陳曉源，張晉雯，師秀艷

（1.沈陽醫(yī)學院基礎醫(yī)學院醫(yī)學檢驗技術專業(yè)2015級2班，遼寧 沈陽 110034；2.臨床醫(yī)學專業(yè)2014級1班；3.生物化學教研室）

H O XD 13基因突變及所致疾病

陳曉源1，張晉雯2，師秀艷3*

（1.沈陽醫(yī)學院基礎醫(yī)學院醫(yī)學檢驗技術專業(yè)2015級2班，遼寧 沈陽 110034；2.臨床醫(yī)學專業(yè)2014級1班；3.生物化學教研室）

HOX基因家族在脊椎動物的肢體發(fā)育中發(fā)揮巨大的作用。隸屬于HOXD基因群的HOXD13基因參與肢體最遠端（手和腳）的發(fā)育過程。HOXD13基因突變可以導致并多指（趾）畸形。隨著研究的深入，新的突變以及疾病類型不斷被發(fā)現(xiàn)，對HOXD13基因的結(jié)構與功能，以及HOXD13基因突變引起的疾病有了進一步認識。

HOXD13基因；基因突變；并多指（趾）畸形

HOXD13基因在早期胚胎肢芽與手指結(jié)構的發(fā)育中起關鍵作用，因此，HOXD13的突變是造成肢端畸形（如并指、短指等）的重要因素。普遍認為HOXD13基因突變可以導致并多指（趾）畸形（synpolydactyly，SPD）。隨著科學的發(fā)展與研究的深入，發(fā)現(xiàn)HOXD13基因的突變還可導致短指、V型并指等其他肢端畸形，其表達水平與調(diào)控作用也對先天性馬蹄內(nèi)翻足以及某些癌癥的預后有重要影響。本文將對HOXD13基因的突變以及突變引起的疾病的相關研究進展進行綜述。

1 H O XD 13基因簡介

HOX基因家族對胚胎形成與發(fā)育起重要作用。脊椎動物的基因組中包含39個HOX基因，根據(jù)排列分成4個基因簇（HOXA-HOXD）。HOXD13定位于2q31.1，位于HOXD 基因簇的5′端，含2個外顯子，全長1 365 bp，編碼區(qū)長1 008 bp。HOXD13編碼的蛋白產(chǎn)物在3′端是一個180 bp的同源盒功能域，在5′端則含2個聚絲氨酸鏈和1個聚丙氨酸鏈［1］。

2 H O XD 13基因突變所致疾病及相應的突變位點

2.1 SPD 并指（趾）癥（syndactyly）是一種顯性遺傳的先天手足畸形，但具有不完全外顯率和變異性表達。根據(jù) Temtamy與 McKusick［2］的命名，將其分為5種類型，SPD是Ⅱ型并指（趾）畸形。到目前為止，已知3種明確致病基因的SPD，分別被命名為 SPD1、SPD2 和SPD3［3］，由HOXD13基因突變導致的SPD1將在本文中詳細討論。

到目前為止，在以家族為單位以及散發(fā)的SPD患者中鑒定出的HOXD13基因突變包括多聚丙氨酸鏈長度改變、移碼突變及點突變。其中多聚丙氨酸鏈延展（polyalanine expansion，PAE）和單堿基的錯義突變占絕大多數(shù)。

2.1.1 PAE 1996年，Muragaki等［4］發(fā)現(xiàn)正常人類HOXD13蛋白N端的多聚丙氨酸鏈（polyalanine tract，Poly-A）有15個丙氨酸殘基，而在3個無關聯(lián)的美國SPD家庭患者中發(fā)現(xiàn)，他們的病癥與發(fā)生PAE突變的異常HOXD13有關，丙氨酸殘基分別擴增到了22、23和25個。HOXD13的PAE突變是第一個在人HOX基因家族中被發(fā)現(xiàn)的突變，并揭示了HOX蛋白N末端區(qū)域功能的重要性。

