早發(fā)性冠心病的基因?qū)W研究進(jìn)展

蘇 雅， 姚 康， 葛均波

復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院心內(nèi)科，上海 200032

冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(冠心病)已成為人類第一大死因[1]。目前，冠心病的部分發(fā)病危險(xiǎn)因素已明確，包括吸煙、肥胖、糖尿病、高血壓、血脂異常、冠心病家族史、年齡及性別等。臨床發(fā)現(xiàn)，冠心病家族史可顯著增加個(gè)體患冠心病的概率[1]，這提示冠心病發(fā)病可能與遺傳因素有關(guān)。在家系及雙胞胎研究[2]中，冠心病的遺傳率為40%～60%。

遺傳因素對冠心病發(fā)病的影響在年輕患者中更加顯著，這表明基因變異在早發(fā)性冠心病(premature coronary artery disease，PCAD；男性在55歲以前、女性在65歲以前發(fā)生冠心病[3])的發(fā)病機(jī)制中占有重要地位[2]。罕見突變及常見突變都能通過影響脂質(zhì)代謝、血栓形成、血管內(nèi)皮再生及修復(fù)等不同代謝通路導(dǎo)致PCAD。本文將綜述PCAD發(fā)病機(jī)制中基因?qū)W研究成果及最新進(jìn)展，并探討其在中國人群中的適用性。

1 符合孟德爾遺傳規(guī)律的PCAD

1.1 PCAD與脂質(zhì)代謝通路異常 在冠心病的基因?qū)W研究中，對脂質(zhì)代謝通路相關(guān)基因的罕見突變研究最為充分。低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL)相關(guān)基因與PCAD關(guān)系最為密切；此外，部分高密度脂蛋白(high density lipoprotein, HDL)單基因突變的罕見疾病也會導(dǎo)致PCAD[4]。

1.1.1 LDLR、載脂蛋白B(APOB)、前蛋白轉(zhuǎn)化酶枯草桿菌蛋白酶kexin-9(PCSK9)、低密度脂蛋白受體銜接蛋白1(LDLRAP1)與家族性高膽固醇血癥 家族性高膽固醇血癥通常被認(rèn)為是一種常染色體顯性遺傳病[5]。以血漿高水平低密度脂蛋白膽固醇(LDL-cholesterol, LDL-C)為特征，患者易患PCAD、早發(fā)腦血管病及外周血管病。其發(fā)病機(jī)制與LDL顆粒由受體介導(dǎo)的攝取功能障礙有關(guān)。該通路的功能障礙可由編碼以下4個(gè)蛋白的基因罕見突變引起[6]。(1)LDLR: 超過90%的分子診斷病例中[7]，家族性高膽固醇血癥由編碼低密度脂蛋白受體(LDLR)的基因突變引起。目前該基因共有1 700個(gè)突變被描述。LDLR基因突變導(dǎo)致肝細(xì)胞表面的LDLR缺失或失活，肝細(xì)胞攝取LDL-C減少，從而使血漿LDL-C水平升高[5-6]。(2)APOB: 約5%的分子診斷家族性高膽固醇血癥病例中，致病突變位于編碼APOB的基因[8]。攜帶APOB突變的患者LDL顆粒與LDLR結(jié)合障礙導(dǎo)致循環(huán)LDL-C濃度升高。(3)PCSK9: 2003年編碼PCSK9基因的獲得性功能突變被確認(rèn)是家族性高脂血癥的另一個(gè)致病原因[9]。突變的PCSK9在與LDLR形成復(fù)合物時(shí)，可干擾LDLR的回收，由此導(dǎo)致LDLR降解，從而減少肝細(xì)胞表面可與循環(huán)中的LDL顆粒結(jié)合的受體數(shù)量。(4)LDLRAP1: 在家族性高脂血癥中，一種罕見的常染色體隱性遺傳亞型，LDLRAP1基因在1p36.11位點(diǎn)的純合和復(fù)合雜合突變產(chǎn)生。LDLRAP1在LDL的內(nèi)化過程中通過內(nèi)吞作用與LDL受體相互作用。當(dāng)該過程存在缺陷時(shí)，導(dǎo)致LDL分解代謝缺陷和血漿LDL-C水平升高，產(chǎn)生高膽固醇血癥表型[10]。

