【佳学基因检测】大理石骨病基因检测如何帮助治疗

大理石骨病的诊断与治疗概述

大理石骨病是一组临床上和遗传上异质性很大的疾病群,其诊断由于不同临床形式、遗传类型的存在以及基因型和表型之间清晰相关性的缺失而复杂化。通过数据库比对，只能为70%的大理石骨病例匹配到基因突变原因，对于该疾病剩余30%的分子缺陷的需要通过致病鉴定基因解码进行分析。

大理石骨病基因解码对于DNA诊断、治疗方案制定和预后判断是必要的。大理石骨病基因解码阐明了对骨组织细胞生物学知之甚少的方面,并识别了成骨细胞分化和功能的新机制。

因此，大理石骨病是一种临床上可变的疾病，具有广泛的临床表现和不同严重程度的症状。有必要了解该疾病的分子发病机制，才能正确诊断并确定该疾病的治疗策略。

最近，新一代测序技术的出现不断识别出该疾病的新分子病因，从而扩大了分类范围。我们对所有目前已知的大理石骨病病症进行了系统化，并描述了遗传缺陷和主要临床特征，并显示在表中。

基因解码所揭示的大理石骨病的发病机制：准确基因检测与个性化治疗的基础工程

大理石骨病的特点是由 23 个基因突变引起的复杂分子发病机制，这些基因的突变是大理石骨病疾病产生及发展的根本原因。目前，基因解码对疾病的发病原因和与疾病的临床症状的关系建立了对应关系。这些基因包括：TCIRG1、CLCN7、OSTM1、PLEKHM1、SNX10、TNFSF11 (RANKL)、TNFRSF11A (RANK)、 IKBKG (NEMO)、RAG1、RAG2、TRAF6、FERMT3、LRRK1、MITF、C16orf57、CSF1R、CAII、SLC29A3、CalDAG-GEF1、CTSK、WTX、LEMD3、RELA等。而基因解码会进一步分析在这一列表之外的基因突变序列，从而提高检出率和准确率。

常染色体隐性遗传形式的大理石骨病是由参与破骨细胞功能（富含破骨细胞）或分化（破骨细胞缺乏形式的大理石骨病）的基因突变引起的。

富含破骨细胞的石骨病是由负责腔隙酸化、吸收和 pH 调节（TCIRG1、CLCN7、OSTM1 和 CAII）、囊泡转运和蛋白复合物向膜分选（SNX10 和 PLEKHM1）、溶酶体核苷转运（SLC29A3）的基因突变引起的。）用于“波纹边缘”形成的细胞骨架重排（KINDLIN3、整合素-β 和 LRRK1）和用于骨重塑和吸收的溶酶体蛋白水解裂解（CTSK）、用于信号转导和破骨细胞功能（MITF、TRAF6、RELA 和 NEMO）。

在伴有破骨细胞缺乏的骨石症中，破骨细胞分化由于分别编码RANKL及其受体RANK的TNFSF11和TNFRSF11A基因或编码M-CSF的CSF1R基因的突变而受损。因此，破骨细胞前体无法融合并分化为多核吸收破骨细胞

大约 50% 的大理石骨病患者存在 TCIRG1（T 细胞免疫调节因子 1）基因突变。该基因编码一种称为液泡 H+-ATP 酶 (V-ATP 酶) 的大型蛋白质复合物的亚基，主要由破骨细胞和顶膜上的胃壁细胞表达。蛋白质复合物充当泵，使质子穿过膜。V-ATP酶泵酸化骨中的吸收间隙，以溶解形成骨矿物质部分的羟基磷灰石晶体并降解基质

a3 V-ATP 酶亚基还参与肌动蛋白细胞骨架和微管之间的相互作用，这对于破骨细胞褶皱边界的形成（瓦楞纸）是必需的。因此，TCIRG1 突变的破骨细胞表现出有缺陷的褶皱边界和显着降低的再吸收活性。此外，V-ATP酶维持胃中的低pH值以促进饮食中Ca2+的吸收，并且由于胃酸化也与钙的吸收有关，因此这种形式的骨硬化症的特征是佝偻病或骨软化症。

