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【述評】兒童矮身材遺傳學診斷與研究的挑戰(zhàn)和機遇

時間： 2022/9/30 10:02:04 瀏覽量：1013 字號選擇：

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線性生長發(fā)生于胚胎期到青春期至成人早期，受遺傳、內分泌、營養(yǎng)、疾病以及環(huán)境等多因素的影響。下丘腦垂體-生長激素-胰島素樣生長因子（insulin like growth factor，IGF）-1軸以及生長板是調控生長的重要因素。胚胎發(fā)育過程中下丘腦垂體發(fā)育相關的基因變異通常會導致多種垂體激素缺乏，下丘腦-垂體信號異常可影響生長激素的合成和釋放，靶組織受體缺陷可致生長激素、IGF-1功能異常，均引起身材矮小^[^1,2,3,4,5]。在內分泌和旁分泌因子的影響下，生長板參與軟骨細胞增殖、肥大和分泌軟骨細胞外基質過程的基因異常也與身材矮小相關，但大多伴有骨骼發(fā)育不良^[^1,2,3,4,5]。隨著遺傳學新技術的廣泛臨床應用，越來越多的矮身材患兒得到了明確的病因診斷，提高了臨床醫(yī)師對疾病的認識和診斷水平。而對矮身材患兒復雜的遺傳檢測結果的解析與鑒定，臨床表型和基因型的多樣性及復雜性分析方面，仍面臨諸多問題和挑戰(zhàn)。

一、矮身材相關基因的研究進展

（一）下丘腦-垂體發(fā)育相關基因

在胚胎發(fā)育過程中，多種轉錄因子調控下丘腦垂體的正常發(fā)育。如早期轉錄因子HESX1、SOX2、SOX3、LHX3、LHX4、PTX1、PTX2基因以及晚期轉錄因子PROP1、POU1F1基因等。這些轉錄因子的異常，除可導致生長障礙、其他垂體激素缺乏通常還伴有相關發(fā)育異常，如視中隔發(fā)育不良和（或）眼部缺陷（HESX1、OTX2、SOX2、SOX3基因）、骨骼缺陷（LHX3、PITX2基因）、智力缺陷（SOX3和SOX2基因）等^[^5]。PROP1、POU1F1、HESX1基因異常相對常見，其中PROP1基因缺陷占6.7%~11.6%^[^4]。近年來還發(fā)現GLI2、FGF8、FGFR1、PROKR2、PROK2、ARNT2和IGSF1等基因與下丘腦垂體發(fā)育相關，患兒可出現身材矮小、多種垂體激素缺乏、垂體發(fā)育不良等。GLI2基因變異的患兒易出現多指畸形，腭裂等面中部發(fā)育不良；IGSF1基因變異的男性患者還可出現巨睪癥^[^2]。因此，矮身材患兒若同時伴有多垂體激素缺乏，應注意下丘腦、垂體發(fā)育相關基因的檢測和重點分析。

（二）與生長激素-IGF-1軸相關的基因

生長激素和IGF-1是縱向生長的重要調節(jié)因子。迄今已證實了40余個可影響生長激素分泌、IGF-1生物利用度和作用的基因缺陷與生長障礙相關^[^2]。這些基因缺陷可導致生長激素缺乏癥、生長激素不敏感、IGF不敏感等，甚至在特發(fā)性矮身材（idiopathic short stature，ISS）及小于胎齡兒（small for gestational age，SGA）中也可檢測到相應的基因變異。

1. GH1基因：GH1基因缺陷可導致單純性生長激素缺乏癥，患兒的典型表現為勻稱性身材矮小、生長速率降低，生長激素及IGF-1水平低^[^1]。但也有研究顯示GH1雜合或純合變異與生長激素生物失活有關，患兒可出現單純性生長激素缺乏癥類似的表型，但生長激素水平正常或升高，表現為部分生長激素不敏感^[^3]。甚至也有研究發(fā)現GH1基因啟動子的雜合變異與ISS相關^[^1]。

2. GHSR基因：GHSR是編碼Ghrelin受體的基因。GHSR基因變異可致ISS、生長激素缺乏癥、體質性生長和青春期發(fā)育延遲，但其嚴重程度和外顯率各有不同，甚至在同一家族中可出現兩種不同的表型^[^1]。臨床表現的異質性可能是基因缺陷導致的蛋白改變，進而影響了與Ghrelin的親和力和受體的固有活性^[^1]。

3. GHR基因：GHR基因純合或復合雜合變異可致完全性生長激素不敏感，如Laron綜合征，表現為顯著矮小、生長激素水平升高或正常、IGF-1及IGF結合蛋白3（binding protein 3,BP-3)水平較低。但GHR基因雜合變異也可致不同程度生長激素不敏感，從GHR基因活性完全喪失到輕度受損，引起不同程度的臨床表型，表現為部分生長激素不敏感或因僅有輕度生長激素不敏感的表型，而被歸類于ISS^[^2]。在ISS隊列研究中發(fā)現GHR基因雜合變異的頻率為5.0%~15.5%^[^1]。