由于LDL清除途徑受損，LDL顆粒積聚在血管壁，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)，從而使內(nèi)皮組織損傷、動脈粥樣硬化斑塊形成[11]。這一過程開始于患者年輕時(shí)，Jongh等[12]的研究表明，在9～18歲的無臨床癥狀雜合型家族性高脂血癥患者中，血管內(nèi)皮功能已明顯受損。因此該病患者易發(fā)生PCAD。有研究[13]表明，在前他汀時(shí)代，家族性高膽固醇血癥患者在20～39歲死于冠心病的概率是普通人群的100倍。

1.1.2 載脂蛋白E(APOE)與家族性高脂血癥Ⅲ型(FHⅢ) FHⅢ是一種常染色體隱性遺傳病。其典型特征包括血漿高中間密度脂蛋白血癥、掌部微黃色斑塊、富膽固醇的炎性黃色瘤。該病患者易發(fā)生PCAD及周期性胰腺炎[14]。

APOE基因突變是導(dǎo)致家族性高脂血癥Ⅲ型的病因[14]。APOE是肝細(xì)胞上LDL受體的配體，負(fù)責(zé)攝取乳糜微粒(chylomicrons，CM)、中間密度脂蛋白(intermediate density lipoproteins，IDL)和極低密度脂蛋白(very low-density lipoproteins，VLDL)顆粒。APOE是一種多形態(tài)的蛋白質(zhì)，主要有3個(gè)亞型——E2、E3、E4。其中E3是野生型，而E2和E4則與疾病相關(guān)[14]。FHⅢ患者主要是APOE2亞型純合子。在FHⅢ患者中，APOE基因突變導(dǎo)致上述脂蛋白顆粒的分解代謝延遲，同時(shí)增加血漿中的膽固醇和三酰甘油(triacylglycerol, TG)，導(dǎo)致一系列臨床癥狀發(fā)生[14]。

1.1.3 載脂蛋白A-Ⅰ(APOA-Ⅰ)與APOA-Ⅰ缺乏性低脂蛋白A血癥 APOA-Ⅰ是HDL顆粒的主要蛋白質(zhì)成分。編碼該蛋白的基因僅在肝臟和小腸中表達(dá)。在血漿中分泌后，APOA-Ⅰ通過ABCA1介導(dǎo)的游離膽固醇和磷脂從外周血細(xì)胞中排出并脂化。這種脂化作用可促進(jìn)新生圓盤狀HDL顆粒形成[15]。APOA-Ⅰ基因突變導(dǎo)致的APOA-Ⅰ缺乏是家族性低脂蛋白A血癥的發(fā)病基礎(chǔ)之一[16]。

大量前瞻性流行病學(xué)研究[17]證實(shí)，APOA-Ⅰ水平是冠心病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的有力預(yù)測因素。然而，APOA-Ⅰ缺陷攜帶者對冠心病的易感性卻有顯著差異性。Yokota等[18]、Pisciotta等[19]、Ikewaki等[20]共報(bào)道25例APOA-Ⅰ完全缺乏患者，雖然所有病例血漿HDL-C水平均顯著降低，但只有11例患者表現(xiàn)出PCAD。而在另外一項(xiàng)以頸動脈內(nèi)膜中層厚度(intima-media thickness, IMT)為測量指標(biāo)的研究[21]中，APOA-Ⅰ缺乏患者則表現(xiàn)出與PCAD的高相關(guān)性。在Hovingh等[21]的研究中，測量33例APOA-Ⅰ(L178P)突變攜帶者及40例家庭對照組的IMT結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，攜帶者的動脈壁厚度進(jìn)展明顯增加。值得注意的是，該研究指出APOA-Ⅰ(L178P)缺陷攜帶者的動脈粥樣硬化進(jìn)展速度與家族性高膽固醇血癥患者沒有區(qū)別。這提示導(dǎo)致HDL代謝障礙的單基因疾病可能具有與LDL代謝缺陷相似的致心血管損害作用。

