吴南/仉建国/吴志宏揭示与脊柱发育相关的先天性椎体畸形的遗传结构

吴南/仉建国/吴志宏揭示与脊柱发育相关的先天性椎体畸形的遗传结构

先天性椎体畸形的发生率为0.13~0.50/1,000活产，具有巨大的位点异质性和复杂的遗传结构。2024年2月6日，中国医学科学院/北京协和医学院吴南、仉建国及吴志宏共同通讯在Nature Communications 发表题为“Unraveling the genetic architecture of congenital vertebral malformation with reference to the developing spine”的研究论文，本研究分析了873名先天性椎体畸形先证者和3794名对照个体的外显子组/基因组测序数据。临床解读确定了12.0%先证者的孟德尔病因，并揭示了与肌肉相关的疾病机制。

超罕见变异体的基因负荷检验可识别具有较大效应量的风险基因（ITPR2、TBX6、TPO、H6PD 和 SEC24B）。为了进一步研究遗传关联信号的生物学相关性，在人胚胎脊柱上进行了单核RNAseq。负荷测试信号在早期发育阶段的脊索和晚期的成肌细胞/肌细胞中富集，突出了它们在脊柱发育中的关键作用。该研究工作为人类脊柱的发育生物学和脊柱畸形的发病机制提供了见解。

先天性椎体畸形（CVM）是指脊柱形态或分割异常，可导致进行性脊柱畸形和心肺功能障碍。CVM的发病率约为0.13 ~ 0.50 / 1,000例活产，由于许多人无症状，这一发病率可能被低估。CVM可能作为一种孤立的表型出现，与多系统异常相关，或在染色体/孟德尔疾病的表型谱内。除了经典的孟德尔遗传外，研究还报道了半椎骨患者中TBX6无效等位基因和风险单倍型（T-C-A，rs2289292-rs3809624-rs3809627）的复合遗传。有趣的是，风险T-C-A单倍型在人群中的频率约为25%，这表明CVM具有复杂的遗传结构，其中易感的遗传变异可能包括从致病性突变到常见的低形等位基因。
 
CVM 的生物学机制也极具异质性，据报道有 400 多个致病基因 （hpo.jax.org/app/browse/term/HP:0003468）。CVM相关基因参与骨骼系统的各种发育和稳态过程。例如，TBX6在体细胞发生过程中介导分段时钟，从而产生椎骨和骨骼肌；SOX9和RUNX2是调控软骨和纤维结缔组织分化的关键转录因子；NOTCH2对于基本的细胞过程是必不可少的，并且在突变时导致严重的发育缺陷。明确每个患者的特定分子和病理过程将促进CVM的精准分类和临床管理。相反，将所有CVM相关基因映射到脊柱发育过程的分子网络中，可以揭示胚胎发生的复杂过程。
 
为了系统地研究CVM的遗传结构和生物学基础，研究汇总了873例CVM患者和3794例对照个体的外显子组测序（ES）或基因组测序（GS）数据。研究首先进行了临床解释，以研究 CVM 背后的孟德尔遗传易感性，并进一步使用alpk3a/b双敲除(DKO)斑马鱼模型和Alpk3 – / -小鼠模型研究了与肌肉相关的CV。对于未确诊的病例，研究对超罕见变异（URV）进行了基于基因的负荷测试。研究进一步对人类胎儿发育中的脊柱进行了单核RNA-seq（snRNA-seq），并将表达数据与遗传信号相结合，以深入了解CVM相关基因的生物学相关性。
 
该研究展示了肌肉相关机制在CVM发病机制中的重要作用。研究报告了CVM的超罕见变异（URV）的遗传关联信号。研究还证明，胚胎发育早期阶段的脊索和胚胎发育后期的成肌细胞/肌细胞富集了CVM相关基因的表达。总体而言，该研究通过基于队列的外显子组/基因组测序分析，描绘了CVM的遗传基础，从孟德尔易感性到罕见变异结构。通过将遗传信号与人类胚胎的snRNA-seq相结合，研究揭示了发育脊柱的关键发育阶段和细胞类型。