2020年儿童矮身材遗传学诊断与研究的挑战和机遇(全文)

2020年儿童矮身材遗传学诊断与研究的挑战和机遇（全文）

线性生长发生于胚胎期到青春期至成人早期，受遗传、内分泌、营养、疾病以及环境等多因素的影响。下丘脑垂体－生长激素－胰岛素样生长因子（insulin like growth factor，IGF）－1轴以及生长板是调控生长的重要因素。胚胎发育过程中下丘脑垂体发育相关的基因变异通常会导致多种垂体激素缺乏，下丘脑－垂体信号异常可影响生长激素的合成和释放，靶组织受体缺陷可致生长激素、IGF－1功能异常，均引起身材矮小[1,2,3,4,5]。在内分泌和旁分泌因子的影响下，生长板参与软骨细胞增殖、肥大和分泌软骨细胞外基质过程的基因异常也与身材矮小相关，但大多伴有骨骼发育不良[1,2,3,4,5]。随着遗传学新技术的广泛临床应用，越来越多的矮身材患儿得到了明确的病因诊断，提高了临床医师对疾病的认识和诊断水平。而对矮身材患儿复杂的遗传检测结果的解析与鉴定，临床表型和基因型的多样性及复杂性分析方面，仍面临诸多问题和挑战。

一、矮身材相关基因的研究进展

（一）下丘脑－垂体发育相关基因

在胚胎发育过程中，多种转录因子调控下丘脑垂体的正常发育。如早期转录因子HESX1、SOX2、SOX3、LHX3、LHX4、PTX1、PTX2基因以及晚期转录因子PROP1、POU1F1基因等。这些转录因子的异常，除可导致生长障碍、其他垂体激素缺乏通常还伴有相关发育异常，如视中隔发育不良和（或）眼部缺陷（HESX1、OTX2、SOX2、SOX3基因）、骨骼缺陷（LHX3、PITX2基因）、智力缺陷（SOX3和SOX2基因）等[5]。PROP1、POU1F1、HESX1基因异常相对常见，其中PROP1基因缺陷占6.7％~11.6％[4]。近年来还发现GLI2、FGF8、FGFR1、PROKR2、PROK2、ARNT2和IGSF1等基因与下丘脑垂体发育相关，患儿可出现身材矮小、多种垂体激素缺乏、垂体发育不良等。GLI2基因变

异的患儿易出现多指畸形，腭裂等面中部发育不良；IGSF1基因变异的男性患者还可出现巨睾症[2]。因此，矮身材患儿若同时伴有多垂体激素缺乏，应注意下丘脑、垂体发育相关基因的检测和重点分析。

（二）与生长激素－IGF－1轴相关的基因

生长激素和IGF－1是纵向生长的重要调节因子。迄今已证实了40余个可影响生长激素分泌、IGF－1生物利用度和作用的基因缺陷与生长障碍相关[2]。这些基因缺陷可导致生长激素缺乏症、生长激素不敏感、IGF不敏感等，甚至在特发性矮身材（idiopathic short stature，ISS）及小于胎龄儿（small for gestational age，SGA）中也可检测到相应的基因变异。

1. GH1基因：GH1基因缺陷可导致单纯性生长激素缺乏症，患儿的典型表现为匀称性身材矮小、生长速率降低，生长激素及IGF－1水平低[1]。但也有研究显示GH1杂合或纯合变异与生长激素生物失活有关，患儿可出现单纯性生长激素缺乏症类似的表型，但生长激素水平正常或升高，表现为部分生长激素不敏感[3]。甚至也有研究发现GH1基因启动子的杂合变异与ISS相关[1]。

2. GHSR基因：GHSR是编码Ghrelin受体的基因。GHSR基因变异可致ISS、生长激素缺乏症、体质性生长和青春期发育延迟，但其严重程度和外显率各有不同，甚至在同一家族中可出现两种不同的表型[1]。临床表现的异质性可能是基因缺陷导致的蛋白改变，进而影响了与Ghrelin的亲和力和受体的固有活性[1]。

3. GHR基因：GHR基因纯合或复合杂合变异可致完全性生长激素不敏感，如Laron综合征，表现为显著矮小、生长激素水平升高或正常、IGF－1及IGF结合蛋白3

（binding protein 3,BP－3)水平较低。但GHR基因杂合变异也可致不同程度生长激素不敏感，从GHR基因活性完全丧失到轻度受损，引起不同程度的临床表型，表现为部分生长激素不敏感或因仅有轻度生长激素不敏感的表型，而被归类于ISS[2]。在ISS队列研究中发现GHR基因杂合变异的频率为5.0％~15.5％[1]。