迄今为止，基因解码已经在病人中发现并记录了发生在TCIRG1 基因上超过 120 种不同的突变，包括错义突变、无义突变、小插入/缺失、大基因组缺失和剪接缺陷，这些突变中的一个或多个，均可导致疾病的发生。证明了 TCIRG1 缺陷大理石骨病群体的高度遗传异质性。

CLCN7（氯电位依赖性通道 7）基因突变是佳学所检测的病人中的约 17% 的常染色体隐性骨石症病例和大多数常染色体显性骨石症病例 (70%)的致病基因。双等位基因突变导致一种非常严重的疾病，其中一些患有原发性神经变性（类似于溶酶体蓄积病）、脑萎缩、痉挛、轴性肌张力低下和外周高血压的患者会出现骨缺损和血液衰竭。相反，单等位基因 CLCN7 突变会导致常染色体显性骨硬化症，并与较轻的症状和较晚的症状相关。

CLCN7 基因编码 2Cl-/H+-反向转运蛋白，受电位依赖性机制调节，在破骨细胞的“波纹边缘”以及晚期内涵体和溶酶体的膜上表达。CLC 家族蛋白跨细胞膜转运氯离子以维持膜电位、调节跨上皮 Cl- 转运并控制不同细胞器之间的膀胱内 pH 值。

常染色体隐性遗传性大理石骨病的神经病变是由 OSTM1 或 CLCN7 基因突变引起的。OSTM1（与骨石症相关的跨膜蛋白 1）突变约占大理石骨病病例的 5%，并且总是会导致骨石症和严重的原发性神经退行性变。在没有基因检测结果指导下的个性化治疗的干预下，预期寿命不到两年。OSTM1 充当 CLC-7 的辅助 β 亚基，支持骨吸收和溶酶体功能。

基因解码表明，该基因中所有已识别的突变都会导致蛋白质缩短。缩短的 OSTM1 的分泌形式已被证明可以通过抑制 BLIMP1-NFATc1 轴来抑制体外破骨细胞的形成，从而为 OSTM1 缺陷的大理石骨病提供一种假定的额外发病机制。此外，使用专门设计的定量 PCR 策略，在阿拉伯和印度起源的两个不相关的家族（由五个关键基因组成）的病人中检测到两个不同的纯合微缺失，分别跨越约 110 和约 10 bp，影响 OSTM1 基因的 N 末端部分。对相关基因组区域的序列分析确定了 AluSx 介导的重组和非重复重排以及随后的非同源末端连接作为各自的潜在分子机制。

佳学基因遗传性骨病中，还记录了一个大理石骨病的患者，该患者伴有早发性神经退行性变和某些大脑区域铁积累，这是一个非常不寻常的发现。全外显子组测序显示，OSTM1 基因中存在新的 c.783+5G>T 突变，导致外显子 4 跳跃，并且 MANEAL 基因中存在纯合状态的移码变体 c.446dup。该基因编码一种内切α样甘露糖苷酶蛋白，该蛋白可能位于高尔基复合体中，并可能参与糖蛋白代谢；事实上，在患者的尿液和脑脊液中发现了增加的甘露糖四糖分子。这与大脑中铁的积累以及 MANEAL 基因突变对骨硬化表型形成的影响有何关系，需要进一步研究。

骨石症伴肾小管酸中毒和脑钙质沉着是由 CAII 基因突变引起的。碳酐酶 (CAII) 是一种含锌金属酶，负责催化二氧化碳 (CO2) 和水 (H2O) 可逆转化为碳酸氢根 (HCO3–) 和质子 (H+)。碳水化合物酶有助于维持体内的稳态。反应的底物和产物（CO2、HCO3– 和 H+）对于调节呼吸、脑脊液形成和骨吸收等生物过程是必需的。