1.1.4 APOA-Ⅴ與APOA-Ⅴ缺乏性高三酰甘油血癥 全基因組關(guān)聯(lián)研究一致確認(rèn)APOA-Ⅴ是血漿三酰甘油(TG)水平的一個(gè)調(diào)節(jié)因素[22]。APOA5基因位點(diǎn)的單核苷酸多態(tài)性與血漿TG升高相關(guān)。

APOA-Ⅴ是一種較小的血漿載脂蛋白，已被證實(shí)在TG代謝中通過增強(qiáng)VLDL脂解和清除發(fā)揮重要作用[22]。升高的TG與心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)增加密切相關(guān)。有研究[23]表明，APOA-Ⅴ基因罕見非同義突變的攜帶者發(fā)生早發(fā)性心肌梗死的風(fēng)險(xiǎn)是普通人群的2.2倍。

1.1.5 ABCG5,ABCG8與谷固醇血癥 谷固醇血癥是一種罕見的兒童常染色體隱性遺傳疾病，其特點(diǎn)是血漿植物甾醇水平顯著升高(30倍)[24-26]。導(dǎo)致谷固醇血癥的分子缺陷由編碼轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ABCG5和ABCG8的2個(gè)基因突變引起。

谷固醇血癥患者的心血管疾病可出現(xiàn)在0～20歲，但通常要推遲到中年。與純合子家族性高膽固醇血癥患者相似，谷固醇血癥患者同樣可出現(xiàn)主動脈狹窄、溶血及血小板減少癥[27]。

1.1.6 三磷酸腺苷結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)子A1(ABCA1)與丹吉爾病 丹吉爾病在家族性HDL缺乏疾病中最為嚴(yán)重[28]。患者體內(nèi)膽固醇酯類物質(zhì)可在全身多器官系統(tǒng)堆積，如扁桃體、周圍神經(jīng)、腸黏膜、肝、脾、骨髓、淋巴結(jié)、胸腺、皮膚、角膜等，引起多器官系統(tǒng)病變。自該病發(fā)現(xiàn)至今，在全球確診的100多例患者中，約30%伴隨早發(fā)性心肌梗死[28-29]。

丹吉爾病是由ABCA1基因突變引起的常染色體隱性遺傳病[28, 30]。ABCA1基因編碼的轉(zhuǎn)運(yùn)體在膽固醇逆向轉(zhuǎn)運(yùn)的第1步中起關(guān)鍵作用。ABCA1的缺乏削弱了自由膽固醇從外周細(xì)胞中的排出，導(dǎo)致膽固醇酯在細(xì)胞中積累，從而引起血漿中HDL及總膽固醇水平降低及多器官系統(tǒng)的膽固醇積累[31-32]。

多項(xiàng)研究[21]表明，血漿高APOA-Ⅰ及HDL水平是人類動脈粥樣硬化的保護(hù)因素，流行病學(xué)資料也表明APOA-Ⅰ水平是冠心病強(qiáng)有力的預(yù)測因素之一。除了調(diào)節(jié)膽固醇外排功能，HDL還能通過調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)、抗氧化及調(diào)節(jié)血管舒縮功能實(shí)現(xiàn)對心臟血管的保護(hù)[33]。此外，HDL還可減緩LDL的氧化，從而預(yù)防動脈粥樣硬化[34]。當(dāng)血漿中HDL及APOA-Ⅰ水平下降時(shí)，LDL氧化增加，動脈粥樣硬化進(jìn)程加快，導(dǎo)致丹吉爾病患者中PCAD患病率高達(dá)30%，明顯高于普通人群。

