王 鵬 綜述 劉曉光 滕 澤 審校

(北京大學(xué)第三醫(yī)院骨科，北京 100083)

·文獻(xiàn)綜述·

脊柱后縱韌帶骨化的基因?qū)W研究進(jìn)展*

王 鵬 綜述 劉曉光**滕 澤 審校

(北京大學(xué)第三醫(yī)院骨科，北京 100083)

脊柱后縱韌帶骨化的發(fā)生是由環(huán)境、基因等多因素造成的。隨著基因?qū)W研究的深入，目前認(rèn)為基因突變是誘發(fā)后縱韌帶骨化的重要因素。盡管目前在后縱韌帶骨化疾病的基因?qū)W研究方面取得了一定的進(jìn)展，但是仍然還未有確切基因顯示與后縱韌帶骨化關(guān)系密切，后縱韌帶骨化的發(fā)病機(jī)制還需要進(jìn)一步的探索。

后縱韌帶； 骨化； 基因?qū)W

后縱韌帶骨化(ossification of the posterior longitudinal ligament，OPLL)是椎旁韌帶的病理性異位骨化疾病，脊髓和神經(jīng)根的慢性受壓可導(dǎo)致脊髓壓迫癥狀及神經(jīng)根病。OPLL疾病研究始于20世紀(jì)60年代，胸椎OPLL的發(fā)現(xiàn)較頸椎晚，直到1972年Nagashima[1]報(bào)道胸椎OPLL可以引起胸椎管狹窄癥，胸椎OPLL才逐漸引起重視。OPLL疾病的基因?qū)W研究始于20世紀(jì)七八十年代，目前絕大部分研究成果來自日本學(xué)者。

由于OPLL的起病隱匿，發(fā)病進(jìn)展緩慢，臨床表現(xiàn)可以從無癥狀到嚴(yán)重壓迫。該病主要發(fā)生在東北亞地區(qū)，日本流行病學(xué)調(diào)查[2]顯示，該病的患病率為1.9%～4.3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于歐洲和美國(guó)地區(qū)的0.01%～1.7%。國(guó)內(nèi)流行病學(xué)調(diào)查[3]顯示，該病在中國(guó)北方地區(qū)頸肩痛患者中的發(fā)生率為0.44%～8.92%。Tsuji等[4]2016年報(bào)道的日本流行病學(xué)調(diào)查顯示，男女的患病比率為2.7∶1，患病年齡主要是>40歲的人群。該病70%發(fā)生在頸椎，15%發(fā)生在胸椎[5]。OPLL在影像學(xué)的形態(tài)特征主要分為以下四型[6]：孤立型；節(jié)段型；連續(xù)型；混合型。OPLL的發(fā)生是遺傳(多基因遺傳)和環(huán)境(營(yíng)養(yǎng)、糖尿病、肥胖)等多因素控制的疾病[7,8]。

OPLL是脊柱外科領(lǐng)域的高風(fēng)險(xiǎn)手術(shù)，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道術(shù)后出現(xiàn)癥狀加重及并發(fā)癥率達(dá)9.6%～40.8%[9～11]。由于OPLL手術(shù)操作復(fù)雜且風(fēng)險(xiǎn)極高，而且學(xué)者對(duì)于術(shù)式和手術(shù)時(shí)機(jī)的選擇尚存在較大爭(zhēng)議，因此困擾臨床醫(yī)生對(duì)該病制定出及時(shí)有效的治療方案。隨著近年遺傳實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展以及通過測(cè)序?qū)θ祟惢蚪M的更深刻理解和更具體的研究，基因突變誘發(fā)OPLL的觀點(diǎn)是目前研究的熱點(diǎn)。對(duì)于OPLL的基因遺傳學(xué)研究，可能幫助我們深入認(rèn)識(shí)該病的內(nèi)在發(fā)生發(fā)展機(jī)制，尋找評(píng)估胸椎OPLL嚴(yán)重程度及疾病進(jìn)展可能性指標(biāo)，對(duì)于疾病的早期發(fā)現(xiàn)和診斷以及探索除手術(shù)治療以外的其他輔助治療手段有重要意義。目前OPLL基因?qū)W研究手段方法主要有全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-wide association study，GWAS)、全基因組連鎖研究、基因測(cè)序關(guān)聯(lián)研究等。本文就近年來OPLL發(fā)病的基因?qū)W研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 家族性遺傳規(guī)律研究