目前研究發(fā)現(xiàn)，在HOXD13中擴增≥7個丙氨酸殘基的PAE突變會導致具有典型臨床表現(xiàn)的SPD，擴增≤6個丙氨酸殘基則不會導致表型異常［5］。

SPD臨床表型的嚴重程度和外顯率已被證明隨著多聚丙氨酸鏈長度增加而增加。最合理的解釋是擴增的7個或更多的丙氨酸殘基致使HOXD13蛋白與另一個蛋白質(zhì)結(jié)合，并且隨著擴增規(guī)模的增大，結(jié)合的親和力增加。這種蛋白結(jié)合可能不僅會干擾剩余的野生型HOXD13蛋白的作用，也會干擾其他HOX蛋白［6］。

2.1.2 移碼突變 1998年，Goodman等［7］在2個無關的家庭中，在HOXD13基因第一個外顯子發(fā)現(xiàn)不同的堿基缺失突變，產(chǎn)生移碼突變，導致突變位點后讀碼框變化，出現(xiàn)新的長氨基酸鏈，并導致提前出現(xiàn)終止密碼，突變HOXD13蛋白缺少功能性同源盒結(jié)構域，無法與DNA結(jié)合，導致了SPD。在這2個家庭中所有的突變攜帶者在第一、第二跖骨間有一個未發(fā)育完全的額外的足趾，也經(jīng)常出現(xiàn)在第四、第五跖骨間。

Kan等［8］報告了一個三代家系中，在手部并沒有典型的SPD表型，但在足部顯示出的畸形，與Goodman等［7］此前針對兩個家系描述過的癥狀很相似。他們發(fā)現(xiàn)了該家系HOXD13基因上的移碼突變（758-2delA）導致這個非典型的SPD的發(fā)生。這些研究結(jié)果支持HOXD13基因單倍劑量不足導致的一個確切明顯的表型。

2.1.3 無義突變 以下兩個無義突變致病的案例與上面提到的基因單倍劑量不足致病的機制相同，由于突變蛋白缺乏（部分）同源結(jié)構域，因此將導致部分或完全不能與DNA結(jié)合。

在對一個擁有多種SPD表型變化的巴基斯坦家族的研究中發(fā)現(xiàn)，該家族SPD患者的HOXD13基因攜帶有無義突變 c.742C＞T（p.Q248X），癥狀嚴重的患者皆攜有純和的突變，而癥狀輕微的則表現(xiàn)為雜合。但有些未患病的個體也攜帶有雜合的該突變，顯示出了不完全外顯率［9］。

有一對近親結(jié)婚的父母的三女兒同時患有唇裂與SPD。研究發(fā)現(xiàn)她攜帶有純和的HOXD13無義突變 c.718C＞T（Q240X），其父攜帶有雜合的該突變。但是在可能導致唇裂的基因段并沒找到致病的突變［10］，此前也從未有SPD與唇裂相關聯(lián)的報告。

2.1.4 錯義突變 2002 年，Debeer等［11］報道了 1例雜合了2個家庭的HOXD13/HOXA13突變而導致的嚴重SPD病例，在患者的HOXD13同源盒中檢測到了錯義突變 c.892C＞T（R31W）。該 R31W突變被認為使同源結(jié)構域-DNA復合物不穩(wěn)定而致病。

Wang等［12］在一中國SPD患者家庭中檢測到錯義突變c.893G＞A（R31Q），與先前提到的Debeer等［11］報道的R31W導致SPD的丹麥家庭相比，臨床表型有很大的不同，顯示出雙側(cè)皮紋或雙側(cè)食指彎曲。

2009年，F(xiàn)antini等［13］確定了第 1例發(fā)生在HOXD13同源盒功能域之外的錯義突變G220V，受影響的家庭成員顯示出“經(jīng)典”SPD的變體形式例如第五指彎曲。該G220V突變并非通過顯性負效應機制發(fā)揮作用，而被證明是HOXD13基因單倍劑量不足導致的功能缺失突變。

