長QT綜合征的遺傳學(xué)研究進(jìn)展

王丹穎，張艷敏

(1.西安醫(yī)學(xué)院，陜西 西安 710068；2.西安交通大學(xué)附屬兒童醫(yī)院 西安市兒童醫(yī)院心內(nèi)科陜西省兒科疾病研究所 西安市兒童健康與疾病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710003)

長QT綜合征(long QT syndrome，LQTS)是以心電圖QT間期延長，可發(fā)生尖端扭轉(zhuǎn)性室性心動過速、室顫等惡性心律失常，并以發(fā)作性暈厥和心源性猝死為臨床特征的遺傳性心臟離子通道病，發(fā)病率約為1∶2 000[1]，其是兒童和青少年心臟結(jié)構(gòu)正常發(fā)生心源性暈厥和猝死的重要原因之一。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)其有15個致病基因，主要是編碼心臟離子通道及其相關(guān)蛋白的基因，因此將這類疾病統(tǒng)稱為心臟離子通道病。LQTS的遺傳方式主要為常染色體顯性遺傳，以及常染色體隱性遺傳，即伴有耳聾的Jervell和Lange-Nielsen綜合征。在迄今發(fā)現(xiàn)的15個LQTS相關(guān)致病基因中，有超過1 400多個突變位點(diǎn)，包括錯義突變、移碼突變、框內(nèi)缺失、義突變和剪接突變等突變類型。LQT1、LQT2和LQT3為最常見的LQTS亞型，約占80%。LQT1和LQT2分別為編碼心臟緩慢延遲整流鉀電流(IKs)通道和快速延遲整流鉀電流(IKr)通道α亞基的KCNQ1和KCNH2基因突變，LQT3為編碼心臟電壓門控鈉通道(Nav1.5) α亞基的SCN5A基因突變，見表1。

表1 LQTS致病基因總結(jié)

心肌細(xì)胞靜息電位大約在-85mV，主要由內(nèi)向整流鉀電流(IK1)引起的K+平衡電位產(chǎn)生。Nav1.5激活后導(dǎo)致Na+內(nèi)流(INa)引起膜去極化，當(dāng)膜電位大約在-40mV時，電壓門控L型鈣通道開始開放，引起Ca2+緩慢而持久地內(nèi)流。在動作電位快速去極化時，包括IKs和IKr的延遲整流鉀電流開始緩慢激活，當(dāng)細(xì)胞膜電位達(dá)到+30mV時，INa完全失活。在動作電位平臺期，Ca2+內(nèi)流主要被IKs和IKr的外向鉀電流平衡，隨著鈣通道的失活和K+持續(xù)外流，心肌細(xì)胞逐漸恢復(fù)到靜息電位。在LQTS患者中，基因突變通過相應(yīng)的心臟離子通道功能獲得(gain of function)或者功能喪失(loss of function)，導(dǎo)致心肌細(xì)胞動作電位時程(action potential durations，APDs)延長，心室肌細(xì)胞繼發(fā)早期后除極(early afterdepolarizations，EADs)或延遲后除極(delayed afterdepolarizations，DADs)，從而誘發(fā)尖端扭轉(zhuǎn)型室速，進(jìn)一步惡化為心室顫動和心源性猝死?，F(xiàn)就LQTS的致病基因、突變類型及發(fā)病機(jī)制進(jìn)行綜述。

1關(guān)于LQT1

1.1 LQT1的致病基因

LQT1的致病基因是KCNQ1，位于染色體11p15.5，包含16個外顯子，長約400kb，編碼IKs通道的α亞基，該亞基共676個氨基酸。IKs是一種具有獨(dú)特動力學(xué)(激活緩慢)和電壓依賴性的外向鉀電流，在心臟動作電位的復(fù)極化中起著關(guān)鍵作用。IKs在交感神經(jīng)興奮時受β腎上腺素刺激上調(diào)，從而控制心肌動作電位時程。

