先天性心臟病家系中相關易感基因的研究進展

艾克拜·艾散，陳鈾

(新疆醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院心臟中心，烏魯木齊 830011)

先天性心臟病(congenital heart disease，CHD)是胎兒心臟和大血管在子宮內發(fā)育異常所造成的出生缺陷，其發(fā)病率較高。雖然隨著醫(yī)療環(huán)境的持續(xù)改善，CHD患者的存活率大幅度提升[1]，但CHD仍是導致嬰幼兒死亡的重要原因[2]。CHD每年導致約300萬嬰兒死亡[3-4]，截至2015年全球有4 886.91萬人患有CHD[5]。據(jù)報道，全球CHD的患病率仍呈持續(xù)上升趨勢[6-7]。遺傳和環(huán)境因素聯(lián)合作用導致CHD。隨著基因測序和分子生物學技術的發(fā)展，越來越多的研究認為遺傳因素在CHD中發(fā)揮關鍵作用[8-10]。CHD具有一定的家族傾向趨勢，CHD家系中的嬰兒患病率較普通人高[11]，患有CHD的母親所生嬰兒患CHD的概率是心臟健康母親的3倍[12]。在家族性CHD患者中，有31%～46%的機會可以識別因果遺傳突變[8]。為探究CHD的復發(fā)模式，研究者們調查了1 163例CHD患者家庭中共3 080例經(jīng)臨床確診的個體，結果發(fā)現(xiàn)CHD家系中表現(xiàn)出的表型多樣性頻率高于單一性頻率，這表明家系中的CHD遵循特定的復發(fā)模式，而家系中的共同畸形是由共享易感基因引起，受基因調控機制的影響[12]。因此，CHD家系非常適合作為研究CHD發(fā)病分子機制的研究對象。目前文獻已報道包括編碼轉錄因子、細胞信號轉導子和染色質修飾劑在內的400個基因突變與CHD的發(fā)生密切相關[8,13-14]，如NKX2.5、GATA4、TBX5、ZIC3、NOTCH1等?，F(xiàn)就CHD家系中相關易感基因的研究進展予以綜述。

1 染色體異常與CHD

染色體異常是綜合征型CHD的常見病因。染色體異常不僅表現(xiàn)為心臟畸形，還伴有全身各系統(tǒng)或器官的結構異常。約30%染色體異常的兒童患CHD，尤其在非整倍體和染色體數(shù)目異常者中更多見，而CHD患兒的25%～40%通常合并其他臟器畸形或被明確診斷為各種綜合征[15]。

1.1染色體核型異常與CHD 染色體核型異常引起的CHD多表現(xiàn)為綜合征型。不同的綜合征表現(xiàn)出不同表型的心臟畸形。如Down綜合征伴發(fā)完全性房室間隔缺損、室間隔缺損(ventricular septal defect，VSD)、房間隔缺損(atrial septal defect，ASD)、動脈導管未閉(patent ductus arteriosus，PDA)等；Edward綜合征可出現(xiàn)VSD、PDA、ASD等；13-三體綜合征出現(xiàn)的心臟缺陷包括VSD、PDA、ASD、肺動脈狹窄(pulmonary stenosis，PS)等?，F(xiàn)已知40%～50%的Down綜合征患兒的心臟畸形表現(xiàn)為VSD、ASD或房室管畸形，而幾乎所有的Edward綜合征患兒均伴有CHD[11]。約50%的女性Turner綜合征患者可合并CHD，表現(xiàn)為左側心臟結構異常，如二葉式主動脈瓣、主動脈縮窄、主動脈瓣下阻塞和左心發(fā)育不良綜合征[15-16]。

