心肌致密化不全的分子遺傳學(xué)機(jī)制研究進(jìn)展

張琪 洪楠超 王靜 陳豐原 孫錕 于昱

200092 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院，心血管發(fā)育與再生醫(yī)學(xué)研究所

心肌致密化不全(noncompaction of ventricular myocardium，NVM)又稱左心室致密化不全(left ventricular noncompaction，LVNC)或非致密性心肌病(noncompaction cardiomyopathy，NCCM)[1-3]。以異常粗大的心室肌小梁和深陷的小梁間隱窩為形態(tài)學(xué)特征，病變主要累及左心室?？晒铝l(fā)生，也可伴有其他先天性心臟結(jié)構(gòu)異常，如房室間隔缺損、動脈導(dǎo)管未閉、Ebstein畸形等。最早于1926年由Grant首次報道，最初被稱作“海綿狀心肌”。1990年由Chin等正式命名為孤立性左室心肌致密化不全。近年來，由于NVM在人群中具有高發(fā)病率和高死亡率而受到越來越多的關(guān)注，但其病因、發(fā)病機(jī)制、診斷及管理等方面仍存在諸多爭議[4-6]。

隨著分子遺傳學(xué)研究手段的發(fā)展，人們對NVM的遺傳學(xué)背景有了一定了解。家系研究顯示，其具有明顯家族聚集性，可為常染色體顯性遺傳(如編碼肌節(jié)蛋白基因突變)、X連鎖隱性遺傳(如Barth綜合征)、常染色體隱性遺傳和母系遺傳(由線粒體DNA突變導(dǎo)致)。在個別散發(fā)性病例中，遺傳可能由新發(fā)突變(De novo mutation)導(dǎo)致。此外，NVM還與其他先天性代謝性異常疾病(包括1B型糖原貯積病、丙二酰輔酶A脫羧酶缺乏癥和鈷胺素C缺乏癥)、染色體異常(特納綜合征、21/18/13三體綜合征、22q11缺失和1p36缺失等)、神經(jīng)肌肉性疾病(Duchenne、Becker綜合征)和其他遺傳綜合征(Soto、Marfan和RASopathies綜合征)相關(guān)[7]。對其遺傳背景進(jìn)行深入了解，從分子遺傳學(xué)角度解釋NVM的發(fā)病機(jī)制，將是未來全面揭示NVM病因?qū)W的關(guān)鍵路徑。

1 胚胎發(fā)生假說

為了解釋NVM的發(fā)病異質(zhì)性，F(xiàn)insterer[8]將NVM分成原發(fā)NVM(primary NVM)和繼發(fā)NVM(secondary NVM)。原發(fā)NVM是指能找到遺傳缺陷的類型，該遺傳缺陷導(dǎo)致NVM的疾病表型，比如NOTCH信號通路相關(guān)基因發(fā)生缺陷，干擾心室肌發(fā)育導(dǎo)致NVM。繼發(fā)NVM即沒有遺傳缺陷，但可以通過缺氧、炎癥或以血流動力學(xué)改變來解釋異常肌小梁形成的NVM類型。對于原發(fā)性NVM而言，胚胎發(fā)生假說是早期較為公認(rèn)的致病原因。該假說認(rèn)為，NVM是胚胎發(fā)育階段心室肌小梁重構(gòu)(致密化)過程失敗所致。心肌細(xì)胞在多種遺傳因素調(diào)控下從中胚層原基分化為心肌。在人類胚胎第3個月末，可以明顯觀察到肌小梁以許多長突起形式發(fā)源于心內(nèi)膜層。在冠狀動脈建立之前，小梁的存在擴(kuò)大了用于心肌氧供和物質(zhì)交換的表面積。隨著心臟持續(xù)的發(fā)育和循環(huán)系統(tǒng)壓力的增加，小梁形態(tài)發(fā)生重構(gòu)，呈現(xiàn)心肌纖維螺旋式致密化。在妊娠期第4個月，形成緊實(shí)的心肌并構(gòu)成了心室腔。若此過程受損，心室肌則無法發(fā)揮收縮功能進(jìn)而繼發(fā)心肌功能障礙，這也是NVM發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[9]。與此同時，人們還提出另一種假設(shè)，認(rèn)為NVM的異常小梁是由心室細(xì)胞異常增殖引起的，具體機(jī)制尚不清楚[10-11]。Choquet等[12]在小梁發(fā)育過程的關(guān)鍵階段刪除編碼轉(zhuǎn)錄因子Nkx2.5的基因，小鼠心臟表現(xiàn)出異常小梁結(jié)構(gòu)和菲薄致密心肌層，而該表型在發(fā)育晚期敲除個體中則并未發(fā)現(xiàn)，這一結(jié)果支持了NVM起源于早期心臟發(fā)生缺陷的觀點(diǎn)。