基因解码基因检测在CAII 基因中已鉴定出约 30 种不同的突变：错义突变、无义突变和剪接位点突变。大多数携带这种突变的患者都是阿拉伯裔。

由 PLEKHM1（包含 pleckstrin 同源结构域的 M 家族成员 1）和 SNX10（分选 nexin 10）基因突变引起的大理石骨病中间形式也被基因解码所记录。PLEKHM1 基因编码一种胞质蛋白，通过与小 GTPase RAB7 和 ARL8 相互作用参与内体转运途径。此外，PLEKHM1 参与清除多种蛋白质聚集体所需的自噬体和溶酶体的融合。因此，该蛋白质特定结构域的破坏或其损失会损害囊泡分布、分泌和波纹状 wukras 的形成，从而破坏破骨细胞的再吸收功能。PLEKHM1 是一种包含各种功能域的大蛋白：其中存在 c.296+1G>A 突变的 RUN 域，最初在患有大理石骨病的两个兄弟姐妹中发现；由 LC3 相互作用区 (LIR) 分隔的两个 plectrin 同源 (PH) 结构域；Rubicon 同源 (RH) 结构域和 C 末端的 C1 锌指。

在两名不相关的患者中，基因解码检测出俩 PLEKHM1 基因中两种不同的可能显性突变：c.2140C>T (p.Arg714Cys)，显然与骨硬化症无关，在第二个 PH 结构域中发现；最近发现的位于 RH 结构域的 c.3051_3052delCA 突变预计会消除锌指基序。RH 结构域对于 PLEKHM1 与 RAB7 的相互作用至关重要，导致突变蛋白与 RAB7 的相互作用减少，从而导致细胞内定位异常和自噬增加。

不到 5% 的大理石骨病病例是由 SNX10（分选 nexin 10）基因突变引起的，该基因编码细胞质和膜结合蛋白的蛋白质家族，其特征在于称为 PX 结构域的磷酸肌醇结合域。SNX 蛋白通过建立蛋白质-蛋白质和蛋白质-脂质相互作用来参与蛋白质分选和跨膜运输。具体来说，SNX10 与 V-ATP 酶相互作用并调节其细胞内运输；因此，这种常染色体隐性遗传形式的石骨病是由于 V-ATP 酶向破骨细胞“波纹边缘”的运输改变及其功能缺陷造成的。有人认为，SNX10 在基质金属蛋白酶 9 的递送和分泌中发挥作用，基质金属蛋白酶 9 参与细胞外基质的降解。

SNX10 基因突变会导致西博滕尼亚骨石症（以瑞典县命名），其中 SNX10 基因中的 c.212+1G>T 突变会激活内含子 4 中的隐藏剪接位点，导致移码和终止密码子形成 (p .S66Nfs*15)，在该地区人口中出现的频率为 1: 93。谱系学研究和单倍型分析已将这种突变的起源追溯到 19 世纪初的共同祖先，并且该突变的年龄估计约为 950 年。

2% 的大理石骨病患者缺乏细胞因子 RANKL（受体激活剂核 kappa-B 配体），4.5% 的患者缺乏其受体 RANK。RANKL 由 TNFSF11 基因编码，并与其受体 RANK（由 TNFRSF11A 基因编码）结合，决定控制破骨细胞分化和激活的下游途径的激活。RANK/RANKL 信号通路调节成熟破骨细胞从其前体的形成及其在骨重塑中的活性。该途径的破坏导致骨活检标本中完全不存在成熟的破骨细胞。与经典大理石骨病相比，RANKL 缺陷患者表现出严重的骨硬化症，且疾病进展较慢。

重要的是，与 TNFSF11 缺陷不同，TNFRSF11A 缺陷患者的骨硬化可以通过造血干细胞移植来挽救。

X连锁骨石症是由IKBKG基因突变引起的。IKBKG 基因编码 NEMO，这是 IKK 复合物（κB 激酶抑制剂）的调节亚基，对于激活 NF-κB（核因子 κB）转录因子以诱导破骨细胞生成至关重要。NF-κB 信号转导涉及许多分子（主要是激酶和转录因子），这些分子在许多器官和病理生理条件下的基因表达调节中发挥着至关重要的作用。在骨骼中，IKBKG 基因中编码抑制 IκB-α 所需的 IκB 激酶复合物成分的低等位性突变以及随后释放的 p65/p50 异二聚体的核易位是导致 X 连锁骨硬化症的原因。外胚层发育不良和免疫缺陷。这些突变主要位于锌指蛋白结构域，并通过改变 RANKL/RANK 信号通路导致骨硬化症。