4. IGF1、IGF1R基因：IGF1基因是胎儿宫内及生后生长发育的重要生长因子。IGF1基因缺失或纯合功能丧失基因变异可致严重的宫内及生后生长障碍、小头畸形、智力发育障碍等，患儿IGF－1水平显著降低，生长激素水平正常或升高。与非携带者相比，IGF1基因杂合变异的患儿也可出现明显矮小和小头围，但存在表型差异[1,2,3]。IGF1R基因杂合变异或缺失，可导致IGF－1不敏感综合征，患儿表现与IGF1基因变异患儿的表型相似，但IGF－1水平正常或升高[3,6]。也有研究发现3％的SGA患儿可检测到IGFR缺陷[3]。

5. IGF2基因：IGF－2是重要的宫内生长发育因子，但近期研究发现IGF－2对生后的生长也非常重要。父源IGF2基因变异致基因表达不足时，患儿可出现生长受限[3]。如Silver－Russell综合征（Silver－Russell Syndrome,SRS）中，约60％的病例是由于11p15.5的印记区域父源性H19/IGF2 IG－DMR低甲基化，使父源性IGF－2表达减少所致[2]。Begemann等[7]在一家族中发现4例有SRS表型的个体，但未检测到公认的几种已知SRS缺陷，通过外显子分析发现4例患者均有遗传自父亲的IGF2基因无义变异。已发现IGF2基因的1种错义变异和6种失功能变异与矮小相关[2,7,8]。

6. STAT5B基因：STAT5B基因编码GHR激活下游细胞内信号途径的主要蛋白。STAT5B基因纯合失活变异，可导致典型的生长激素不敏感，患儿显著矮小，并伴有免疫缺陷[1,2]。STAT5B基因杂合变异可导致身高轻度降低。携带变异的个体身高比无变异的家族成员矮，可能与部分单倍剂量不足有关[2,3]。

7. 三聚体缺陷（IGFALS和PAPPA2基因）：大部分IGF－1在血循环中与IGFBP－3和酸不稳定亚基结合形成三聚体复合物，该复合物可延长血清IGF－1的半衰期和降低其在组织水平的生物利用度[1,2]。IGFALS双等位基因功能丧失变异可导致患儿出现轻度矮身材伴性发育迟缓，IGF－1、IGFBP－3水平升高[1]。ALS基因杂合变异可导致身高降低，部分患儿可能被诊断为ISS，并可伴有胰岛素抵抗、骨质疏松[3]。PAPPA2基因纯合或复合杂合变异可致矮身材，IGF－1和IGFBP－3明显升高（但游离IGF－1水平低），骨龄与实际年龄相称[9]。

在生长激素－IGF－1轴作用的过程中任一基因缺陷均可导致身材矮小。而且同一临床特征可由不同的基因缺陷所致，如生长激素不敏感与GHR、STAT5B、GH1等基因均有关；IGF－1不敏感与IGF1R、ALS、PAPPA2等基因缺陷有关。同一个基因的不同变异形式可引起不同的临床表现，如GHR基因缺陷既可导致完全性生长激素不敏感，部分性生长激素不敏感也可导致ISS。另外，在ISS以及SGA患儿中也发现了生长激素－IGF－1轴的基因异常。上述因素均给矮身材的基因检测结果分析带来困难。

（三）调节生长板的基因

软骨细胞的增殖、肥大、衰老以及软骨基质合成的过程中，自分泌和旁分泌是主要的调节因子。编码或调控这些因子的基因、编码基质蛋白和蛋白多糖的基因缺陷以及多种细胞内途径信号异常也可致不同形式的矮小和骨骼发育不良[1,3]。

1. SHOX基因：SHOX基因调节生长板的具体作用机制不明。SHOX基因作为转录激活剂，存在基因－剂量效应。SHOX基因纯合或复合杂合变异，可致Langer肢中骨发育不良[1,3]；而杂合变异或缺失则可致多种不同的表型，如轻度骨骼发育异常、Leri－Weill软骨生长障碍、ISS[1,3]。6％~22％的ISS可发现SHOX基因缺陷或调节因子异常

