先天性心臟病分子遺傳學(xué)研究進(jìn)展

陳 雪，閆有圣，郝勝菊

(甘肅省婦幼保健院醫(yī)學(xué)遺傳中心，蘭州 730050)

先天性心臟病(congenital heart disease，CHD)由胎兒胚胎時(shí)期心血管系統(tǒng)發(fā)育畸形導(dǎo)致的先天心臟血管結(jié)構(gòu)和功能的異常，是人類最常見的出生缺陷性疾病之一，約占1/3，也是圍生期患兒死亡的主要原因之一，其中新生兒的發(fā)病率為0. 8% ～1%［1］。目前CHD 的發(fā)病機(jī)制尚不能完全闡明，國(guó)內(nèi)外大部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)主要是由遺傳、環(huán)境因素單獨(dú)或相互作用所致，其中兩者相互作用占75% ～90%，關(guān)于CHD 高發(fā)家系的研究亦證實(shí)了此觀點(diǎn)［2］。近年來隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和分子遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)手段的提高，關(guān)于CHD 的病因研究發(fā)現(xiàn)遺傳因素的作用逐漸凸顯，受到廣泛關(guān)注。本文對(duì)近年來CHD 的分子遺傳學(xué)研究進(jìn)展進(jìn)行整理和分析，現(xiàn)分述如下。

1 染色體異常與CHD

CHD 中染色體異常約占4% ～5%，染色體病中約50 種伴心血管異常，根據(jù)不同的發(fā)病機(jī)理，染色體異常進(jìn)一步分為染色體數(shù)目缺陷(非整倍體)和染色體結(jié)構(gòu)異常(重排)。臨床多數(shù)綜合征中染色體異常是其最常見的病因，如貓叫(5P-)綜合征、Patau(13-三體)綜合征、Edward(18-三體)綜合征、Down(21-三體)綜合征、22q11 微缺失綜合征(22q11 deletion syndrome，22q11DS)等，多伴有CHD。研究顯示，30%的染色體異?？砂橛行呐K畸形［3］，20%的先心病是以并發(fā)其他出生缺陷的形式出現(xiàn)［4］。

Down 綜合征即21-三體綜合征，又稱先天愚型，是小兒染色體病中最常見的一種疾病，我國(guó)活嬰發(fā)病率1/600 ～800，占受孕人數(shù)1/150［5］，主要特征表現(xiàn)為嚴(yán)重智力低下，特殊面部和身體畸形。研究發(fā)現(xiàn)40% ～50%的Down 綜合征患者并發(fā)先天性血管畸形，包括主動(dòng)脈縮窄、大動(dòng)脈轉(zhuǎn)位、左心室發(fā)育不良、房間隔缺損、室間隔缺損、房室間隔缺損及法洛四聯(lián)癥等［6］。Edward 綜合征，是第2 大常見染色體三體征，活嬰發(fā)病率為1/4 000，幾乎所有的Edward綜合征都合并心臟畸形，常見動(dòng)脈導(dǎo)管未閉及室間隔缺損，房間隔缺損少見，亦可見右位心、房室間隔缺損、主動(dòng)脈縮窄、右位主動(dòng)脈弓等［7］。Patau 綜合征的發(fā)病率極低，活嬰發(fā)病率約0.049/1 000，但出現(xiàn)的多發(fā)性先天畸形比21-三體綜合癥嚴(yán)重，出生后6 個(gè)月內(nèi)死亡率達(dá)90%，極少數(shù)能活到成年，多死于心肺并發(fā)癥［8］，90% 患兒患有心血管畸形，主要為房間隔缺損、室間隔缺損、動(dòng)脈導(dǎo)管未閉等，臨床表現(xiàn)多樣，可累及全身多個(gè)器官。貓叫綜合征，是5 號(hào)染色體丟失一個(gè)片段所致，臨床表現(xiàn)為出生時(shí)體質(zhì)量輕，頭小、圓臉、眼距過寬等特殊面容，伴貓叫樣哭聲，智力障礙，約50%合并心血管畸形，主要為室間隔缺損、動(dòng)脈導(dǎo)管未閉等。22q11 微缺失綜合征是22 號(hào)染色體的q11.21-q11.23 區(qū)域發(fā)生微缺失而引起一系列臨床癥狀(CATCH22)，活嬰發(fā)病率為1/4 000，是以心血管異常、面容異常、腭裂、胸腺發(fā)育不良和低鈣血癥為臨床特征的一類遺傳性疾病，包括腭-心-面綜合征、DiGeorge 綜合征、椎干異常面容綜合征，三者可分別或聯(lián)合出現(xiàn)，臨床常出現(xiàn)法洛四聯(lián)癥、動(dòng)脈導(dǎo)管未閉、主動(dòng)脈弓離斷、永存動(dòng)脈干、肺動(dòng)脈瓣狹窄及室間隔缺損。在CATCH22一系列癥狀中各類心臟畸形的發(fā)生率并不相同，其中主動(dòng)脈弓離斷占50%、永存動(dòng)脈干占35%、法洛氏四聯(lián)癥僅占15%［3］。