1989年Terayama[12]觀察到OPLL患者的后代患病率為26.15%，患者兄妹間的患病率為28.89%，家庭成員間的患病率顯著高于普通人群，并就此展開了OPLL家族遺傳學(xué)方面的研究。他認(rèn)為OPLL的遺傳方式不是傳統(tǒng)的常染色體顯性或隱性遺傳，而可能是單基因遺傳疾病，最有可能的遺傳方式是常染色體不完全顯性遺傳。但Karasugi等[13]認(rèn)為OPLL的家族遺傳方式是典型的常染色體隱性遺傳。盡管迄今為止OPLL家族遺傳方式仍然是不確定的，但OPLL的家族性遺傳背景證明該病的發(fā)生與基因?qū)W有關(guān)[14]。

2 人類白細(xì)胞抗原單體型研究

人類白細(xì)胞抗原(human leukocyte antigen，HLA)分析是研究有遺傳背景疾病的有效方法。Sakou等[15]研究OPLL患者家屬的HLA單體型，觀察到有3種HLA單體型在普通人群中非常罕見，且患者親屬中同樣有OPLL的人與此OPLL患者往往有2個(gè)相同的HLA單體型，而無OPLL的親屬與OPLL患者只有1個(gè)相同的HLA單體型，因此認(rèn)為OPLL的發(fā)生與遺傳有關(guān)。這些研究提示OPLL的易感基因可能在同樣編碼HLA基因的6號(hào)染色體上。

3 Toll樣受體

由于OPLL患者常伴有脊髓損傷，與機(jī)體炎癥反應(yīng)有關(guān)的Toll樣受體(Toll-like receptors，TLR)引起了OPLL基因?qū)W研究人員的興趣。TLR是參與非特異性免疫(天然免疫)的一類重要蛋白質(zhì)分子，是非特異性免疫重要的組成部分，也是連接非特異性免疫和特異性免疫的橋梁。目前，在人類中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的人TLRs家族成員有10個(gè)。TLR可以通過激活核因子κB(NF-κB)刺激腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor-α，TNF-α)的產(chǎn)生。

Chung等[16]于2011年對(duì)166例OPLL和231例正常對(duì)照組進(jìn)行的病例對(duì)照研究顯示，TLR5與OPLL的發(fā)生無關(guān)(P>0.05)。He等[17]對(duì)TLRs家族進(jìn)行研究，認(rèn)為TLR通路是最有可能參與OPLL發(fā)生的通路(P=0.004)，TLR1、TLR5、TLR7是OPLL發(fā)生的易感基因。

4 骨形態(tài)發(fā)生蛋白基因研究

骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMP)基因是多功能性生長(zhǎng)因子，能使未分化的間充質(zhì)細(xì)胞定向分化為成骨細(xì)胞，并進(jìn)而合成膠原，形成鈣化的骨組織[18]。

