先天性心臟病遺傳相關(guān)病因的研究進(jìn)展

徐晶磊 邱海燕 吳軍華 俞蓓蓉

先天性心臟病(congenital heart disease，CHD)是指因遺傳或環(huán)境因素引起心血管發(fā)育缺陷，導(dǎo)致心功能出現(xiàn)障礙的出生缺陷，是心血管疾病中的一種重要類型。我國(guó)先心病的發(fā)生率為0.7‰～7.32‰，呈逐年上升趨勢(shì)[1]。CHD作為我國(guó)最常見的出生缺陷之一，在所有出生缺陷中占40.95%。據(jù)2012年衛(wèi)生部的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，新發(fā)先心病造成的總體經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)超過(guò)126億元。但目前CHD的主要致病因素仍未明確，流行病學(xué)調(diào)查顯示，遺傳學(xué)異常為其主要的致病因素(圖1)。本文將對(duì)CHD遺傳相關(guān)病因的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，供基礎(chǔ)研究及臨床工作參考。

圖1 CHD病因分布[2]

一、染色體異常

1.染色體非整倍體變異:染色體非整倍體變異是先天性心臟病中最早被發(fā)現(xiàn)的病因，占CHD細(xì)胞遺傳學(xué)病因的9%～18%。最常見的非整倍體變異為21-三體，其次為18-三體、13-三體、單X染色體的Turner綜合征等。CHD在21-三體患者中的并發(fā)率為35%～50%，在13-三體及18-三體中為60%～80%，在Turner綜合征中約為33%。非整倍體變異導(dǎo)致大量基因的表達(dá)及調(diào)控異常，常引起多樣、嚴(yán)重的發(fā)育異常。研究顯示，在21-三體患者中發(fā)現(xiàn)DSCAM和COL6A基因可造成CHD并發(fā)，小鼠實(shí)驗(yàn)提示，單基因的過(guò)表達(dá)并不會(huì)影響心臟發(fā)育，只有當(dāng)兩個(gè)基因同時(shí)過(guò)表達(dá)時(shí)才引發(fā)CHD[3]。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)CRELD1基因的新突變c.973G>A在21-三體患者合并的房室間隔缺損表型中起主要作用[4]。CRELD1是鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶/NFATc1信號(hào)通路的調(diào)控因子，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子NFAT(活化T細(xì)胞核因子)的去磷酸化，在心臟發(fā)育中起至關(guān)重要的作用。一旦基因突變，可導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)中CRELD1蛋白的類表皮生長(zhǎng)因子樣鈣結(jié)合域(cb-EGF-like calcium binding domain)發(fā)生突變，從而引起心臟發(fā)育異常。

2.染色體拷貝數(shù)變異:隨著全外顯子測(cè)序技術(shù)(whole-exome sequencing，WES)及全基因組測(cè)序技術(shù)(whole-genome sequencing，WGS)的普及，越來(lái)越多的拷貝數(shù)變異(copy number variation，CNV)被發(fā)現(xiàn)。CNV是指長(zhǎng)度1kb以上的基因片段的缺失、重復(fù)、插入及復(fù)雜多位點(diǎn)的變異，可由新突變所致或遺傳而來(lái)。CNV可分為3類：明確致病CNV(微小缺失或微復(fù)制綜合征)、潛在致病CNV和無(wú)意義CNV(良性)。

在明確致病CNV中，22q11是人類最常見的染色體微缺失，系由22號(hào)染色體的側(cè)翼低拷貝導(dǎo)致一段約3Mb的片段缺失所致，可造成DiGeorge綜合征及顎面心綜合征(velo-cardio-facial syndrome)，主要表現(xiàn)包括CHD、低鈣血癥、免疫缺陷、顎咽發(fā)育不良、特殊面容和神經(jīng)發(fā)育異常。目前研究證明，22q11微缺失造成了T-BOX基因家族中的TBX1轉(zhuǎn)錄因子缺失，由于其在心臟特異性表達(dá)，一旦單倍體表達(dá)不足，可引起心臟發(fā)育異常。一項(xiàng)小鼠實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，TBX1表達(dá)不足可引發(fā)組蛋白H3K4me1富集，因此還提示TBX1與導(dǎo)致心臟發(fā)育異常的染色質(zhì)重塑有關(guān)[5]。