1.2染色體微缺失與CHD 染色體微缺失可導致心血管畸形，如DiGeorge綜合征、Williams綜合征等。其中，DiGeorge綜合征最為常見。其第22號染色體的長臂著絲粒端22q11.21～22q11.23微片段缺失，大小為1 500～3 000 kb，該缺失片段有TBX1、CRKL、MAPK1等30多個基因[17]。DiGeorge綜合征患者中60%～80%患有CHD[18]，其中圓錐動脈干畸形為最常見，包括法洛四聯(lián)癥(tetralogy of fallot，TOF)、主動脈弓離斷、肺動脈閉鎖伴VSD、永存動脈干(persistent truncus arteriosus，PTA)。在家族性CHD病例中大多數(shù)染色體微缺失是新生的，但6%～28%的CHD患者的22q11.2微缺失是從上一代以常染色體顯性方式遺傳的[9]。有研究者通過結合先前的研究結果統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，57%的22q11.2微缺失起源于母親[19]。隨著Fish技術的發(fā)展，7q11.23染色體微缺失也被檢測到，稱為Williams綜合征[20]，其中主動脈瓣上狹窄和周圍 PS為最常見的心血管畸形，分別占45%和37%，其他常見病變包括瓣膜上PS、二尖瓣脫垂和VSD等。85%～97%的Alagille綜合征患兒中存在周圍PS、ASD、VSD和TOF等心血管畸形，其中周圍PS最為常見[21]。此外，由5號染色體短臂缺失引起的5P綜合征雖不常見，但據(jù)Hills等[22]報道約50%的5P綜合征患者合并CHD，且以左向右分流型多見，如PDA、VSD、ASD，其次也可合并TOF、肺動脈閉鎖、PS、右心室雙出口等。除上述缺失外，1p36、8p23.1、7q11.23、1q21.1、9q34.3等基因組的缺失也是導致CHD的重要原因[23]。

2 單基因突變與CHD

單基因突變可導致綜合征型和非綜合征型CHD。導致CHD的單基因突變大多發(fā)生在對胎兒發(fā)育有較大影響的重要基因上，因此它引起的不僅是心臟畸形，還伴隨其他系統(tǒng)的結構和功能異常，表現(xiàn)為綜合征型CHD，如Nonan、Holt-Oram、Marfan、Alagille、Adams-Oliver綜合征等，這些綜合征型CHD家系對心臟關鍵調控基因和致病基因的研究具有重要作用。非綜合征型CHD的發(fā)生與單個轉錄因子和信號通路相關的單基因的突變有關，這些單基因在復雜的調控過程中與環(huán)境一起發(fā)揮作用，致單純心臟發(fā)育畸形。然而，關于非綜合征型CHD發(fā)病機制的研究較少。

2.1單基因突變與非綜合征型CHD 單基因突變導致的非綜合征型CHD是散發(fā)的。這類患者的同胞或子代CHD的發(fā)病率較高。近年來，學者不斷研究發(fā)現(xiàn)了一些非綜合征型CHD家系相關基因，這些基因在心臟調控發(fā)育過程發(fā)揮重要作用。

2.1.1NK基因家族 與人類CHD相關的NK基因家族成員主要包括NKX2.5和NKX2.6。其中，稱為心臟特異性編碼同源盒轉錄因子的NKX2.5基因與多種CHD的發(fā)生相關。NKX2.5基因被認為是胚胎進化過程中重要的心臟標志物易感基因[24]，是位于5q34～35的同源盒基因，也是目前研究最廣泛的心臟調控基因。該基因的突變常見于ASD、VSD、TOF、主動脈縮窄、肺動脈閉鎖等。與非家族性CHD相比，家族性CHD中NKX2.5基因突變的發(fā)生率明顯升高[25-26]。Prendiville等[25]在研究一個CHD家系時發(fā)現(xiàn)，患者均存在NKX2.5基因的錯義突變c.325G>T，提示基因突變可能改變基因的功能，同時也表明基因型相同的患者臨床表型可能不同。Elles?e等[26]對39例家族性CHD患者進行了NKX2-5基因的突變篩查，并在一個三代常染色體顯性CHD的家族中確定了新的NKX2.5基因突變，該突變?yōu)镹KX2.5基因外顯子1位置112處的單個核苷酸缺失，不同于既往報道的59種NKX2.5基因突變。研究證實，NKX2.5基因突變可發(fā)生于各種類型的CHD，其中散發(fā)CHD或VSD家系中均被報道NKX2.5基因突變[9]。有學者對210例VSD患者的NKX2.6基因進行了測序，結果在其中1例VSD患者中發(fā)現(xiàn)新雜合子NKX2.6基因突變p.K152Q，該突變與VSD共軛，具有常染色體顯性遺傳特性，而這種突變在對照染色體中不存在[27]。