Furushima等[19]對(duì)參與骨代謝的88個(gè)基因進(jìn)行廣泛的非參數(shù)連鎖研究，結(jié)果顯示BMP-4基因是OPLL發(fā)生的易感基因，但未進(jìn)行多態(tài)性的相關(guān)研究。Wang等[20]針對(duì)北京地區(qū)漢族人群57例OPLL與135例正常對(duì)照組BMP-2基因exons2區(qū)2個(gè)單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms,SNPs)的研究顯示，OPLL組中Ser37Ala(T/G)的發(fā)生率顯著高于正常對(duì)照組(P<0.001)，Ser87Ser(A/G)多態(tài)性中G等位基因與OPLL發(fā)生的嚴(yán)重程度有關(guān)(P<0.001)。Yan等[21]通過對(duì)420例中國(guó)北方漢族OPLL的對(duì)照分析，認(rèn)為BMP-2基因是OPLL的易感基因，并且Smad蛋白信號(hào)通路在其中起到了重要作用。BMP的表達(dá)與機(jī)械應(yīng)力作用有關(guān)。Tanno等[22]對(duì)培養(yǎng)的脊髓韌帶進(jìn)行周期性拉伸，增加了堿性磷酸酶、BMP以及BMP受體表達(dá)。與頸椎OPLL相比，胸椎由于胸廓的限制活動(dòng)度遠(yuǎn)小于頸椎，所受局部生物應(yīng)力影響低于頸椎，提示在胸椎OPLL易感基因研究中，BMP表達(dá)的陽(yáng)性率低于頸椎OPLL。而Kim等[5]針對(duì)韓國(guó)OPLL患者與患者家屬的對(duì)照研究顯示，BMP-2基因與OPLL疾病發(fā)生沒有關(guān)系(P>0.05)。

5 轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子研究

轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(transforming growth factor，TGF)在骨代謝中起到重要的作用，參與骨的生長(zhǎng)。Kawaguchi等[23]認(rèn)為BMP-2和TGF-β均在鄰近OPLL的軟骨區(qū)域的骨化基質(zhì)和軟骨細(xì)胞中表達(dá)，但不會(huì)出現(xiàn)在非OPLL的區(qū)域中。BMP-2可能在異位骨化發(fā)生過程中刺激間充質(zhì)細(xì)胞分化中起重要作用，TGF-β可能在異位骨化的晚期階段在刺激骨形成中起重要作用。Kamiya等[24]對(duì)46例頸椎OPLL的研究顯示，在日本人群中TGF-β1基因的T869→C多態(tài)性是OPLL易感的遺傳決定因素，等位基因C是OPLL易感的危險(xiǎn)因素。而Han等[25]針對(duì)TGF-β1基因的2個(gè)SNPs位點(diǎn)promoter(-509C>T; rs1800469)和exon 1(869T>C; rs1982073)進(jìn)行對(duì)照研究，結(jié)果顯示這2個(gè)SNPs在韓國(guó)人中均與OPLL的發(fā)生無關(guān)(P>0.05)。Kudo等[26]將OPLL患者分為頸椎組、頸胸腰任意位置組及正常對(duì)照組進(jìn)行對(duì)照分析，結(jié)果顯示TGF-β1等位基因與OPLL的發(fā)生以及發(fā)生的位置沒有顯著關(guān)系(P>0.05)，等位基因C是頸胸腰任意位置發(fā)生OPLL的危險(xiǎn)因素(P=0.0142)。韓國(guó)Jekarl等[27]針對(duì)TGF-β2基因的病例對(duì)照研究(21例OPLL，42例正常對(duì)照)顯示，既往研究的455-4T→A和571G→A在OPLL組的發(fā)生率顯著高于正常對(duì)照組(P=0.024)，并且還在所有OPLL患者intron 1區(qū)域檢測(cè)到95-35C→T新突變。Horikoshi等[28]于2006年發(fā)表的大規(guī)模的OPLL病例對(duì)照研究(711例OPLL及896例正常人)顯示，OPLL組中TGF-β3基因IVS1-1284G>C的發(fā)生率顯著高于正常對(duì)照組(P=0.0004)。

6 核苷酸焦磷酸酶基因研究

核苷酸焦磷酸酶(nucleotide pyrophosphatase，NPP)基因位于染色體6q22，編碼NPP蛋白。NPP是無機(jī)焦磷酸鹽(PPi)產(chǎn)生的主要作用酶，PPi是抑制機(jī)體組織鈣化的主要抑制劑，NPP功能失常導(dǎo)致PPi水平下降，促進(jìn)異位組織包括韌帶組織骨化[29]。