1.2 LQT1的發(fā)病機(jī)制

目前已發(fā)現(xiàn)超過500種LQTS相關(guān)的致病突變，包括錯義突變、無義突變、剪接突變、移碼突變和片段缺失。不同突變通過：①降低IKs通道對K+的通透性[2]，如T322A、T322M、G325R突變；②影響IKs門控特性，如D202H突變；③IKs通道蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞膜障礙[3]，如Y111C、L114P、P117L突變；④影響IKs通道與β亞基KCNE1之間的相互作用[4]，如S546L、K557E突變；⑤依賴cAMP的蛋白激酶A(cAMP-dependent protein kinase A，PKA)介導(dǎo)的信號通路受損，如G189R、R190Q、R243C、V254M突變；⑥降低通道與4,5-二磷酸酯酰肌醇(phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate，PIP2)的親和力，如R539W、R555C突變；⑦減弱與鈣調(diào)蛋白的結(jié)合，如S373P、W392R突變等導(dǎo)致IKs通道功能喪失(loss of function)，在心室肌細(xì)胞復(fù)極時K+外流減慢，導(dǎo)致復(fù)極時間延長，心電圖表現(xiàn)為QT間期延長。

2關(guān)于LQT2

2.1 LQT2的致病基因

LQT2的致病基因是KCNH2，位于染色體7q35～36，包含16個外顯子，長約19kb，編碼IKr通道的α亞基，該亞基共1 159個氨基酸。IKr通道是心肌細(xì)胞動作電位復(fù)極的主要離子通道。IKr通道的獨(dú)特動力學(xué)在于其相對緩慢的激活和滅活，快速失活及從失活中快速恢復(fù)。

2.2 LQT2的發(fā)病機(jī)制

目前已發(fā)現(xiàn)超過700個LQTS相關(guān)致病突變，包括錯義突變、無義突變、剪接突變、移碼突變和片段缺失。突變導(dǎo)致IKr通道功能喪失，包括：①減少IKr通道蛋白的合成，如R1014X突變；②通道蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)障礙，如Y611H和V822M突變；③影響門控特性，如T613A突變；④對K+的通透性降低[5]，如G628S突變等導(dǎo)致IKr通道功能喪失，在心室肌細(xì)胞復(fù)極時K+外流減慢，導(dǎo)致復(fù)極時間延長，心電圖表現(xiàn)為QT間期延長。

3關(guān)于LQT3

3.1 LQT3的致病基因

LQT3的致病基因是SCN5A，位于染色體3p21～24，包含28個外顯子，長約80kb，編碼心肌細(xì)胞膜Navl.5的α亞基并產(chǎn)生除極電流，該亞基共2 016個氨基酸。Nav1.5主要參與心肌動作電位0期除極和傳導(dǎo)，是維持心肌細(xì)胞正常興奮性和傳導(dǎo)性的重要離子通道。

3.2 LQT3的發(fā)病機(jī)制

目前發(fā)現(xiàn)200多種LQT3相關(guān)致病突變，包括錯義突變、框內(nèi)缺失突變和插入突變等。主要發(fā)病機(jī)制為產(chǎn)生持續(xù)的晚鈉電流(INa.L)：①通過增加Navl.5通道INa.L導(dǎo)致心肌細(xì)胞復(fù)極延長，如ΔKPQ(1 505～1 507)缺失突變導(dǎo)致Navl.5通道失活減慢，表現(xiàn)為持續(xù)開放，INa.L增加；②通道延遲再開放，如R1623Q突變；③依賴cAMP的PKA介導(dǎo)的磷酸化致INa.L增加[6]，如D1790G突變等，或者在沒有持續(xù)INa.L產(chǎn)生的情況下發(fā)生的異常Na+傳導(dǎo)，如G1631D突變增大“窗口電流”和I1768V突變引起的非平衡門控受損，導(dǎo)致鈉通道(Navl.5)功能增加(gain of function)。持續(xù)的INa.L導(dǎo)致心肌細(xì)胞動作電位平臺期延長，使APD延長，心電圖則表現(xiàn)為T波延遲，QT間期延長。

