基因多态性与膝关节原发性骨性关节炎的发病关系的相关研究

刘军，吴磊，李冰，祁超，杜忠超，李款，孔佑一，刘璐，李波

（单位：天津医院天津河西 300202）

关键词：基因多态性，膝关节原发性骨性关节炎，荟萃分析，全基因关联分析，易感性

膝关节骨性关节炎( knee osteoarthritis，KOA) 是一种好发于老年人群的一类骨关节疾病，主要表现为滑膜炎、进行性软骨损坏丢失、骨赘形成及软骨下硬化。目前手术联合非手术的综合治疗使膝关节原发性骨性关节炎患者生活质量有了很大程度的改善，但因其发病缓慢且病情易反复，该病导致患者下肢畸型率及致残率仍然较高。膝关节原发性骨性关节炎已被证实是一种多因素( 比如: 年龄、性别、炎症、肥胖、损伤等)和多种基因导致的疾病，其基因位点的多态性有极大的可能增加了膝关节骨性关节炎的易感性。因此研究及证明基因多态性与膝关节原发性骨性关节炎易感性的关系，对膝关节原发性骨性关节炎的预防、诊断、治疗及预后有着重要的意义。骨性关节炎 ( osteoarthritis，OA) 的遗传学研究很早以前就受到了相关学术界的广泛关注，膝关节作为骨性关节炎最早、最容易受累的关节之一，其研究价值及意义非常重要。随着对基因多态性的研究的加深，越来越多的研究人员加入到了对膝关节原发性骨性关节炎的相关基因的研究，并已经证实了多种基因在膝关节原发性骨性关节炎的发生、发展中起着关键性作用，为膝关节原发性骨性关节炎的早期诊断和治疗提供了强有力的理论依据。而不同国家、不同地区的研究人员对同一基因的研究结果往往不一致，甚至结论完全相反，即使同一国家的同一批研究人群对本国不同种族或者生活在同一国家不同省份的同一种族的研究结论仍有出入，笔者希望通过已发表的荟萃分析（一种对不同研究结果进行收集、合并及统计分析的方法。这种方法逐渐发展成为一门新兴学科--"循证医学"的主要内容和研究手段。荟萃分析的主要目的是将以往的研究结果更为客观的综合反映出来。研究者并不进行原始的研究，而是将研究已获得的结果进行综合分析。）及全基因关联分析（指在人类全基因组范围内找出存在的序列变异，即单核苷酸多态性(SNP)，从中筛选出与疾病相关的SNPs。），就相关基因做如下综述：

1.肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor)

肿瘤坏死因子，英文名称：tumor necrosis factor;TNF ，主要由活化的单核/巨噬细胞产生，能杀伤和抑制肿瘤细胞，促进中性粒细胞的吞噬功能，抗感染，引起发热，诱导肝细胞急性期蛋白合成，促进髓样白血病细胞向巨噬细胞分化，促进细胞增殖和分化，是重要的炎症因子，并参与某些自身免疫病的病理损伤。分为TNF-α和TNF-β。肿瘤坏死因子α（TNF-α）是一种促炎细胞因子，在骨性关节炎的发病机制中起重要作用^[1]。有学者进行了一项研究，证明TNF-α增加关节软骨细胞的僵硬度及破坏软

基金项目：天津市卫生局攻关项目：14KG123

天津市自然科学基金：17JCQNJC11800

天津市外专局择优资助项目：2015017

作者简介：吴磊，天津医科大学在读研究生，研究方向：骨外科，手机号：18222310275，

邮编：1779651292@qq.com

通讯作者：刘军。天津医院关节外科主任医师，副教授；嘉思特华剑医疗器械（天津有限公司）

骨细胞正常的收缩功能^[2]。另有研究证明TNF-α的循环水平与老年人的膝关节原发性骨性关节炎相关^[3]。一些学者进行的体外实验中发现促炎性TNF-α使骨性关节炎中潜在致病性软骨细胞亚群中的基质金属蛋白酶-1和-3 mRNA上升^[4]。基于这些研究结果，TNF-α的基因多态性可以为我们提供对膝关节原发性骨性