1.1.7 PCAD與先天性高同型半胱氨酸血癥(HHcy) 同型半胱氨酸是蛋氨酸和半胱氨酸正常生物合成的中間產(chǎn)物[35]。多種原因可導(dǎo)致HHcy，如飲食中缺乏葉酸、維生素B6和維生素B12，參與同型半胱氨酸代謝的酶的基因缺陷等[36]。其中，飲食等環(huán)境因素及參與同型半胱氨酸代謝的5,10-亞甲基四氫葉酸還原酶的常見突變往往導(dǎo)致輕至中度HHcy[36-37]。而某些酶的罕見基因突變則會導(dǎo)致重度HHcy(血同型半胱氨酸大于100 μmol/L)，即先天性HHcy。這些罕見突變包括胱硫醚-β-合酶(CβS)的純合突變、亞甲基四氫葉酸還原酶(MTHFR)的純合突變、甲硫氨酸合酶突變及某些維生素B12代謝基因的紊亂[37]。

研究[38]表明，HHcy與心肌梗死和腦卒中存在顯著相關(guān)性。其中，MTHER純合突變的先天性HHcy患者?；糚CAD[35]。然而，一項(xiàng)大型薈萃分析[35]顯示，MTHFR突變與冠心病發(fā)病率升高的相關(guān)性僅在中東和日本被證實(shí)，在其他地區(qū)兩者則無顯著相關(guān)性。但更多研究[39]證實(shí)，HHcy與冠心病存在確切聯(lián)系。據(jù)目前已有研究[40]，HHcy患者患冠心病風(fēng)險(xiǎn)增加主要是由于同型半胱氨酸導(dǎo)致血管內(nèi)皮順應(yīng)性改變及血小板聚集，從而導(dǎo)致血管內(nèi)皮功能障礙，促發(fā)動脈粥樣硬化。此外，還能通過增加HMG-CoA還原酶的活性促進(jìn)膽固醇合成[40]，并通過血管平滑肌細(xì)胞刺激產(chǎn)生C-反應(yīng)蛋白，啟動血管內(nèi)皮炎癥反應(yīng)[41]。

總之，雖然大多數(shù)研究表明HHcy與PCAD存在聯(lián)系，但似乎還有其他證據(jù)阻止將其作為冠心病的生物標(biāo)志物[39]。家族性HHcy與PCAD是否存在確切關(guān)系還需要進(jìn)一步研究。

2 多基因發(fā)病的PCAD

冠心病是一種典型的由遺傳和環(huán)境因素共同決定發(fā)病的復(fù)雜疾病。雖然有小部分冠心病是由單基因罕見突變引起，但這部分罕見突變在冠心病的發(fā)病機(jī)制中僅占2%[2,42]。具體到PCAD，盡管遺傳因素在發(fā)病機(jī)制中占更重要的地位[2]，但有研究[43]證明，在臨床診斷早發(fā)性心肌梗死的人群中不具備罕見突變的病例是具有罕見突變病例的10倍。另外，在臨床診斷家族性高膽固醇血癥患者中，也有20%左右并沒有經(jīng)典的LDLR、APOB、PCSK9突變[44]。這說明，在PCAD的發(fā)病機(jī)制中，具有較小效應(yīng)的常見突變的積累仍是主要遺傳模式。

2.1 PCAD與常見變異關(guān)聯(lián)研究(CVAS) 常見CVAS也稱為全基因組關(guān)聯(lián)研究(genome-wide association studies，GWASs)，采用包含100萬個(gè)由單核苷酸多態(tài)性(single-nucleotide polymorphisms，SNPs)DNA標(biāo)記芯片的高通量DNA微陣列技術(shù)[2]。

