骨质疏松症的最新基因学研究进展

骨质疏松症是一种以骨密度（BMD）降低、骨微结构破坏和脆性骨折发生风险增加为主要特征的慢性复杂性疾病。现阶段，BMD值仍是临床预测骨质疏松症的“金标准”。既往有关双生子和家系研究已充分证实该疾病具有遗传易感性。之后大量的研究也证实了骨质疏松症系多基因参与的遗传性疾病[1,2]，且受到药物、环境等多因素的影响。至今已发现并报道了大量与骨质疏松症相关的候选基因，但对于这些基因位点的研究结果不一，争议较多。为此，近年研究者不仅加大了研究的样本量，而且采取了多中心联合研究、荟萃分析等，使结果的可信性大大增加。近阶段，更是利用了全基因组扫描技术[3-6]对人群进行了大范围的基因学研究，并得到了喜人的结果。

有关骨质疏松症的全基因组相关性分析研究

2007年Keil等[3]发起了Framingham Heart研究(FHS)，对1141名志愿者的70984个单核苷酸多态性（SNP）位点（100K SNP阵列）进行了全基因组扫描。尽管研究主要针对心血管疾病，但研究者同时记录了这些人群的BMD值，并对此进行了相关性分析。其中6个基因与BMD有关，分别是COL1A1、CYP19、雌激素受体（ER）-a、低密度脂蛋白受体相关蛋白（LRP）5、MTHFR以及VDR基因。且这些基因在以家系为基础的关联检验（FBAT）和广义估计方程（GEE）分析中，均P＜0.001。该研究与之后的研究相比存在研究人群相对较小、基因芯片技术相对不完善以及缺乏相应的验证手段等缺点。但FHS是第1个利用全基因组扫描技术对骨质疏松症所开展的基因学研究，也是第1个基于随机人群的大型研究，这为后来的全基因组相关性分析（GWA）研究提供了方向。

继FHS研究后，2008年Richards等[4]率先在西欧人群中就骨质疏松症、BMD及脆性骨折进行了GWA研究。该研究共涉及8557例参与者，并且对其中2094名志愿者进行了全基因组扫描，累计覆盖314075个SNP位点。之后，研究者又在另2个西欧人群中对先期研究中呈现显著性差异的，即与椎体或髋部骨BMD、骨质疏松症或脆性骨折具有显著相关性的近百个SNP位点进行了重复性验证[4]。

研究发现，LRP5基因内及该基因附近的多个SNP位点与髋骨BMD关系显著[4]。其中rs3736228这一SNP位点对于BMD的影响，无论是椎体还是髋部，均呈明显相关性。该位点还与骨质疏松性骨折显著相关。

LRP5基因

LRP5基因位于人染色体11q13.4。LRP5和LRP6作为frizzled的协同受体，介导Wnt信号通路，而Wnt通路则参与成骨细胞的分化、增生和骨的形成。另外在单基因病的研究中发现，LRP5基因突变或失活可致骨质疏松-假神经胶质瘤综合征（osteoporosis pseudoglioma syndrome,OPPG）的发生，OPPG是一以低骨量、自发性骨折和双眼视力下降或缺失为主要特征的常染色体显性疾病，而LRP5基因的过表达亦可致高骨量（HBM）和硬化性骨发育不良（sclerosing bone dysplasias）。