2.1.5 染色體微缺失 2002 年，Goodman 等［14］發(fā)現(xiàn)一對被確診為SPD的父女在其HOXD基因簇的5′端有117 kb的染色體缺失。通過直接測序發(fā)現(xiàn)這個染色體微缺失移除了HOXD9-HOXD13及EVX2。該機制同樣可用HOXD13基因單倍劑量不足解釋。

2.2 短指（趾）-并指（趾）綜合征 位于染色體2q31區(qū)域的HOXD13基因發(fā)生PAE時會導致SPD的發(fā)生。而Zhao等［15］在一個有短指（趾）-并指（趾）綜合征的家族中發(fā)現(xiàn)其HOXD13基因發(fā)生了多聚丙氨酸鏈縮減（polyalanine tract contraction）。多聚丙氨酸鏈由正常的15個丙氨酸殘基縮短為8個。多聚丙氨酸鏈縮減致病的機制目前還未知。

2.3 V型并指 V型并指患者手部畸形特征表現(xiàn)為第4、5掌骨融合。在一個中國人Ⅴ型并指大家系中發(fā)現(xiàn)了HOXD13基因內(nèi)的一個錯義突變。在這個Ⅴ型并指家系中，所有患者存在HOXD13基因內(nèi)錯義突變 c.950A＞G（Q317R），該突變位于HOXD13蛋白的同源結(jié)構域內(nèi)［15］。

2.4 D型短指/E型短指 短指癥（Brachydactyly，BD）是由于指（趾）骨和掌（跖）骨短小、缺失或融合造成的手足先天畸形。Bell根據(jù)畸形發(fā)生部位和患者受累程度的不同分為A、B、C、D、E五類。D型（brachydactyly type D，BDD，MIM 113200）表現(xiàn)為拇指和大腳趾的遠節(jié)指骨短而寬，E型（brachydactyly type E，BDE，MIM 113300）主要表現(xiàn)為掌（跖骨）短小畸形，且家系內(nèi)和家系間患者的受累指（趾）數(shù)有較大差異，并可進一步分成3個亞型［16］。

在對一BDE家系的研究中發(fā)現(xiàn)，患者攜帶有HOXD13基因內(nèi)的一個無義突變c.820C＞T（p.R274X）［17］。

Johnson等［18］發(fā)現(xiàn)了2種位于HOXD13基因同源盒的錯義突變c.923 C ＞G（p.S308C）；c.940 A＞C（p.I314L），同源結(jié)構域47位的亮氨酸對DNA結(jié)合的影響不是簡單的功能喪失，而似乎是微妙的改變，引起了BDD和BDE。

2.5 先天性馬蹄內(nèi)翻足 先天性馬蹄內(nèi)翻足是一種常見的先天性足畸形，以后足馬蹄、內(nèi)翻、內(nèi)旋，前足內(nèi)收、內(nèi)翻、高弓為主要表現(xiàn)。

王莉莉［19］等應用延伸型傳遞不平衡試驗（ETDT）對84個先天性馬蹄內(nèi)翻足核心家系HOXD基因簇內(nèi)的4個多態(tài)位點進行分析，提示HOXD13基因有可能是先天性馬蹄內(nèi)翻足的易感基因。在對該84例先天性馬蹄內(nèi)翻足患者該基因編碼區(qū)的突變情況的檢測中，未發(fā)現(xiàn)HOXD13基因有突變，但表達有明顯下調(diào)。他們推測先天性馬蹄內(nèi)翻足患足肌肉的異常與高水平表達于骨骼肌和心肌組織中的FHL1基因變異有關，并用半定量RT-PCR方法檢測患足肌肉FHL1的表達，發(fā)現(xiàn)其表達下調(diào)。用軟件預測并驗證了HOXD13與FHL1基因啟動區(qū)的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點的結(jié)合作用。推測HOXD13表達下調(diào)會影響FHL1的表達水平，進而影響骨骼肌的發(fā)育而導致先天性馬蹄內(nèi)翻足［20］。