2.1.2GATA基因家族 目前發(fā)現(xiàn)能引起CHD的GATA基因家族成員有GATA4、GATA5、GATA6。其中，GATA4基因參與調節(jié)心臟結構基因的表達，并通過其結構與NKX2.5、TBX5等心臟特異性轉錄因子之間發(fā)生相互作用，實現(xiàn)轉錄調控。Garg等[28]首次報道在獨立的ASD家系中發(fā)現(xiàn)GATA4基因的雜合錯義突變G296S，該突變會影響GATA4基因的轉錄活性，從而破壞GATA4基因和TBX5基因之間的相互作用。Zhang等[29]在7例CHD患者的三代家系中對NKX2-5、HAND1和GATA4等基因編碼區(qū)域進行了排序，結果在GATA4基因中發(fā)現(xiàn)了一個可能導致該家系CHD的新突變。Pulignani等[30]報道的5例ASD家系遺傳檢測數(shù)據(jù)表明，GATA4基因或NKX2.5基因突變在CHD家系病例中非常罕見。唐胤等[31]對GATA4基因NLS區(qū)域M310V基因突變引起的ASD家系的發(fā)病機制進行了深入研究，結果表明M310V基因突變影響了α肌球蛋白重鏈啟動子和GATA4基因核蛋白，這可能是導致該家系ASD的發(fā)病機制之一。一項研究對52例具有家族性TOF的先證者進行了GATA4基因測序，并在3例先證者中鑒定出了3個新的雜合突變(A9P、L51V和N285S)，深入進行功能分析表明，GATA4基因突變與DNA結合親和力和轉錄活性降低相關，N285S突變完全破壞了GATA4基因和TBX5基因之間的相互作用，該研究首次提出GATA4基因功能喪失突變與家族性TOF相關[32]。Kalayini等[33]對66例家族性CHD患者進行了染色體分析和GATA4基因突變體篩選，共檢測到12個GATA4基因突變體，包括5個內含子、2個外顯子和3個多態(tài)性，以及2個錯義突變，即c.1220C>A和c.1309G>A，并首次報道了與c.1309G>A相關的CHD，且還報道了一種新型的從頭平衡易位46，XY，t(5; 7)(qter13; qter11)。目前，關于GATA6基因突變的報道雖然較少，但其可導致嚴重的心臟畸形即PTA。一項研究檢測并證實了一個PTA家族中的GATA6基因突變E486del[34]。

2.1.3T-box基因家族 在胚胎發(fā)育、心肌細胞增殖、心腔的形成、瓣膜的發(fā)育及心臟傳導系統(tǒng)分化過程中，T-box基因家族及其轉錄因子發(fā)揮重要作用。目前研究發(fā)現(xiàn)，T-box有7個亞型基因在心臟中表達[35]，其中研究最多也較成熟的基因有TBX1、TBX2、TBX5和TBX20。TBX1基因位于第22號染色體(22q11.21)，其缺乏或突變可導致心臟流出道和主動脈弓異常，同時也與DiGeorge綜合征有關，約75%的患者會出現(xiàn)心臟流出道及主動脈弓畸形[36]。TBX5基因突變是人類心臟間隔缺損中發(fā)現(xiàn)的首個基因突變。該基因位于第12號染色體(12q24.1)，主要通過其特定的T-box結構與下游基因相結合，在心臟間隔形成中起關鍵調控作用[37]。Holt-Oram綜合征是由TBX5轉錄因子基因突變所致，Patel等[38]在對一個由9個受影響的個體組成的5代非典型Holt-Oram綜合征家系調查中報告了既往在Holt-Oram綜合征中很少報道的完全性房室間隔缺損、左心發(fā)育不良綜合征、PS等心臟缺陷，他們對該家系基因進行的進一步陣列比較基因組雜交顯示，TBX5基因在12q24.21有48 kb的重復，這是目前關于TBX5基因內復制及其臨床效應的首次報道。TBX20基因突變存在于常染色體顯性遺傳的心臟間隔缺損家系中[15]，可導致多種心臟畸形。Huang等[39]對175例CHD患者的TBX20基因進行序列分析，在具有CHD家族史的TOF患者基因中發(fā)現(xiàn)了一種新的序列突變，進一步對先證者現(xiàn)有家庭成員進行遺傳分析發(fā)現(xiàn)，其父親、哥哥和兒子也患有TOF。該研究首次將TBX20基因功能缺失突變與家族性TOF聯(lián)系起來，為CHD的分子發(fā)病機制提供了新見解。