大理石骨病基因解码分析组也收录了报道了一例不明原因突然死亡的新生儿，病理检查显示RELA基因新生（c.1534_1535delinsAG（p.Asp512Ser））突变导致骨密度病理性增加，与成骨细胞功能增强相关 (11q13.1)。这种突变已被证明会破坏患者成纤维细胞中的 NF-κB 信号传导，这支持了各种重要功能可能发生变化的假设。

严重联合免疫缺陷 (SCID) 是由 11 号染色体上跨越 RAG1 和 RAG2 基因以及 TRAF6 5' 区域的大缺失引起的。

在通过 RANKL/RANK 结合招募的各种接头分子中，TRAF6（TNF 受体相关因子 6）似乎是最重要的。TRAF6 还作用于 T 细胞和 B 细胞受体的下游，导致 NF-κB 激活。

基因解码在利用实验动物的基因突变验证人体基因检测结果的效应时观察到，小鼠体内 TRAF6 基因失活被证明会导致严重的骨硬化症，在人类身上也获得了类似的证据。事实上，11 号染色体上的纯合 2064 bp 基因组缺失覆盖了 TRAF6、RAG1 和 RAG2 基因的 5' 区（RAG 蛋白对于 B 细胞和 T 细胞受体重组以及这些细胞的生存和分化是必需的）。通过染色体微阵列分析，在两名患有骨硬化症和严重联合免疫缺陷（SCID）的兄弟姐妹中发现了这种情况。该基因组缺失覆盖了外显子 1 上方的区域以及外显子 1 的部分非编码序列。这些区域很可能是调节性的；事实上，在蛋白质水平上，它们的缺失完全废除了 TRAF6 的产生。这种突变在一个家族中被采用致病基因鉴定基因解码得到发现，大理石骨病并不普遍，但在骨盆和腿部明显；由于这两名患者兄妹都因严重的免疫缺陷而在很小的时候就去世了，因此目前很难预测该特殊病例中疾病的演变。

FERMT3 和 CADAGGEF1 基因突变会导致骨硬化症并伴有 III 型白细胞粘附缺陷 (LAD III)。

CALDAGGEF1 基因位于染色体 11q13.1 区域的远端边缘，通过二酰基甘油和 Ca2+ 结合被激活，并且是 Rap1 的鸟嘌呤替代因子，Rap1 是一种在整合素激活中发挥重要作用的 GTP 酶。该基因通过选择性剪接编码两种蛋白质，一种是 68-kDa 的胞质形式，另一种是通过额外的氨基末端肉豆蔻酰化和棕榈酰化结构域定位在膜上的 72-kDa 形式。

FERMT3 基因（11 号染色体：63.73–63.75 Mb）位于染色体 11q13.1 上，距离 CALDAGGEF1 0.5 Mb。FERMT3 基因（fermitin 家族 3 的代表）在造血细胞中表达并编码 kindlin-3，kindlin-3 是 kindlin 家族的成员，包括参与整合素激活的三种不同的粘着斑蛋白。该过程对于细胞粘附、增殖和迁移、细胞外基质的组织、细胞存活、增殖和分化是必需的。

Kindlin-3 是一种与肌动蛋白细胞骨架结合的细胞内蛋白。它与几类整合素相互作用并介导它们的粘附功能和从内到外的信号传输，这对于骨中破骨细胞的再吸收活性至关重要。因此，kindlin-3 缺陷会导致破骨细胞发生重大形态变化，并损害其附着于骨表面的能力。主要描述了带有提前终止密码子的突变：无义突变、剪接缺陷、移码以及极少数情况下的错义突变。不幸的是，由于病例数量非常有限，目前无法建立基因-表型相关性。

LRRK1（富含亮氨酸重复激酶 1）基因的突变导致骨硬化性干骺端发育不良。LRRK1 基因由 34 个外显子组成，横跨染色体 15q26.3 上约 150 bp。LRRK1 编码 2015 个氨基酸的多域蛋白，其中包含锚蛋白重复序列、富含亮氨酸重复序列、C 端 Roc (COR) 结构域和丝氨酸-苏氨酸激酶结构域，以及七个色氨酸-天冬氨酸 (WD) 40 结构域二肽。