到目前為止，大型CVAS[1,45]共識別超過150個(gè)與冠心病有關(guān)的基因座，由這些基因識別的冠心病危險(xiǎn)因素包括LDC-L、富含TG的脂蛋白、胰島素抵抗、血栓形成、炎癥、細(xì)胞黏附/跨內(nèi)皮遷移、血管重構(gòu)、血管張力等。例如，通過CVAS[46]發(fā)現(xiàn)凝血酶原G20210A(rs1799963)多態(tài)性與早發(fā)性心肌梗死存在關(guān)聯(lián)。凝血酶原(又稱凝血因子Ⅱ)是凝血酶的前體，是一種起促凝作用的關(guān)鍵酶，通過促進(jìn)血小板活化和纖維蛋白及Ⅴa、Ⅷa、ⅩⅢ等因子生成發(fā)揮作用[46]。凝血酶原基因內(nèi)的G20210A多態(tài)性(rs1799963)與凝血酶原的較高循環(huán)水平相關(guān)，因此增加發(fā)生心肌梗死的可能性。一項(xiàng)meta分析研究[47]表明，該基因多態(tài)性增加心肌梗死的風(fēng)險(xiǎn)與年齡有關(guān)，在年齡小于55歲的人群中發(fā)現(xiàn)更顯著的相關(guān)性。Butt等[48]研究發(fā)現(xiàn)，50歲以上的凝血酶原G20210A攜帶者發(fā)生心肌梗死的風(fēng)險(xiǎn)沒有升高，而50歲以下的攜帶者發(fā)生心肌梗死的風(fēng)險(xiǎn)是年齡匹配的非攜帶者對照組的5.6倍。但需要注意的是，只在高加索人種中發(fā)現(xiàn)G20210A (rs1799963)多態(tài)性與早發(fā)心肌梗死有關(guān)[47]。

當(dāng)進(jìn)行CVAS時(shí)，由于識別的SNPs絕大多數(shù)位于染色體非編碼區(qū)，因此具有這些使患病風(fēng)險(xiǎn)升高SNPs的人群往往缺乏可檢測的生物學(xué)標(biāo)志[1]。為了對這部分人群進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分層，發(fā)明全基因組多基因評分(genome-wide polygenic score，GPS)[49]。GPS為根據(jù)個(gè)體效應(yīng)大小進(jìn)行加權(quán)的風(fēng)險(xiǎn)等位基因數(shù)量計(jì)算的評分[2]。一項(xiàng)基于英國Biobank的冠心病GPS研究[49]認(rèn)為，家族性高膽固醇血癥患者患冠心病風(fēng)險(xiǎn)是普通人群的3倍，而通過GPS同樣能識別患冠心病風(fēng)險(xiǎn)是普通人群3倍的潛在患者。更引人注目的是，通過GPS發(fā)現(xiàn)的高風(fēng)險(xiǎn)人群數(shù)量是相同風(fēng)險(xiǎn)人群的20倍[50-51]。

冠心病GPS的優(yōu)勢在于，可從出生時(shí)開始評估，早于其他風(fēng)險(xiǎn)因素的鑒別能力[49]。有研究[52-54]表明，冠心病的高多基因風(fēng)險(xiǎn)可能被2種干預(yù)措施，即堅(jiān)持健康的生活方式或使用他汀類藥物進(jìn)行降膽固醇治療之一抵消。GPS的這些特性可為公共衛(wèi)生領(lǐng)域制定冠心病的一級預(yù)防策略提供幫助。然而，創(chuàng)建準(zhǔn)確預(yù)測冠心病風(fēng)險(xiǎn)的GPS需要依托大型原始CVAS，還需要精確的算法及建立足夠大的數(shù)據(jù)庫以檢驗(yàn)其準(zhǔn)確性[49]。這對國家衛(wèi)生系統(tǒng)而言是不小的挑戰(zhàn)，因此還需要較長時(shí)間才能真正將GPS常規(guī)運(yùn)用到醫(yī)療中。