4關(guān)于LQT4

4.1 LQT4的致病基因

LQT4的致病基因是ANK2，位于染色體4q25～27，包含46個外顯子，長約350kb，編碼錨蛋白B，共3 957個氨基酸。ANK2基因突變不僅表現(xiàn)為LQTS，還引起其它臨床表型，包括竇房結(jié)病變、心房顫動、多形室性心律失常、暈厥甚至猝死等，稱為錨蛋白B綜合征。

4.2 LQT4的發(fā)病機(jī)制

錨蛋白B作為銜接蛋白與Na+/K+-ATP酶(Na+/K+-ATPase)、Na+/Ca+交換器(Na+/Ca2+exchanger，NCX)及1、4、5-三磷酸肌醇受體(IP3receptor，IP3R)相結(jié)合，形成膜蛋白復(fù)合物，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)鈣釋放。另外，研究證明錨蛋白B在心臟組織中參與調(diào)節(jié)Nav1.5、ATP門控鉀通道及Ryanodine受體[7]。目前已發(fā)現(xiàn)超過20種ANK2基因突變引起LQT4，不同基因突變通過影響多種離子通道功能，導(dǎo)致APD延長，心電圖QT間期延長。

5關(guān)于LQT5

5.1 LQT5的致病基因

LQT5的致病基因是KCNE1，位于染色體21q22.12，包含3個外顯子，長約40kb，編碼Mink蛋白，共129個氨基酸，作為輔助性β亞基與KCNQ1編碼IKs通道的α亞基共同組成IKs通道。

5.2 LQT5的發(fā)病機(jī)制

目前已發(fā)現(xiàn)超過30多個致病突變，包括錯義突變、無義突變和移碼突變等類型。不同突變通過：①影響IKs門控特性[8]，如D76N突變；②IKs通道蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)至心肌細(xì)胞膜受損[3]，如L51H突變；③PKA介導(dǎo)的信號通路障礙，如D76N、P127T突變；④β亞基與α亞基之間的結(jié)合作用受損[4]等不同機(jī)制導(dǎo)致IKs通道功能喪失，在心室肌細(xì)胞復(fù)極時K+外流減慢，導(dǎo)致復(fù)極時間延長，心電圖表現(xiàn)為QT間期延長。

6關(guān)于LQT6

6.1 LQT6的致病基因

LQT6的致病基因是KCNE2，位于染色體21q22.12，包含3個外顯子，長約40kb，編碼Mink相關(guān)蛋白1(MiRP1)，共123個氨基酸，作為輔助性β亞基與KCNH2編碼的IKr通道α亞基共同組成IKr通道。此外，KCNE2也參與調(diào)控IKs、起搏電流(If)、瞬時外向鉀電流(Ito)。

6.2 LQT6的發(fā)病機(jī)制

目前至少發(fā)現(xiàn)有20個LQTS相關(guān)致病突變，包括錯義突變和移碼突變。目前研究發(fā)現(xiàn)，如V65M突變加速通道失活及T10M突變減緩?fù)ǖ缽氖Щ钪谢謴?fù)，通過影響IKr通道的門控特性導(dǎo)致IKr通道功能喪失，在心室肌細(xì)胞復(fù)極時K+外流減慢，導(dǎo)致復(fù)極時間延長，心電圖表現(xiàn)為QT間期延長[9]。

7關(guān)于LQT7

LQT7又稱Andersen-Tawil綜合征(andersen-tawil syndrome，ATS)，主要的臨床特征包括發(fā)育異常(低位耳、眼距過寬、下頜骨發(fā)育不全)、心律失常和周期性麻痹。