其他明確與CHD相關(guān)的CNV包括8p23缺失，該段缺失染色質(zhì)上存在心血管發(fā)育相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子GATA4，其缺失可導(dǎo)致一系列CHD及發(fā)育遲緩；7q11缺失是William綜合征的發(fā)病原因，該綜合征系由片段缺失導(dǎo)致彈性蛋白(ELN)的表達(dá)不足，造成以主動(dòng)脈瓣上狹窄和肺動(dòng)脈瓣狹窄為主要表現(xiàn)的先天性心血管異常。11q24～25的缺失可造成Jacobsen綜合征，研究提示11q上存在的ETS-1基因缺失是造成包括左心發(fā)育不良綜合征(HLHS)等多種心臟發(fā)育缺陷的原因。

除上述與特定綜合征相關(guān)的CNV外，還發(fā)現(xiàn)了許多CHD相關(guān)的新生CNV。如近期研究資料發(fā)現(xiàn)，5q33缺失引起的HAND1和SAP30L基因的缺失，與瓣膜缺陷及流出道異常相關(guān)[6]。18q2上的NFATC1基因的缺失可能導(dǎo)致心臟瓣膜、房室間隔以及心臟大血管的發(fā)育異常[7]。此外，通過(guò)對(duì)大樣本CHD患者的研究，還發(fā)現(xiàn)了常出現(xiàn)的拷貝數(shù)變異，包括1q21.1、3p25.1、16p13.11、15q11.2等[8]。

二、基因突變

1.單基因與綜合征型CHD：先心病中約有8%為單基因遺傳病，包括較為常見的Alagille綜合征、Noonan綜合征、Marfan綜合征、CHARGE綜合征、Holt-Oram綜合征等。約94%的Alagille綜合征由JAG1基因突變所致，周圍肺動(dòng)脈狹窄、肺動(dòng)脈閉鎖、房間隔缺損等為其主要心臟異常[9]。Noonan綜合征與PTPN11基因突變有關(guān)，80%以上的患者合并心臟病變，其中以肺動(dòng)脈瓣狹窄最常見。Marfan綜合征為原纖維蛋白基因(FBN1)缺陷造成，以主動(dòng)脈關(guān)閉不全為主要的心臟表現(xiàn)。CHARGE綜合征是DNA結(jié)合蛋白解螺旋酶家族中的CHD7突變所致，主要的CHD表現(xiàn)為圓錐動(dòng)脈干和主動(dòng)脈弓異常。Holt-Oram綜合征與TBX5突變相關(guān)，常見間隔缺損和傳導(dǎo)缺陷。

2.遺傳點(diǎn)突變

(1)特異性轉(zhuǎn)錄因子與CHD：心臟特異性轉(zhuǎn)錄因子在胚胎心臟發(fā)育中起著關(guān)鍵作用，許多首次發(fā)現(xiàn)與CHD相關(guān)的基因均為心臟轉(zhuǎn)錄因子，如GATA4、NKX2.5、TBX5及HAND等。在胚胎發(fā)育的第13天,心臟原始細(xì)胞形成條索狀細(xì)胞帶,第16天時(shí)形成原腸胚。轉(zhuǎn)錄因子GATA家族參與原始細(xì)胞形成條索狀細(xì)胞帶的過(guò)程，并調(diào)控原腸胚發(fā)育；Nkx2家族的正確調(diào)控和表達(dá)是心臟在第23～28天得以環(huán)化成功的基礎(chǔ)；TBX5等轉(zhuǎn)錄因子與第7周的室間隔發(fā)育相關(guān)。

鋅指蛋白GATA家族存在多個(gè)亞型，其中GATA4、GATA5、GATA6與心臟發(fā)育密切相關(guān)。GATA4是目前研究較多的轉(zhuǎn)錄因子，其與NKX2.5轉(zhuǎn)錄因子關(guān)系密切，熒光素酶報(bào)告基因檢測(cè)結(jié)果顯示，腦鈉肽啟動(dòng)子熒光表達(dá)質(zhì)粒與兩者共轉(zhuǎn)染比單獨(dú)轉(zhuǎn)染GATA4或NKX2.5對(duì)腦鈉肽啟動(dòng)子的激活作用更強(qiáng)，提示兩者的協(xié)同作用與兩者的結(jié)構(gòu)及BNP啟動(dòng)子的序列具有相關(guān)性[10]。GATA4蛋白質(zhì)由442個(gè)氨基酸組成，包括轉(zhuǎn)錄激活域(TAD)、鋅指結(jié)構(gòu)域(NZF與CZF)和核定位信號(hào)結(jié)構(gòu)域(NLS)[11]。在過(guò)去的幾十年中，已經(jīng)報(bào)道了100多個(gè)GATA4突變位點(diǎn)，GATA4的功能性突變主要導(dǎo)致心臟間隔缺損。最近發(fā)現(xiàn)，GATA4 G296S的錯(cuò)義突變可引起心房和室間隔缺損以及肺動(dòng)脈瓣狹窄，且在小鼠實(shí)驗(yàn)中得到相似的結(jié)論。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，GATA4 M310V功能性突變與人類家族性ASD相關(guān)[12]。