日本Okawa等[30]通過對(duì)ttw大鼠進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究，提出ttw大鼠發(fā)生OPLL的主要原因是由于NPP基因的無義突變?cè)斐傻??；蛲蛔儗?dǎo)致其基因產(chǎn)物減少超過1/3，PPi生成減少，加速了異常的鈣化及礦鹽沉積。Nakamura等[31]對(duì)NPP基因所有exons及其周圍introns區(qū)域，再加上啟動(dòng)子區(qū)的大約1.5 kb進(jìn)行掃描，結(jié)果顯示，OPLL患者intron 20 (IVS20-11delT)多態(tài)性表達(dá)高于正常對(duì)照組(P=0.0029)。但Tahara等[32]卻觀察到盡管NPPS基因的IVS20-11delT多態(tài)性與胸椎發(fā)生OPLL或多節(jié)段受累有關(guān)，但與OPLL的發(fā)生無關(guān)。He等[29]對(duì)中國(guó)人NPPS基因進(jìn)行對(duì)照研究，結(jié)果顯示NPPS基因C973T與IVS15-14T→C不僅與OPLL的發(fā)生有關(guān)，還與OPLL疾病的嚴(yán)重程度有關(guān)(P<0.007)。

7 其他易感基因研究

Guo等[33]對(duì)235例OPLL中國(guó)漢族患者的白介素15受體α(interleukin 15 receptor alpha，IL15RA)基因研究顯示，IL15RA的rs2228059等位基因是OPLL的易感基因，特別是在男性患者中。Tahara等[32]報(bào)道瘦素受體(leptin receptor)基因盡管與OPLL的發(fā)生無關(guān)(P>0.05)，但A861G多態(tài)性G等位基因與胸椎發(fā)生OPLL或多節(jié)段受累有關(guān)(P=0.028)。Yang等[34]對(duì)Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(Runt-related transcription factor 2,Runx2)影響OPLL的機(jī)制進(jìn)行研究，其課題組對(duì)后縱韌帶細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，認(rèn)為Runx2的連接蛋白43(Connexin 43)通過激活細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase,ERK)，影響后縱韌帶細(xì)胞成骨分化。Nakajima等[35]于2014年進(jìn)行迄今為止最大樣本數(shù)(1130例日本OPLL)的GWAS分析，結(jié)果顯示R-spondin蛋白參與了OPLL的發(fā)生(P<0.05)。

盡管在OPLL的基因?qū)W研究方面目前找到了一些熱點(diǎn)易感基因，但仍然還未找到哪個(gè)基因SNPs位點(diǎn)顯示與OPLL高度相關(guān)及不同種族人群間一致性，并且缺乏相關(guān)的功能驗(yàn)證。關(guān)于OPLL疾病的連鎖分析研究方法，在精確定位易感基因的位置上有其理論上的極限，多個(gè)易感基因聯(lián)合檢測(cè)、具有高密度的SNPs關(guān)聯(lián)研究應(yīng)該是未來的研究方向。全外顯子組或全基因組測(cè)序等是非常有前途的研究方法。要明確OPLL的易感基因還需要全球多中心大樣本的研究。

1 Nagashima C.Cervical myelopathy due to ossification of the posterior longitudinal ligament.Clin Neurol Neurosurg,1972,90(3):301-302.

2 Yonemori K,Imamura T,Ishidou Y,et al.Bone morphogenetic protein receptors and activin receptors are highly expressed in ossified ligament tissues of patients with ossification of the posterior longitudinal ligament.Am J Pathol,1997,150(4):1335-1347.

3 李中實(shí)，張光鉑，繩厚福，等.我國(guó)北方地區(qū)頸肩痛病人中頸椎后縱韌帶骨化癥發(fā)病率調(diào)查.中國(guó)脊柱脊髓雜志,1999，9(5):46-47.

4 Tsuji T,Chiba K,Hosogane N,et al.Epidemiological survey of ossification of the posterior longitudinal ligament by using clinical investigation registration forms.J Orthop Res,2016,21(3):291-294.

