表觀遺傳學(xué)在先天性心臟病發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)展

王 靜 綜述，蘇立明 審校

(延邊大學(xué)附屬醫(yī)院兒科，吉林 延吉 133000)

先天性心臟病(先心病)，CHD是胚胎時(shí)期心血管發(fā)育異常所致的心臟形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能的異常。它是一類危害嬰幼兒生命健康的常見(jiàn)先天畸形，占嬰幼兒出生缺陷的首位，其發(fā)病率為活產(chǎn)嬰兒的6‰～8‰，死亡率在新生兒非感染性死亡中占首位約10‰[1]。近年來(lái)，隨著對(duì)心臟發(fā)育分子機(jī)制的研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了一系列參與心臟發(fā)育轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、信號(hào)傳導(dǎo)和形態(tài)發(fā)生的關(guān)鍵基因，隨后遺傳學(xué)分析證實(shí)多個(gè)基因參與了CHD的發(fā)病[2]。但基因組測(cè)序在很大程度上不能預(yù)測(cè)或產(chǎn)生治療先心病的方法，除了潛在的基因組外，表觀遺傳學(xué)也驅(qū)動(dòng)著心臟的發(fā)育。越來(lái)越多的證據(jù)表明，表觀遺傳學(xué)在CHD發(fā)病機(jī)制中存在著異常調(diào)節(jié)。本文就表觀遺傳學(xué)在CHD發(fā)病機(jī)制中的不同和重疊的作用以及識(shí)別新的表觀遺傳生物標(biāo)記物的最新進(jìn)展做一綜述。

1 CHD的病因

CHD的病因復(fù)雜且多因素。研究發(fā)現(xiàn)，約有30%的兒童染色體出現(xiàn)異常與CHD發(fā)病相關(guān)。據(jù)推測(cè)，散發(fā)性先心病其發(fā)病的主要原因約80%的病例是由遺傳和環(huán)境因素相互作用引起的。遺傳因素主要包括：①單基因遺傳缺陷：主要表現(xiàn)為Holt-Oram綜合征、馬方綜合征。②染色體的缺陷：主要表現(xiàn)為唐氏綜合征、18-三體綜合征。③雙基因遺傳缺陷：主要是心血管結(jié)構(gòu)發(fā)育畸形，不伴有其他畸形。妊娠期糖尿病、飲食缺乏、藥物使用、孕婦年齡、吸煙、肥胖、妊娠期發(fā)熱疾病、飲酒和病毒感染已被報(bào)道為導(dǎo)致CHD發(fā)生的母源環(huán)境危險(xiǎn)因素[3]。研究發(fā)現(xiàn)妊娠期高血壓和妊娠期糖尿病可以增加新生兒患CHD風(fēng)險(xiǎn)，孕早期使用抗高血壓藥物可增加房間隔缺損(ASD)、肺動(dòng)脈瓣狹窄(PS)等CHD發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，子代CHD發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)為非糖尿病母親的4倍[4]。根據(jù)已有的研究試驗(yàn)可得知CHD主要是由于遺傳、母體、環(huán)境等因素所引起的。

2 表觀遺傳學(xué)與CHD

表觀遺傳學(xué)是指在基因組的核苷酸序列之外控制基因表達(dá)的一套機(jī)制。包括DNA甲基化和組蛋白修飾，以及主要控制mRNA翻譯的非編碼RNA。通過(guò)改變局部染色質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控基因表達(dá)，從而改變?nèi)旧|(zhì)和DNA結(jié)合蛋白的相互作用，如轉(zhuǎn)錄激活劑和阻遏物與基因啟動(dòng)子和增強(qiáng)子的結(jié)合。與遺傳變異不同，表觀遺傳修飾在不改變核苷酸序列的情況下調(diào)控基因表達(dá)。重要的是，這些機(jī)制在細(xì)胞分裂過(guò)程中是可遺傳的，因此在細(xì)胞分化和維持細(xì)胞命運(yùn)中起著至關(guān)重要的作用。越來(lái)越多的臨床和實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)在包括CHD在內(nèi)的幾種多基因疾病中發(fā)現(xiàn)了異常的表觀遺傳模式[5]。

2.1DNA甲基化：在DNA中，按順序排列的胞嘧啶-鳥嘌呤核苷酸在5-3個(gè)方向上被稱為CpG二核苷酸，并可在胞嘧啶的5個(gè)位置被甲基化。CpG島是300～3 000個(gè)堿基對(duì)區(qū)域，它們趨向于非甲基化，而大多數(shù)CpG二核苷酸位于島外。大約70%的基因啟動(dòng)子存在于CpG島，這些區(qū)域的甲基化與基因沉默相對(duì)應(yīng)。除了這種典型的機(jī)制外，CpG島已經(jīng)在啟動(dòng)子區(qū)域外被識(shí)別，這些島的甲基化有時(shí)會(huì)增加轉(zhuǎn)錄。