對于繼發(fā)性NVM，非胚胎發(fā)生假說(缺氧、炎癥、血流動力學(xué)改變)似乎更為適用。近年來在運(yùn)動員[13]、妊娠期婦女[14]、鐮狀細(xì)胞性貧血癥患者[15]、某些神經(jīng)肌肉性疾病患者以及慢性腎衰竭患者中觀察到后天獲得且部分可逆的NVM病例。這些病例促使胚胎發(fā)生假說和獲得性非胚胎發(fā)生假說的雙重假設(shè)模式被提出，還引發(fā)人們對表觀遺傳學(xué)影響的思考[16]。

2 分子遺傳學(xué)機(jī)制

NVM的分子遺傳致病機(jī)制是復(fù)雜的。NVM患者常被發(fā)現(xiàn)具有其他心肌病亞型[擴(kuò)張型心肌病(dilated cardiomyopathy，DCM)、肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy，HCM)]家族史，表明NVM可能與其他心肌病具有共同的遺傳機(jī)制[17]。因此，與其他心肌病類似，NVM也具有“共同致病途徑”[18]。不同的是，NVM的致病途徑不是單一的，在大多數(shù)情況下，NVM的發(fā)生可能是主要途徑(例如肌節(jié)基因)和干擾發(fā)育過程的發(fā)育途徑(例如NOTCH信號通路)的共同結(jié)果[19]。且臨床證據(jù)表明，發(fā)生多基因突變的病例更為普遍，致病基因之間可能具有協(xié)同性。幾個常見且重要的候選致病基因見表1。

表1 NVM致病途徑分類的代表性候選基因

2.1 主要致病機(jī)制

主要途徑是指涉及編碼心肌結(jié)構(gòu)蛋白成分等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的基因發(fā)生致病性改變，包括編碼肌節(jié)、細(xì)胞骨架蛋白、離子通道蛋白等。

2.1.1 肌節(jié)蛋白基因 肌節(jié)基因的突變是NVM最常見的致病原因，在最新涵蓋國內(nèi)外、具有最大病例數(shù)(7 598例)的分析報告中，肌節(jié)基因突變率最高。以TNN為首，其突變率為11%；MYH7次之(9%)；MYBPC3緊隨其后(7%)[20]。一些肌節(jié)基因如TPM1、TNNC1或ACTC1突變雖不常見卻導(dǎo)致較差預(yù)后[21]。Takasaki等[21]通過人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞證明了肌節(jié)基因在NVM發(fā)生中的“遺傳觸發(fā)”角色，影響了心臟發(fā)育相關(guān)的眾多基因的表達(dá)，從而導(dǎo)致心肌細(xì)胞增殖和分化過程失衡。然而，多數(shù)肌節(jié)基因缺乏特異性，其同時參與其他心臟疾病的發(fā)生，例如編碼肌球蛋白-β的MYH7基因的突變，還與DCM有關(guān)[22]；而編碼肌球蛋白結(jié)合蛋白C的MYBPC3突變，也與HCM相關(guān)[23]。新近報道的致病候選基因SORBS2似乎更具特異性。該基因僅在NVM心肌中高表達(dá)，在HCM或致心律失常性右室心肌病(arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy，ARVC)心肌中表達(dá)均完全正常。上調(diào)的SORBS2通過介導(dǎo)β-微管蛋白形成、聚合、致密化異常，Junctophilin 2(JP2)異位表達(dá)和興奮收縮偶聯(lián)(E-C偶聯(lián))功能障礙，最終導(dǎo)致NVM小鼠心肌細(xì)胞收縮功能障礙和心力衰竭。該研究證實(shí)了SORBS2增加NVM患者發(fā)生心力衰竭的概率，對制訂NVM靶向治療策略以延緩心臟重構(gòu)和心力衰竭的進(jìn)展具有參考價值[24]。