2.6 癌癥 1998年，Raza-Egilmez等［21］報道，在1例患急性髓細胞性白血病的患者體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了NUP98-HOXD13基因融合。HOXD13基因的甲基化在肝外膽管癌［22］與惡性黑色素瘤［23］的病例中均有報道。

另外，有研究發(fā)現(xiàn)，HOXD13表達水平較低的胰腺癌患者與HOXD13表達水平較高的患者相比，前者的預后較差，這一發(fā)現(xiàn)表明，HOXD13基因可能是胰腺癌的一個抑癌基因［24］。Zhong等［25］對散發(fā)性乳腺癌與HOXD13的研究也表明，HOXD13甲基化是散發(fā)性乳腺癌的常見現(xiàn)象，與散發(fā)性乳腺癌患者的低生存率有關，提示HOXD13甲基化是散發(fā)性乳腺癌的重要預后因素。

3 小結(jié)與展望

HOXD13基因的突變對早期胚胎的肢端異常發(fā)育有重要的影響。目前人們研究HOXD13基因突變對指（趾）畸形的影響主要為SPD，短指等其他指（趾）畸形與HOXD13突變的聯(lián)系也有一定數(shù)量的報道。HOXD13的表達水平與調(diào)控作用被發(fā)現(xiàn)是某些癌癥的重要預后因素。然而，還有很多未解之謎亟待探索，隨著未來更加深入的研究，人們對HOXD13基因與各類疾病之間的關系的認識必然會邁上新的臺階。

［1］ Brison N， Debeer P， Tylzanowski P.Joining the fingers： a HOXD13 Story［J］.Dev Dyn，2014，243（1）：37-48.

［2］Temtamy SA，Mckusick VA.The genetics of hand malformations［J］.Birth Defects Orig Artic Ser，1978，14 （3）：i-xviii，1-619.

［3］Malik S，Grzeschik KH.Synpolydactyly： clinical and molecular advances［J］.Clin Genet，2008，73（2）：113-120.

［4］ Muragaki Y，Munddlos S，Upton J， et al.Altered growth and branching patterns in synpolydactyly caused by mutation by HOXD13［J］.Science，1996，272（5261）：548-551.

［5］ Malik S， Girisha KM， Wajid M， et al.Synpolydactyly and HOXD13 polyalanine repeat：addition of 2 alanine residues is without clinical consequences［J］.BMC Med Genet， 2007，8：78.

［6］ Goodman FR，Mundlos S，Muragaki Y，et al.Synpolydactyly phenotypescorrelatewith sizeofexpansionsin HOXD13 polyalanine tract［J］.Proc Natl Acad Sci U S A， 1997， 94（14）：7458-7463.

［7］ Goodman F，Giovannucci-Uzielli ML，Hall C，et al.Deletions in HOXD13 segregate with an identical，novel foot malformation in two unrelated families［J］.Am J Hum Genet，1998，63 （4）：992-1000.

［8］ Kan SH，Johnson D，Giele H， et al.An acceptor splice site mutation in HOXD13 results in variable hand，but consistent foot malformations［J］.Am J Med Genet A，2003，121A （1）：69-74.

［9］ Kurban M，Wajid M，Petukhova L，et al.A nonsense mutation in the HOXD13 gene underlies synpolydactyly with incomplete penetrance［J］.J Hum Genet，2011，56（10）：701-706.

［10］Low KJ，Newbury-Ecob RA.Homozygous nonsense mutation in HOXD13 underliessynpolydactylywith acleft［J］.Clin Dysmorphol，2012，21（3）：141-143.

［11］ Debeer P， Bacchelli C， Scambler PJ， et al.Severe digital abnormalities in a patient heterozygous for both a novel missense mutation in HOXD13 and a polyalanine tract expansion in HOXA13［J］.J Med Genet，2002，39（11）：852-856.

［12］ Wang B，Xu B，Cheng Z，et al.A novel non-synonymous mutation in the homeodomain of HOXD13 causes synpolydactyly in a Chinese family［J］.Clin Chim Acta， 2012， 413 （13-14）：1049-1052.

