青少年特发性脊柱侧凸发病机制的多组学整合研究

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a kind of polygenic disease with complicated etiology. Previous etiological study has revealed the pathogenesis of AIS in gene sequences, RNA transcription and regulation, protein expression, and metabolic abnormalities. However, seldom research has been able to suggest a complete pathogenesis of AIS. The results of the previous work in our group proposed that abnormal lipid metabolism may play an important role in the pathogenesis of AIS. Based on previous research and a large number of literature review, we assumed a hypothesis about the mechanism of AIS, that is "abnormal gene expression / RNA regulation➡lipid metabolism abnormalities➡abnormal osteogenic differentiation / osteoblast dysfunction➡idiopathic scoliosis". Our research is to find differential expression protein and metabolic abnormalities by the proteomics of bone marrow mesenchymal stem cells and paraspinal muscles combined with metabolomic analysis of serum and urine. The new research method of "muti-omics analysis" and the results of previous genomic studies were used to explore the pathogenesis of AIS and verify our hypothesis. Finally, we used cytology experiments to confirm the pathogenesis and create the basis of the early diagnosis and treatment of AIS.

青少年特发性脊柱侧凸(Adolescent Idiopathic Scoliosis，AIS)是一种病因复杂的多基因遗传性疾病。既往病因学已发现AIS在基因序列、RNA转录与调控、蛋白表达、代谢异常等可疑致病机制，但未对AIS发病的完整致病通路进行证实。本课题组前期工作提示脂质代谢异常在AIS的发病过程中可能起到重要作用，结合大量文献复习，我们提出“基因表达异常／RNA调控异常➡脂质代谢异常➡成骨分化异常／成骨细胞功能异常➡特发性脊柱侧凸”这一致病机制假说。研究拟对患者骨髓间充质干细胞、椎旁肌进行蛋白质组学分析，对血清、尿液进行代谢组学分析，寻找蛋白异常、代谢异常，与本课题组完成的基因层面等病因学研究成果进行结合和补充，利用“多组学整合分析”这一全新研究方法寻找AIS的发病机制，验证我们提出的假说。并最终采用细胞学实验对我们提出的发病机制进行验证，为未来AIS的早期诊断和治疗创造基础。

背景：青少年特发性脊柱侧凸（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）是一种常见的三维脊柱畸形，AIS发病与基因变异、细胞及机体代谢、蛋白表达及脊柱生物力学特性等诸多因素有关，进一步从多组学整合分析的角度去深入探索AIS的病因学及发病机制尤为重要。.方法：收集北京协和医院骨科收治的AIS患者临床数据，所有患者均完成基本信息的调查采集，收集外周血标本、尿标本、实验室化验检查、影像学资料，并进行手术中椎旁肌标本的采集与保存。研究中运用全外显子测序、蛋白组学及代谢组学技术筛选对照组和实验组的差异表达蛋白和代谢产物，并与前期研究基础进行充分的比对、分析，以探索与AIS发生发展相关的基因、可预测疾病预后的代谢产物及潜在发病机制。.结果与科学意义：在临床数据方面，本团队着重分析了PUMC IIb1型AIS患者选择性胸弯融合术后即刻、术后随访时双肩平衡的情况，研究发现胸弯的矫正度、胸腰弯/腰弯协调性是术后即刻患者双肩平衡的影响因素，AIS患者上胸弯的过度代偿则是双肩平衡改善的不利因素。课题组对AIS的发病机制从基因组学和表观遗传学层面进行了深入的研究，从全外显子测序结果中发现ESR2基因上的错义突变位点很可能通过影响下游靶基因参与AIS的发病过程。在对一名AIS患者及其无症状同卵双胞胎进行全外显子测序及全基因组测序时，鉴定出313个高甲基化差异区和397个低甲基化差异区，并多与MAPK和PI3K-Akt通路相关联。另外，课题组选取14个在双胞胎样本中存在高度甲基化差异且与脊柱侧凸相关的基因在20例AIS女性患者及正常对照中对进行验证，发现NDN:TSS-DMR(chr15:23932133-23932304,hg19)在AIS患者中有着更高的甲基化水平。此外，我们证实PTK7亚型变体与AIS发病相关。结合本课题组前期研究成果，我们比对分析了研究得出的差异表达基因、mRNAs、血清代谢产物的检测结果，从不同维度归纳了与AIS发病机制密切相关的分子。此外，在本项课题的资助下，团队对AIS与先天性脊柱侧凸的发病机制进行了充分的比对分析，深入探究AIS与先天性脊柱侧凸病因学等方面的异同，为阐明AIS的遗传学病因提供了新的理论基础。

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