椎间盘退变的遗传学机制研究进展

【关键词】  椎间盘退变

    椎间盘退变（intervertebral disc degeneration,IDD）是一系列脊柱退行性疾病的发生前提和基础病理过程，临床上常表现为椎管狭窄、脊柱节段不稳、腰腿痛、颈椎病、椎间盘突出等病症。传统的观点认为IDD主要与过度的身体负荷引起的损伤以及衰老过程中伴随出现的变化有关。随着相关研究的不断深入，人们对IDD及其病因的认识有了巨大的进步。近年来的一些研究，特别是对同卵双生者IDD的研究发现遗传因素可能在IDD的发生发展中起重要作用。本文就相关研究情况作一综述。

    1  椎间盘退变的家族性

    IDD如果存在家族性，则提示可能有遗传因素的影响。Battie等〔1〕报道对20对同卵双生者（年龄在36~60岁）进行研究后发现：研究对象IDD的程度和部位都呈现显著的家族性。为了弄清这种家族性是源于遗传因素还是文化、习惯的传承，有学者对单卵双生者和双卵双生者进行了分类研究。Sambrook等〔2〕对86对单卵双生者和154对双卵双生者的脊柱进行MRI扫描后发现：遗传因素对IDD有显著的影响，且大于环境因素对IDD的影响，在腰椎尤为如此。

    2  与椎间盘退变相关的基因

    迄今为止，IDD的基因研究主要应用的是一种对候选基因进行分析的方法。候选基因一般是在病变组织中表达异常或已知与疾病相关的基因及其同源基因。这种方法在致病基因的总体效应较小的情况下仍然有效。研究发现，与IDD相关的基因主要有维生素D受体基因、聚集蛋白聚糖基因、金属基质蛋白酶3基因、软骨中间层蛋白基因、炎性因子基因、胶原基因及Sox9基因等；但是遗传因素对于IDD的影响是主效基因作用模式（即1～2个主效基因对IDD的发生发展起决定作用）还是等效基因作用模式（即作用较为平均的若干基因同时决定IDD的发生发展），目前并不十分清楚。

    2.1  维生素D受体基因

    维生素D受体基因是第一个被报道的与IDD相关的基因。以往，它的基因多态性（Fok1及Taq1等）被认为在骨质疏松症、骨关节炎等疾病中有相关的作用。1998年，Videman等〔3〕对来自芬兰的85对（年龄在36~69岁）同卵双生者进行了相关研究后发现：在胸椎和腰椎椎间盘组织中，Fok1及Taq1等维生素D受体基因的多态性与MRI上低密度信号形成有关。随后他们以MRI的信号强度评价IDD的严重程度。结果显示：Taql等位基因tt表型者IDD最严重，Tt表型次之，TT表型最轻;Fok1等位基因表现出相似的变化。进一步研究发现这些基因型与椎间盘膨出及椎间隙高度丢失也密切相关。Kawaguchi等〔4〕在他们的研究中再次证实了维生素D受体基因Fok1及Taq1的多态性与IDD的相关性。这次的研究对象是205名日本志愿者及患者（年龄在20~29岁）。他们同时发现Taql等位基因Tt表型与多节段IDD有关。但是陈为坚等〔5〕在中国汉族人中进行的类似研究却未发现Taq1及Tru1的基因多态性与腰椎间盘退变有相关性。在不同种族中做更大规模的研究将有助于进一步揭示维生素D受体基因与IDD的关系。

