GDF1基因與先天性心臟病的相關性研究進展

張娟 吳青青

先天性心臟病(congenital heart disease)簡稱先心病，是指胎兒時期心血管發(fā)育異常對心功能產生實際或潛在影響的一組先天畸形。先心病是胎兒出生缺陷中最常見的出生畸形，是造成新生兒死亡的重要原因。GDF1(Growth differentiation factor-1,生長分化因子1)是調節(jié)胚胎期細胞生長和分化的重要基因，在器官左右不對稱的分化發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用。本文就GDF1基因與先心病的關聯性研究進展進行綜述。

一、先心病病因學概述

先心病病因目前尚不完全清楚，遺傳因素、環(huán)境因素及兩者的共同作用均可引起先心病的發(fā)生[1]。

環(huán)境因素方面，孕婦的高齡受孕、超重或肥胖及罹患慢性疾病如糖尿病等均可引起先心病的發(fā)生風險增加。藥物的使用、孕期煙草暴露、酗酒、重金屬攝入也與先心病的發(fā)生也有關。另外，環(huán)境污染也是先心病重要的致病因素[2-4]。

在遺傳因素中，染色體異常是先心病發(fā)生的重要原因。21-三體、18-三體等染色體數目異常及染色體重排、易位、嵌合體、環(huán)狀染色體等結構異常組成了遺傳因素的重要部分[5-8]。另外，較多的學者還認為，致病性拷貝數變異也在先心病的病因學中有著非常重要的位置，如22q11微缺失等[9-10]。近年來，有研究報道指出，信號傳導通路也與先心病的發(fā)生有關，如Nodal信號通路、Notch信號通路、Wnt信號通路等[11]。另外，心臟發(fā)育轉錄因子、先心病易感基因等心臟發(fā)育的關鍵基因發(fā)生突變也會增加先心病的發(fā)病風險，如NKX2-5、TBX2、GATA4等基因的多態(tài)性與先心病不同臨床表型有一定的相關性[12]。GDF1也是目前研究較熱的先心病相關基因之一。

二、GDF1的基因結構與功能

GDF1基因定位于19p13.11，屬于TGF-β(transforming growth factor-β,轉化因子-β)超家族成員，與非洲爪蟾Vg-1同源性最高[13]。GDF1基因最早由Lee[14]在8.5天小鼠胚胎cDNA文庫中分離得出，在小鼠胚胎時期可檢測出其兩種轉錄物，長度分別為1.4 kb和3.0 kb。在小鼠發(fā)育的早期階段均可見1.4 kb的轉錄物表達，尤其在原結、腹側神經管、中間板和側板中胚層等處，10.5天后消失。另一個長度為3.0 kb的雙順反子轉錄物在9.5天時出現并貫穿于整個胚胎發(fā)育過程，且特異性表達于神經系統(tǒng)。其中，3.0 kb的轉錄物包含了GDF1編碼區(qū)，預測可編碼372個氨基酸[13,15]。

人類GDF1序列與小鼠GDF1有69%的同源性，含有27593個堿基對。人類GDF1序列在252、253氨基酸位置包含了一對堿性氨基酸殘基(Arg-Arg)，可能是其蛋白水解位點。人類GDF1基因序列的C-末端至該堿性殘基之間的區(qū)域是TGF-β的同源區(qū)域。人類GDF1序列還包含了一個長的開放閱讀框，位于GDF1編碼區(qū)上游，免疫組化顯示其編碼的是一包含多個跨膜結構域、功能未知的蛋白。而GDF1蛋白是由其下游的開放閱讀框所編碼，為含有372個氨基酸的分泌性糖蛋白，具有多個蛋白水解位點，可裂解產生一個含有7個保守半胱氨酸殘基的成熟蛋白質，參與早期胚胎發(fā)育的調控[15]。

