肺動脈高壓基因遺傳突變研究進展

崔宇菲，張磊綜述 葉嵐審校

肺動脈高壓(PAH)是一種罕見的血管疾病，可表現(xiàn)為運動無力或暈厥、呼吸困難和右心室肥大。普通人群中肺動脈高壓患病率約1%。在我國排除左心疾病和肺部疾病后，肺動脈高壓以先天性心臟病相關(guān)肺動脈高壓、特發(fā)性肺動脈高壓(IPAH)和結(jié)締組織病相關(guān)肺動脈高壓(CTD-PAH)較常見；既往臨床上將PAH定義為靜息時肺動脈平均壓力≥25 mmHg，左心房壓正常。在2019年，該定義已修改為平均肺動脈壓力>20 mmHg，左心房壓力正常，肺血管阻力≥3 Wood單位[1]。PAH的病理生理機制復(fù)雜，環(huán)境和遺傳因素影響其發(fā)生發(fā)展；肺動脈高壓是遺傳基因突變、表觀遺傳因素及環(huán)境因素共同作用的結(jié)果；多種血管活性分子、多種離子通道、多條信號通路在肺血管重構(gòu)中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用[2]。PAH包括IPAH、遺傳性肺動脈高壓(HPAH)和相關(guān)性肺動脈高壓(APAH)。本文將著重綜述基因(BMPR2、BMP9、ACVRL1、SMAD1、SMAD3、SMAD4、SMAD9、CAV1、KCNK3、ATP13A3、SOX17、AQP1、EIF2AK4、ABCC8、TBX4、GDF2等)突變在遺傳性肺動脈高壓中的作用機制研究進展，旨在探討PAH的遺傳病因及對今后基因篩查和基因相關(guān)治療策略的影響。

1 BMPR2突變

骨形成蛋白Ⅱ型受體(BMPR2)是轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)受體超家族成員骨成型蛋白(BMP)的受體蛋白,基因位于2q33.1-33.2(2號染色體長臂3區(qū)3帶),含13個外顯子。BMPR2突變占所有PAH患者的25%[3]，成為肺動脈高壓最重要的基因突變之一。BMP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是通過質(zhì)膜上配體結(jié)合BMPR2和激酶1樣激活素受體(ACVRL1，也稱為ALK1)，激活下游蛋白實現(xiàn)的[4]。研究確定BMPR2突變占有PAH家族病史患者的53%～86%。PAH的BMPR2特異性變異是導(dǎo)致氨基酸置換的錯義突變,錯義突變廣泛分布在BMPR2外顯子上，但大多數(shù)位于關(guān)鍵的功能域內(nèi)，特別是外顯子2～3編碼的配體結(jié)合域和功能上由外顯子6～9和11編碼的高度保守催化激酶區(qū)域[5]。BMPR2單倍計量不足是遺傳性PAH的主要分子機制。在BMPR2下游，他克莫司(FK506)通過結(jié)合BMP信號抑制劑FK結(jié)合蛋白，逆轉(zhuǎn)了PAH肺動脈內(nèi)皮細胞功能失調(diào)的BMPR2信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[6]；有臨床試驗證實，低劑量FK506對PAH的安全性和耐受性較好[7]。

2 BMP9突變

對一項獨立的病例對照研究進行外顯子組基因負荷分析，總納入331例IPAH患者和10 508例對照者。研究人員進行功能評估以分析基因突變對蛋白質(zhì)生物合成和功能的影響。編碼人骨形態(tài)蛋白9(BMP9)基因被確定為一個新的遺傳基因位點。BMP9中罕見編碼突變發(fā)生在6.7%的病例中，功能研究表明，BMP9突變導(dǎo)致肺動脈內(nèi)皮細胞中BMP9分泌減少和抗凋亡能力受損[8]。我國也有研究顯示，BMP9的罕見有害變異與IPAH的發(fā)病呈強相關(guān)性,BMP9突變攜帶者體內(nèi)活性BMP9減少,BMP9突變可以影響B(tài)MP9的合成、分泌、轉(zhuǎn)錄后加工及對ACVRL1通道的活化能力。BMP9可能是IPAH新的致病基因[9]。

3 ACVRL1突變

遺傳性出血性毛細血管擴張(HHT)是一種遺傳性血管疾病，激酶1樣激活素受體(ACVRL1)是TGF-β1型受體的一種。HHT為常染色體顯性遺傳，對伴有PAH的HHT患者基因進行研究， ACVRL1基因和內(nèi)皮素(ENG)基因變異可能與PAH的發(fā)生存在關(guān)聯(lián)。ENG基因突變可導(dǎo)致HHT1型，ACVRL1基因突變可導(dǎo)致HHT2型。對HHT合并IPAH家系進行研究發(fā)現(xiàn)，ACVRL1突變可導(dǎo)致HHT患者合并IPAH。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)54種可導(dǎo)致2型HHT的ACVRL1突變,其中13種突變(占24%)可導(dǎo)致PAH的發(fā)生[10]。HHT的ACVRL1突變可以發(fā)生在基因全區(qū)域內(nèi),但是致PAH發(fā)病的基因突變基本局限于激酶活性區(qū)域。絕大多數(shù)ACVRL1突變是錯義突變，其中大約89%包含在重要的催化域內(nèi)，提示致病性高[5]。