Ferrari等[7]在2004年对LRP5基因多态性与BMD进行了相关性研究，并确定9号外显子一无意突变2047G/A与男性(而非女性)腰椎BMD有显著性关系，并且与青春期男性腰椎骨骨量密切相关。之后，FHS骨质疏松研究[3]及其他一些研究均证实了Ferrari等的研究结果。日本学者Mizuguchi等[8]和Urano等[9]又发现了LRP5基因9号外显子多态性不仅增加男性罹患骨质疏松症的风险，也同样使绝经后妇女患骨质疏松症的风险显著上升。澳洲一项研究还发现LRP5位点多态性与绝经后妇女髋骨BMD及骨质疏松性骨折有关。LRP5基因中另一个与BMD关系非常密切的是G171V，系LRP5基因上第11号密码子缬氨酸至甘氨酸的突变。该突变最早在1997年由Johnson等[10]在HBM家系研究中发现，并由Babij等[11]在转基因鼠实验中证实了其致骨量增高的作用。而Boyden等[12]的研究指出，G171V突变并非通过激活LRP5信号传导而是通过抑制Dkk-1对于Wnt通路发挥抑制作用，从而使患者骨量增高。而Ai等[13]对于HBM 相关突变（G171V、G171R、A214T、A242T、T253I及D111Y）研究发现，相对野生株，G171V对于Dkk-1具有更明显的抑制作用，这与先前的研究结果[7-9]基本一致。

2008年van Meurs等[14,15]对2004～2007年欧洲及北美18个研究团队共37534个个体的LRP5基因研究结果进行荟萃分析，发现该基因的Met667以及Val1330位点对于人群椎体和髋骨BMD均有显著相关性，这2个位点危险基因的携带者发生骨折的风险也明显升高。

上述研究结果证实，LRP5基因确实与BMD有关，可能是导致骨质疏松症发生的易感基因之一。

·综述·

骨质疏松症的最新基因学研究进展

张旻佳，刘建民

（上海交通大学医学院附属瑞金医院内分泌代谢病科，上海200025）关键词：骨质疏松症；骨密度；脆性骨折；基因；全基因组扫描

中图分类号：R681文献识别码：C文章编号：1673-6087（2009）04-0349-04

护骨素基因

Richards等[4]研究发现的另一个与疾病有关的基因是肿瘤坏死因子（TNF）受体超家族11b元件（TNFRSF11B），即护骨素（osteoprotegerin，OPG）基因。该基因附近的3个SNP位点（rs4355801、rs6469792及rs6469804）都与BMD有关。其中，位于该基因3’末端的rs4355801与椎体以及髋骨BMD 呈极其显著的相关性。

OPG基因位于人染色体8q24，系TNF受体超家族的一种分泌性糖蛋白，参与破骨细胞的分化以及骨的重吸收。对转基因鼠模型的研究发现，在OPG过表达的小鼠中，其骨组织出现了类似石骨症样的改变；而在OPG基因敲除的小鼠中，则观察到了早发的骨质疏松症。

Langdahl等[16]首先对欧洲人群OPG基因多态性和骨质疏松性骨折进行了相关性研究，发现A163-G、T245-G和位于该基因1号外显子的G1181-C位点与椎体骨折存在密切关系。之后，Wynne等[17]对爱尔兰人群的研究中发现G1181-C位点与人群BMD存在相关性，从而证实了Langdahl等的研究结果。Arko等[18]对绝经后骨质疏松症女性的研究发现，OPG 基因启动子区域G209-A以及T245-G的多态性与骨质疏松症有关。之后，Arko等[19]扩大样本量，再次对OPG基因与女性绝经后骨质疏松症进行相关性研究，指出G1181-C位点的多态性与骨质疏松症确实存在显著相关性，进一步证实了之前的一系列研究结果。

但Ohmori等[20]就日本人群骨质疏松症与OPG基因主要涉及启动子区域的多态性研究中并未发现相关性。Yamada 等[21]在另一日本人群的研究中发现，在女性人群中T950-C 和T245-G与BMD存在密切相关性，但在男性人群中并未发现这种相关性。在韩国绝经后骨质疏松人群中进行了类似研究，也发现G1181-C SNP位点与BMD的显著关系[22]。同样，Zhao等[23]对中国绝经后女性的研究中也发现了该位点的基因多态性与BMD的明显相关性。

之后在不同人群中的重复性研究也陆续证明了OPG基因与BMD的显著相关性[24-27]。2008年由Styrkarsdottir等[5]对冰岛、澳大利亚以及丹麦人群BMD、脆性骨折与多个基因位点关系的研究中，也发现了OPG基因与此有显著相关性。