作為Vg1的同源基因，GDF1在轉錄水平進行調節(jié)，包含有非洲爪蟾BMP2前結構域和GDF1成熟結構域的嵌合蛋白通過激活Smad2依賴性信號傳導途徑來誘導內胚層形成和軸向重疊[13]。Tanaka等[16]認為，GDF1作為TGF-β家族的Vg1相關成員，本身并不具活性，其作為Nodal的配體發(fā)揮作用。Nodal信號通路具有精確誘導中胚層及內胚層的形成、確立體軸及調控神經發(fā)育模式等重要作用。GDF1作為Nodal樣因子，與Nodal處于信號傳導級聯反應的上游，兩者直接相互作用，形成更加有活力的共配體，調節(jié)信號范圍及傳遞效能。當Nodal與GDFl共表達時在前軸發(fā)育中存在一個遺傳的協(xié)同作用，在器官的不對稱發(fā)育中可能扮演著重要角色[17-18]。

三、GDF1與先心病的關系

動物研究發(fā)現，GDF1基因敲除小鼠表現出左-右軸異常的廣譜畸形，包括內臟反位、右肺動脈異構和各種心臟異常等，且只有2/3的GDF1基因敲除小鼠胚胎可存活至出生，并幾乎都在出生后48 h內死亡[17]。而且，GDF1基因敲除小鼠的肺動脈的位置比主動脈位置更偏向背側[17]。胚胎發(fā)育時GDF1的表達模式相對于左-右軸來說幾乎是對稱的，而GDF1影響左-右不對稱的機制主要是作為Ebaf、Leftb、nodal和Pitx2基因的上游基因，形成基因調控網絡的一部分，啟動體軸極性形成并調節(jié)胚胎的左右不對稱性，在胚胎發(fā)育早期左右不對稱模式的建立及心臟、大血管的發(fā)育過程中發(fā)揮關鍵作用[18]。在斑馬魚的胚胎發(fā)育研究中發(fā)現，GDF1不但在斑馬魚胚胎的左右不對稱建立中起到重要作用，且在砷暴露后出現心臟畸形的胚胎中表達顯著下降，提示GDF1異常與先心病有關[19]

Fuerer等[20]分析了胚胎發(fā)育過程中GDF1蛋白水平及信號強度，發(fā)現Nodal與GDF1形成異二聚體，增加信號受體的親和力，在Notch信號通路中發(fā)揮重要作用從而介導人胚胎干細胞分化，在特定區(qū)域特異性表達并調節(jié)左-右軸的形成。

Karkera等[21]在對375例心臟畸形、225例正常對照及198例全前腦的研究發(fā)現，GDF1突變只出現在心臟畸形組，提示喪失功能的GDF1雜合突變可能在心臟畸形如大動脈轉位、右心室雙出口、法洛四聯癥和主動脈離斷的發(fā)生中起到一定的作用，但是在人類病例中并未觀察到小鼠GDF1缺失時出現的內臟反位現象如右肺動脈異構，提示GDF1突變只是在先心病的發(fā)生中起到遺傳易感性的作用，其研究團隊認為，GDF1雜合突變可能會導致左右軸確立異常從而影響到部分器官，并與外部因素相互作用干擾胚胎發(fā)育的左-右模式，從而參與特定類型心臟畸形的發(fā)生，并可致心血管正常不對稱發(fā)育的血管重塑。研究中還發(fā)現，喪失功能的GDF1雜合突變降低了TGF-β信號表達，而當TGF-β信號表達嚴重下降時可導致心臟畸形的發(fā)生，提示GDF1通過TGF-β信號而發(fā)生作用，故GDF1有效信號表達下降可導致心臟畸形的發(fā)生[21]。

在右心房異構的家系中，Kaasinen等[22]進行連鎖分析和基因定位后發(fā)現，右心房異構兒童呈現GDF1雜合子突變現象。此外，患病家族中父母均為健康的雜合子攜帶者，其子代出現右心房異構的臨床表型，提示GDF1基因遺傳分離與表型決定遵循常染色體隱性遺傳；同時，該研究團隊建立GDF1基因敲除小鼠模型進行驗證，發(fā)現GDF1基因敲除小鼠出現廣泛的單側胸腹部器官缺陷，包括復雜的心臟畸形、大動脈轉位、房室共道及永存左上腔等，以及右肺異構及肝脾倒位等，證實GDF1可能為右心房異構的致病基因。