2 單基因遺傳缺陷與CHD

單基因遺傳缺陷引起的畸形依據(jù)遺傳形式可分為性染色體隱性、顯性遺傳和常染色體隱性、顯性遺傳4 類。單基因改變所致的遺傳缺陷發(fā)生率僅為1/2 000，大約120 種單基因病可以并發(fā)心血管系統(tǒng)畸形。引起心臟發(fā)育異常的單基因多發(fā)生在對(duì)胎兒各系統(tǒng)發(fā)育有較大影響的基因上，因此患兒常表現(xiàn)為一系列綜合征而不是單純存在的心臟疾病。

Holt-Oram 綜合征(Holt-Oram syndrome，HOS)是一種先天心臟畸形合并上肢畸形的常染色體顯性遺傳病，1960 年，首先由Holt 和Oram 發(fā)現(xiàn)并系統(tǒng)描述，主要表現(xiàn)為先天性上肢骨骼畸形和先天性心臟缺損，包括橈骨缺失或發(fā)育不全，肩胛骨發(fā)育不良等，100%合并心血管畸形，以房間隔缺損和室間隔缺損多見，進(jìn)行性房室傳導(dǎo)阻滯和心房纖顫時(shí)有發(fā)生，可同時(shí)有多種簡(jiǎn)單畸形并存，亦可伴大血管錯(cuò)位等復(fù)雜畸形。對(duì)患病家系進(jìn)行遺傳學(xué)連鎖分析和定位克?。?］，發(fā)現(xiàn)HOS 是由Tbx5 轉(zhuǎn)錄因子基因的單突變所引起，該基因突變發(fā)生在T-box5'端，CHD 臨床表現(xiàn)嚴(yán)重;突變發(fā)生在T-box3'端，上肢畸形更嚴(yán)重。馬凡氏綜合征(Marfan＇s syndrome)，是常染色體顯性遺傳病，個(gè)別呈常染色體隱性病，發(fā)病率約1 ～2/20 000，具有高度外顯率，屬先天性遺傳性結(jié)締組織疾病。臨床表現(xiàn)為四肢、手指、腳趾細(xì)長(zhǎng)不勻稱，身高明顯超出常人，約80%患者合并先天性心血管畸形，常見心臟瓣膜異常和進(jìn)行性的主動(dòng)脈根部擴(kuò)張、動(dòng)脈瘤形成等，當(dāng)動(dòng)脈瘤破裂時(shí)，可導(dǎo)致患者猝死［10］。研究發(fā)現(xiàn)該病是由于15q21.1 位點(diǎn)的微纖維基因突變導(dǎo)致原纖維質(zhì)或量改變［11］。先天性侏儒癡呆綜合征(congenital dwarfism dementia syndrome)是常見的單基因常染色體顯性遺傳病，染色體組型正常。臨床表現(xiàn)類似于Turner 綜合征，為骨骼異常、特殊面容、身材矮小、智力發(fā)育遲緩、生長(zhǎng)激素可正?；虿糠秩比纭⒛行陨称鞣只蝗蛲耆比?，女性性腺發(fā)育不良或正常發(fā)育，并伴CHD［12］，以右心系統(tǒng)異常為主，肺動(dòng)脈瓣狹窄最為常見，可合并肥厚型心肌病或房室管畸形。本病發(fā)病機(jī)制尚不明確，有研究表明此病與MEK1、BRAF、PTPN11、RAF1、SOS1 和SHOC2 基因突變相關(guān)，并且認(rèn)為PTPN11 基因可能為主要的致病基因［13］。Alagille 綜合征又稱先天性肝內(nèi)膽管發(fā)育不良癥，為常染色體顯性遺傳病，有家族發(fā)病傾向，男女均可發(fā)病，以出生3 個(gè)月內(nèi)發(fā)生輕度黃疸，肝內(nèi)膽汁淤積為主要特征。有典型的面部特征，前額突出，眼與鼻距離大，下頦小而尖;智力發(fā)育障礙。90% ～97%此病患者合并心血管畸形，其中外周肺動(dòng)脈狹窄最常見，亦可有主動(dòng)脈縮窄、法洛四聯(lián)癥等［14］。