5 Kim KH,Kuh SU,Park JY,et al.Association between BMP-2 and COL6A1 gene polymorphisms with susceptibility to ossification of the posterior longitudinal ligament of the cervical spine in Korean patients and family members.Genet Mol Res,2014,13(1):2240-2247.

6 劉 嘯，劉曉光，祝 斌，等.胸椎后縱韌帶骨化癥的臨床分型及其意義.中國(guó)脊柱脊髓雜志,2014，24(7):599-604.

7 Ikegawa S.Genetics of ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine:a mini review.J Bone Metab,2014,21(2):127-132.

8 祝 斌，劉曉光.后縱韌帶骨化癥的基因?qū)W研究進(jìn)展.中國(guó)脊柱脊髓雜志,2013,23(10):947-950.

9 Li M,Meng H,Du J,et al.Management of thoracic myelopathy caused by ossification of the posterior longitudinal ligament combined with ossification of the ligamentum flavum - a retrospective study.Spine J,2012,12(12):1093-1102.

10 Cho JY,Chan CK,Lee SH,et al.Management of cerebrospinal fluid leakage after anterior decompression for ossification of posterior longitudinal ligament in the thoracic spine:the utilization of a volume-controlled pseudomeningocele.J Spinal Disord Tech,2012,25(4):E93-E102.

11 Matsumoto M,Toyama Y,Chikuda H,et al.Outcomes of fusion surgery for ossification of the posterior longitudinal ligament of the thoracic spine:a multicenter retrospective survey:clinical article.J Neurosurg Spine,2011,15(4):380-385.

12 Terayama K.Genetic studies on ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine.Spine (Phila Pa 1976),1989,14(11):1184-1191.

13 Karasugi T,Nakajima M,Ikari K,et al.A genome-wide sib-pair linkage analysis of ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine.J Bone Miner Metab,2013,31(2):136-143.

14 Stetler WR,La Marca F,Park P.The genetics of ossification of the posterior longitudinal ligament.Neurosurg Focus,2011,30(3):E7.

15 Sakou T,Taketomi E,Matsunaga S,et al.Genetic study of ossification of the posterior longitudinal ligament in the cervical spine with human leukocyte antigen haplotype.Spine (Phila Pa 1976),1991,16(11):1249-1252.

16 Chung WS,Nam DH,Jo DJ,et al.Association of toll-like receptor 5 gene polymorphism with susceptibility to ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine in korean population.J Korean Neurosurg Soc,2011,49(1):8-12.

17 He H,Mao L,Xu P,et al.Ossification of the posterior longitudinal ligament related genes identification using microarray gene expression profiling and bioinformatics analysis.Gene,2014,533(2):515-519.

18 Smith ZA,Buchanan CC,Raphael D,et al.Ossification of the posterior longitudinal ligament:pathogenesis,management,and current surgical approaches.Neurosurg Focus,2011,30(3):E1-E10.

19 Furushima K,Shimo-Onoda K,Maeda S,et al.Large-scale screening for candidate genes of ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine.J Bone Miner Res,2002,17(1):128-137.

20 Wang H,Liu D,Yang Z,et al.Association of bone morphogenetic protein-2 gene polymorphisms with susceptibility to ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine and its severity in Chinese patients.Eur Spine J,2008,17(7):956-964.

21 Yan L,Chang Z,Liu Y,et al.A single nucleotide polymorphism in the human bone morphogenetic protein-2 gene (109T > G) affects the Smad signaling pathway and the predisposition to ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine.Chin Med J (Engl),2013,126(6):1112-1118.

22 Tanno M,Furukawa KI,Ueyama K,et al.Uniaxial cyclic stretch induces osteogenic differentiation and synthesis of bone morphogenetic proteins of spinal ligament cells derived from patients with ossification of the posterior longitudinal ligaments.Bone,2003,33(4):475-484.