4. IGF1、IGF1R基因：IGF1基因是胎兒宮內及生后生長發(fā)育的重要生長因子。IGF1基因缺失或純合功能喪失基因變異可致嚴重的宮內及生后生長障礙、小頭畸形、智力發(fā)育障礙等，患兒IGF-1水平顯著降低，生長激素水平正?；蛏?。與非攜帶者相比，IGF1基因雜合變異的患兒也可出現明顯矮小和小頭圍，但存在表型差異^[^1,2,3]。IGF1R基因雜合變異或缺失，可導致IGF-1不敏感綜合征，患兒表現與IGF1基因變異患兒的表型相似，但IGF-1水平正常或升高^[^3,6]。也有研究發(fā)現3%的SGA患兒可檢測到IGFR缺陷^[^3]。

5. IGF2基因：IGF-2是重要的宮內生長發(fā)育因子，但近期研究發(fā)現IGF-2對生后的生長也非常重要。父源IGF2基因變異致基因表達不足時，患兒可出現生長受限^[^3]。如Silver-Russell綜合征（Silver-Russell Syndrome,SRS）中，約60%的病例是由于11p15.5的印記區(qū)域父源性H19/IGF2 IG-DMR低甲基化，使父源性IGF-2表達減少所致^[^2]。Begemann等^[^7]在一家族中發(fā)現4例有SRS表型的個體，但未檢測到公認的幾種已知SRS缺陷，通過外顯子分析發(fā)現4例患者均有遺傳自父親的IGF2基因無義變異。已發(fā)現IGF2基因的1種錯義變異和6種失功能變異與矮小相關^[^2,7,8]。

6. STAT5B基因：STAT5B基因編碼GHR激活下游細胞內信號途徑的主要蛋白。STAT5B基因純合失活變異，可導致典型的生長激素不敏感，患兒顯著矮小，并伴有免疫缺陷^[^1,2]。STAT5B基因雜合變異可導致身高輕度降低。攜帶變異的個體身高比無變異的家族成員矮，可能與部分單倍劑量不足有關^[^2,3]。

7. 三聚體缺陷（IGFALS和PAPPA2基因）：大部分IGF-1在血循環(huán)中與IGFBP-3和酸不穩(wěn)定亞基結合形成三聚體復合物，該復合物可延長血清IGF-1的半衰期和降低其在組織水平的生物利用度^[^1,2]。IGFALS雙等位基因功能喪失變異可導致患兒出現輕度矮身材伴性發(fā)育遲緩，IGF-1、IGFBP-3水平升高^[^1]。ALS基因雜合變異可導致身高降低，部分患兒可能被診斷為ISS，并可伴有胰島素抵抗、骨質疏松^[^3]。PAPPA2基因純合或復合雜合變異可致矮身材，IGF-1和IGFBP-3明顯升高（但游離IGF-1水平低），骨齡與實際年齡相稱^[^9]。

在生長激素-IGF-1軸作用的過程中任一基因缺陷均可導致身材矮小。而且同一臨床特征可由不同的基因缺陷所致，如生長激素不敏感與GHR、STAT5B、GH1等基因均有關；IGF-1不敏感與IGF1R、ALS、PAPPA2等基因缺陷有關。同一個基因的不同變異形式可引起不同的臨床表現，如GHR基因缺陷既可導致完全性生長激素不敏感，部分性生長激素不敏感也可導致ISS。另外，在ISS以及SGA患兒中也發(fā)現了生長激素-IGF-1軸的基因異常。上述因素均給矮身材的基因檢測結果分析帶來困難。

（三）調節(jié)生長板的基因

軟骨細胞的增殖、肥大、衰老以及軟骨基質合成的過程中，自分泌和旁分泌是主要的調節(jié)因子。編碼或調控這些因子的基因、編碼基質蛋白和蛋白多糖的基因缺陷以及多種細胞內途徑信號異常也可致不同形式的矮小和骨骼發(fā)育不良^[^1,3]。

1. SHOX基因：SHOX基因調節(jié)生長板的具體作用機制不明。SHOX基因作為轉錄激活劑，存在基因-劑量效應。SHOX基因純合或復合雜合變異，可致Langer肢中骨發(fā)育不良^[^1,3]；而雜合變異或缺失則可致多種不同的表型，如輕度骨骼發(fā)育異常、Leri-Weill軟骨生長障礙、ISS^[^1,3]。6%~22%的ISS可發(fā)現SHOX基因缺陷或調節(jié)因子異常（缺失、重復、插入等）^[^4]。