仅在 5 名患者中通过致病基因鉴定基因解码发现了 LRRK1 基因突变；最近在其中一名患者中发现了该基因最后一个外显子（c.5938_5944delGAGTGGT，p.Glu1980Alafs*66）中的纯合七核苷酸缺失。该突变预计会导致移码和过早终止，并丢失第七个色氨酸 (WD) 40 结构域。WD40 结构域与 LRRK1 蛋白中的其他功能结构域一样，介导蛋白质-蛋白质相互作用。特别是，有人认为 LRRK1 与 c-Src 信号转导通路的成分相互作用，以实现细胞骨架和“波纹边缘”重排和足小体组装。因此，LRKK1 缺陷的破骨细胞又扁又大，因为它们无法正确重组细胞骨架和吸收骨。

另一个与大理石骨病相关的基因是 MITF（小眼相关生长因子），它编码作用于 RANK/RANKL 通路下游的转录因子。MITF 缺乏是导致 COMMAD 综合征（缺损、骨石症、小眼症、大头畸形、白化病和耳聋）的原因。

小眼相关转录因子（MITF）是一种主要的螺旋-环-螺旋-拉链转录因子，可形成同源/异源二聚体，调节各种组织中的基因表达，因此当其突变时可以合理地预期一系列表型。在骨骼中，MITF 被认为沿着 NFATc1 下游的 RANKL/RANK 信号通路发挥作用，增强 NFATc1 依赖性破骨细胞信号传导。

骨科基因检测项目基因解码在两名不相关的 COMMAD 综合征患者中发现了 MITF 基因的复杂杂合突变，这些患者表现为缺损、大理石骨病、小眼畸形、大头畸形、白化病和耳聋。先证者 I 中已鉴定的突变 (c.952_954delAGA (p.Arg318del) 和 c.921G>C (p.Lys307Asn)；c.952A>G (p.Arg318Gly) 和 c.938-1G>A (p.Leu312fs* ）在先证者 II 中）不会改变 MITF 二聚化，而是改变其核迁移和 DNA 结合特性。这一发现拓宽了 MITF 定义的表型谱；事实上，与隐性突变不同，显性突变与 Waardenburg 2A 型综合征和 Titz 综合征相关，它们具有耳聋和色素沉着缺乏的特征。总的来说，这些数据支持 MITF 在发育过程以及细胞分化和存活中的重要作用。

伴有中性粒细胞减少症的异色皮肤病是一种常染色体隐性遗传性皮肤病，由位于染色体 16q21 上的 C16orf57 基因突变引起。迄今为止，已在 31 名皮肤异色症患者中发现了 17 种突变（缺失、无义突变和剪接位点突变）。编码磷酸二酯酶的 C16orf57 基因负责小核 RNA U6 (USB1) 的修饰和稳定，这是剪接机制的重要组成部分。

据报道，患有骨硬化症和脑畸形的 CSF1R 基因突变的近亲患者会出现全身性骨硬化症并伴有严重脑畸形。CSF1R 基因编码 M-CSF（巨噬细胞集落刺激因子）受体，它是调节中枢神经系统小胶质细胞稳态、神经发生和神经元存活的关键跨膜酪氨酸激酶受体。CSF1R 可被蛋白水解成可溶性胞外域和细胞内蛋白片段，当被集落刺激因子 1 和白细胞介素 34 两种配体激活时，可支持骨髓细胞存活。

