卵巢早衰(prematureovarianailure,POF)是指女性40岁之前闭经,伴促性腺激素升高及雌激素缺乏,发病率1%～2%,累及约万中国育龄期女性。目前已知病因包括染色体异常、基因突变、自身免疫因素、医源性因素等。相对西方高加索(平均确诊年龄36岁)及塞尔维亚人群(平均确诊年龄34.2岁),中国POF患者发病年龄更年轻化(平均确诊年龄29.8岁),发病早可能与人种、营养、环境等因素相关,同时也提示遗传因素在POF发病中的重要作用。探讨遗传缺陷是特发性POF病因研究的主要方向。
本文将综述POF遗传学研究进展,包括染色体异常和基因突变,并介绍近年来全基因组水平研究的主要发现。
1染色体异常
染色体异常是POF主要病因之一。年陈子江等对例中国汉族POF患者进行核型分析,发现染色体异常率为12.1%,其中X染色体异常率高达93.7%。45,XO及其嵌合体[45,XO/46,XX和(或)47,XXX]、X染色体长臂或短臂缺失、X-常染色体易位是常见的异常核型。X单体及其嵌合体是最常见的X染色体数目异常,患者多表现为原发性闭经。47,XXX较为少见,发生率约为3.8%,且常伴发自身免疫性甲状腺或肾上腺疾病。POF患者Xp缺失常涉及短臂近端Xp11.2-p22.1,提示该区域对卵巢功能具有重要作用。既往对Xq缺失和X-常染色体易位的研究发现,Xq存在卵巢功能和生殖寿命所必需的关键区域Xq13.3-q26/q27,此区域又分别被命名为POFl(Xq26-q28)和POF2(Xql3-q21),多数平衡易位断裂点位于POF2区域。此外,传统的核型分析所不能识别的低水平嵌合、隐匿性重排和X染色体失活方式也与POF存在相关性。
女性卵巢功能的维持依赖于2条结构正常的X染色体。其中,对卵巢发育及其功能极具重要性的基因聚集于X染色体的关键区域。该区域内逃避X染色体失活的基因单倍剂量不足、重排对邻近基因的“位置效应”或非特异性扰乱减数分裂同源染色体配对均可导致卵泡闭锁加速,是X染色体畸变导致POF发生的主要致病机制。通过对X-常染色体平衡易位断裂点及X染色体节段性缺失的定位已识别部分POF相关候选基因。但有些X-常染色体易位的断裂点并不分裂任何基因或所在区域几乎不含编码基因,故推测易位断裂点对易位至X染色体上的常染色体基因通过表观修饰效应导致基因功能的异常。
常染色体异常与POF的相关性研究较少,既往有报道13、14、18、21号染色体三体及相互易位,但因未能精确识别致病基因,故常染色体异常与POF的相关性目前尚无定论。
2POF相关致病基因
2.1非综合征型POF候选基因研究目前已发现的POF候选基因近80个,但突变导致蛋白功能损害的致病基因不足10个,且突变率仅1%～5%。目前 2.1.1原始生殖细胞迁移和增殖此阶段障碍可导致生殖细胞丢失,始基卵泡池过小。POU5F1是一种维持胚胎干细胞多潜能性的关键转录因子,在整个卵泡发生过程中均有表达,对中国汉族POF患者行POU5F1基因突变筛查,发现1例POU结构域的错义变异p.P13T,从而推测该突变可能通过破坏蛋白的螺旋结构而致病。此外,该研究首次提出了POU5F1基因突变可能增加POF发病风险的观点。
2.1.2始基卵泡形成和活化(1)始基卵泡的发育是非促性腺激素依赖性的,卵母细胞与体细胞之间的精确协调在此阶段至关重要。对POF患者行酪氨酸激酶受体(KIT)及其配体(KL)基因突变筛查未发现阳性结果,其致病作用有待进一步研究。(2)PTEN/PI3K信号和TSC/mTORC1信号通路协同作用维持始基卵泡静息状态并启动始基卵泡活化,两者中的任何一个通路失调均可使始基卵泡池过度活化,卵泡耗竭加速,从而导致POF。①PTEN基因:对日本和中国汉族POF患者行PTEN基因突变筛查,均未发现致病变异。②FOXO3A基因:Watkins等在新西兰POF人群发现2个基因变异p.SL和p.RH;近年来在法国、中国相继识别7种不同的基因变异,然而仍有待在其他种族人群中验证。③其他信号通路分子,如Pdk1,Rps6,Tsc2等基因敲除小鼠表现POF表型,但在POF人群中的突变筛查尚无报道。(3)细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂1B基因9cyclin-depen?dentkinaseinhibitor1B,CDKN1B):又称P27或KIP1基因。该基因可抑制卵泡募集,促进卵泡闭锁。对突尼斯POF人群筛查发现一新发突变c.TC(p.IT),推测该突变可能通过影响蛋白质折叠和功能而导致POF的发生。;但在汉族POF人群中未发现其突变,该突变可能不是导致中国人POF发病的主要原因。