NK2.5基因作為主要的上游基因，調(diào)控許多下游基因的正常表達(dá)，其下游基因包括BMP、ANF、Nmyc、MLC2V、Msx2、MEF2C及dHAND[13]。多個(gè)研究證實(shí)，NKX2.5基因突變所致的CHD包括間隔缺損和異常傳導(dǎo)系統(tǒng)[14]。其中房間隔缺損與NK2.5突變的關(guān)系最為緊密。一項(xiàng)研究在NKX2.5編碼區(qū)中發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)新突變，在法洛四聯(lián)癥患者發(fā)現(xiàn)了Arg25Cys突變，三尖瓣下移畸形患者中發(fā)現(xiàn)了Ala42Pro突變[15]。

T-box基因家族中的TBX1、TBX5及TBX20與CHD相關(guān)。TBX1基因突變?cè)谇拔囊咽?，與Holt-Oram綜合征發(fā)生相關(guān)，除心臟表現(xiàn)外，還可引起上肢發(fā)育畸形?，F(xiàn)發(fā)現(xiàn)的TBX5基因的突變已達(dá)60余種，包括等位基因的錯(cuò)義突變、缺失、插入等。在漢族人群中的研究發(fā)現(xiàn)，TBX5 3′端非翻譯區(qū)(UTR)的突變r(jià)s6489956與CHD易感性增加有關(guān)，機(jī)制為該突變影響了兩種可特異性介導(dǎo)TBX5表達(dá)的靶miRNA的結(jié)合親和力[16]。TBX20是先心病的候選基因,其在心臟發(fā)育過(guò)程中起轉(zhuǎn)錄激活或抑制的雙重作用[13]。Liu等[17]在TBX20中鑒定了一個(gè)新的突變D176N，推測(cè)其與家族性房間隔缺損相關(guān)。

HAND家族中的HAND1基因編碼了一個(gè)螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子，該結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)與靶DNA結(jié)合，及蛋白質(zhì)間相互作用的必需結(jié)構(gòu)。小鼠實(shí)驗(yàn)證明，心臟HAND1特異性消融會(huì)導(dǎo)致房室壁、瓣膜和流出道缺損；在人類研究中被證實(shí)與左心室發(fā)育不全綜合征(hypoplastic left heart syndrome，HLHS)相關(guān)[18]。最近一項(xiàng)研究新發(fā)現(xiàn)HAND1的雜合突變p.R118C，可導(dǎo)致人類對(duì)法洛四聯(lián)癥易感性增強(qiáng)[19]。此外，HAND2轉(zhuǎn)錄因子也證實(shí)與胚胎心臟生長(zhǎng)有關(guān)。

(2)其他單基因與非綜合征型CHD：目前已確定的CHD候選基因有455個(gè)，包括上述的特異性心臟轉(zhuǎn)錄因子，這一數(shù)據(jù)還在不斷更新[20]。目前較熱門的研究集中在基因的單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)(single nucleotide polymorphisms，SNP)及基因點(diǎn)突變與CHD的關(guān)系。例如，Yang等[21]發(fā)現(xiàn)TCF21rs12190287的多態(tài)性與中國(guó)人群室間隔缺損(VSD)的易感性增加相關(guān);姜鈺超等[22]首次在人群中發(fā)現(xiàn)SHMT1與CHD的關(guān)聯(lián)性，其研究結(jié)果顯示基因上的rs638416位點(diǎn)與CHD有關(guān)，且確定該位點(diǎn)的G等位基因能夠顯著降低啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄效率，為“dTMP合成受阻是CHD病因之一”的觀點(diǎn)提供了有力證據(jù)。就基因點(diǎn)突變而言，Huang等[23]在VSD患者中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的雜合子CASZ1突變p.L38P。這些研究均證實(shí)CHD致病基因的復(fù)雜性，其確切的致病機(jī)制值得進(jìn)一步研究。

三、表觀遺傳變異

除基因變異，CHD另一重要的致病因素是表觀遺傳變異。表觀遺傳是指非DNA序列變異引起的表型改變，而這種表型改變可遺傳。表觀遺傳可分為兩類，一類為基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控，如DNA甲基化、組蛋白甲基化、染色質(zhì)重塑等；另一類為基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控，包括基因組中非編碼RNA、微小RNA(miRNA)、反義RNA、內(nèi)含子等。