Ellis-Van Creveld 綜合征，又稱為軟骨外胚層發(fā)育不良癥，是由于EVC 基因位于第4 號(hào)染色體的短臂上而引起的一種常染色體隱性遺傳疾?。?5］。臨床常見指甲營(yíng)養(yǎng)失調(diào)與發(fā)育不良，軸后多指癥，心血管畸形表現(xiàn)為心房中隔缺損，產(chǎn)前牙齒萌發(fā)，部分兔唇，腕關(guān)節(jié)骨骼的畸形等。軟骨發(fā)育不良的表現(xiàn)多為四肢遠(yuǎn)端短小，與近端及軀干不成比例，成人身高約106 ～153 cm。幾乎所有病例均有多指并趾畸形，嬰幼兒期易死于感染、呼吸及循環(huán)衰竭，合并先心病者預(yù)后更差，常死于心力衰竭。

3 多基因遺傳缺陷與CHD

60 年代末，美國(guó)心血管遺傳學(xué)家Nora 提出了心血管的多基因遺傳學(xué)說，認(rèn)為多基因遺傳缺陷通常與環(huán)境因素共同作用，即在多基因遺傳的基礎(chǔ)上，環(huán)境致畸因素作用下引起CHD，有明顯的家族遺傳性，多表現(xiàn)為心血管畸形而不伴有其他系統(tǒng)畸形，約占全部CHD 的90%。法洛四聯(lián)癥:人群中發(fā)病率約0.1%，是1 歲后最常見的青紫型CHD，有多種遺傳方式，大多數(shù)是由遺傳和環(huán)境因素相互共同作用引起的多基因遺傳。此病具有家族聚集性，患者子女患病風(fēng)險(xiǎn)可達(dá)3% ～4. 2%，近親為2. 5% ～3%［16］。主動(dòng)脈狹窄:本病的人群發(fā)病率約0.05%，占CHD 的5%，男性多見，主動(dòng)脈狹窄的部位不同其有不同的遺傳方式，單純主動(dòng)脈瓣狹窄呈多基因遺傳，特發(fā)性肥厚性主動(dòng)脈瓣下狹窄和主動(dòng)脈瓣上狹窄屬常染色體顯性遺傳。房間隔缺損:病發(fā)率約0.1%，女性易患，大量研究表明本病大多數(shù)由遺傳-環(huán)境因素相互作用引起。房間隔缺損患兒同胞重現(xiàn)率約2.5%，Nora 等［17］人的研究發(fā)現(xiàn)對(duì)100 個(gè)房缺患者進(jìn)行家系調(diào)查，其中陽(yáng)性家族史占32%，認(rèn)為是多基因遺傳。室間隔缺損:為最常見的CHD，可單獨(dú)存在，亦可合并其他畸形，單獨(dú)發(fā)病率約0.25%，單純室間隔缺損多呈多基因遺傳。若父母一方或同胞中有室間隔缺損，同胞重現(xiàn)率約3%，在岳鳳珍等［18］人的關(guān)于CHD 高發(fā)家系的研究，得出此病遺傳方式既不符合常染色體顯性和隱性遺傳，也不同于性連鎖遺傳，并加權(quán)室間隔缺損的平均遺傳率為148.07% ±7.055%，提示其遺傳方式是一個(gè)顯性主基因參與的多基因遺傳。動(dòng)脈導(dǎo)管未閉:發(fā)病率約0.125%，多見與女性，男女比例為1∶ 2 ～3。單純動(dòng)脈導(dǎo)管未閉為多基因遺傳，遺傳率為66% ～70%。妊娠前三個(gè)月風(fēng)疹病毒感染或生活在高原易發(fā)生此病，在同胞及子代的重現(xiàn)率和傳遞率分別為2.5%、3.7%［19］。肺動(dòng)脈狹窄:人群發(fā)病率約0.1%，男女發(fā)病無明顯差別，呈多基因遺傳方式，遺傳率為50%。本病在同胞及子代的重現(xiàn)率和傳遞率分別為2.7%、3.6%［19］。