2.1.3早期卵泡发育(1)生殖细胞特异性调节因子:生殖细胞特异性基因多从胚胎期开始在卵巢中表达,这类基因是否正确表达直接影响到基础卵泡池的储备。①F1GLA基因:其产物是目前已知的最早调控卵泡发育的转录因子,参与Figla/-雌鼠始基卵泡形成及透明带形成。中国汉族POF患者中发现该基因的2种缺失突变:G6fsX66和delN。二者通过半剂量效应和显性负效应导致POF的发生。②NOBOX基因:其产物是卵母细胞特异性的同源盒结构域的转录因子。NOBOX基因发生异常可导致Nobox/-雌鼠初级卵泡生成障碍。NOBOX同源盒结构域内突变RH具有显性负效应,与高加索人POF发病相关。近年来在高加索/非洲POF患者中又发现5种新发的杂合突变(6.2%),这些突变通过单倍剂量不足导致POF的发生。由于对日本人群和中国汉族人群的筛查未发现该基因的阳性突变,因此推测NOBOX不是亚洲POF人群的常见病因。③LHX8基因:其产物DNA结合蛋白作为转录调控因子在胚胎发育中起重要作用。高加索POF人群中未发现该基因变异。④NANOS3基因:其产物是一种RNA结合蛋白。通过对例中国汉族POF患者的筛查发现1例错义突变p.RW,该突变通过降低蛋白的稳定性从而影响原始生殖细胞数目。(2)卵母细胞或颗粒细胞分泌的转化生长因子:这些因子构成复杂的旁分泌网络,介导卵母细胞和周围体细胞的联系,促进初级卵泡向次级卵泡过渡,调控卵泡发育。①骨形态蛋白15(bonemorphogeneticproteins15,BMP15)基因,编码卵母细胞源性生长分化因子,通过调节颗粒细胞参与卵泡发育。自DiPasquale等首次报道意大利POF姐妹携带父源性BMP15杂合突变p.YC以来,多个国家相继发现多种杂合错义突变,发生率约为1.5%～15.0%;仅日本和新西兰POF人群的筛查可能因样本量较小而未发现致病突变。多数突变位于蛋白前区域的编码序列,由于基因单倍剂量不足影响成熟蛋白加工处理,导致其生物活性降低。BMP15是少数已证实的X-连锁POF致病基因之一。②生长分化因子9(growthdifferentiationfactor9,GDF9):与BMP15基因同源,该基因敲除后小鼠卵泡发育停滞在初级阶段。目前已在不同种族POF人群中发现杂合变异(p.K67E、p.VM、p.SY、p.PS和p.TA等),发生率约为1.4%,主要影响蛋白的前区域。
2.1.4后期卵泡发育卵泡发育后期,生长卵泡在促性腺激素及性激素作用下发育成熟,生殖内分泌相关基因突变可影响卵泡募集、生长及卵泡功能。(1)FSHβ,FSHR,LHβ,LHR,CYP17和CYP19等基因突变在散发POF中不常见,仅见于个别家系或种族的报道。(20类固醇生成因子-1(steroidogenicfactor-1,SF-1)基因:又称为NR5A1,继9年Louren?o等在家族性和散发型POF报道了多种杂合突变以来,已在不同种族共识别19种不同的基因变异,部分突变影响NR5A1的转录激活活性。(3)抑制素α(inhibinα,INHA)基因:抑制素α通过旁分泌或负调控FSH参与卵泡发生发育。有学者发现常染色体相互易位断裂点邻近INHA基因而首次提出与POF可能存在关联。既往对多个不同种族POFINHA基因筛查和单核苷酸多态的关联研究结果不尽相同。近年来一项Meta分析指出INHA变异携带者发生POF风险约为0.04%,INHA基因突变与部分人种POF的发生存在显著关联,强调抑制素在卵巢功能及生育力的重要作用。(40雌激素受体α(estro-genreceptorα,ESR1)基因:编码雌激素受体α,通过雌激素受体β促进卵泡发育,并与雌激素相互作用调控性腺激素释放。