    2.2  聚集蛋白聚糖基因

    聚集蛋白聚糖（aggrecan）是椎间盘蛋白多糖中最主要的一种，主要存在于髓核中。Aggrecan蛋白是以核心蛋白为核心，结合糖胺多糖链而构成。其核心蛋白有G1、G2、G3 3个折叠形式各不相同的球状区域，其中G2~G3球状区之间有糖胺多糖链结合位点，核心蛋白在这些位点结合硫酸软骨素链和硫酸角质素链成为带负电荷的Aggrecan单体。Aggrecan单体大量结合透明质酸，并镶嵌在胶原中形成包涵大量水分的网眼状结构。这种结构维持了椎间盘内水和离子浓度的相对稳定，并使椎间盘组织保持于凝胶状态而具有适当的黏弹性，从而满足了人体活动对椎间盘的生物力学要求〔6〕。Watanabe等〔7〕发现Aggrecan基因缺陷的小鼠出生时体型矮小，其椎间盘随着存活时间的延长出现明显退变，提示Aggrecan基因可能与IDD有关。Doege等〔8〕发现编码Aggrecan核心蛋白G2和G3球状区与硫酸软骨素的基因的12号外显子存在串联重复序列（VNTR）多态性，其基本片段为57个碱基，重复次数从13~33次不等。继而Kawaguchi等〔9〕通过对64名（年龄在20~29岁）日本年轻女性进行有关研究后证实了VNTR多态性与IDD的相关性，而且得出不同长度的VNTR对应IDD的严重程度也不同。但是Roughley等〔10〕稍后的研究却没有发现类似的相关性。他们的研究对象是44名有腰腿痛、经MRI扫描证实且等待手术的IDD患者（年龄在18～69岁，平均55岁）以及对照组的58名正常人（年龄在20～79岁，平均57岁）。以上的研究所对应的样本含量均不大，应该做更大规模的研究来进一步揭示Aggrecan基因与IDD的关系。

    2.3  金属基质蛋白酶3基因

    金属基质蛋白酶3（MMP3）是细胞外基质降解的关键酶，能降解Ⅸ型胶原在内的多种胶原以及蛋白多糖的核心蛋白等，故MMP3基因可能与IDD相关。吕浩然等〔11〕通过动物实验发现：IDD的动物椎间盘组织中的MMP3水平明显高于对照组。已证实MMP3基因的启动子具有多态性（5A／6A），且5A的启动效能是6A的2倍〔12〕。Takahashi等〔13〕对来自日本的54名年轻人及49名老年人进行研究后发现：在老年人组中，具有5A5A及5A6A基因型的IDD的发生率及严重程度均高于具有6A6A基因型的；在年轻人组未发现这种现象。相关研究的样本含量依然较小，基于更大样本的研究很有必要。

    2.4  软骨中间层蛋白基因

    软骨中间层蛋白（CILP）是人类关节软骨的基质组成成分，因其分布限定在软骨中间层的某些特定区域而得名，它在椎间盘组织中广泛存在。Seki等〔14〕进行病例对照研究后认为CILP基因T1184C单核苷酸多态性与IDD相关，并发现：CILP围绕椎间盘组织中的TGF1而浓集，抑制TGF1所介导的对Aggrecan、Ⅱ型胶原等细胞外基质蛋白的诱导转化作用。这种CILP对TGF1的调节作用在IDD的发生发展中应占有一定地位。进一步的研究尚未见报道。

    2.5  炎性因子基因

    炎性因子（IL1、IL6等）具有促进椎间盘蛋白多糖降解并抑制其合成，参与椎间盘炎症反应等作用，被认为在IDD及椎间盘源性腰腿痛的发生发展中起重要的作用。Solovieva等〔15〕报道IL1（IL1α、IL1β及IL1RN）基因多态性可能是IDD发生发展的危险因素之一。通过对133名中年人腰椎间盘退变的MRI表现和IL1基因位点多态性进行分析，他们发现IL1α基因TT表型者椎间盘突出发生率为CC表型者的3倍;IL1β基因TT或CT表型者椎间盘突出发生率亦较CC表型者高；IL1α基因TT表型、IL1β基因TT表型及IL1RN基因CC表型同时存在时椎间盘突出的发生率较高，但其中两两存在时发生率无差别。NoponenHietala等〔16〕利用病例对照方法研究了炎性因子IL1α、IL-1β、IL1RN、TNFα、IL2、IL4、IL6、IL10等的基因发生突变或其多态性与IDD及椎间盘源性腰腿痛之间的关系，结果发现IL6基因的多态性与IDD及椎间盘源性腰腿痛的发生率密切相关。

    2.6  胶原基因

    胶原是椎间盘组织主要的细胞外基质成分，而细胞外基质成分的变化是椎间盘力学特性改变的直接原因〔6〕。Ⅰ型和Ⅱ型胶原是其主要成分，占椎间盘胶原总量的90％以上；Ⅸ型胶原约占椎间盘胶原总量的1%～3％，不单独形成纤维，在n型胶原纤维之间及Ⅱ型胶原纤维与蛋白多糖之间起着桥接的作用。