关节炎病因的深入了解。已有相关研究表明^[5]，在晚期膝关节原发性骨性关节炎患者中，膝关节滑液中 TNF-α明显高于正常水平，这初步表明TNF-α基因多态性可能与膝关节原发性骨性关节炎易感性有关。TNF-α基因位于 6p21-3，包含4个外显子，在人类细胞中大约有3kb的DNA^[6]；中国学者陈杰等人^[7]通过在浙江省中医院进行的病例对照试验证明TNF-αrs1800629多态性的AA基因型与膝关节原发性骨性关节炎风险增加有关，进而进行了包括四项亚洲人种研究（包括本研究）和7项高加索人种研究的荟萃分析研究证明验证了在整体人群中，TNF-αrs1800629多态性与膝关节原发性骨性关节炎有着显着的关联。通过种族的亚组分析表明，TNF-αrs1800629多态性增加了亚洲人群的膝关节骨性关节炎的风险，但没有增加高加索人群中膝关节骨性关节炎的易感性。TNF-α启动子内的遗传变异可能改变TNF-α的转录和翻译^[8]；在-G238A，-G308A，-C863A和-C857A中发现了TNF-α启动子区的多态性，其中-G308A多态性是最常被研究的。之前的研究发现携带-308A等位基因的患者TNF-α的表达明显高于携带-308G等位基因的患者，表明这种多态性在炎症中可能具有功能意义，可能与炎症性疾病相关^[9]；Suotang Kou等人^[10] 通过对截止2014年1月16日的7项关于TNFα-308

研究的荟萃分析，其中包括983例骨性关节炎病例和1355例健康对照病例：发现了隐性遗传模型分析、A等位基因与G等位基因分析中的膝关节原发性骨性关节炎风险增加。此外，研究还发现膝关节原发性骨性关节炎患者中AA和GA基因型的频率更高。与GG基因型相比，AA和GA基因型可能会增加膝关节原发性骨性关节炎的风险，这可能是由于-308A等位基因携带者中TNF-α的表达高于-308G携带者。在-308位置从鸟嘌呤（G）到腺嘌呤（A）的单核苷酸转换是一般研究人群中最常见的多态性，并且已显示该转变影响TNF-α的表达。根据先前的研究，-308等位基因A的转录活性与增加约6倍的TNF-α蛋白水平升高相关 ^[11]。

2. 解整合素金属蛋白酶12( ADAM12)

ADAM（一种解聚素和金属蛋白酶）是锌依赖性metzincin超家族的成员，已被证明与几种复杂疾病有关，如类风湿性关节炎，心脏病，阿尔茨海默病和癌症^{[12, 13]}。在23种已鉴定的人ADAM基因中，ADAM12是骨性关节炎的著名的候选基因之一。ADAM12的细胞作用似乎是在正常生理学和病理学中起关键作用。一些研究表明人类ADAM12在骨形成，软骨细胞增殖和成熟以及破骨细胞分化中起到调节作用^[14-17]。然而,既往对ADAM12基因多态性与膝关节原发性骨性关节炎的发病风险的相关研究得出的结果并不一致.中国华中科技大学同济医院的学者^[18]在2017年08月发表的论文中：在PubMed，EMBASE和ISI Web of Science中进行了全面的文献检索，进行了包括7项病例对照研究的荟萃分析，其中包括总共3512名膝关节原发性骨性关节炎患者和5405名健康人群对照，得出结论：ADAM12rs1871054与亚洲人群中膝关节原发性骨性关节炎风险之间存在适度但有统计学意义的关联，而ADAM12中的其他多态性（rs3740199，rs1044122或rs1278279）与所研究的任何人群膝关节原发性骨性关节炎的易感性无关。浙江中医药大学第二附属医院的骨科学者^[19]2017年10月发表的学术论文中介绍：在PubMed，Web of Science和Google Scholar数据库中进行了符合研究条件的文献检索，选出了涵盖5048个膝关节原发性骨性关节炎病例和6848个健康对照的10篇文献进行荟萃分析，表明ADAM12 rs1871054和rs1044122的基因多态性可能与膝关节原发性骨性关节炎的风险相关; ADAM12 rs3740199可能与男性膝关节原发性骨性关节炎风险有关，而与女性无关。中国南京学者^[20]为了查询关于ADAM12

rs3740199多态性和膝关节原发性骨性关节炎风险的所有相关报告，使用关键词“rs3740199”或“ ADAM12 ”、“多态性” 或 “单核核苷酸多态性”“ 骨关节炎”。

对PubMed（最后一次搜索更新于2017年4月14日）的所有英语文献进行了系统检索。根据相关条件筛选出6项相关研究进行了荟萃分析，包括总共2185例病人和3716例健康对照人群，得出结论：未发现ADAM12 rs3740199多态性与膝OA风险之间存在任何关联。

3. 生长分化因子5 (GDF5)