4 SMAD家族基因突變

SMAD家族是TGF-β受體激酶的重要效應(yīng)分子，有實驗證實SMAD9基因突變明顯影響了SMAD轉(zhuǎn)錄活性；相比之下，SMAD1和SMAD4基因缺陷引起的轉(zhuǎn)錄激活抑制作用較輕[11]。最近研究顯示，SMAD3缺失在PAH中表現(xiàn)出一種新的病理機制，可促進血管細胞增殖，并通過心肌蛋白相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(myocardin-related transcription factor，MRTF)解除抑制人類肺血管平滑肌細胞(huPASMCs)的肥大[12]。

5 CAV1突變

小窩蛋白(caveolin 1，CAV1)首次被發(fā)現(xiàn)是通過對三代家族中4例PAH患者的外顯子組測序，因此認為CAV1的變異與PAH發(fā)病有關(guān)。目前發(fā)現(xiàn)的突變都隱藏在CAV1的末端外顯子中。已有研究表明，由于突變蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，導(dǎo)致腔內(nèi)合成作用明顯受損[13]。CAV1基因在肺動脈高壓中的作用機制逐漸被發(fā)現(xiàn)，有試驗提示內(nèi)皮細胞中富含CAV-1的細胞外泡脫落進入循環(huán)中引起CAV1減少,導(dǎo)致TGF-β信號異常,引起血管重構(gòu)及肺動脈高壓。此外,CAV1突變(c.474delA)導(dǎo)致SMAD1、SMAD5和SMAD8過度磷酸化，因此導(dǎo)致CAV1的抗增殖功能降低[14]。有試驗證實了骨髓間充質(zhì)干細胞(rBMSCs)突變的CAV-1(Cav1F92A)基因?qū)AH平滑肌細胞表型轉(zhuǎn)換的影響。Cav1F92A增加NO濃度,提高細胞黏附、細胞生存能力,增加了抗炎細胞因子白介素-4(IL-4)、IL-10，但降低炎性細胞因子IL-1α、干擾素-γ(IFN-γ)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)表達。Cav1F92A基因修飾的rBMSCs(Cav1F92Agene modified rBMSCs，rBMSCs/Cav1F92A)激活NO/cGMP通路,恢復(fù)細胞形態(tài),抑制細胞遷移。試驗認為rBMSCs/Cav1F92A可抑制細胞的遷移，促進細胞的形態(tài)恢復(fù)。rBMSCs/Cav1F92A可用于肺動脈高壓的治療[15]。rBMSC/Cav1F92A細胞可以激活eNOS/NO/sGC/cGMP/PKG-1 信號通路,上調(diào)Mst1表達，改善肺組織內(nèi)的氧化應(yīng)激狀態(tài)并抑制自噬激活,從而緩解PAH大鼠肺部血管重構(gòu)[16]。

6 KCNK3突變

PH敏感性鉀離子通道蛋白基因(KCNK3基因)突變與PAH相關(guān)。相關(guān)研究顯示，KCNK3突變導(dǎo)致鉀離子通道蛋白功能喪失，引起細胞膜去極化導(dǎo)致肺血管收縮，通過抑制凋亡導(dǎo)致肺血管重構(gòu)和肺血管增殖，與肺動脈高壓發(fā)病相關(guān)。Ma等[17]在2013年發(fā)現(xiàn)6種KCNK3突變，并證實了均為有害突變且與PAH發(fā)病相關(guān)。試驗表明突變導(dǎo)致通道功能喪失，可能導(dǎo)致靜息膜電位去極化。磷脂酶抑制劑處理后逆轉(zhuǎn)了細胞內(nèi)外鉀通道的電流減少。研究表明，細胞中cAMP濃度升高可以提高KCNK3的活性，從而達到治療肺動脈高壓的作用。在臨床研究中，曲前列環(huán)素可以提高細胞cAMP濃度從而激活KCNK3活性。內(nèi)皮素1抑制KCNK3的活性，使用Rho激酶(Rho associated kinase，ROCK)抑制劑可以減弱這一抑制作用。

7 ATP13A3突變

與陽離子運輸通道相關(guān)的ATP酶13A3(ATP13A3)是參與離子通道運輸?shù)腁TPases亞家族P5B的成員，在血管細胞中高度表達，并且參與PAH的發(fā)生[18]。在PAH中鑒定出的多個ATP13A3突變都聚集在催化磷酸化結(jié)構(gòu)域內(nèi)，這表明可能對蛋白質(zhì)功能產(chǎn)生重要影響。在一項干擾素β(IFN-β)治療PAH的研究中顯示，ATP13A3的變異可能引起肺動脈高壓易感性[19]。