M-CSF 与 RANKL 一样，是一种重要的破骨细胞生成分子，并且在缺乏这种细胞因子的破骨细胞缺陷的骨质小鼠中得到了充分证明。M-CSF 受体缺陷小鼠 (CSF1R) 表现出类似的骨硬化表型；此外，两种模型都存在先天免疫、生育能力和神经功能缺陷。有趣的是，CSF1R 基因的显性突变导致成人形式的脑肌病，而就在最近，该基因的隐性突变被认为是导致患有全身性骨硬化症和严重脑畸形的两个兄弟姐妹出现致命的复杂表型的原因。对已故儿童血亲的外显子组测序显示，CSF1R 基因中存在杂合突变 (c.1620C>T (p.Tyr540*))，预计该突变会导致蛋白质缺乏配体依赖性细胞内结构域二聚化和自磷酸化。在缺乏患者 DNA 样本的情况下，尚未在患病患者中证实 CSF1R 突变的纯合性；因此，这些结论并不是确定的。然而，分析具有相似表型的其他患者的基因，试图识别其他突变作为确认，是佳学基因进一步增加检出率和准确性的一种方法。

一种罕见的破骨细胞含量低的大理石骨病，称为骨硬化症，伴有红紫色黄斑萎缩、颈椎椎炎和干骺端骨硬化，是由 SLC29A3 基因（29 个溶质载体家族的成员 3）突变引起，该基因编码骨髓细胞中高表达的溶酶体核苷载体。在 SLC29A3 基因中发现的所述突变 c.607T>C (p.Ser203Pro)、c.1157G>A (p.Arg386Gln)、c.1346C>G (p.Thr449Arg)、c.303_320dup (p.102_107dup) 会影响破骨细胞功能和分化，如患者外周血单核细胞体外分化后和患者骨活检样本中破骨细胞数量减少所表明的那样。大理石骨病的基因解码，在一名患者中描述了 TNFRSF11A 基因内含子 6 的新剪接位点突变，表明 TNFRSF11A 是导致骨质硬化的另一个基因。

大理石骨病、Buschke-Ollendorff 综合征和梅洛骨骨质增生症是良性的，更多时候是无症状的大理石骨病，更多时候通过放射学诊断，由 LEMD3 基因突变引起。LEMD3 是内核膜的整合蛋白。它包含一个核质 N 端和 C 端结构域以及两个螺旋跨膜片段。N 端片段与其他核膜蛋白（例如核纤层相关多肽 2 (LAP2) 和 emerin）共享约 40 个氨基酸的保守球状结构域。编码蛋白的功能是抵消内核膜上的转化生长因子-β 信号传导。

导致致密性大理石骨病的基因是 CTSK，位于 1 号染色体 (1q21)，编码组织蛋白酶 K，这是一种木瓜蛋白酶超家族半胱氨酸肽酶，破骨细胞使用它来降解骨基质，并具有在多个位点裂解胶原分子的独特能力。此外，组织蛋白酶 K 最近被证明可以在体外裂解并激活基质金属蛋白酶 9，这表明蛋白酶信号网络的存在可能在各种病理生理条件下具有重要意义。最近，组织蛋白酶 K 已被证明可以通过下调骨膜蛋白（Wnt-β-连环蛋白介导的骨膜形成所需的皮质区室基质细胞蛋白）来调节骨建模。

迄今为止，大理石骨病数据库已描述了不同地理来源患者在CTSK上发现的约 60 种不同突变。错义变异是最常见的突变；移码、无义突变和剪接缺陷也已被识别。突变主要发生在成熟的CTSK蛋白中，其中外显子5和6是“热点”。此外，大约 6% 的突变被映射到pre，25% 的突变被映射到pro区域，它们分别是正确蛋白质定位、蛋白质折叠和细胞内运输所必需的短 N 端结构域；Pro区也是保持酶处于非活性状态所必需的，并且在低pH值下会分离。然而，基因型-表型相关性（可能也解释了非典型表现）还需基因解码的进一步研究。

伴有颅骨硬化的横纹骨病是由 WTX 基因 (AMER1) 突变引起的。该基因位于染色体Xq11.2上，包含2个外显子。该基因编码的蛋白质增强了维尔姆斯肿瘤蛋白的转录激活，并与许多其他蛋白质相互作用。这种形式的大理石骨病的患病率为 0.1:1,000,000 人。基因解码已收录了一百多名患有这种综合征的患者，其中大约三分之一的患者是散发的。特别是颅骨硬化症，是一种临床异质性疾病，从轻微的骨骼表现到多系统器官损伤，甚至在同一家族内也是如此。