7.1 LQT7的致病基因

LQT7的致病基因是KCNJ2，位于染色體17q23，包含2個外顯子，長約15kb，編碼內(nèi)向整流鉀通道2蛋白(Kir2.1)，共428個氨基酸，是介導(dǎo)內(nèi)向整流鉀電流IK1的主要鉀通道。IK1的內(nèi)向整流特性是心肌細(xì)胞動作電位平臺期持續(xù)時間較長的重要原因。

7.2 LQT7的發(fā)病機(jī)制

目前已發(fā)現(xiàn)超過70種致病突變導(dǎo)致Kir2.1通道功能喪失。KCNJ2突變導(dǎo)致ATS，幾乎所有突變具有負(fù)顯性抑制效應(yīng)。不同突變通過：①降低通道與PIP2的親和力，如R218W突變、G300D突變；②減少通道向細(xì)胞表面轉(zhuǎn)運(yùn)，如Δ312～314突變等不同機(jī)制導(dǎo)致Kir2.1通道功能喪失，心肌細(xì)胞動作電位平臺期延長，使APD延長，心電圖則表現(xiàn)為QT間期延長。然而，至少發(fā)現(xiàn)6種致病突變沒有典型的ATS臨床表現(xiàn)，僅表現(xiàn)為LQTS[10]。

8關(guān)于LQT8

LQT8又稱Timothy綜合征(timothysyndrome，TS)，臨床表現(xiàn)為多器官異常，心電圖QT間期延長是TS必有的特征，其他常見的臨床表現(xiàn)有并指/趾，孤獨(dú)癥譜系障礙、面容異常、動脈導(dǎo)管未閉、竇緩、房室阻滯、室速等。

8.1 LQT8的致病基因

LQT8的致病基因是CACNA1C，位于染色體12p13.3，包含47個外顯子，長約650kb，編碼L型電壓門控鈣通道α1C亞基(Cav1.2)，該亞基共2 138個氨基酸。L型鈣電流是心肌細(xì)胞動作電位平臺期的主要去極化電流。Ca2+緩慢而持久地內(nèi)流，引起細(xì)胞內(nèi)連接肌質(zhì)網(wǎng)釋放Ca2+，從而觸發(fā)心肌細(xì)胞的興奮-收縮耦聯(lián)。

8.2 LQT8的發(fā)病機(jī)制

研究發(fā)現(xiàn)G406R突變和G402S突變通過減慢L型鈣電流電壓依賴性失活，導(dǎo)致通道功能增加，I1166T突變雖然對通道失活影響甚微，但是會增加“窗口電流”導(dǎo)致通道功能增加[11]。Ca2+緩慢而持久地內(nèi)流，導(dǎo)致心肌細(xì)胞動作電位平臺期延長，心肌細(xì)胞APD延長，心電圖則表現(xiàn)為QT間期延長。目前還發(fā)現(xiàn)至少有10多種致病突變，盡管無典型的TS臨床表現(xiàn)，但仍表現(xiàn)為QT間期延長及可能伴發(fā)的致命性心律失常[10]。

9關(guān)于LQT9

9.1 LQT9的致病基因

LQT9的致病基因是CAV3，位于染色體3p25，包含2個外顯子，長約12kb，編碼小凹蛋白3，共151個氨基酸。小凹是細(xì)胞膜上一種富含膽固醇和鞘脂類的內(nèi)陷結(jié)構(gòu)，小凹蛋白是小凹重要的功能蛋白。目前發(fā)現(xiàn)有3種小凹蛋白，其中在心臟組織中表達(dá)最豐富的是小凹蛋白3。小凹蛋白3調(diào)節(jié)暫時聚集在小凹的多種信號分子及其轉(zhuǎn)導(dǎo)，維持心臟組織的正常功能[12]。

9.2 LQT9的發(fā)病機(jī)制

目前已發(fā)現(xiàn)至少6種致病突變，研究表明這些突變可產(chǎn)生持續(xù)的INa.L[13]。然而，F(xiàn)97C和S141R突變對L型Ca2+電流(ICaL)和Ito產(chǎn)生影響，從而延長動作電位。