Styrkarsdottir等[5]的研究中，对5861名冰岛志愿者进行了全基因组扫描，共涉及301019个SNP位点。之后，对其中P值最小的74个位点分别在另一组冰岛、澳大利亚及丹麦人群中进行了重复检验。在矫正了体重以及年龄对BMD 的影响后，发现了12个在GWA中呈显著相关性且在之后其他人群得到充分重复性验证的SNP位点，其中11个分别位于1p36、6q25、8q24、6q21以及13q14这5个染色体区域。经研究发现，这些染色体区域与腰椎BMD具有显著相关性。前3个染色体区域与髋骨BMD也有关，而1p36、13q14和8q24与脆性骨折密切关系。在该研究中，位于8q24的OPG基因上有2个SNP位点，即rs6469804和rs6993813与BMD和骨质疏松性骨折（OF）呈显著相关性。且这2个SNP 位点之间还存在连锁分布（r2=0.94）。值得指出的是，这2个SNP位点与既往多次研究并得到重复验证的G1181-C以及T950-C也存在连锁分布。这一研究结果更有力地说明OPG 基因对BMD的影响，其可能是导致骨质疏松症的候选基因之一。

破骨细胞分化因子及其配体核因子κB受体活化因子基因

在Styrkarsdottir等[5]的研究中，与OPG基因有关的核因子κB受体活化因子（RANK）配体[RANKL（TNFSF11）]基因上游的rs9594759位点在所发现的12个SNP位点中与椎体BMD关系最为显著，且在其他3个人群中的验证试验中均得到了相同的结果。另一个位于RANKL基因上的SNP位点rs9594738也显示了与椎体BMD的显著相关性。

另一个与OPG有关的基因是RANK（TNFRSF11A）基因。同样是在上述对冰岛人群的全基因组研究发现，在RANK基因下游区域也有1个SNP位点rs3018362显示了其与髋骨BMD的相关性。

RANKL位于人染色体13q14。而RANK位于人染色体18q22.1。RANKL、RANK以及OPG基因均属于TNF受体超家族。三者共同参与了破骨细胞的分化、成熟以及骨的重吸收。RANKL主要在成骨细胞表面表达，通过与破骨细胞或其前体细胞表面的RANK结合，促进破骨细胞的分化、成熟以及抗其凋亡作用。游离状态的OPG能与RANK结合，从而抑制了后者与RANKL的结合并发挥作用。动物研究中，RANK和RANKL基因敲除的小鼠均出现严重的类似石骨症的表现，且这些小鼠的破骨细胞抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）染色完全呈阴性。另外，RANK尚与家族遗传性Paget骨病有关。但有关RANK和（或）RANKL基因人群多态性的研究并不多，且多未能发现其与BMD之间的联系[22,25]。呈显著相关性的研究是由Choi等[26]对韩国绝经后女性BMD的分析研究和Hsu等[27]对中国安徽人群就BMD的相关性研究。前者发现RANK基因T575-C与该人群中跟骨BMD显著相关；后者仅在研究对象的男性人群中发现RANK基因7号外显子（Ala192Val）一SNP位点以及RANKL基因5’末端rs9594782位点多态性与BMD有关。但不可否认的是，RANK 和（或）RANKL的确与骨质疏松症存在联系。

雌激素受体1基因

Styrkarsdottir等[5]还发现既往进行的大量研究中另一个与BMD、骨质疏松症关系密切的候选基因是雌激素受体1（ESR1）基因。在其研究中，ESR1基因与BMD显著相关。其中rs9479055以及rs4870044这2个SNP位点均与髋骨BMD具显著相关性，且均得到了重复证实。

ESR1基因位于人染色体6q25.1。雌激素与ER结合，诱导目标基因的表达，参与骨的重构。绝经后妇女由于雌激素缺乏，可致骨质疏松症，而采取雌激素替代治疗能有效防止骨量的丢失。