2.1.2 細(xì)胞骨架蛋白基因 7 598例NVM報告中，細(xì)胞骨架蛋白候選基因也較為常見，以LDB3(3%)、LMNA(2%)和DTNA(1%)最為多見。LDB3也稱為ZASP或Cypher，可編碼心肌和骨骼肌細(xì)胞質(zhì)中的特異性Z帶蛋白，與肌動蛋白共定位。該基因通常導(dǎo)致NVM合并DCM、HCM或ARVC的復(fù)雜表型[25-26]。而編碼核膜蛋白基因的LMNA，不僅與NVM相關(guān)，還與其他心肌疾病以及心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)疾病相關(guān)聯(lián)。此外，α-肌營養(yǎng)不良蛋白DTNA也是NVM的重要致病候選基因，其主要功能是結(jié)合肌營養(yǎng)不良蛋白及肌營養(yǎng)不良蛋白相關(guān)糖蛋白復(fù)合物，在肌肉收縮和松弛過程中起到維持細(xì)胞膜穩(wěn)定性的作用，其異常表達(dá)可導(dǎo)致心肌收縮舒張功能受限，心臟負(fù)荷不良，最終誘發(fā)NVM。已報道的NVM細(xì)胞骨架致病候選基因也可導(dǎo)致其他類型的心肌病，因而部分學(xué)者認(rèn)為尚不能確定NVM為一種獨(dú)立的心肌病還是其他心肌病所共有的形態(tài)學(xué)特征[6]。

2.1.3 離子通道蛋白基因 離子通道病相關(guān)基因也稱作心律失?；颍且唤M與離子通道轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的基因。編碼電壓-門控鈉通道的SCN5A基因突變最具代表性，常表現(xiàn)為長QT間期綜合征等一系列心律失常[27]。近年來NVM的報道更多集中在基因型與不良預(yù)后的相關(guān)性上。心律失常連同心力衰竭和血栓栓塞事件是NVM的三大致病性表現(xiàn)，離子通道蛋白與NVM患者的心律異常密切相關(guān)，這對伴發(fā)心律失常NVM的靶向治療以及通過基因篩查進(jìn)行早期預(yù)防具有重要指導(dǎo)意義。

2.1.4 線粒體疾病相關(guān)基因 Tang等[28]在NVM患者的線粒體基因組序列中發(fā)現(xiàn)了ND1基因同一位點(diǎn)Met31的不同突變。由于線粒體復(fù)合體對心肌細(xì)胞增殖、分化、功能實(shí)現(xiàn)的重要性，這種高度保守的殘基改變以及隨之而來的復(fù)合體缺陷可能是NVM的潛在致病機(jī)制。而核編碼線粒體蛋白基因的典型代表為TAZ基因，該基因也是最早發(fā)現(xiàn)也最為重要的NVM候選基因之一。TAZ/G.5編碼Tafazzins蛋白，在線粒體內(nèi)具有?；D(zhuǎn)移酶的功能，是組成線粒體內(nèi)膜的主要成分。1997年，Bleyl等[29]描述了獨(dú)立發(fā)生于Xq28區(qū)域的TAZ基因突變可導(dǎo)致孤立性NVM，共有6個表現(xiàn)出X連鎖隱性遺傳的家庭被納入分析，這是NVM的第一個遺傳學(xué)證據(jù)。并且，在之后的報道中，人們在該基因中發(fā)現(xiàn)了150多個致病突變能夠?qū)е翹VM，主要為點(diǎn)突變[30]。

2.2 干擾發(fā)育過程的致病機(jī)制

發(fā)育途徑主要涉及調(diào)控心肌發(fā)育的轉(zhuǎn)錄因子和信號通路組分異常，發(fā)育過程的中斷或異常都可能導(dǎo)致NVM的發(fā)生。