10關(guān)于LQT10

10.1 LQT10的致病基因

LQT10的致病基因是SCN4B，位于染色體11q23.3，包含5個外顯子，長約20kb，編碼Nav1.5β4亞基。目前已發(fā)現(xiàn)Nav1.5的β亞基有5種亞型，分別為β1、β2、β3、β4及β1B，且都在心臟表達(dá)。這些β亞基均參與調(diào)控Nav1.5通道α亞基的生物電學(xué)特性，調(diào)節(jié)Nav1.5通道與其他相關(guān)蛋白的相互作用[14]。

10.2 LQT10的發(fā)病機(jī)制

研究發(fā)現(xiàn)L179F突變可引起INa.L和“窗口電流”明顯增加[15]。另外，SCN4B的突變也與嬰兒猝死綜合征(sudden infant death syndrome，SIDS)有關(guān)。研究表明與SIDS相關(guān)的S206L突變引起INa.L明顯增加[16]。持續(xù)的INa.L導(dǎo)致心肌細(xì)胞動作電位平臺期延長，使APD延長，心電圖則表現(xiàn)為T波延遲，QT間期延長。

11關(guān)于LQT11

11.1 LQT11的致病基因

LQT11的致病基因是AKAP9，位于染色體7q21～22，包含50個外顯子，長約170kb，編碼A型激酶錨定蛋白9，共3 907個氨基酸。目前已發(fā)現(xiàn)AKAP9有4種不同剪接體亞型，其中Yotiao蛋白作為支架蛋白在心臟與IKs通道相連，同時與依賴cAMP的PKA、腺苷酸環(huán)化酶等蛋白激酶，共同形成了IKs通道復(fù)合物。

11.2 LQT11的發(fā)病機(jī)制

有研究證實(shí)，AKAP9位點(diǎn)突變使IKs通道磷酸化障礙[17]，IKs功能喪失導(dǎo)致心室肌細(xì)胞復(fù)極時K+外流減慢，導(dǎo)致復(fù)極時間延長，心電圖表現(xiàn)為QT間期延長。目前至少發(fā)現(xiàn)5種致病錯義突變。

12關(guān)于LQT12

12.1 LQT12的致病基因

LQT12的致病基因是SNTA1，位于染色體20q11.2，包含8個外顯子，長約35kb，編碼α1-互生蛋白(syntrophin-α1，SNTA1)，共505個氨基酸。SNTA1屬于抗肌萎縮蛋白相關(guān)蛋白家族成員，是骨骼肌和心肌細(xì)胞表達(dá)的主要亞型。SNTA1直接與Nav1.5通道相互作用，作為支架蛋白，同時又與神經(jīng)性一氧化氮合酶(nNOS)、細(xì)胞膜鈣ATP酶(PMCA4b)相互結(jié)合，構(gòu)成Nav1.5通道復(fù)合體。

12.2 LQT12的發(fā)病機(jī)制

目前已發(fā)現(xiàn)的錯義突變A257G，通過增加峰鈉電流密度，使Nav1.5功能增加。研究發(fā)現(xiàn)多態(tài)性SNTA1-P74L使SNTA1-A257G突變發(fā)生的峰鈉電流密度增加，結(jié)果產(chǎn)生相反改變，解釋了A257G與多態(tài)性P74L共表達(dá)并無LQTS的臨床特征[18]。研究表明SCN5A-R800L和SNTA1-A261V共表達(dá)使INa.L增加[19]。

13關(guān)于LQT13

13.1 LQT13的致病機(jī)制

LQT13的致病基因是KCNJ5，位于染色體11q24，包含3個外顯子，長約30kb，編碼乙酰膽堿敏感性鉀通道(IKACh)的Kir3.4亞基，該亞基共419個氨基酸。當(dāng)副交感神經(jīng)興奮時，IKACh通過G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptor，GPCR)介導(dǎo)，從而減慢心律，IKACh不僅存在于竇房結(jié)、房室結(jié)及心房，也在心室表達(dá)。