4 轉(zhuǎn)錄因子基因突變與CHD

轉(zhuǎn)錄因子是影響發(fā)育的復(fù)雜生物學(xué)過程中起重要作用的一類蛋白質(zhì)，心臟特異轉(zhuǎn)錄因子是通過連接到心肌細(xì)胞中DNA 分子上調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄過程，并調(diào)控編碼心肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)的蛋白或調(diào)節(jié)心臟基因蛋白的表達(dá)。近年來研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子的突變是CHD 的病因之一，并證實(shí)了心臟早期發(fā)育的轉(zhuǎn)錄因子(GATA4、NKX2.5、TBX5)與CHD 相關(guān)，它們位于起關(guān)鍵作用基因的上游，可以以復(fù)合體形式調(diào)控編碼心臟特異基因的表達(dá)。

Nkx2.5 基因亦稱心臟特異性同源盒基因，位于5q34-35，有2 個(gè)外顯子，總長(zhǎng)度3 125 bp，是NK 型同源盒基因家族Nkx2 型的成員之一。Nkx2.5 基因的側(cè)翼序列及外顯子之間存在多數(shù)具有重要功能的啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、抑制因子和一些自動(dòng)調(diào)節(jié)因子，這些因子在心臟發(fā)育過程中，能夠參與心肌細(xì)胞分化、心臟的環(huán)化、房室分隔、房室流出道及傳導(dǎo)系統(tǒng)形成以及心臟功能的維持［20］。NKx2.5 是胚胎發(fā)育過程中的早期標(biāo)志物之一，對(duì)小鼠的研究中發(fā)現(xiàn)NKx2.5基因表達(dá)在胚胎的第7.5 天即開始，并且一直維持至成年期，NKx2.5 基因缺失的小鼠隨著心臟的發(fā)育停止，在胚胎發(fā)育的15 d 之前就已經(jīng)死亡［21］。Jamali 等［22］亦證實(shí)了Nkx2.5 在P19 細(xì)胞向心肌細(xì)胞分化的過程中的重要作用;相反轉(zhuǎn)染結(jié)構(gòu)域突變的Nkx2.5 則完全阻斷了心肌的分化。TBX 5 基因于1997 年在Holt-Oram 綜合征中被克隆鑒定，定位于12q24.1，有8 個(gè)外顯子，cDNA 全長(zhǎng)2133 bp，編碼518 個(gè)氨基酸的轉(zhuǎn)錄因子［23］。TBX 5 基因?qū)儆赥-box 轉(zhuǎn)錄因子基因家族，其家族在進(jìn)化過程中高度保守，在胚胎早期控制心臟發(fā)育和上肢形成。TBX 5 作為轉(zhuǎn)錄因子主要通過特有的T-box 結(jié)構(gòu)域與下游靶基因結(jié)合，調(diào)控正常的心臟房室腔分化，在心臟間隔的正確形成中起關(guān)鍵作用。GATA-4 基因?qū)儆贕ATA 鋅指轉(zhuǎn)錄因子家族，人類GATA-4 基因位于染色體8p23.1-p22，包括7 個(gè)外顯子，編碼442個(gè)氨基酸。是心臟前體細(xì)胞分化的最早期標(biāo)志之一，對(duì)大量心臟基因的直接調(diào)節(jié)非常重要，并且貫穿于心臟發(fā)育的全過程。通過免疫熒光技術(shù)發(fā)現(xiàn)CHD 患者GATA-4 單倍體缺失，說明GATA-4 突變可能 導(dǎo) 致CHD 的 發(fā) 生［24］。在Garg［25］和Okubo等［26］研究中同樣證實(shí)了GATA-4 突變可能是家族性、單純性CHD 遺傳學(xué)的病因。