2.2.1 NOTCH信號通路相關(guān)基因 NOTCH是高度保守的信號傳導(dǎo)途徑，可調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長、分化和衰亡[7]。NOTCH信號通路組成成分的表達(dá)異常在NVM病例中的發(fā)生率極高，包括MIB1、FKBP12等。編碼E3泛素連接酶的MIB1是 NOTCH通路中的重要調(diào)節(jié)組分，可調(diào)節(jié)Notch配體Delta和Jagged的內(nèi)吞作用。對小鼠心肌的MIB1或Jagged1進(jìn)行靶向失活、干擾NOTCH信號傳導(dǎo)最終誘發(fā)了NVM的發(fā)生[31]。FKBP12(也稱Fkbp1a)是內(nèi)皮Notch1受體的活性調(diào)節(jié)劑，表達(dá)于發(fā)育階段的心內(nèi)膜。心內(nèi)膜特異性敲除FKBP12誘發(fā)了小鼠心肌NVM表型，且檢測到N1ICD(Notch1胞內(nèi)段)活性增強(qiáng)。此外，抑制N1ICD活性可部分逆轉(zhuǎn)FKBP12敲除鼠的NVM表型，F(xiàn)KBP12缺失突變誘發(fā)NVM可能與Notch1受體胞內(nèi)段N1ICD活性增強(qiáng)有關(guān)。同時，人們還觀察到FKBP12的下游調(diào)控因子BMP10的變化，其不僅在FKBP12缺失小鼠中顯著上調(diào)，在Nkx2.5缺失小鼠和Numb或類似Numb缺失小鼠中也被觀察到顯著且一致的改變。利用人心鈉素(human atrial natriuretic peptide，hANF)啟動子誘導(dǎo)小鼠胚胎心臟BMP10的過表達(dá)，可顯著增加心肌的異常小梁出現(xiàn)[18，32]。有趣的是，由BMP10缺失導(dǎo)致的NVM心室壁中p57kip2上調(diào)且異位表達(dá)；而在FKBP12缺失導(dǎo)致的NVM心室壁p57kip2水平顯著降低。目前仍然認(rèn)為心肌細(xì)胞的增殖水平的改變是NVM發(fā)生的重要原因之一。

2.2.2 Wnt/PCP信號通路相關(guān)基因 Wnt/PCP信號的關(guān)鍵作用為調(diào)控極化組織中細(xì)胞的排列和方向，其在胚胎發(fā)育和器官發(fā)生中起著至關(guān)重要的作用[33-34]?？茖W(xué)家對Wnt/PCP信號通路上重要的效應(yīng)分子Daam1激活子進(jìn)行基因敲除小鼠模型的構(gòu)建，不僅觀察到伴發(fā)右室雙出口和室間隔缺損的NVM[35]，更重要的是，缺乏Daam1的心臟具有正常的心肌細(xì)胞增殖和Bmp10表達(dá)，表明細(xì)胞增殖水平的改變的確不足以解釋NVM的發(fā)生[35]。在該研究中，心肌的肌纖維生成、肌節(jié)形成、心肌細(xì)胞極化、細(xì)胞-細(xì)胞排列和細(xì)胞-細(xì)胞連接均發(fā)生明顯異常，進(jìn)一步證實(shí)除細(xì)胞增殖外其他NVM的可能致病機(jī)制。截至目前，已發(fā)現(xiàn)數(shù)個Wnt/PCP信號傳導(dǎo)通路的核心組分基因突變能夠誘導(dǎo)出NVM表型。

2.2.3 其他調(diào)控心室小梁發(fā)育的基因 在內(nèi)皮細(xì)胞特異敲除Sema受體Plxnd1基因，不僅驗證了Plxnd1的缺失可通過減少細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的水解，致使細(xì)胞外基質(zhì)過度沉積，進(jìn)而誘發(fā)NVM的發(fā)生，還揭示了Sema3E/PlexinD1信號通路在心肌小梁發(fā)育過程中的重要作用[36]。而在針對調(diào)節(jié)心室發(fā)育的ang1-Tie信號通路探索中，發(fā)現(xiàn)富集于心內(nèi)膜的Tie2具有兩個互補(bǔ)功能，一是通過促進(jìn)心內(nèi)膜細(xì)胞增殖和發(fā)芽來確保正常小梁，另一方面通過抑制小梁心肌細(xì)胞中的RA信號通路來防止過度小梁。該研究發(fā)現(xiàn)了一個新的具有潛力的NVM致病基因[37]。此外，其他一些較為罕見的候選基因也陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，包括維持心臟功能和結(jié)構(gòu)正常所需的關(guān)鍵分子RBM20；調(diào)節(jié)淋巴細(xì)胞早期免疫應(yīng)答的NF-AT轉(zhuǎn)錄因子；神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白Nrg；酪氨酸激酶受體ErB2；血管生成素1(Ang-1)等[37-40]。