Kobayashi等[28]在1996年首次报道了ESR1基因的多态性与绝经后妇女的BMD有关。之后又有大量研究主要集中在1号内含子PvuⅡ、XbaⅠ酶切位点及位于该基因上游启动子区域的胸腺嘧啶-腺嘌呤（TA）可重复序列（VNTR TA），其中有阳性结果且比较大型的研究有van Meurs等[29]在丹麦人群中对ESR1基因多态性的研究，VNTR TA数较少者的腰椎及髋部BMD均显著下降，且发生骨折的风险也较大（OR=2.0）。Yamada等[30]的研究显示，在日本人群中，尤其是大于60岁的人群XbaⅠ与股骨颈BMD关系显著。

但Ioannidis等[31]对欧洲人群进行的一项大型回顾性荟萃分析（涉及8个中心近2万人）显示，无论是PvuⅡ、XbaⅠ或VNTR TA与BMD并无显著相关性，尽管分析显示，非XbaⅠ基因型携带者的人群发生椎体或其他部位骨折的风险较小，但与BMD并不相关。2007年Wang等[32]对中国人群ER-a基因与BMD相关性的荟萃分析（1994～2006年，涉及16个研究，共4300名女性人群）提示，PvuⅡ在中国人群中仅与股骨BMD呈较弱相关性，XbaⅠ与腰椎和股骨BMD均无关。

通过大样本的全基因组研究以及重复验证，在争议中至少证实了ESR1基因与BMD有部分关系。

新发现的骨质疏松症候选基因

对于人群全基因组扫描研究另有全新的发现。包括在1p36区域、rs7524102以及rs6696981（r2=0.73）呈现出与BMD 的显著相关性，这两个SNP位点尚与骨折有关，但其所在区域并无已知基因，尽管目前对最近发现的基因系BTB区域的锌指结构（ZBTB40）的作用尚不明了，但其在骨组织中确有表达，提示可能与Wnt通路有关。

另有6p21区域，位于主要组织相容性复合体（MHC）基因内，rs3130340与椎体BMD相关，且在另外3个人群中得到了充分验证，但相比而言，该SNP位点较前面所述的几个多态性位点与BMD的关系都要弱。研究发现3个染色体区域[2p16（SPTBN1）、11p11（LRP4）以及18q21（RANK）]，其虽然与BMD关系并不密切，但与骨质疏松性骨折呈显著相关性[5]。

为进一步证实以上研究结果，到2008年年底，Styrkars-dottir等[6]在上一研究的基础上，又对近千人进行了全基因组扫描，同时验证人群由原来的3750人增至5375人。该后续研究除证实了之前发表在《新英格兰医学杂志》上十多个SNP位点与BMD的显著相关性外，还发现了2个SNP位点，即人染色体12q13区域近SP7基因的rs10876432以及18q21区域RANK基因的rs3018362位点由先前的具有相关趋势，改而呈现了显著的相关性，前者与椎体BMD明显相关，而后者与髋骨BMD关系显著。还有2个新发现的与BMD有关基因，一为位于染色体14q32区域微管结合调节激酶3（MARK3）基因的1号内显子rs2010281；二为与硬化性骨（SOST）病相关基因有关的rs7220711、rs1107748以及rs1513670，位于17q21染色体区域。这些新发现的基因与骨质疏松症的关系还有待后续研究进一步发现和证实。

展望

过去10年中人们对骨质疏松症候选基因的多态性进行了大量研究，并通过关联分析、动物模型等确实发现了一些与该疾病可能相关的基因，但这仅仅是一小部分，正如Styrkarsdottir等[5,6]所称，目前发现的这些基因可能占所有与骨质疏松症和BMD相关基因不足4%，且对于临床诊断也无太大影响。可以肯定的是，尚有许多与BMD相关的基因未被发现及重视。但无论如何，近年随着全基因组扫描技术的日趋完善以及超大规模研究的开展，这些GWA研究结果以及今后类似的研究对于骨质疏松症的基因学研究确实开启了一片新天地，相关基因的发现，通过研究阐述其可能的作用机制，使人们对该疾病及其发病机制都能有进一步的认识。同时也可能有助于疾病的早期筛查、早期预防以及基因学诊断，甚至全新的诊疗思路和新的靶向药物治疗的开发。也为后来者提供了可靠的研究基础。