5 展 望

綜上所述，CHD 的發(fā)生從最初的染色體異常，到眾多單基因突變的發(fā)現(xiàn)，遺傳因素已經(jīng)被證明是重要的發(fā)病影響因素。心臟的發(fā)育過程異常復(fù)雜，CHD 的出現(xiàn)不是單一或簡(jiǎn)單的因素作用的結(jié)果，而是各項(xiàng)危險(xiǎn)因素綜合相互作用形成。并且基因突變、染色體異常等與臨床表現(xiàn)不存在固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過借助生物遺傳信息學(xué)工具以及嶄新的實(shí)驗(yàn)手段，最大價(jià)值地利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)大規(guī)模研究CHD新的致病基因和已知基因的新功能，更深層次地揭示CHD 的分子學(xué)機(jī)理，完善各類CHD 的遺傳學(xué)資料，為個(gè)性化CHD 患者做出準(zhǔn)確的細(xì)胞遺傳學(xué)及基因診斷，從而為臨床預(yù)防和治療CHD 提供更好的理論基礎(chǔ)。

［1］ Rosamond W，F(xiàn)legal K，F(xiàn)riday G，et al. Heart disease and stroke statistics-2007 update:a report from the American Heart Association Statistics Committee and Stroke Statistics Subcommittee［J］. Circulation，2007，115(5):69-171.

［2］ 余更生，陳 沅，田 杰，等. CHD 家族聚集的初步分析［J］.臨床心血管病雜志，2004，20(11):672-674.

［3］ Pierpont M E，Basson C T，Benson D W Jr，et al.Genetic basis for congenital heart defects:current knowledge:a scientific statement from the American Heart Association Congenital Cardiac Defects Committee，Council on Cardiovascular Disease in the Young:endorsed by the American Academy of Pediatrics［J］. Circulation，2007，115(23):3015-3038.

［4］ Bentham J，Bhattacharya S. Genetic mechanisms controlling cardiovascular development［J］. Ann N Y Acad Sci，2008，1123:10-19.

［5］ 陳 瑤，張 波. 唐氏綜合癥產(chǎn)前篩查及診斷的研究進(jìn)展［J］.國(guó)際檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志，2013，34(7):835-837.

［6］ Koster M P，Heetkamp K M，Pennings J L，et al. Down syndrome screening:imagining the screening test of the future［J］. Expert Rev Mol Diagn，2010，10(4):445-457.

［7］ Tsui D W，Lam Y M，Lee W S，et al. Systematic identification of placental epigenetic signatures for the noninvasive prenatal detection of Edwards syndrome［J］. PLoS One，2010，5(11):e15069.