（缺失、重复、插入等）[4]。

2. NPPC基因：C型利钠肽（C－natriuretic peptide,CNP)及其受体NPR－B是软骨内成骨的正调控因子，刺激软骨细胞的增殖、分化、软骨基质合成[1]。编码CNP的基因NPPC与成人身高明显相关[3]。在家族性ISS的家系中发现存在NPPC基因杂合变异，患儿除出现矮身材，还伴有小手[10]。NPR2双等位基因功能丧失变异可致肢端肢中发育不全[1]。而杂合变异的表型与SHOX基因单倍剂量不足的患儿相似，可致ISS，但没有或仅有轻微的骨骼发育不良特征，一般无马德隆畸形[1,3,5]。在ISS患儿中NPR2基因杂合变异占0~6％。如果双亲之一有相似的表型，该比例可能更高[11]。

3. ACAN基因：ACAN基因编码细胞外基质中的重要组成部分蛋白多糖。ACAN基因变异亦存在基因剂量效应。ACAN纯合变异可致严重骨骼发育不全（脊椎干骺端发育不良aggrecan型）；而ACAN杂合变异所致骨骼发育不全稍轻，或仅出现矮身材、骨龄超前，但不伴有明显影像学可见的骨骼发育不良[3]。另外，在20多个常显矮身材家族中发现ACAN基因变异者逾100余例[1]。在SGA、ISS患儿中也证实存在ACAN基因缺陷[4]。

4. FGFR3基因：FGFR3基因途径在生长板软骨生成过程中是一种负调节因子[1,3]。FGFR3基因变异可导致致死性发育不全、软骨发育不全和软骨发育不良，临床表型的不同与变异的位置有关[1,3,5]。但在匀称性矮小的家族中也发现存在FGFR3变异[3]。

5. IHH基因：IHH基因编码一种关键的软骨内骨化的旁分泌调节因子，协调软骨细胞的增殖与分化[1]。IHH基因纯合变异导致肢端骨发育不良[1]。杂合变异可致短指A1型，表现为中间指、趾骨显著短小，可与末端指、趾骨融合。有报道在ISS患儿中3.4％出现IHH杂合变异，现患者的第5中间指骨出现不同程度短小[12]。

调节生长板的基因缺陷大多引起非匀称性矮小和骨骼发育不良，临床相对容易识别。但这些基因的杂合变异也可引起临床及影像学不易识别的骨骼发育不良，甚至在ISS患儿中，也检测到这些基因的杂合变异，这进一步加大了基因分析的难度。

除上述基因异常外，染色体异常、基因组印记基因异常等也可导致矮身材，如Turner综合征、Silver－Russell综合征、Prader－Willi综合征等。

二、矮身材遗传学分析的意义与挑战

矮小是一种临床常见的临床表征，矮身材的诊断过程实质上是确定导致身材矮小病因的过程。尽管身高和生长发育受多因素影响，但遗传因素的影响在其中占有较大比重。随着新型、高通量医学遗传学技术的广泛临床应用，越来越多的基因被证实与矮小相关，越来越多的矮身材儿童通过基因分析明确了矮小的病因。积极探寻矮小的遗传病因，其意义在于：（1）有助于明确诊断，判断预后。在确定患儿致病基因的同时，通过基因变异的具体信息可了解该基因变异容易影响哪些组织器官，从而提示医生应注意是否存在其他合并症的可能[3]。（2）有助于确定矮身材患者的治疗方案，避免重组人生长激素（recombined human growth hormone，rhGH）的滥用。尽管大多矮身材的患者可采用rhGH治疗以改善成人身高，但并非所有矮身材的患者均可或适合应用rhGH治疗。如生长激素受体（growth hormone receptor,GHR)缺陷者对rhGH治疗反应差；生长板相关基因异常导致的矮小，应用rhGH治疗难以取得较好疗效。Bloom综合征等则禁用rhGH治疗。（3）对可以应用rhGH治疗的患儿，明确基因变异有助于判断rhGH的治疗效应。如GH1基因纯合缺失患儿用rhGH治疗易产生生长激素抗体，导致疗效不佳。IGFR缺陷的患儿，rhGH治疗后，患儿的IGF－1的水平可明显升高，但敏感性降低[3]。SHOX基因下游和上游增强子的杂合缺失，可引起与SHOX基因缺陷相似的临床表型，但携带SHOX基因增强子缺失的儿童对rhGH治疗的反应优于携带SHOX基因缺陷者。（4）利于新药开发和临床应