膝关节骨性关节炎易感基因研究最全面的候选基因之一是生长分化因子5 (GDF5)。GDF5,也称为骨形态发生蛋白1，是转化生长因子-β超家族的成员，与骨形成蛋白密切相关。GDF5已被证实参与肌肉骨骼形成过程，包括滑膜关节、骨与软骨等组织的发育、维持和修复^{[21, 22]}。有学者提出GDF5缺乏是骨性关节炎发病机制中重要的危险因素之一^[22]。GDF5的表达由GDF5基因调节，GDF5基因中罕见的有害突变可引起骨骼发育的几种相关疾病，如软骨发育不良和短指，表明该基因在关节稳态和修复中可能起关键作用^[23]。几种动物模型研究进一步证实了GDF5的关键作用^[24-27]。这些结果提示GDF5多态性可能在膝关节原发性骨性关节炎的病因和发病机理中具有重要功能。然而，不同研究学者关于GDF5基因多态性与膝关节原发性骨性关节炎发病风险的研究结论存在一定程度的矛盾，并将GDF5作为研究热点，因此，关于GDF5基因多态性与膝关节原发性骨性关节炎发病风险的荟萃分析研究比较多，笔者挑选近期发表且具有代表性的研究进行相应论述，来自澳大利亚塔斯马尼亚大学的研究人员^[28]对截至2013年7月的相关研究，在Medline、Embase和ISI科学网站进行了搜索，共纳入20项研究，共23,995人，在总体研究中，在等位基因水平和基因型水平，GDF5基因多态性和膝关节原发性骨性关节炎之间存在着较弱但显著的相关性；在按种族划分的亚组分析中，我们观察到亚洲人群中GDF5基因多态性和膝关节原发性骨性关节炎之间存在显著的相关性，而高加索人群中则存在较弱相关性。宁夏医科大学总医院骨科学者^[29]通过对包括2,744名膝关节原发性骨性关节炎患者和4,518名健康对照人群的6项研究的荟萃分析得出以下结论：GDF5的5'-UTR中的+ 104T / C多态性与膝关节原发性骨性关节炎的风险相关，且在亚洲人群和高加索人群中未发现种族差异。GDF5+ 104T/C基因多态性与膝关节骨性关节炎风险之间的机制相关性尚不完全清楚。GDF5参与关节软骨的发育，再生和维持，是附肢骨骼滑膜关节的特异性标记物^[24]。GDF5+ 104T / C多态性调节GDF5基因核心启动子的转录活性，T等位基因显示转录活性降低，该单核核苷酸可能是功能改变的生物学基础^[30]。该证据表明+ 104T / C多态性在膝关节原发性骨性关节炎的发展中起重要作用。

4. Smad家族成员3(SMAD3)

SMAD3是转化生长因子β（TGF-β）信号传导途径，这是一个重要的生长因子,是一个对关节软骨的完整性起重要作用的细胞内信使^{[31, 32]}。TGF-β刺激蛋白多糖和II型胶原纤维合成，可以下调软骨降解酶，并能够抵消白细胞介素-1诱导的蛋白多糖合成抑制^[33]。越来越多的证据表明，TGF-β通过在骨形成，重塑和维护中充当关键调节因素，并在骨性关节炎发病及进展起重要作用^{[31, 34, 35]}。因此，我们有理由假设SMAD3可能是骨性关节炎易感性的候选基因。越来越多的证据表明，SMAD3 rs12901499多态性与骨关节炎的风险相关然而，然而，由于临床异质性，不同种族、不同样本数量和小样本量，既往研究的结果相互矛盾且不确定。为了准确阐明SMAD3rs12901499多态性在骨性关节炎发展中的作用，南京医科大学附属常州市第二人民医院等学者^[36]通过检索PubMed，Embase和CNKI数据库，选择出截止2018年03月的7项符合条件的文献（包括5344例病例人群和9080例健康对照人群），共计11项研究^[37-43]，对这包括11项研究的7篇论文进行了SMAD3 rs12901499多态性与骨性关节炎易感性之间关联的第一个荟萃分析，得出以下结论：证实SMAD3 rs12901499多态性增加了骨性关节炎风险。种族亚组分析发现SMAD3 rs12901499多态性增加亚洲人和高加索人骨关节炎的风险，骨关节炎类型的亚组分析显示，SMAD3 rs12901499多态性与髋关节骨性关节炎风险增加相关，但与笔者主要论述的膝关节骨性关节炎无关。目前，我们仍需要大样本量和多种骨性关节炎的研究来验证SMAD3 rs12901499多态性是否有助于确定骨性关节炎易感性。。