［8］ De Souza E，Halliday J，Chan A，et al. Recurrence risks for trisomies 13，18，and 21［J］.Am J Med Genet A，2009，149A(12):2716-2722.

［9］ Basson C T，Cowley G S，Solomon S D，et al.The clinical and genetic spectrum of the Holt-Oram syndrome (hearthand syndrome)［J］. N Engl J Med，1994，330(13):885-891.

［10］Canadas V，Vilacosta I，Bruna I，et al. Marfan syndrome.Part 1:pathophysiology and diagnosis［J］.Nat Rev Cardiol，2010，7(5):256-265.

［11］ Gonzales E A. Marfan syndrome［J］. J Am Acad Nurse Pract，2009，21(12):663-670.

［12］Romano A A，Allanson J E，Dahlgren J，et al. Noonan syndrome:clinical features，diagnosis，and management guidelines［J］.Pediatrics，2010，126(4):746-759.

［13］ Tartaglia M，Zampino G，Gelb B D. Noonan syndrome:clinical aspects and molecular pathogenesis［J］.Mol Syndromol，2010，1(1):2-26.

［14］ Subramaniam P，Knisely A，Portmann B，et al. Diagnosis of Alagille syndrome -25 years of experience at King＇s College Hospital［J］. J Pediatr Gastroenterol Nutr，2011，52(1):84-89.

［15］ Ali B R，Akawi N A，Chedid F，et al. Molecular and clinical analysis of Ellis-van Creveld syndrome in the United Arab Emirates［J］.BMC Med Genet，2010，11:33.

［16］廖曉波，胡冬煦.法樂四聯(lián)癥相關(guān)基因研究進(jìn)展［J］.國(guó)外醫(yī)學(xué)·遺傳學(xué)分冊(cè)，2004，27(3):175-180.

［17］ Nora J J，Nora A H. Genetic epidemiology of congenital heart disease［J］.Prog Med Genet，1983(5):91-137.

［18］岳風(fēng)珍，高秉仁. 先天性心臟病高發(fā)家系的遺傳學(xué)研究［J］.蘭州醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，1994(3):149-153.

［19］楊振東，徐大地，李修琪.先天性心臟病與遺傳［J］.鄖陽(yáng)醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，1995，14(1):51-54.

［20］Elliott D A，Kirk E P，Yeoh T，et al.Cardiac homeobox gene NKX2-5 mutations and congenital heart disease:associations with atrial septal defect and hypoplastic left heart syndrome［J］. J Am Coll Cardiol，2003，41(11):2072-2076.

［21］Ueyama T，Kasahara H，Ishiwata T，Nie Q，et al. Myocardin expression is regulated by Nkx2.5，and its function is required for cardiomyogenesis［J］. Mol Cell Biol，2003，23(24):9222-9232.

［22］Jamali M，Rogerson P J，Wilton S，et al. Nkx2.5 activity is essential for cardiomyogenesis［J］. J Biol Chem，2001，276(45):42252-42258.

［23］Basson C T ，Bachinsky D R ，Lin R C，et al. Mutations in human TBX5 ［corrected ］cause limb and cardiac malformation in Holt-Oram syndrome［J］. Nat Genet，1997，15(1):30-35.

［24］ Pehilivan T，Pober B R，Brueckner M，et al. GATA4 haploinsufficiency in patients with interstitial deletion of chromosome region 8p23. 1 and congenital heart disease［J］. AmJ Med Genet，1999，83(3):201-206.

［25］ Garg V，Kathiriya I S，Barnes R，et al. GATA4 mutations cause human congenital heart defects and reveal an interaction with TBX5［J］. Nature，2003，424(6947):443-447.

［26］ Okubo A，Miyoshi O，Baba K，et al. A novel GATA4 mutation completely segregated with atrial septal defect in a large Japanese family［J］. J Med Genet，2004，41(7):e97.