相關(guān)研究顯示，約3%的CHD患者是由染色質(zhì)重塑因子發(fā)生的新突變?cè)斐?。一?xiàng)針對(duì)1213例的研究中發(fā)現(xiàn)，25/1213的病例出現(xiàn)了染色質(zhì)重塑因子的功能喪失性突變，而對(duì)照組僅為3/900(P=5.7×10-11)[20]。另有研究證實(shí)，組蛋白甲基化異常與孤立性CHD有關(guān)，如組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶PRDM6可致非綜合征型的動(dòng)脈導(dǎo)管未閉。Grunert等在SCO2基因的啟動(dòng)子中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)高甲基化的新生CpG島，并證實(shí)在啟動(dòng)子CpG島上的不同CpGs的差異甲基化顯著降低了SCO2的表達(dá)；此前已有研究證明SCO2與法洛四聯(lián)癥及室間隔缺損相關(guān)，由此提示DNA甲基化與CHD的關(guān)聯(lián)。

miRNA具有組織特異性，在特定的發(fā)育階段表達(dá)，在心臟發(fā)育中發(fā)揮作用。早有研究表明，miRNA-1靶向調(diào)控心臟轉(zhuǎn)錄因子HAND2以及其他心臟生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控因子，HAND2轉(zhuǎn)錄因子與胚胎心臟的生長(zhǎng)有關(guān)。最近Wang等證實(shí)miRNA145可調(diào)控FXN的差異性表達(dá)，而差異性表達(dá)的FXN可造成CHD。以上研究提示表觀遺傳與CHD相關(guān)，但具體機(jī)制未完全明確，尚待深入研究。

四、其 他

隨著輔助生殖技術(shù)的普及，其潛在問(wèn)題逐漸顯露。流行病學(xué)研究表明，通過(guò)輔助生殖技術(shù)孕育的先天性畸形發(fā)生率較高。

一項(xiàng)納入6個(gè)病例對(duì)照和35個(gè)隊(duì)列研究的Meta分析顯示，與自然受孕比較，通過(guò)輔助生殖技術(shù)[主要是體外受精(IVF)/卵胞質(zhì)內(nèi)單精子注射(ICSI)技術(shù)]受孕的胎兒，其CHD的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)增加約50%，活產(chǎn)嬰兒發(fā)生CHD的絕對(duì)風(fēng)險(xiǎn)為1.1%～3.3%，其中較常見的是室間隔缺損。因此，美國(guó)心臟協(xié)會(huì)(American Heart Association)實(shí)踐指南建議在IVF/ICSI的所有妊娠中進(jìn)行胎兒超聲心動(dòng)圖檢查(Ⅱa推薦等級(jí)/A級(jí)證據(jù)水平)。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)IVF/ICSI技術(shù)受孕者，妊娠早期常出現(xiàn)妊娠相關(guān)血漿蛋白A降低(PAPP-A)及游離β人絨毛膜促性腺激素水平升高。無(wú)胎盤灌注受損和先兆子癇而娩出了孤立性CHD患者的孕婦，其PAPP-A和胎盤生長(zhǎng)因子降低明顯。因此該研究提出，通過(guò)輔助生殖技術(shù)受孕的胎兒可因早期胎盤功能障礙而引發(fā)CHD。

盡管CHD在經(jīng)應(yīng)用輔助生殖技術(shù)受孕的嬰兒中更常出現(xiàn)，但有資料顯示相反結(jié)果。此外，輔助生殖技術(shù)中，雙胎妊娠較常見，而雙胎本身增加了CHD的風(fēng)險(xiǎn)。因此，輔助生殖技術(shù)與CHD是否存在明確關(guān)聯(lián)尚未達(dá)成一致共識(shí)，需要多中心、大樣本的研究來(lái)反映試管嬰兒先天心臟缺陷的發(fā)病情況。

綜上所述，目前CHD病因尚不明確，通過(guò)孕早期的宣教、超聲心動(dòng)圖檢查和及時(shí)干預(yù)，可避免嚴(yán)重CHD患兒出生而給家庭及社會(huì)帶來(lái)負(fù)擔(dān)。手術(shù)技術(shù)的不斷成熟為改善CHD患兒預(yù)后，提升其生活質(zhì)量帶來(lái)光明前景。隨著經(jīng)典連鎖分析、定位克隆技術(shù)及候選基因靶向測(cè)序技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)先天性心臟病的遺傳相關(guān)病因的理解正逐步加深。