2. NPPC基因：C型利鈉肽（C-natriuretic peptide,CNP)及其受體NPR-B是軟骨內成骨的正調控因子，刺激軟骨細胞的增殖、分化、軟骨基質合成^[^1]。編碼CNP的基因NPPC與成人身高明顯相關^[^3]。在家族性ISS的家系中發(fā)現存在NPPC基因雜合變異，患兒除出現矮身材，還伴有小手^[^10]。NPR2雙等位基因功能喪失變異可致肢端肢中發(fā)育不全^[^1]。而雜合變異的表型與SHOX基因單倍劑量不足的患兒相似，可致ISS，但沒有或僅有輕微的骨骼發(fā)育不良特征，一般無馬德隆畸形^[^1,3,5]。在ISS患兒中NPR2基因雜合變異占0~6%。如果雙親之一有相似的表型，該比例可能更高^[^11]。

3. ACAN基因：ACAN基因編碼細胞外基質中的重要組成部分蛋白多糖。ACAN基因變異亦存在基因劑量效應。ACAN純合變異可致嚴重骨骼發(fā)育不全（脊椎干骺端發(fā)育不良aggrecan型）；而ACAN雜合變異所致骨骼發(fā)育不全稍輕，或僅出現矮身材、骨齡超前，但不伴有明顯影像學可見的骨骼發(fā)育不良^[^3]。另外，在20多個常顯矮身材家族中發(fā)現ACAN基因變異者逾100余例^[^1]。在SGA、ISS患兒中也證實存在ACAN基因缺陷^[^4]。

4. FGFR3基因：FGFR3基因途徑在生長板軟骨生成過程中是一種負調節(jié)因子^[^1,3]。FGFR3基因變異可導致致死性發(fā)育不全、軟骨發(fā)育不全和軟骨發(fā)育不良，臨床表型的不同與變異的位置有關^[^1,3,5]。但在勻稱性矮小的家族中也發(fā)現存在FGFR3變異^[^3]。

5. IHH基因：IHH基因編碼一種關鍵的軟骨內骨化的旁分泌調節(jié)因子，協調軟骨細胞的增殖與分化^[^1]。IHH基因純合變異導致肢端骨發(fā)育不良^[^1]。雜合變異可致短指A1型，表現為中間指、趾骨顯著短小，可與末端指、趾骨融合。有報道在ISS患兒中3.4%出現IHH雜合變異，現患者的第5中間指骨出現不同程度短小^[^12]。

調節(jié)生長板的基因缺陷大多引起非勻稱性矮小和骨骼發(fā)育不良，臨床相對容易識別。但這些基因的雜合變異也可引起臨床及影像學不易識別的骨骼發(fā)育不良，甚至在ISS患兒中，也檢測到這些基因的雜合變異，這進一步加大了基因分析的難度。

除上述基因異常外，染色體異常、基因組印記基因異常等也可導致矮身材，如Turner綜合征、Silver-Russell綜合征、Prader-Willi綜合征等。

二、矮身材遺傳學分析的意義與挑戰(zhàn)

矮小是一種臨床常見的臨床表征，矮身材的診斷過程實質上是確定導致身材矮小病因的過程。盡管身高和生長發(fā)育受多因素影響，但遺傳因素的影響在其中占有較大比重。隨著新型、高通量醫(yī)學遺傳學技術的廣泛臨床應用，越來越多的基因被證實與矮小相關，越來越多的矮身材兒童通過基因分析明確了矮小的病因。積極探尋矮小的遺傳病因，其意義在于：（1）有助于明確診斷，判斷預后。在確定患兒致病基因的同時，通過基因變異的具體信息可了解該基因變異容易影響哪些組織器官，從而提示醫(yī)生應注意是否存在其他合并癥的可能^[^3]。（2）有助于確定矮身材患者的治療方案，避免重組人生長激素（recombined human growth hormone，rhGH）的濫用。盡管大多矮身材的患者可采用rhGH治療以改善成人身高，但并非所有矮身材的患者均可或適合應用rhGH治療。如生長激素受體（growth hormone receptor,GHR)缺陷者對rhGH治療反應差；生長板相關基因異常導致的矮小，應用rhGH治療難以取得較好療效。Bloom綜合征等則禁用rhGH治療。（3）對可以應用rhGH治療的患兒，明確基因變異有助于判斷rhGH的治療效應。如GH1基因純合缺失患兒用rhGH治療易產生生長激素抗體，導致療效不佳。IGFR缺陷的患兒，rhGH治療后，患兒的IGF-1的水平可明顯升高，但敏感性降低^[^3]。SHOX基因下游和上游增強子的雜合缺失，可引起與SHOX基因缺陷相似的臨床表型，但攜帶SHOX基因增強子缺失的兒童對rhGH治療的反應優(yōu)于攜帶SHOX基因缺陷者。（4）利于新藥開發(fā)和臨床應用。CNP及其受體在生長板中的功能是近年生長遺傳學研究領域的突破，闡明CNP/NPR-B這一途徑在線性生長中的作用，利于對軟骨發(fā)育不全患兒的治療藥物開發(fā)。CNP類似物在軟骨發(fā)育不全小鼠模型中已取得較好療效，針對軟骨發(fā)育不全兒童的臨床試驗正在進行中^[^3,13]。長效CNP類似物還有望作為非綜合征矮小，特別是NPR2或NPPC基因雜合變異患兒的潛在治療^[^1]。（5）基因診斷還有利于對家系進行遺傳咨詢，特別是針對部分同時嚴重影響骨骼發(fā)育以及可合并智力發(fā)育障礙的基因異常，可早期實施家系調查、攜帶者檢出、產前診斷等，有效實施優(yōu)生優(yōu)育。（6）通過矮小相關基因的大數據分析可進一步了解基因與矮小的關系、基因型與表型的關系，總結分析導致矮小的某種基因檢查指征，利于選擇恰當的檢測方法實施精準診斷。如基于當前的研究結果，有學者推薦宮內生長遲緩、小頭畸形、精神運動發(fā)育遲緩、耳聾者宜考慮是否存在IGF1基因異常；家族性矮身材、SGA，同時血IGF-1水平升高者應警惕IGF-1R缺陷；具有SRS的臨床特征，IGF-2降低，而又未發(fā)現目前已知的SRS遺傳缺陷時，應考慮IGF-2缺陷^[^4]；矮身材伴多指畸形應進行GLI2基因檢測^[^2]；矮身材伴骨齡超前者應警惕ACAN基因變異等。

