辽宁省计划生育科学研究院 国家卫生计生委生殖健康与遗传医学重点实验室 辽宁沈阳 110031
胶原是细胞外基质（ECM）的主要成分，是人体内最丰富的蛋白质，维持着组织和器官的完整结构，并与人体早期发育、器官形成、细胞间的连接、细胞趋化、血小板凝集以及膜的通透性等功能密切相关。胶原蛋白家族包括 19种胶原蛋白及 10种以上胶原样蛋白，由至少30种不同的基因编码[1]。其中Ⅰ型胶原在人体胶原中含量最丰富，存在于多种结缔组织中。随着分子生物学技术的发展，研究者已对I型胶原基因及其突变与疾病的关系进行了深入的研究。本文将就Ⅰ型胶原基因的研究进展作一综述。
1 Ⅰ型胶原
Ⅰ型胶原是人体中最丰富且表达最广泛的蛋白质。它是皮肤、骨、肌腱、韧带、血管、牙质和许多间质组织的主要组成成分[2]。Ⅰ型胶原是由两条α1链及一条α2 链组成的三股螺旋结构。每条α链都含有约1000个氨基酸[3]，由338个重复的Gly-X-Y序列组成。甘氨酸（Gly）占氨基酸总数的1/3，它的固定位置保证了三股螺旋结构的正确折叠。X、Y代表甘氨酸以外的其他氨基酸，其中X多为脯氨酸，Y多为羟脯氨酸[1]。Ⅰ型胶原的主要功能是作为组织支持物，赋与组织以张力，同时Ⅰ型胶原与细胞的生长、分化、增生、组织损伤的修复以及炎症反应、硬化、纤维化等均密切相关。
2 Ⅰ型胶原基因
2.1 Ⅰ型胶原基因结构
Ⅰ型胶原的α1链和α2链分别由两个不相连的基因编码，即COL1A1和COL1A2，分别位于17q21.3-q22和7q21.3-q22。COL1A1基因大小约18kb，含有 51个外显子。COL1A2基因大小约38kb，含有 52个外显子。这些基因的最显著的特征是编码胶原链三股螺旋部分的外显子大部分长54bp。外显子长度是编码一个Gly-X-Y三联体的9bp的倍数，以完整的甘氨酸密码起始，以完整的Y位置的密码终止。这种结构特点使得即使发生外显子跳跃突变仍可维持Gly-X-Y的重复结构[1]。
高春芳等对COL1A1和COL1A2基因上游几千个bp的调控序列进行的深入研究表明，Ⅰ型胶原基因上游存在多种不同的正性或负性调控序列。COL1A1基因上游的正性调控元件可能存在于-2483～-829bp、-829～-496bp、-268～-105bp，负性调控元件可能存在于-496～-268bp[4]。COL1A2基因的正性调控元件可能存在于-2292～-1476bp[5]。Bornstein、Mckay和Rossouw等发现除上游调控序列外，在Ⅰ型胶原基因的第一内含子中含有Sp1、Ap1和Ap2转录因子的识别序列，也具有转录调控作用[6-8]。
2.2 Ⅰ型胶原基因突变
目前发现COL1A1和COL1A2基因可以发生1000多种突变。最常见的突变类型是单个碱基取代，最常发生的是甘氨酸的密码被其他氨基酸的密码如丙氨酸、精氨酸、天冬氨酸、半胱氨酸、谷氨酸等所取代，而甘氨酸是三股螺旋中每条α链上的最基本的氨基酸，甘氨酸的取代会影响胶原三股螺旋的正常折叠，从而导致疾病的发生。除取代单个碱基外，其它突变还包括插入、缺失、DNA剪接错误引起外显子跳跃及COL1A1无效等位基因的出现。由于Ⅰ型胶原分子有2条α1链和1条α2链，因此发生在α2链COL1A2的突变要比发生在α1链COL1A1相类似突变的后果温和。α链上甘氨酸被替代的位置以及其它突变发生的位置在很大程度上决定着突变的后果。由于三股螺旋结构的形成是从C端朝向N端，因此在多数情况下靠近三股螺旋片段C端的突变，比发生在N端附近的突变更为严重[9]。如果由于缺陷链的存在影响了三股螺旋的折叠，那么未折叠的分子将在纤维母细胞内发生堆积，然后被降解。如果缺陷的α链已经形成了三股螺旋，螺旋中缺陷的分子可以扭曲，进而妨碍正常胶原纤维的形成，影响纤维的形态。