ESR1基因启动子区长胸腺嘧啶腺嘌呤(thymineadenine,TA)重复次数等位基因与加拿大POF人群存在相关性,但在韩国POF中未发现此关联。(5)孕激素受体膜蛋白1(proges?teronereceptormembrane 2.2综合征型POF候选基因突变对以POF为临床表型之一的遗传性综合征,如脆性X综合征,睑裂狭小、上睑下垂、倒转型内眦赘皮综合征,半乳糖-1-磷酸尿苷转移酶缺乏、碳水化合物缺乏糖蛋白综合征、脑白质发育不良、共济失调毛细血管扩张症等的研究,发现了新的候选基因FMR1、FOXL2、GALT、PMM2、EIF2B和ATM,但部分基因的致病机制及其与卵泡发育的关系尚不明确。FMR1和FOXL2是目前报道较多的POF致病基因。FMR1前突变(5’非翻译区CGG重复次数为55～次)患者中13%～26%发生POF;散发型POF患者中前突变发生率为0.8%～7.5%,而家族性POF患者前突变发生率高达13%。有研究发现,胞嘧啶鸟嘌呤鸟嘌呤(cytosineguaninegua?nine,CGG)重复次数与POF风险是非线性的,80～99次重复人群患POF风险较高,40～79次及超过次重复人群患POF风险降低。新近研究指出中间带或灰带携带者患POF风险增加,但尚未达成共识。但中国POF患者FMR1前突变频率仅有0.5%。FOXL2基因可调节颗粒细胞的增殖分化和类固醇生成,使foxl2-/-小鼠颗粒细胞分化异常,从而导致始基卵泡储备缺乏。目前已发现余种FOXL2基因突变,产生多聚丙氨酸区之前的截短蛋白突变与先天性睑裂狭小综合征(blepharophi?mosisptosisepicanthusinversussyndrome,BPES)Ⅰ型相关。多数不伴发BPES的POF人群FOXL2筛查无阳性发现,仅3例POF患者发现新发的多聚丙胺酸区30bp缺失及错义突变p.YN和p.GN。
2.3线粒体功能障碍与POF有研究发现随着女性年龄增长,卵子及颗粒细胞线粒体DNA(mito-chondriaDNA,mtDNA)突变率增加;POF患者外周血细胞mtDNA含量比同龄卵巢储备正常女性显著下降;卵母细胞mtDNA拷贝数低于卵巢功能正常女性,故认为mtDNA异常与卵子老化有关。线粒体功能障碍包括mtDNA缺陷、氧化磷酸化异常及能量代谢障碍、活性氧类物质产生与清除障碍等。线粒体作为主要能量来源,调控卵子内三磷酸腺苷(adenosinetriphosphate,ATP)水平,线粒体功能损伤不仅会影响氧自由基的产生及清除,也会对各级信号通路的第二信使如Ca2+产生影响,最终可影响卵子发育潜能、诱导卵子及颗粒细胞的损伤和凋亡,加速卵巢功能衰退。但是线粒体基因改变具有不稳定性和不可逆性,其基因突变在POF发生中的作用尚须进一步的研究及阐释。
3POF遗传机制研究技术新进展
3.1全基因组水平研究全基因组关联分析(ge?nomewideassociationstudy,GWAS)、拷贝数变异(copynumbervariants,CNVs)等组学技术为寻找新的POF易感位点或候选基因提供了高通量、高效率的的筛查手段。(1)全基因组连锁分析:8年荷兰首次对罕见POF大家系进行全基因组连锁分析,发现POF易感位点5q14.4-q15及相关基因DHFR、NR2F1、MEF2C、CCNH、SSBP2和CSPG2。Caburet等在一巴基斯坦近亲婚配POF家系中识别7号染色体上2个易感位点,但未发现可能的致病基因。(2)全基因组关联研究(GWAS):Kang等对韩国POF人群进行首次GWAS研究,发现相关位点7p14和候选基因PTHB1。