2.1.4ZIC基因家族 ZIC3基因是ZIC基因超家族的成員，位于X染色體上，是第一個明確與人類異位綜合征相關的基因。ZIC3基因參與調節(jié)左右對稱性發(fā)育，其遺傳伴隨X染色體。目前研究已證實該基因突變或功能缺失導致內臟異位和孤立性的CHD，如大動脈的異位和右心室雙出口等[40]。研究者通過Sanger測序對CHD家系中鑒定出的變異體進行了確認，在1例男性患者的ZIC3基因中發(fā)現(xiàn)了一個新的突變(c.890G>T，p.C297F)，該突變遺傳于其母親[40]。Cowan等[41]在由440例內臟移位CHD患者組成的迄今最大的隊列研究中驗證了11種ZIC3基因突變，其中4種與CHD家系有關。D′Alessandro等[42]在五代右位心家系中發(fā)現(xiàn)了ZIC3基因的一個錯義突變繼發(fā)的X連鎖內臟異位，縱向隨訪發(fā)現(xiàn)，該家系在ZIC3基因第三鋅指區(qū)發(fā)生了c.1048A>G(R350G)錯義突變。

2.1.5Notch信號通路基因 Notch是一種實現(xiàn)細胞間聯(lián)系的信號通路基因，它在許多方面調控心臟的發(fā)育，包括心臟環(huán)、房室管、瓣膜、流出道、冠狀動脈和房室結的發(fā)育。該信號通路基因的突變是CHD發(fā)病的重要原因之一。其中，NOTCH1基因的突變已被確認為引起散發(fā)性或遺傳性CHD的原因[43-44]。NOTCH1基因突變可引起左或右心臟病變，常遺傳于無癥狀父母，同一種突變可引起孤立或綜合征性CHD[45]。NOTCH1基因的致病突變與Adams-Oliver綜合征中42%的CHD相關[9]。Southgate等[46]在12例Adams-Oliver綜合征患者家系中進行了全外顯子組測序，結果顯示在47% NOTCH1基因突變陽性先證者和受影響家系中發(fā)現(xiàn)了CHD。Preuss等[43]對來自51個有遺傳背景家系中的182個法國-加拿大血統(tǒng)的左心室流出道梗阻患者進行了基于家系的全外顯子測序，發(fā)現(xiàn)了主要聚集在Notch信號級聯(lián)基因中罕見或新穎的突變，而且這些突變具有更高的致病性。同時，他們還在3個獨立家系15例患者中鑒定了NOTCH1基因中與左右側心臟畸形相關的新型共分離致病性突變。截至目前有關NOTCH2基因突變致病性方面的報道較少，而這方面的發(fā)現(xiàn)是從Alagille綜合征的研究中得到的，即NOTCH2基因突變可引起Alagille綜合征。Gilbert等[47]在401例Alagille綜合先證者和111名受影響的家庭成員中進行了單中心隨訪研究，通過聚合酶鏈反應和Sanger測序對DNA樣本中NOTCH2基因的致病突變進行篩選，結果發(fā)現(xiàn)了3個新的NOTCH2基因突變，且2.5%的研究對象在NOTCH2基因中有致病性突變。