Sun等[23]篩選出GDF1基因的四個標簽單核苷酸多態(tài)性，對310例先心病患者及正常對照組320例進行對比研究，并同時檢測Nodal基因后發(fā)現，GDF1與Nodal具有交互作用，可對先心病的發(fā)生產生一定的影響，但研究結果并不支持GDF1作為先心病的獨立危險因子存在，進一步進行分層分析時發(fā)現GDF1突變的某些亞型則與肺動脈瓣閉鎖有顯著的相關性，提示GDF1基因變異可能與中國漢族人群的圓錐動脈干畸形有關。

但是，目前也有關于GDF1在部分類型先心病中不同結果的報道。De Luca等[24]在對7個先證者為完全型大動脈轉位的先心病家族中進行GDF1基因突變的檢測后，未發(fā)現GDF1基因的突變證據。另外，De Luca等[24]還對圓錐動脈干的患者進行了研究，結果也并不支持法洛四聯癥患者會發(fā)生GDF1突變，其研究團隊認為GDF1突變并不是引起法洛四聯癥發(fā)生的主要原因[25]。

有關GDF1在先心病中可能的作用機制如下：(1)GDF1可與Nodal形成共配基，與受體結合，激活Nodal信號通路，作用于靶基因，誘導胚胎組織形成完整體軸，并參與前-后體軸位置的確定和左-右體軸的特化等胚胎發(fā)育關鍵步驟[26-29]。(2)GDF1基因還參與到Hedgehog信號通路中，活化Hedgehog信號通路，在心臟形態(tài)學發(fā)生中起重要作用，從而參與早期心臟發(fā)育[30]。(3)GDF1還是Notch信號通路的依賴性基因，可通過Notch信號通路在先心病的發(fā)生中起到重要作用[31]。

綜上所述，GDF1是胚胎早期發(fā)育的重要調節(jié)因子，其通過NODAL信號通路，在器官的不對稱發(fā)育中扮演重要角色。隨著對GDF1研究的深入，其在先心病中的作用機制也將會逐漸明確。GDF1在先心病中突變率較高，GDF1可能作為胚胎早期左-右體軸發(fā)育能力的重要遺傳學標志，將來可能對臨床先心病的診斷及預后判斷有一定的指導意義。

1 van der Bom T,Zomer AC,Zwinderman AH,et al.The changing epidemiology of congenital heart disease.Nat Rev Cardiol,2011,8:50-60.

2 Liu S,Joseph KS,Lisonkova S,et al.Association between maternal chronic conditions and congenital heart defects:a population-based cohort study.Circulation,2013,128:583-589.

3 Padula AM,Tager IB,Carmichael SL,et al.Ambient air pollution and traffic exposures and congenital heart defects in the San Joaquin Valley of California.Paediatr Perinat Epidemiol,2013,27:329-339.

4 Fung A,Manlhiot C,Naik S,et al.Impact of prenatal risk factors on congenital heart disease in the current era.J Am Heart Assoc,2013,2:e000064.

5 Gelb BD.Recent advances in understanding the genetics of congenital heart defects.Curr Opin Pediatr,2013,25:561-566.

6 Tan M,Xu C,Sim SK,et al.Types and distribution of congenital heart defects associated with trisomy 21 in Singapore.J Paediatr Child Health,2013,49:223-227.

7 Polli JB,Groff Dde P,Petry P,et al.Trisomy 13 (Patau syndrome) and congenital heart defects.Am J Med Genet A,2014,164A:272-275.

8 Cooper GM,Coe BP,Girirajan S,et al.A copy number variation morbidity map of developmental delay.Nat Genet,2011,43:838-846.

9 Yan Y,Wu Q,Zhang L,et al.Detection of submicroscopic chromosomal aberrations by array-based comparative genomic hybridization in fetuses with congenital heart disease.Ultrasound Obstet Gynecol,2014,43:404-412.