[参考文献]

[1]Peacock M,Turner CH,Econs MJ,et al.Genetics of

osteoporosis[J].Endocr Rev,2002，23（3）:303-326. [2]Albagha OM,Ralston SH.Genetics and osteoporosis[J].

Rheum Dis Clin North Am,2006，32（4）:659-680. [3]Kiel DP,Demissie S,Dupuis J,et al.Genome-wide

association with bone mass and geometry in the Fra-mingham Heart Study[J].BMC Med Genet,8Suppl1:S14.

[4]Richards JB,Rivadeneira F,Inouye M,et al.Bone mi-

neral density,osteoporosis,and osteoporotic fractures:

a genome-wide association study[J].Lancet,2008,

371(9623):1505-1512.

[5]Styrkarsdottir U,Halldorsson BV,Gretarsdottir S,et al.

Multiple genetic loci for bone mineral density and frac-tures[J].N Engl J Med,2008,358(22):2355-2365.

[6]Styrkarsdottir U,Halldorsson BV,Gretarsdottir S,et al.

New sequence variants associated with bone mineral den-sity[J].Nature Genetics,2009,41(1):15-17.

[7]Ferrari SL,Deutsch S,Choudhury U,et al.Polymor-

phisms in the low-density lipoprotein receptor-related protein5(LRP5)gene are associated with variation in vertebral bone mass,vertebral bone size,and stature in whites[J].Am J Hum Genet,2004,74(5):866-875. [8]Mizuguchi T,Furuta I,Watanabe Y,et al.LRP5,low-

density-lipoprotein-receptor-related protein5,is a deter-minant for bone mineral density[J].J Hum Genet,2004, 49(2):80-86.

[9]Urano T,Shiraki M,Ezura Y,et al.Association of a sin-

gle-nucleotide polymorphism in low-density lipoprotein

receptor-related protein5gene with bone mineral den-sity[J].J Bone Miner Metab,2004,22(4):341-345. [10]Johnson ML.The high bone mass family——

—the role of Wnt/Lrp5signaling in the regulation of bone mass[J].J Musculoskelet Neuronal Interact,2004,4(2):135-138. [11]Babij P,Zhao W,Small C,et al.High bone mass in mice

expressing a mutant LRP5gene[J].J Bone Miner Res, 2003,18(6):960-974.

[12]Boyden LM,Mao J,Belsky J,et al.High bone density

due to a mutation in LDL-receptor-related protein5[J].

N Engl J Med,2002,346(20):1513-1521.

[13]Ai M,Holmen SL,Van Hul W,et al.Reduced affinity to

and inhibition by DKK1form a common mechanism by which high bone mass-associated missense mutations in LRP5affect canonical Wnt signaling[J].Mol Cell Biol, 2005,25(12):4946-4955.

[14]van Meurs JB,Rivadeneira F,Jhamai M,et https://www.360docs.net/doc/6b8246155.html,mon ge-

netic variation of the low-density lipoprotein receptor-relat-

ed protein5and6genes determines fracture risk in elderly white men[J].J Bone Miner Res,2006,21(1):141-150.

[15]van Meurs JB,Trikalinos TA,Ralston SH,et https://www.360docs.net/doc/6b8246155.html,rge-

scale analysis of association between LRP5and LRP6 variants and osteoporosis[J].JAMA,2008,299(11): 1277-1290.

[16]Langdahl BL,Carstens M,Stenkjaer L,et al.Polymor-

phisms in the osteoprotegerin gene are associated with osteoporotic fractures[J].J Bone Miner Res,2002,17(7): 1245-1255.

