外显子组测序的出现给CS遗传学研究提供了方法学的革新,为从基因组学水平探究CS遗传致病因素提供了可能,人们能够从以往“被动”的以“人鼠共线性”为基础的候选基因研究策略,上升为“主动”的从“全外显子组水平”寻找CS的致病性突变。

2009年,有学者首次将该技术完成了第一个人类的全外显子组测序工作,他们将待测DNA模板区域大大减少,并且覆盖了大部分疾病研究主要关心的基因编码区,这降低了测定单个研究样本的成本,基于全基因组水平的整体测序已经成为可能。本研究应用此方法发现了三个汉族人群CS相关突变基因。


随着基因研究方法的进步,2015年,世界顶级医学刊物《新英格兰医学杂志》以原创性论著形式,发表了中国医学科学院北京协和医院为第一完成单位的研究成果“TBX6基因无效变异联合常见亚效等位基因导致先天性脊柱侧凸”。该研究发现TBX6基因的缺失、无义、或移码等不同形式的无效变异本身还不足以导致先天性脊柱侧凸,通常需要联合一个常见的TBX6亚效等位基因来共同致病。TBX6是迄今最重要的先天性脊柱侧凸致病基因,11%散发型CS与TBX6突变有关。

目前研究认为散发型CS遗传学表明是一种多基因遗传病,其元凶并非一个,已发现多个基因与散发型CS有关,且不同基因突变导致不同的临床表型。

三、环境证据


第二条线索,环境因素会对CS有影响吗?答案是肯定的,研究认为孕妇在妊娠早期所处某些环境因素会对CS的发病有重要影响。首先就是环境因素影响CS的相关证据。这篇文献报道了两个同卵双胞胎CS患者:一个为胸椎侧凸,Cobb角40°,另一个却为胸腰段侧凸 Cobb角为10度。研究认为CS临床表现和严重程度不仅受遗传因素,环境因素也发挥重要作用。

四、环境致畸因子



维生素A及其衍生物在生命中的必要性已经被研究得十分透彻。有学者发现,母亲在妊娠早期摄人维生素A不足有可能导致后代出现严重的先天性骨骼畸形。

在动物实验中发现,在胚胎期分别给予母鼠不同剂量维生素A处理后,维生素A缺乏组小鼠出现颈椎椎弓根缺失、胸骨发育不良、肋骨缺失临床表现。从而证实了维生素A与椎体发育有关。

也有学者发现孕期患糖尿病有很多的致畸效应,包括神经管缺陷、尾端发育不全和椎体异常等先天性疾病,流行病学调查显示,不管怀孕前有糖尿病的孕妇还是妊娠期糖尿病的孕妇,其胎儿畸形的概率均比正常健康产妇高。

孕妇吸烟可以引起很多新生儿先天性器官畸形。也有研究报道孕妇吸烟会引起先天性脊柱畸形,但是具体发病机制并未进一步有研究报道。孕妇饮酒与胚胎乙醇综合征有关。乙醇综合症对对胎儿的影响包括先天性心脏、肾肺,骨骼等器官的畸形,有文献报道了8例乙醇综合症患儿有4例合并CS。

丙戊酸是一种抗癫痫药,但是研究发现妊娠女性应用丙戊酸治疗后,其孩子出现脊柱裂、神经管畸形的发生率增加了20倍。这篇文献报道一例怀孕期间母亲服用丙戊酸导致胎儿出生时有多种先天性畸形,包括腰椎融合、胸腰段脊柱侧凸,肾功能异常。

也有研究报道了硼酸(BA)和高温联合对中轴骨发育的影响。两者都能单独导致脊柱畸形的发生。并且发现联合高温和硼酸时,母鼠后代中出现椎体畸形的小鼠比例明显增多。


综上所述,原来“钟楼怪人”并不怪,只是我们对这种病的认知太少,未知即恐惧,当“钟楼怪人”的神秘面纱被一层一层揭开时,我们对这种病也越来越了解。CS绝大多数为散发型,聚集型CS(脊柱肋骨发育不全)的研究在很大程度上推进了散发CS的研究进程。基因敲除小鼠是研究散发型CS的重要手段,人群中的关联分析则是直接证据。

散发型CS被认为是一种复杂的多基因遗传病,遗传因素与环境因素共同影响着胎儿的脊柱发育,目前认为遗传模式为一个或多个基因导致不同的表型,任何一个基因均可能使患者处于易感状态,环境因素的影响使基因表型趋于复杂化。

当然,CS的病因探索还需要对更多的散发性CS病例进行研究,进一步的致病机制则需利用动物模型进行深入的功能研究,用以验证变异的致病性,探索其分子机制和在发育中起到的作用,以期为CS——“钟楼怪人”这种先天性疾病早期诊断、治疗和药物筛选提供重要的理论依据。

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