盡管明確矮小的遺傳病因意義重大，但在基因檢測技術發(fā)展及廣泛臨床應用的同時，也帶來矮身材基因診斷方面的挑戰(zhàn)。（1）遺傳缺陷種類和臨床表型的復雜多變使基因型-表型的相關性分析較為困難。主要表現為與矮身材相關的基因眾多；一種臨床異常可由幾種不同的基因變異所致；同一個基因可出現不同的變異，部分存在基因劑量效應，患兒可出現較寬的表型譜，從骨骼發(fā)育不良到ISS，如：SHOX、NPR2、ACAN、IGF1、IGF1R、FGFR3基因變異等^[^{1,2,3,4,5,14]}。某些基因變異不僅可影響生長發(fā)育，還可影響其他組織器官，導致先天畸形或多系統表型。所以如何識別這些異常也是臨床醫(yī)生面臨的挑戰(zhàn)。（2）部分概念或觀念需做出轉變。如ISS是一種排他性診斷，其實質是目前病因未明的矮小的總稱。在矮身材患者中，70%可單純出現矮身材，而無其他任何臨床和實驗室檢查可見的異常，這些患者通常被歸類于ISS^[^1]。而隨著基因檢測技術的普及，在越來越多的ISS患兒（包括家族性和非家族性）中，發(fā)現了不同的基因變異類型，確定了一些新的基因缺陷^[^1,5]，進而明確了這些矮小患兒的病因。隨著新一代測序技術的廣泛臨床應用和時間的推移，被診斷為ISS的兒童有望日益減少，ISS的概念也有可能終被摒棄。另外，以IGF-1水平降低作為矮身材篩查一線基礎檢測，有可能導致生長激素-IGF-1軸功能異常的漏診。除GHR和IGF-1自身的基因缺陷外，GHR后的信號途徑、ALS異常、IGFR后的信號途徑異常，均可影響生長激素、IGF-1正常發(fā)揮作用，出現生長激素不敏感或IGF-1抵抗的表現。而在此過程中，生長激素、IGF-1水平可以降低、正常或升高^[^4]。因此，單純依靠IGF-1水平進行矮身材的臨床篩查難以進行生長激素-IGF-1軸功能的正確評估。（3）遺傳檢測結果判讀的準確性及困難。雖然SNP、WES、WGS、RNA序列、甲基化分析等技術較為成熟，已廣泛應用于臨床。然而，導致矮身材的遺傳基因、信號途徑眾多；特定基因的變異種類繁多；部分存在基因-劑量效應、上下游的調控因素對基因功能也有影響。如何對矮小患者的遺傳學結果進行精準的分析與致病基因的確定，仍是目前基因檢測結果分析的難點。

為明確導致矮身材的病因，規(guī)范rhGH的臨床應用，進一步確定矮身材的診斷流程，須加大對矮身材兒童的遺傳學分析力度。特別是針對那些顯著身材矮小、存在多垂體功能缺陷、合并小頭畸形或先天畸形、骨骼發(fā)育異常者以及伴有智力障礙、同胞或父母有相似特征者^[^1,3]。另外，對ISS和SGA患兒也應進一步加強遺傳學研究。

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