8 SOX17突變

SOX17在血管生成過程(包括動靜脈分化和肺微脈管系統(tǒng)的發(fā)育)中是至關(guān)重要的,PAH存在SOX17靶基因中罕見有害變異的過度表達，表明該途徑在PAH病因?qū)W中的關(guān)鍵作用[20]。SOX17依賴于β聯(lián)蛋白的結(jié)合來激活靶基因的轉(zhuǎn)錄。一項全外顯子測序研究表明，SOX17突變是PAH相關(guān)性先天性心臟病的主要危險因素[21]。在0.7%的IPAH患者和3.2%的PAH相關(guān)性先天性心臟病患者中檢測到可能的致病變異。一項對日本HPAH或IPAH患者進行的類似研究確定了另外3個SOX17變異體[22]。

9 AQP1突變

肺動脈平滑肌細胞(PASMCs)的遷移和增殖是肺動脈重塑進而造成肺動脈高壓的主要病理基礎(chǔ)。水通道蛋白1(AQP1)具有促進上皮細胞、內(nèi)皮細胞遷移的作用。有試驗表明,缺氧可促進AQP1在肺動脈內(nèi)的表達[23],AQP1可通過β聯(lián)蛋白對PASMCs的增殖和遷移進行調(diào)節(jié)。AQP1水平的升高通過上調(diào)β聯(lián)蛋白，導(dǎo)致MYC原癌基因蛋白和cyclinD1的表達而促進PASMC的增殖和遷移[24]。全基因組基因負荷測試通過比較PAH患者和對照個體之間的變異頻率來鑒定新的基因變異，檢測出ATP13A3、AQP1和SOX17中罕見有害變異的統(tǒng)計學(xué)顯著富集, AQP1和SOX17突變攜帶者在診斷時年齡較小，推測PAH發(fā)病較早，為定向治療發(fā)展提供了新的靶點[25]。

10 常染色體隱性PAH的突變

目前肺動脈高壓臨床分類中，肺靜脈閉塞性疾病(PVOD)和肺毛細血管瘤病(PCH)屬于PAH亞組，PVOD和PCH均為常染色體隱性遺傳病。在對POVD進行的外顯子序列測定中，致病基因EIF2AK4在所有分析的家系(n=5)和25%散發(fā)性疾病(n=20)中均被檢出[26]。同時，Best等[27]在遺傳性和散發(fā)性PCH中獨立檢測到雙等位基因EIF2AK4突變。EIF2AK4的發(fā)現(xiàn)有助于PAH、PVOD和PCH的鑒別診斷。一項研究進一步證實了EIF2AK4突變在臨床PAH患者中的致病作用，該研究發(fā)現(xiàn)了9例具有雙等位基因的EIF2AK4變異。而且，攜帶有EIF2AK4突變的PAH患者年齡較小且其生存率降低。我國也報道了2例EIF2AK4基因檢測陽性并且診斷為肺靜脈閉塞病的案例[28]。

11 ABCC8/TBX4/GDF2突變

對BMPR2或ACVRL1基因突變陰性的PAH患者中發(fā)現(xiàn)了一個新的ABCC8基因變異[29]。在成纖維細胞樣細胞系中鑒定出ABCC8變體的表達降低了ATP敏感性鉀通道的功能，進一步表明ABCC可能是PAH的有害突變。用選擇性ABCC8激活劑二氮嗪對這些細胞的處理可使通道功能恢復(fù)到正常水平。在155例兒童期PAH和257例成人期PAH患者中進行了全外顯子組測序分析表明，與成年發(fā)作的IPAH隊列相比，兒童期發(fā)作的IPAH樣本組中發(fā)現(xiàn)TBX4(編碼T-box轉(zhuǎn)錄因子)的可能致病等位基因[30]。血漿生長分化因子2(GDF2)編碼BMP9，它是BMPR2的主要配體ACVRL1受體復(fù)合物和內(nèi)皮細胞遷移及生長的有效抑制劑。研究表明，GDF2突變會導(dǎo)致BMP9功能喪失， 這些突變導(dǎo)致BMP9和BMP10水平降低。 這些發(fā)現(xiàn)支持增強PAH中BMP9或BMP10信號傳導(dǎo)的治療策略[31]。

綜上所述，自從引入大規(guī)模并行測序技術(shù)以來，PAH的遺傳學(xué)已得到迅速發(fā)展，該技術(shù)支持同時評估多個基因的基因組變異。BMP信號的失調(diào)仍然是PAH發(fā)展的主要危險因素，而BMPR2單倍體劑量功能不足作為疾病的主要分子機制，正在發(fā)展為靶向治療方案。持續(xù)的基因發(fā)現(xiàn)及對新發(fā)現(xiàn)基因的突變篩選在未來將有可能實現(xiàn)分子檢測PAH。目前研究強調(diào)了在將基礎(chǔ)遺傳學(xué)研究轉(zhuǎn)化為潛在治療模式方面取得的巨大進展。雖然目前直接糾正潛在突變?nèi)匀痪哂刑魬?zhàn)性，但基因編輯技術(shù)的快速發(fā)展使肺血管內(nèi)的靶向突變糾正成為可能。