高加索POF人群的GWAS研究发现ADAMTS19基因与POF发生显著关联,但未能在独立的POF人群中得到证实。近年来陈子江等在中国汉族POF人群中发现新的易感区域8q22.3,是迄今样本量最大的POF人群的GWAS研究,该区域存在明显的组蛋白乙酰化,提示乙酰化修饰影响上下游基因的表达导致POF易感。此外,继年2个独立的GWAS研究发现19、20、6、5号染色体上4个单核苷酸的多态性(singlenucleotidepolymor?phisms,SNPs)位点与自然绝经年龄(ageatnaturalmenopause,AANM)或早绝经(earlymenopause,EM0相关,其中5、6、19号染色体上3个SNPs同样是POF的高风险因素后,一项候选基因关联分析研究发现HK3、ESR1和BRSK1基因的3个与AANM或EM相关的SNPs与POF亦存在显著关联。目前关于POFGWAS的研究报道存在样本量偏小、研究对象分类不明确的局限性,导致所发现的易感位点难以在独立样本或其他种族中验证。(3)微阵列-比较基因组杂交(aCGH):该技术能以高分辨率检测染色体亚显微重排,即拷贝数变异(CNV),借助基于芯片的比较基因组杂交技术，,通过寻找全基因组范围内的1kb以上的大片段缺失或重复,寻找与POF相关的拷贝数增加或减少。9年在99例法国POF患者中首次识别8个已知CNVs,发现5个与女性生殖相关的候选基因DNAH5、NAIP、DUSP22、NUPR1和AKT1。之后,通过联合X染色体“覆瓦式”阵列(tiling-path0芯片及SNP芯片等技术,英、美、德等多个国家相继发现与POF相关联的CNVs及可能的候选基因,但该结果仍需在另一独立群体中进行验证,并借助后续功能实验证实其与POF的相关性。目前CNV研究由于缺乏核心家系资源及后续功能实验,因此难以确定所发现的CNV位点的遗传性及致病性。
3.2全外显子组测序研究(wholeexomesequencing,WES)充分利用家系成员相似的遗传背景和家系内部对照,通过显性或隐性遗传方式,对家族性POF患者进行WES,先后发现了HSB17B4,LARS2等基因与Perrault综合征(神经性耳聋伴卵巢功能低下)相关;MCM8,MCM9等纯合突变在近亲婚配家系中导致POF发生。值得 目前借助WES所发现的家族性POF致病基因多是参与减数分裂或DNA损伤修复的重要调控因子。在卵泡发育早期(窦前卵泡之前),卵母细胞会长时间滞留于第一次减数分裂前期,对DNA损伤非常敏感,而此时的卵母细胞具有很强的转录活性,在转录过程若发生DNA损伤将直接影响卵母细胞的质量。尽管对其他减数分裂相关基因DMC1、SPO11、MSH4的测序研究没有发现POF致病突变,但是上述致病基因的发现为POF机制研究提供了新的方向,提示内源性DNA损伤修复基因异常可能导致卵母细胞修复功能受损,在外源性不良理化因素或环境刺激影响下,可导致卵泡耗竭、发生POF,这一通路中的其他基因值得 4POF致病基因特点
4.1POF致病基因筛选的目标已发现的POF相关基因近80个,但仅少数被证实存在致病突变且不同基因突变频率在不同人群中存在显著差异,例如FSHR(0～42%)、BMP15(0～10.5%)、NOBOX(0～6.2%)、FOXL2(0～2.9%)、TGFBR3(0～1.8%0)、CDKN1B(0～1.5%)和FOXO3A(1.3%～13.2%)等,这不仅反映了POF的高度遗传异质性,同时可能与主要 4.2泛表达基因已经成为POF研究的热点越来越多的泛表达基因成为POF候选基因。早期发现的致病基因多是卵子发生或颗粒细胞功能相关基因,如POF5(NOBOX)和POF6(FIGLA)基因均属卵子特异性表达基因;而近年来通过全外显子组测序发现的一系列泛表达基因,如HFM1,MCM8,MCM9等,使POF候选基因谱越来越丰富。泛表达基因异常导致卵巢衰竭,通常不伴有其他躯体异常,考虑与基因功能的组织特异性、或者不同信号通路的协同作用有关。
4.3组学技术在寻找新POF候选基因发挥重要作用由于基因与基因、蛋白与蛋白之间的互作方式多数尚不明确。因此,致病基因研究通常仅 综上所述,POF是一种多个不同微效基因变异和(或)与环境因素相互作用导致的复杂的、多因素、异质性疾病。对POF的发生机制及致病基因研究不仅有助于了解卵子发生发育、卵巢功能的分子基础,而且为临床高危人群的遗传咨询和生育指导提供理论参考,为女性生育力保护提供理论依据和药物靶点。目前POF候选基因的测序研究主要集中在外显子区域,但所发现的变异仅能解释少数患者的病因(10%),因此研究非编码RNA在POF发生中的作用将会是未来研究的新方向。
参考文献(略)
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