10 Bansal V,Dorn C,Grunert M,et al.Outlier-Based Identification of Copy Number Variations Using Targeted Resequencing in a Small Cohort of Patients with Tetralogy of Fallot.PLoS One,2014,9:e85375.

11 Joziasse IC,van de Smagt JJ,Smith K,et al.Genes in congenital heart disease:atrioventricular valve formation.Basic Res Cardiol.2008,103:216-327.

12 Pang S,Liu Y,Zhao Z,et al.Novel and functional sequence variants within the TBX2 gene promoter in ventricular septal defects.Biochimie,2013,95:1807-1809.

13 Wall NA,Craig EJ,Labosky PA,et al.Mesendoderm induction and reversal of left-right pattern by mouse Gdf1,a Vg1-related gene.Dev Biol,2000,227:495-509.

14 Lee SJ.Identification of a novel member (GDF-1) of the transforming growth factor-beta superfamily.Mol Endocrinol,1990,4:1034-1040.

15 Lee SJ.Expression of growth/differentiation factor 1 in the nervous system:conservation of a bicistronic structure.Proc Natl Acad Sci U S A,1991,88:4250-4254.

16 Tanaka C,Sakuma R,Nakamura T,et al.Long-range action of Nodal requires interaction with GDF1.Genes Dev,2007,21:3272-3282.

17 Rankin CT,Bunton T,Lawler AM,et al.Regulation of left-right patterning in mice by growth/differentiation factor-1.Nat Genet,2000,24:262-265.

18 Torlopp A,Khan MA,Oliveira NM,et al.The transcription factor Pitx2 positions the embryonic axis and regulates twinning.Elife,2014,3:e03743.

19 Li X,Ma Y,Li D,et al.Arsenic impairs embryo development via down-regulating Dvr1 expression in zebrafish.Toxicol Lett,2012,212:161-168.

20 Fuerer C,Nostro MC,Constam DB.Nodal·Gdf1 heterodimers with bound prodomains enable serum-independent nodal signaling and endoderm differentiation.J Biol Chem,2014,289:17854-17871.

21 Karkera JD,Lee JS,Roessler E,et al.Loss-of-function mutations in growth differentiation factor-1 (GDF1) are associated with congenital heart defects in humans.Am J Hum Genet,2007,81:987-994.

22 Kaasinen E,Aittom?ki K,Eronen M,et al.Recessively inherited right atrial isomerism caused by mutations in growth/differentiation factor 1 (GDF1).Hum Mol Genet,2010,19:2747-2753.

23 Sun X,Meng Y,You T,et al.Association of growth/differentiation factor 1 gene polymorphisms with the risk of congenital heart disease in the Chinese Han population.Mol Biol Rep,2013,40:1291-1299.

24 De Luca A,Sarkozy A,Consoli F,et al.Familial transposition of the great arteries caused by multiple mutations in laterality genes.Heart,2010,96:673-677.

25 De Luca A,Sarkozy A,Ferese R,et al.New mutations in ZFPM2/FOG2 gene in tetralogy of Fallot and double outlet right ventricle.Clin Genet,2011,80:184-190.

26 Shen MM.Nodal signaling:Developmental roles and regulation.Development,2007,134:1023-1034.

27 Schier AF,Shen MM.Nodal signalling in vertebrate development.Nature,2000,403:385-389.

28 Roessler E,Ouspenskaia MV,Karkera JD,et al.Reduced NODAL signaling strength via mutation of several pathway members including FOXH1 is linked to human heart defects and holoprosencephaly.Am J Hum Genet,2008,83:18-29.

29 Andersson O,Reissmann E,J?rnvall H,et al.Synergistic interaction between Gdf1 and Nodal during anterior axis development.Dev Biol,2006,293:370-381.

30 Zhang XM,Ramalho-Santos M,McMahon AP.Smoothened mutants reveal redundant roles for Shh and Ihh signaling including regulation of L/R asymmetry by the mouse node.Cell,2001,105:781-792.

31 Kitajima K,Oki S,Ohkawa Y,et al.Wnt signaling regulates left-right axis formation in the node of mouse embryos.Dev Biol,2013,380:222-232.