2.3 染色體缺陷

由染色體缺陷所導(dǎo)致的先天性疾病常常累及心臟，其中以攜帶lp36微缺失最為多見。在這些主要的染色體缺陷綜合征類型中，均可見明顯的NVM改變，但具體致病機(jī)制尚未可知。

3 基因工程鼠模型

在過去的幾年中，基因工程鼠模型被廣泛用于NVM的潛在機(jī)制研究[18]，尤其是針對調(diào)控發(fā)育的信號網(wǎng)絡(luò)，以克服難以在人群中溯源胚胎早期心臟發(fā)育過程的困難[7]。FKBP12缺失小鼠是第一個心肌致密化不全的特異小鼠模型，因此，也被廣泛用于研究調(diào)節(jié)心室小梁形成和致密化的潛在機(jī)制[34]。小梁發(fā)育早期敲除Nkx2.5的小鼠模型，不僅提供首個NVM成年小鼠模型，還支持了NVM的胚胎起源[41]。一些在人類中與NVM相關(guān)的基因未能在小鼠體內(nèi)驗證和開展研究。例如，人類TNNT2的外顯子第96位密碼子(從GAG到AAG)錯義突變被報道與NVM家族性病例有關(guān)，但在小鼠心臟過表達(dá)TNNT2卻無法誘導(dǎo)NVM表型[42]。除了種屬的巨大差異外，還可能是由于遺傳變異并非該病的唯一致病因素，修飾基因的調(diào)控(表觀遺傳學(xué))以及環(huán)境因素也與之相關(guān)；以及過表達(dá)的構(gòu)建系統(tǒng)無法真實(shí)模擬體內(nèi)致病途徑，這是未來工作需要突破的地方[16]。

除了前文提到的小鼠模型外，還有許多NVM小鼠模型已被構(gòu)建應(yīng)用，例如Jarid2基因敲除小鼠、14-3-3/Ywhae基因敲除小鼠[43-44]、過表達(dá)SHP2-Q79R(Noonan綜合征)小鼠[45]和過表達(dá)βMHC-Met531Arg小鼠[46]等。目前主要的NVM基因工程鼠模型種類，見表2。

表2 NVM基因工程鼠模型

4 小結(jié)

NVM的發(fā)病機(jī)制涉及分子和細(xì)胞水平的多種機(jī)制，隨著基因測序技術(shù)的發(fā)展和基因工程鼠模型的運(yùn)用，人們對NVM分子遺傳學(xué)致病機(jī)制的研究取得了一定進(jìn)展。目前已報道的NVM致病候選基因集中在心肌結(jié)構(gòu)蛋白成分和調(diào)控心臟發(fā)育的信號通路上，涉及心室小梁的形成發(fā)育過程，心室肌細(xì)胞的增殖異常和心肌纖維極化異常。然而，現(xiàn)有研究多基于已知候選基因的篩查，覆蓋范圍窄且易受其他疾病表型影響而缺乏特異性。除TAZ、FKBPl2等一些通過實(shí)驗動物驗證了基因突變與NVM的相關(guān)性外，大部分相關(guān)基因信息多來自遺傳連鎖和突變的分析，缺乏與NVM直接相關(guān)的基因型表型實(shí)驗證據(jù)及進(jìn)一步的功能分析及機(jī)制研究。染色體缺陷導(dǎo)致NVM發(fā)生的機(jī)制也尚存許多知識空白。值得注意的是，在臨床病例中，尤其是在高危NVM表型個體中，發(fā)生多基因突變的情況更為普遍，是否提示NVM致病候選基因之間可能具有協(xié)同作用。未來研究工作中，應(yīng)更多關(guān)注于致病候選基因之間的相互影響，最終為解決NVM醫(yī)學(xué)難題提供新策略。

利益沖突：無