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3 Ⅰ型胶原基因突变与疾病
大多数Ⅰ型胶原基因突变可导致先天性成骨不全（osteogenesis imperfecta，OI），又称骨脆病（Ostegsathrosis），杜朗特病（Durante’s desease），洛布斯坦病（综合征）（Lobstein’sdisease/syndrom），为常染色体显性或常染色体隐性遗传的结缔组织病。表现为骨脆弱和骨畸形、蓝色巩膜、耳聋、牙齿发育不良、身材矮小。OI可分为7个不同的类型，其中常见的是Ⅰ～Ⅳ型，Ⅴ～Ⅶ型的病因不明[10]。Ⅰ型是最轻的，以常染色体显性方式遗传，主要是由于COL1A1基因突变出现无效等位基因导致前α1链表达减少而产生的[11-15]。Ⅱ ～Ⅳ型逐渐加重，大多数为新的显性突变方式引起，主要是由单个碱基取代引起的。单个碱基取代使编码三股螺旋中的一个必需的甘氨酸的密码转变成编码一个带有大侧链的氨基酸的密码，破坏了三股螺旋的形成。
Ehlers Dahlos综合征（EDS）是Ⅰ型胶原基因突变和（或）胶原合成酶活性缺陷导致的疾病，临床分10个亚型。其特征是关节伸展过度，皮肤变薄、脆弱、弹性差，并有其他结缔组织受损的表现，可出现不同部位的憩室或腹股沟疝等。Steinmann等[16]发现EDSⅦA和ⅦB型由COL1A1（ⅦA型）或COL1A2（ⅦB型）突变引起，是由于Ⅰ型前胶原分子中前α1或前α2 mRNA在加工过程中外显子6或外显子6的一部分出现跳跃导致的。外显子6的突变能阻止N端前多肽的断裂，使Ⅰ型胶原丧失正常结构，出现一系列临床症状。与COL1A1相比，外显子6跳跃突变更常出现于COL1A2中。
Marfan综合征以指（跖）细长、晶体脱位和心血管系统异常（以主动脉病变最多见，严重时可出现夹层动脉瘤）为其主要特征。Charlotte Phillips等报道在一个Marfan综合征患者中发现COL1A2存在单个碱基取代（CGG->CAG），导致α2链 618位氨基酸位置上的精氨酸替换成了谷氨酸。
骨质疏松症（Osteoporosis）是骨生成缺陷的一种类型。骨生成缺陷的临床分型变异很大，有的在出生前后发生死亡，有的患者临床表现则极其轻微。因此，在临床上很难将骨生成缺陷患者从有骨质疏松症和骨折史的家族中筛选出来。目前已发现2种COL1A1基因突变和2种COL1A2基因突变与骨质疏松症有关。
综上所述，Ⅰ型胶原具有维持组织器官结构完整的功能，并与细胞的生长、分化、增生、组织损伤的修复以及炎症反应、硬化、纤维化等密切相关。Ⅰ型胶原基因从本身结构到转录、剪接、翻译、翻译后修饰等各个环节上若发生异常，均可导致相关疾病的发生和发展。目前，得益于分子生物学技术的发展，不断发现新的Ⅰ型胶原基因突变，进一步揭示了Ⅰ型胶原基因的功能，推动了相关疾病的发病机制的探索，也为一些疾病在基因水平上进行诊断和治疗提供了可能。相信随着技术手段的不断进步及研究工作的进一步深入，Ⅰ型胶原基因突变在相关疾病发病及治疗中的作用意义将不断深化.
参考文献：
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论文作者:赵宁
论文发表刊物:《健康世界》2015年11期供稿
论文发表时间:2016/2/2
标签：胶原论文; 基因论文; 突变论文; 甘氨酸论文; 螺旋论文; 碱基论文; 氨基酸论文; 《健康世界》2015年11期供稿论文;