2.2 PCAD與基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)(GRN) 盡管現(xiàn)在CVAS研究如火如荼，但通過現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)的SNPs依然只能解釋冠心病20%左右的遺傳效應(yīng)[2]。關(guān)于缺失的80%，有如下幾種可能的解釋：(1)這種缺失的遺傳性可能是由于基因環(huán)境的相互作用[55]，其中一個(gè)特定遺傳變異的影響只在一個(gè)特定影響因素的存在下表現(xiàn)出來，如肥胖或吸煙[2]；(2)可能許多更常見的變異與冠心病有關(guān)，但由于效應(yīng)量小或等位基因頻率低及樣本量不足，在CVAS中沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[2]；(3)CVAS研究只檢查SNPs，忽略了許多其他形式的基因組變異，如缺失、插入、反轉(zhuǎn)、復(fù)制、拷貝數(shù)變異、印記表觀遺傳學(xué)等，并且缺乏評估罕見變異的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[56]。

鑒于目前的罕見變異研究與常見變異研究成果仍不能充分解釋PCAD的遺傳性，GRN被提出[57]。GRN這一概念興起于高維組學(xué)技術(shù)的發(fā)展[58]。通過測量海量全基因組生物學(xué)參數(shù)，包括DNA變異和表觀遺傳修飾、RNA和蛋白質(zhì)濃度及各種代謝物等，并將這些多維網(wǎng)狀數(shù)據(jù)用大型計(jì)算機(jī)和復(fù)雜的算法加以處理，從中識別患病個(gè)體發(fā)病機(jī)制中的關(guān)鍵驅(qū)動因素[58]。這一技術(shù)的進(jìn)展為理解多基因復(fù)雜疾病的遺傳背景提供了新的思路。

具體到冠心病的遺傳背景研究，運(yùn)用組學(xué)的方法引進(jìn)了基因遺傳表達(dá)研究。這種研究可看作是CVAS的延伸，其特點(diǎn)是在中間層中引入RNA表達(dá)，捕獲遺傳變異和環(huán)境擾動對疾病表型的影響。這種互補(bǔ)的、數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法不僅可識別疾病基因，還可識別以GRN形式存在的冠心病致病相關(guān)通路[57]。例如，一項(xiàng)基于斯德哥爾摩動脈粥樣硬化基因網(wǎng)絡(luò)研究[59]的冠心病基因遺傳表達(dá)研究識別了28個(gè)獨(dú)立的、在心血管疾病中活躍的GRN。這些網(wǎng)絡(luò)中的遺傳變異對冠心病遺傳性的貢獻(xiàn)率為10%，高于由CVAS識別的風(fēng)險(xiǎn)基因座[57]。然而，目前并未將組學(xué)方法運(yùn)用至PCAD的遺傳背景研究中。這意味著PCAD的遺傳背景尚有很大的探索空間。

綜上所述，雖然PCAD的遺傳背景研究已取得許多重大成果，但現(xiàn)有成果基于的研究對象絕大部分是高加索人群。在2009年，只有約4%的全基因組基因分型樣本來自非歐洲人群；2014年，這一比例上升至19%[60]。我國目前并沒有多中心、大樣本的PCAD遺傳背景研究項(xiàng)目成果發(fā)表。盡管大多數(shù)在歐洲人身上發(fā)現(xiàn)的與疾病相關(guān)的CVAs位點(diǎn)已在東亞人群中被復(fù)制[2, 61]，但盡早開展大規(guī)模中國人群PCAD遺傳背景研究依然具有重要意義，確認(rèn)基于高加索人群的研究成果能否完全適用于中國人，甚至尋找到中國人特有的致病基因位點(diǎn)，對我國PCAD患者的預(yù)防和治療均有重要意義。

利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。