［13］ Fantini S，Vaccari G，Brison N，et al.A G220V substitution within the N-terminal transcription regulating domain of HOXD13 causes a variant synpolydactyly phenotype［J］.Hum Mol Genet，2009，18（5）：847-860.

［14］ Goodman FR， Majewski F， Collins AL， et al.A 117-kb microdeletion removing HOXD9-HOXD13 and EVX2 causes synpolydactyly［J］.Am J Hum Genet，2002，70 （2）：547-555.

［15］Zhao X，Sun M，Zhao J，et al.Mutations in HOXD13 underlie syndactyly type V and a novel brachydactyly syndactyly syndrome［J］.Am J Hum Genet，2007，80（2）：361-371.

［16］虢毅，梁卉，鄧昊.短指/趾的分子遺傳學研究進展［J］.遺傳，2012，34（12）：1522-1528.

［17］ Jamsheer A， Sowińska S， Kaczmarek L， et al.Isolated brachydactyly type E caused by a HOXD13 nonsense mutation：a case report［J］.BMC Med Genet， 2012， 13： 4.

［18］Johnson D， Kan S， Oldridge M， et al.Missense mutations in the homeodomain of HOXD13 are associated with brachydactyly types D and E［J］.Am J Hum Genet， 2003， 72 （4）：984-997.

［19］王莉莉，富偉能，李增剛，等.HOXD13、FHL1和先天性馬蹄內(nèi)翻足的相關研究［J］.遺傳，2008，30（1）：46-50.

［20］王莉莉，辛娜，孫開來.FHL1基因表達與先天性馬蹄內(nèi)翻足：15例患者及3名正常人的對比分析［J］.中國組織工程研究與臨床康復，2010，14（7）：1315-1318.

［21］ Raza-Egilmez SZ， Jani-Sait SN， Grossi M，et al.NUP98-HOXD13 gene fusion in therapy-related acute myelogenous leukemia［J］.Cancer Res，1998，58（19）：4269-4273.

［22］ Shu Y，Wang B，Wang J，et al.Identification of methylation profile of HOX genes in extrahepatic cholangiocarcinoma［J］.World J Gastroenterol，2011，17（29）：3407-3419.

［23］ Furuta J，Nobeyama Y， Umebayashi Y，et al.Silencing of Peroxiredoxin 2 and aberrant methylation of 33 CpG islands in putative promoter regions in human malignant melanomas［J］.Cancer Res，2006，66（12）： 6080-6086.

［24］ Cantile M，F(xiàn)ranco R，Tschan A，et al.HOXD13 expression across 79 tumor tissue types［J］.Int J Cancer， 2009， 125（7）： 1532-1541.

［25］Zhong Z，Shan M，Wang J，et al.HOXD13 methylation status is a prognostic indicator in breast cancer［J］.Int J Clin Exp Pathol， 2014，8（9）：10716-10724.

Mutations ofHOXD13 Gene and Its Related Diseases

CHEN Xiaoyuan1，ZHANG Jinwen2，SHI Xiuyan3*
（1.Class 2，Grade 2015，Shenyang Medical College，Shenyang 110034，China；2.Class 1，Grade 2014；3.Department of Biochemistry）

The HOX genes take an important role in limbs formation of vertebrate.HOXD13，which belongs to HOXD cluster，orchestrates the development of the most distal part of the limb （hands and feet） .Mutations of HOXD13 are associated with synpolydactyly.With accumulating evidence from both clinical and preclinical studies，new mutations and phenotypes of HOXD13 are found constantly.Our understanding of HOXD13 gene-associated phenotypes and diseases caused by mutations of HOXD13 gene have been significantly improved.

HOXD13；mutation；synpolydactyly

R596.1

A

1008-2344（2017）04-0371-04

10.16753/j.cnki.1008-2344.2017.04.023

遼寧省自然科學基金項目（No.2015020389）

師秀艷（1972—），女（漢），副教授，研究方向：遺傳病致病基因突變分析.E-mail：xiuyanshi@symc.edu.cn

2016-09-14

（文敏編輯）