5 Estrogen Receptor Beta gene(雌激素受体基因)

流行病学研究显示，骨关节炎的患病率和发病率存在性别差异^[44]：绝经后女性骨性关节炎的患病率迅速增加。此外，与女性相比，男性在50岁之前的骨性关节炎患病率更高。这引起了一种假设，即性激素可能与骨关节炎的发病有关^[45]。雌激素受体α和β存在于软骨细胞^[46],有数个体外和体内动物实验表明雌激素对关节软骨有保护作用^{[47, 48]}。中国人民解放军空军总医院有学者^[49]对2014年3月28日之前发表的符合条件的研究的文献在PubMed，Web of Science，Embase，Cochrane数据库，Current Controlled Trials，Clinicaltrials.gov，中国临床试验注册，CBMdisc，CNKI，Google Scholar和百度文库中进行检索以明确雌激素受体α rs9340799多态性是否与骨性关节炎相关，经过文章审查和质量评估，共计10篇文献包括924例骨性关节炎病例和5,868例健康人群对照，联合证据表明雌激素受体α rs9340799多态性对骨性关节炎风险增加起着重要作用；在亚组分析中，雌激素受体α rs9340799多态性与欧洲组、亚洲组的膝关节原发性骨性关节炎患病风险之间存在显著相关性。同样来自中国人民解放军空军总医院的学者^[50]使用PubMed，Web of Science，Embase，Cochrane数据库，Current Controlled Trials，Clinicaltrials.gov，中国临床试验注册，CBMdisc，CNKI和Google Scholar对2014年8月17日之前发表的所有相关研究进行系统检索，选择出了涉及15项研究的12篇文献纳入最终的荟萃分析，其中包含6417例骨性关节炎病例和8605例健康人群对照，得出结论：雌激素受体α rs2234693多态性可能增加与膝关节原发性骨性关节炎的易感性；但仍需要进一步进行全基因组关联研究，以确认研究结果。

6. GLIS3基因

GLIS3 (GLI-similar 3)是GLI-similar 锌指蛋白家族的成员，编码5个c2h2型锌指结构域的核蛋白。该蛋白在胚胎发生早期表达，作为转录的抑制因子和激活因子发挥着关键作用。人类GLIS3突变非常罕见。^[51]GLIS3基因在胰腺发育中起关键作用，并且该转录因子的功能丧失、突变可导致以新生儿糖尿病，甲状腺机能减退和其他先天性功能障碍为特征的综合征^{[52, 53]}。然而Casalone E等人^[54]通过对5414名因各种骨性关节炎进行膝关节和/或髋关节全关节置换术的患者和9939例正常人群的全基因关联分析（ Genome-wide association study），发现GLIS3 rs10116772与关节炎的发病相关，且该基因位点已被证实与血糖升高及糖尿病相关，但尚无其他关于GLIS3rs10116772与关节炎的研究报道，笔者认为有必要在我国人群中进行大样本的相应研究。

小结：

膝关节原发性骨性关节炎是一种病因学极其复杂的疾病，并且它的易感病因依然不完全清楚。关节组织的代谢平衡受到复杂的内在基因与外界环境因素调控，不同研究者对同一基因多态性位点与膝关节原发性骨性关节炎易感性的研究结果常常不完全一致，同一基因的不同位点的多态性可能与膝关节原发性骨性关节炎易感性的研究结果不完全一致，同一基因多态性位点可能与膝关节原发性骨性关节炎易感性相关，而与手指关节骨性关节炎、髋关节原发性骨性关节炎易感性不相关；反之亦然。导致这些不一致的原因主要为遗传多态性的种族差异，不同种族之间的差异可以是多方面的，包括疾病表现的不同、生活方式及习惯的差异、外界环境因素，以及由其他一些易感基因的作用造成不同，不同地区的相同种族也可因生活方式及习惯、外界环境因素的不同而出现研究结果的不一致。同时，由于解剖学特点、生物力学等因素的影响，某些骨性关节炎的易感位点也可以表现出个体的特异性。此外，大多数研究所纳入的研究人群中大多数为中老年人，由于中老年个体所伴随有其他疾病，如笔者所论述的GLIS3基因，与多种疾病相关，并且某种基因又可能与多种疾病相关，进而增加了混杂因素，并且可能造成研究结果的不一致性。

目前诸多的研究结果仍然存在较大争议，但持续研究膝关节原发性骨性关节炎的易感基因将有助于进一步揭示某些细胞因子在膝关节原发性骨性关节炎发病机制中的作用，推进对其病因学的基因层面的了解，逐步使膝关节原发性骨性关节炎的早期基因诊断成为可能，并为早期药物治疗提供新的治疗与干预措施，从而协助设计针对易感人群个体化的预防和早期治疗。随着研究的继续进行及不断深入，易感基因将会不断的增加，许多已经发表的研究结果将会出现更大的不确定性，因此，将来的研究需要更大的样本量、同源性更近的人群进行验证，并需要全世界各国同行间的多中心配合研究。

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