2.2單基因突變與綜合征型CHD 單基因突變常導致綜合征型CHD。其中，Holt-Oram綜合征表現(xiàn)為骨骼畸形、心臟畸形等，其心臟畸形中ASD和VSD較為常見；基因連鎖分析發(fā)現(xiàn)，Holt-Oram綜合征是TBX-5等基因突變引起[37]。Marfan綜合征除了眼、骨骼的畸形外，還出現(xiàn)主動脈夾層動脈瘤、主動脈關閉不全等心臟畸形?；蚍治霭l(fā)現(xiàn)，Marfan綜合征是FBN1基因突變引起[48]。JAG1基因是Notch信號通路配體，其突變也可導致Alagille綜合征，而PS和TOF是90%的Alagille綜合征患者最常見的CHD類型[49]。Noonan綜合征也是常見的合并CHD的遺傳綜合征之一，不同類型的基因突變是導致Noonan綜合征表型的原因，其中位于12q24.1區(qū)域的Ras信號通路PTPN11基因突變約占50%[49],其臨床特征除包括身材矮小、畸形等全身特征外，還包括PS合并肺血管發(fā)育不良等心臟畸形。

3 多基因突變與CHD

雖然在CHD的發(fā)生過程中涉及多種基因，但只有少數(shù)是由單基因突變引起。多基因的突變往往在環(huán)境因素的協(xié)同作用下致病。Demal等[50]報道了多基因遺傳的家庭成員在第1號染色體上均有BMPR1A錯義突變和一個確定的連鎖區(qū)域，他們認為BMPR1A突變與連鎖區(qū)域內的另一個遺傳實體的相互作用可能是疾病的原因，該連鎖區(qū)與嚴重CHD的發(fā)生有關，包括Ebstein異常、房室間隔缺損等。Preuss等[43]發(fā)現(xiàn)，導致CHD的Notch信號級聯(lián)的基因突變主要涉及NOTCH1、ARHGAP31、MAML1、SMARCA4、JARID2、JAG1等基因，表明多基因突變的共同參與是CHD發(fā)生的重要因素。但與CHD發(fā)病相關的多基因突變的研究較少，有待進一步研究。

4 其他遺傳物質與CHD

目前，循環(huán)微RNA(microRNA，miRNA)已成為檢測心血管疾病的新型生物標志物。相關研究認為，在母體血清中與妊娠相關的miRNA可能是用于胎兒CHD非侵入性產(chǎn)前診斷的潛在生物標志物[51-52]。Song等[53]對來自26個家庭CHD兒童的miRNA進行了篩選，結果發(fā)現(xiàn)在ASD兒童中有3種miRNA (hsa-let-7a、hsa-let-7b和hsa-miR-486)表達明顯上調，并表明這些過量表達特別存在于ASD兒童中。同時，他們在ASD兒童的母親中也發(fā)現(xiàn)了與hsa-let-7a和hsa-let-7b相似的表達譜。可見，hsa-let-7a和hsa-let-7b對于檢測ASD以及通過母體樣品預測其后代中ASD的發(fā)生具有重要的診斷價值。

5 小 結

隨著全外顯子組測序、全基因組測序、DNA甲基化分析即RNA測序等技術的發(fā)展，CHD遺傳學取得了巨大進步。但是目前研究發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)基因只能部分解釋CHD的發(fā)病機制[54]，關于大多數(shù)CHD的原因仍然未知，CHD在很大程度上具有非孟德爾遺傳模式，需要用復雜的遺傳學來描述[14]。一項研究對154個CHD家系的先證者中進行了系統(tǒng)篩查，結果表明遺傳因素的系統(tǒng)篩查能夠闡明10.4%CHD家系病例的因果變異，可用于遺傳咨詢[55]。目前更多的研究認為，CHD的發(fā)病機制與更復雜的遺傳機制和環(huán)境因素的相互作用有關[17，45,49]。Alankarage等[56]在97個CHD家系中利用置信基因篩選和綜合分析等兩種方法進行了基因組測序，總體上檢測出31%家系中可臨床操作的變異體，如能應用于臨床未來可大幅提高變異體的評估及基因層面的診斷率?？傊珻HD家系的研究為尋找CHD的易感基因、揭示CHD的發(fā)病機制提供了線索，為CHD相關缺陷的產(chǎn)前診斷和產(chǎn)前干預提供了理論依據(jù)，因此未來需進一步研究。