[17]Wynne F,Drummond F,O’Sullivan K,et al.Investiga-

tion of the genetic influence of the OPG,VDR(Fok1), and COLIA1Sp1polymorphisms on BMD in the Irish population[J].Calcif Tissue Int,2002,71(1):26-35. [18]Arko B,Prezelj J,Komel R,et al.Sequence variations in

the osteoprotegerin gene promoter in patients with post-menopausal osteoporosis[J].J Clin Endocrinol Metab, 2002,87(9):4080-4084.

[19]Arko B,Prezelj J,Kocijancic A,et al.Association of the

osteoprotegerin gene polymorphisms with bone mineral density in postmenopausal women[J].Maturitas,2005, 51(3):270-279.

[20]Ohmori H,Makita Y,Funamizu M,et al.Linkage and

association analyses of the osteoprotegerin gene locus with human osteoporosis[J].J Hum Genet,2002,47(8): 400-406.

[21]Yamada Y,Ando F,Niino N,et al.Association of poly-

morphisms of the osteoprotegerin gene with bone mineral density in Japanese women but not men[J].Mol Genet Metab,2003,80(3):344-349.[22]Kim JG,Kim JH,Kim JY,et al.Association between os-

teoprotegerin(OPG),receptor activator of nuclear factor-kappaB(RANK),and RANK ligand(RANKL)gene poly-morphisms and circulating OPG,soluble RANKL levels, and bone mineral density in Korean postmenopausal women[J].Menopause,2007,14(5):913-918.

[23]Zhao HY,Liu JM,Ning G,et al.The influence of

Lys3Asn polymorphism in the osteoprotegerin gene on bone mineral density in Chinese postmenopausal women [J].Osteoporos Int,2005,16(12):1519-1524.

[24]Ueland T,Bollerslev J,Wilson SG,et al.No associations

between OPG gene polymorphisms or serum levels and measures of osteoporosis in elderly Australian women[J].

Bone,2007,40(1):175-181.

[25]Hofbauer LC,Heufelder AE.Clinical review114:hot

topic.The role of receptor activator of nuclear factor-kappa B ligand and osteoprotegerin in the pathogenesis and treatment of metabolic bone diseases[J].J Clin Endocrinol Metab,2000,85(7):2355-2363.

[26]Choi JY,Shin A,Park SK,et al.Genetic polymorphisms

of OPG,RANK,and ESR1and bone mineral density in Korean postmenopausal women[J].Calcif Tissue Int,2005, 77(3):152-159.

[27]Hsu YH,Niu T,Terwedow HA,et al.Variation in genes

involved in the RANKL/RANK/OPG bone remodeling pathway are associated with bone mineral density at different skeletal sites in men[J].Hum Genet,2006, 118(5):568-577.

[28]Kobayashi S,Inoue S,Hosoi T,et al.Association of bone

mineral density with polymorphism of the estrogen recep-tor gene[J].J Bone Miner Res,1996,11(3):306-311. [29]van Meurs JB,Schuit SC,Weel AE,et al.Association of

5’estrogen receptor alpha gene polymorphisms with bone mineral density,vertebral bone area and fracture risk[J].Hum Mol Genet,2003,12(14):1745-1754. [30]Yamada Y,Ando F,Niino N,et al.Association of poly-

morphisms of the estrogen receptor alpha gene with bone mineral density of the femoral neck in elderly Japanese women[J].J Mol Med,2002,80(7):452-460.

[31]Ioannidis JP,Ralston SH,Bennett ST,et al.Differential

genetic effects of ESR1gene polymorphisms on osteo-porosis outcomes[J].JAMA,2004,292(17):2105-2114.

[32]Wang CL,Tang XY,Chen WQ,et al.Association of es-

trogen receptor alpha gene polymorphisms with bone mineral density in Chinese women:a meta-analysis[J].

Osteoporos Int,2007,18(3):295-305.

（收稿日期：2009-02-24）

（本文编辑：王朝晖）