    Ⅸ型胶原的胶原链分别由COL9A1、COL9A2和COL9A3基因编码。研究表明，COL9A2和COL9A3这2种基因发生突变与IDD密切相关。Annunen等〔17〕发现在157名IDD的芬兰人中有6名的COL9A2的第326位的谷氨酰胺被色氨酸取代（Trp2表示），而对照组中174名无IDD的正常人没有这种现象。因为Trp2的携带率较低，他们随后采用家族性分析的方法，发现携带突变基因Trp2的家族成员都表现出了IDD的迹象。Jim等〔18〕发现在中国南方人中Trp2的携带率接近20％，且COL9A2基因的突变与IDD的发生和严重程度都密切相关；相关程度还受年龄因素的影响，在40～49岁年龄组其相关性最高。Paassilta等〔19〕报道在有IDD且有腰腿痛的研究对象中有24％发生了COL9A3第103位的精氨酸被色氨酸取代（Trp3表示）的现象；与之对照，无症状的人群中这种现象的发生率只有9％，故而认为COL9A3基因的突变是IDD的危险因素之一。Solovieva等〔20〕研究了芬兰人Trp3、肥胖等因素与IDD的关系，发现COL9A3基因的突变与肥胖的共同作用与多节段IDD的发生发展相关。Jim等〔18〕在对中国南方人的IDD病例研究中没有发现COL9A3基因突变的现象，表明COL9A3基因突变在不同人种中的发生率可能不同。

    COL1A1基因编码Ⅰ型胶原分子的α1链，多项研究表明COL1A1基因1号内含子的Sp1结合位点的多态性（TT／TG／GG）与低骨密度的形成有关，并因而增加了骨折的风险，故被怀疑是IDD的候选基因。Pluijm等〔21〕用队列研究的方法发现在老年人中（大于65岁）Sp1结合位点的多态性与IDD有较为密切的关系：TT表型者IDD的发病风险（Kellgren评分法）高于TG与GG表型者。Tilkeridis等〔22〕在对年轻人的研究中也发现了这种现象，他们的研究对象是24名年轻的IDD患者和12名年龄相当的对照者。

    2.7  Sox9基因

    研究证实Sox9基因能够调控Ⅱ型胶原mRNA的转录，在软骨的发育和成熟过程中有重要的生物学作用，与IDD关系密切〔23〕。近期Paul等〔24〕向退变的人椎间盘细胞中转染腺病毒介导的Sox9基因，证实其可以使Ⅱ型胶原的mRNA和蛋白合成都有所增加。随后其将Sox9基因导入行纤维环切开术后的大白兔腰椎间盘内，被转染的髓核细胞仍保持其原有细胞表型；而对照组中的髓核细胞则逐渐由纤维细胞取代。髓核细胞数目的下降被认为会引起IDD，提示Sox9基因可能在IDD过程中发挥重要作用。Gruber等〔25〕研究发现随年龄的增长和IDD的加重，Sox9基因在人椎间盘纤维环细胞中的表达逐渐减少，也证实了Sox9基因对IDD的影响。

    3  结论及未来的展望

    综上所述，众多的研究都证实了遗传因素在IDD的发生发展中占有重要地位。但作者应看到，迄今为止，所选的基因都是以椎间盘生物学为基础的，关注焦点主要集中在椎间盘中细胞外基质成分（主要是胶原和蛋白多糖分子）的变化和那些干扰这些分子功能的因素上；而且对候补基因进行联合研究的方法并不能完整地揭示疾病所有的遗传机制，因为这种方法有其限制性，比如依赖于生物学假设的基础等。随着低成本高流通量基因分型技术的应用，多基因疾病研究的全基因组扫描和连锁分析（即对基因组上遗传学标记进行全基因组扫描，以了解各染色体区域或未被研究的基因在疾病发生发展中的作用）逐渐成为可能。这将有助于IDD遗传学机制的进一步揭示，从而为预防和治疗IDD开辟新的道路。

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作者单位：华中科技大学同济医学院附属协和医院骨科，武汉 430022