23 Kawaguchi H,Kurokawa T,Hoshino Y,et al.Immunohistochemical demonstration of bone morphogenetic protein-2 and transforming growth factor-beta in the ossification of the posterior longitudinal ligament of the cervical spine.Spine (Phila Pa 1976),1992,17(3 Suppl):S33-S36.

24 Kamiya M,Harada A,Mizuno M,et al.Association between a polymorphism of the transforming growth factor-beta1 gene and genetic susceptibility to ossification of the posterior longitudinal ligament in Japanese patients.Spine (Phila Pa 1976),2001,26(11):1264-1266.

25 Han IB,Ropper AE,Jeon YJ,et al.Association of transforming growth factor-beta 1 gene polymorphism with genetic susceptibility to ossification of the posterior longitudinal ligament in Korean patients.Genet Mol Res,2013,12(4):4807-4816.

26 Kudo H,Furukawa K,Yokoyama T,et al.Genetic differences in the osteogenic differentiation potency according to the classification of ossification of the posterior longitudinal ligament of the cervical spine.Spine (Phila Pa 1976),2011,36(12):951-957.

27 Jekarl DW,Paek C,An YJ,et al.TGFBR2 gene polymorphism is associated with ossification of the posterior longitudinal ligament.J Clin Neuro,2013,20(3):453-456.

28 Horikoshi T,Maeda K,Kawaguchi Y,et al.A large-scale genetic association study of ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine.Hum Genet,2006,119(6):611-616.

29 He Z,Zhu H,Ding L,et al.Association of NPP1 polymorphism with postoperative progression of ossification of the posterior longitudinal ligament in Chinese patients.Genet Mol Res,2013,12(4):4648-4655.

30 Okawa A,Nakamura I,Goto S,et al.Mutation in Npps in a mouse model of ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine.Nat Genet,1998,19(3):271-273.

31 Nakamura I,Ikegawa S,Okawa A,et al.Association of the human NPPS gene with ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine (OPLL).Hum Genet,1999,104(6):492-497.

32 Tahara M,Aiba A,Yamazaki M,et al.The extent of ossification of posterior longitudinal ligament of the spine associated with nucleotide pyrophosphatase gene and leptin receptor gene polymorphisms.Spine (Phila Pa 1976),2005,30(8):877-880.

33 Guo Q,Lv S,Wu S,et al.Association between single nucleotide polymorphism of IL15RA gene with susceptibility to ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine.J Orthop Surg Res,2014,9(1):103-107.

34 Yang H,Shi L,Shi G,et al.Connexin 43 affects osteogenic differentiation of the posterior longitudinal ligament cells via regulation of ERK activity by stabilizing Runx2 in ossification.Cell Physiol Biochem,2016,38(1):237-247.

35 Nakajima M,Takahashi A,Tsuji T,et al.A genome-wide association study identifies susceptibility loci for ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine.Nature Genetics,2014,46(9):1012-1016.

(修回日期：2016-06-06)

(責(zé)任編輯：王惠群)

Advances on Genetic Research of Ossification of the Posterior Longitudinal Ligament

WangPeng,LiuXiaoguang,TengZe.

DepartmentofOrthopaedics,PekingUniversityThirdHospital,Beijing100083,China

LiuXiaoguang,E-mail:xgspine@sina.com

Posterior longitudinal ligament; Ossification; Genetics

國(guó)家自然科學(xué)基金(81472041)

**通訊作者，E-mail:xgspine@sina.com

A

1009-6604(2016)09-0848-04

10.3969/j.issn.1009-6604.2016.09.021

2016-04-15)

【Summary】 The ossification of the posterior longitudinal ligament (OPLL) is caused by environmental,genetic and other factors. With the development of genomics research,researchers have found that mutations are important factors inducing OPLL. Despite the genomics research on OPLL has made important advances,no highly correlation has been found between OPLL and the exact single nucleotide polymorphisms (SNPs) loci. The pathogenesis of OPLL needs further exploration.