13.2 LQT13的發(fā)病機(jī)制

目前已發(fā)現(xiàn)KCNJ5的錯義突變G387R，降低IKACh通道蛋白亞基向細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致電流波幅降低，延長心室肌動作電位，心電圖表現(xiàn)為QT間期延長。

14關(guān)于LQT14和LQT15

14.1 LQT14和LQT15的致病基因

LQT14的致病基因是CALM1，位于染色體14q32.11，包含6個外顯子，長約11kb，編碼鈣調(diào)蛋白，共149個氨基酸。LQT15的致病基因是CALM2，位于染色體2p21，包含6個外顯子，長約16kb，編碼鈣調(diào)蛋白，共149個氨基酸。

14.2 LQT14和LQT15的發(fā)病機(jī)制

目前已發(fā)現(xiàn)有3種基因CALM1、CALM2、CALM13編碼同一鈣調(diào)蛋白。鈣調(diào)蛋白為介導(dǎo)細(xì)胞鈣信號傳導(dǎo)的鈣結(jié)合蛋白，在L型鈣通道的鈣依賴性失活[20]和Nav1.5通道失活[21]，以及KCNQ1的轉(zhuǎn)運(yùn)和組裝中發(fā)揮重要作用[22]。LQTS相關(guān)突變降低了鈣調(diào)蛋白對Ca2+的親和力，導(dǎo)致心臟L型鈣通道的失活障礙[23]，平臺期內(nèi)向電流增加，使APD延長，心電圖則表現(xiàn)為QT間期延長。

15關(guān)于Jervell和Lange-Nielsen綜合征

不同于其他常染色體顯性遺傳，Jervell和Lange-Nielsen綜合征(Jervell and Lange-Nielsen syndrome，JLNS)屬于常染色體隱性遺傳病，主要臨床表現(xiàn)是雙耳先天性重度感音神經(jīng)性耳聾及以QT間期延長為主的心律失常，可導(dǎo)致暈厥甚至猝死[24]。

15.1 JLNS的致病基因

JLNS1的致病基因是KCNQ1，并且在已發(fā)現(xiàn)的500多種KCNQ1致病突變中，有將近30種與JLNS1有關(guān)；JLNS2的致病基因是KCNE1，并且已發(fā)現(xiàn)至少有4種致病突變與JLNS2有關(guān)。張文娟等(2019年)研究認(rèn)為大多數(shù)病例的突變類型為缺失突變。

15.2 JLNS的發(fā)病機(jī)制

KCNQ1和KCNE1編碼心臟和耳蝸中IKs通道的α和β亞基。正常聽力需要維持內(nèi)耳淋巴液中的高鉀濃度，而富含K+的內(nèi)淋巴液正是由IKs通道產(chǎn)生的。突變使耳蝸中的IKs通道異常導(dǎo)致耳聾。心臟中IKs通道功能喪失導(dǎo)致心室復(fù)極化延長，表現(xiàn)為心電圖上QT間期延長。

綜上所述，LQTS作為單基因疾病，是遺傳與基因組學(xué)指導(dǎo)的危險分層、精準(zhǔn)治療、精準(zhǔn)預(yù)防的典范。隨著遺傳學(xué)研究的不斷發(fā)展，LQTS的基因診斷和發(fā)病機(jī)制研究取得了重大進(jìn)步，除已發(fā)現(xiàn)的15個LQTS及JLNS的致病基因，新的LQTS亞型、致病機(jī)制將會不斷被發(fā)現(xiàn)。對離子通道病和其他致心律失常突變病理、生理機(jī)制的深入研究有助于闡明LQTS的分子基礎(chǔ)和LQTS基因型與表型的相關(guān)性，為進(jìn)一步深入對LQTS發(fā)病機(jī)制的研究，以及對LQTS患者的基因特異性精準(zhǔn)治療策略提供新的思路。