用。CNP及其受体在生长板中的功能是近年生长遗传学研究领域的突破，阐明CNP/NPR－B这一途径在线性生长中的作用，利于对软骨发育不全患儿的治疗药物开发。CNP类似物在软骨发育不全小鼠模型中已取得较好疗效，针对软骨发育不全儿童的临床试验正在进行中[3,13]。长效CNP类似物还有望作为非综合征矮小，特别是NPR2或NPPC基因杂合变异患儿的潜在治疗[1]。（5）基因诊断还有利于对家系进行遗传咨询，特别是针对部分同时严重影响骨骼发育以及可合并智力发育障碍的基因异常，可早期实施家系调查、携带者检出、产前诊断等，有效实施优生优育。（6）通过矮小相关基因的大数据分析可进一步了解基因与矮小的关系、基因型与表型的关系，总结分析导致矮小的某种基因检查指征，利于选择恰当的检测方法实施精准诊断。如基于当前的研究结果，有学者推荐宫内生长迟缓、小头畸形、精神运动发育迟缓、耳聋者宜考虑是否存在IGF1基因异常；家族性矮身材、SGA，同时血IGF－1水平升高者应警惕IGF－1R缺陷；具有SRS的临床特征，IGF－2降低，而又未发现目前已知的SRS遗传缺陷时，应考虑IGF－2缺陷[4]；矮身材伴多指畸形应进行GLI2基因检测[2]；矮身材伴骨龄超前者应警惕ACAN基因变异等。

尽管明确矮小的遗传病因意义重大，但在基因检测技术发展及广泛临床应用的同时，也带来矮身材基因诊断方面的挑战。（1）遗传缺陷种类和临床表型的复杂多变使基因型－表型的相关性分析较为困难。主要表现为与矮身材相关的基因众多；一种临床异常可由几种不同的基因变异所致；同一个基因可出现不同的变异，部分存在基因剂量效应，患儿可出现较宽的表型谱，从骨骼发育不良到ISS，如：SHOX、NPR2、ACAN、IGF1、IGF1R、FGFR3基因变异等[1,2,3,4,5,14]。某些基因变异不仅可影响生长发育，还可影响其他组织器官，导致先天畸形或多系统表型。所以如何识别这些异常也是临床医生面临的挑战。（2）部分概念或观念需做出转变。如ISS是一种排他性诊断，其实质是目前病因未明的矮小的总称。在矮身材患者中，70％可单纯出现矮身材，而无其他任何临床和实验室检查可见的异常，这些患者通常被归类于ISS[1]。而随着基因检测技术的普及，在越来越多的ISS患儿（包括家族性和非家族性）中，发现了不同的基因变异类型，确定了一些新的基因缺陷

[1,5]，进而明确了这些矮小患儿的病因。随着新一代测序技术的广泛临床应用和时间的推移，被诊断为ISS的儿童有望日益减少，ISS的概念也有可能终被摒弃。另外，以IGF－1水平降低作为矮身材筛查一线基础检测，有可能导致生长激素－IGF－1轴功能异常的漏诊。除GHR和IGF－1自身的基因缺陷外，GHR后的信号途径、ALS异常、IGFR后的信号途径异常，均可影响生长激素、IGF－1正常发挥作用，出现生长激素不敏感或IGF－1抵抗的表现。而在此过程中，生长激素、IGF－1水平可以降低、正常或升高[4]。因此，单纯依靠IGF－1水平进行矮身材的临床筛查难以进行生长激素－IGF－1轴功能的正确评估。（3）遗传检测结果判读的准确性及困难。虽然SNP、WES、WGS、RNA序列、甲基化分析等技术较为成熟，已广泛应用于临床。然而，导致矮身材的遗传基因、信号途径众多；特定基因的变异种类繁多；部分存在基因－剂量效应、上下游的调控因素对基因功能也有影响。如何对矮小患者的遗传学结果进行精准的分析与致病基因的确定，仍是目前基因检测结果分析的难点。

为明确导致矮身材的病因，规范rhGH的临床应用，进一步确定矮身材的诊断流程，须加大对矮身材儿童的遗传学分析力度。特别是针对那些显著身材矮小、存在多垂体功能缺陷、合并小头畸形或先天畸形、骨骼发育异常者以及伴有智力障碍、同胞或父母有相似特征者[1,3]。另外，对ISS和SGA患儿也应进一步加强遗传学研究。