已有研究表明，DNA甲基化在細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中起著重要的基因調(diào)控作用，尤其是組織特異性基因的甲基化作用，對(duì)細(xì)胞的維持有重要作用。無(wú)論是在全基因組范圍內(nèi)還是在特定的基因位點(diǎn)，都與疾病易感性的增加有關(guān)，而DNA甲基化的失調(diào)則與心血管疾病[6]、2型糖尿病和癌癥有關(guān)。心臟基因在發(fā)育過(guò)程中的時(shí)空表達(dá)有著驚人的微調(diào)，DNA甲基化起著關(guān)鍵作用。心臟DNA甲基化在胚胎期、CHD和對(duì)照組織之間、新生兒和成人組織之間進(jìn)行了比較，在從E11.5-E14.5胚胎中分離出的心臟中，鑒定出79個(gè)基因的差異DNA甲基化與表達(dá)改變相關(guān)。許多基因與心臟發(fā)育有關(guān)，值得注意的是，透明質(zhì)酸合成酶2(Has2)是心外膜、隔膜和心臟瓣膜形成所必需的，并被發(fā)現(xiàn)在E14.5處通過(guò)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶3b介導(dǎo)的增強(qiáng)子甲基化而下調(diào)[7]。

比較新生兒主動(dòng)脈瓣狹窄(AVS)、法洛四聯(lián)征(TOF)和先天性室間隔缺損(VSDs)的DNA甲基化狀態(tài)的研究已經(jīng)確定了幾種病變患者的異常模式[8-10]。與新生健康嬰兒相比，在新生AVS患者的血液中共鑒定出52個(gè)DNA甲基化顯著改變的基因。尤其值得關(guān)注的是APOA5和PCSK9，它們都被高度甲基化，被認(rèn)為是成人先心病的主要危險(xiǎn)因素[8]。在TOF和VSD患者的心肌活檢中，在細(xì)胞色素c氧化合成酶蛋白(SCO2)的啟動(dòng)子區(qū)域觀察到高甲基化。在一項(xiàng)揭示性的研究中，對(duì)DORV不一致的單卵雙胞胎進(jìn)行了基因組和表觀基因組差異分析。毫不奇怪，很少有基因差異被發(fā)現(xiàn)。然而，有121個(gè)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)被不同程度的甲基化，包括ZIC3(一種參與Wnt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的鋅指蛋白)和NR2F2(一種對(duì)心臟發(fā)育很重要的蛋白)的高甲基化[10]。這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了表觀遺傳學(xué)在先天性心臟病等病因復(fù)雜疾病中的重要性。

2.2組蛋白修飾：核小體是被DNA緊緊包裹的組蛋白八聚體，同時(shí)也是染色質(zhì)的基本單位，是在細(xì)胞核中緊密儲(chǔ)存DNA所必需的。然而，這種排列使得基因表達(dá)所需的轉(zhuǎn)錄因子和啟動(dòng)復(fù)合物在很大程度上無(wú)法獲得DNA。組蛋白翻譯后修飾(hPTM)可以有效地改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，從而控制轉(zhuǎn)錄。hPTM主要包括甲基化和乙?；?，但也可以包括泛素化、磷酸化和sumoylation。

組織修飾蛋白和復(fù)合物通常與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，在調(diào)控DNA的特定序列上調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄。通過(guò)常規(guī)的基因敲除研究，一些組蛋白修飾劑已被證明對(duì)心臟發(fā)育至關(guān)重要[11]。此外，hPTM的異常模式與CHD有關(guān)，已知的心臟發(fā)育調(diào)節(jié)因子已被證實(shí)通過(guò)hPTM發(fā)揮作用。例如，沃爾夫-赫施霍恩綜合征(WHS)是一種先天性疾病，其特征是生長(zhǎng)遲緩和包括心臟在內(nèi)的多個(gè)器官系統(tǒng)發(fā)育不全。Wolf-Hirschhorn候選蛋白1 (WHSC1)是一種h3k36me3特異性甲基轉(zhuǎn)移酶，在所有已知的WHS臨床病例中均被刪除。一項(xiàng)研究產(chǎn)生了一種敲除Whsc1的小鼠，闡明Whsc1缺失的致病作用[12]。在小鼠中，Jarid2的缺失導(dǎo)致VSD或DORV，使人聯(lián)想到心室壓實(shí)受損。在分子水平上，敲除阻止了SETDB1和H3K9me3在JARID2基因靶上的積累，最顯著的是在心內(nèi)膜上的Notch1啟動(dòng)子[13]。

2.3非編碼RNA：參與基因表達(dá)調(diào)控的非編碼RNA主要有長(zhǎng)鏈非編碼RNA (lncRNA)和microRNA (miRNA或miR)。lncRNAs可以直接與染色質(zhì)重塑復(fù)合物相互作用，進(jìn)一步調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄，而miRNA主要與mRNA轉(zhuǎn)錄相互作用，抑制翻譯。人類表達(dá)超過(guò)1000個(gè)miRNA，共同調(diào)控約30%的基因。對(duì)它們?cè)谛呐K發(fā)育中作用的理解在過(guò)去20年中有了顯著的進(jìn)展，它們與CHD的關(guān)系也在不斷被發(fā)現(xiàn)。

多項(xiàng)研究已經(jīng)在TOF患者的活檢中發(fā)現(xiàn)了不規(guī)則miRNA表達(dá)。其中一項(xiàng)研究確定了44個(gè)心臟基因，其表達(dá)在TOF心肌與正常心肌之間存在顯著差異。這44個(gè)基因的表達(dá)與33個(gè)miRNA的表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，對(duì)33個(gè)miRNA的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，miR-421是SOX4的調(diào)節(jié)因子，這對(duì)于適當(dāng)?shù)腘otch信號(hào)通路和TOF的發(fā)展至關(guān)重要[14]。一項(xiàng)獨(dú)立的研究發(fā)現(xiàn)，miR-424過(guò)表達(dá)導(dǎo)致右心室TOF心肌細(xì)胞增殖增加，HAS2和NF1表達(dá)下降[15]。第三項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)miR-940是TOF組織中75個(gè)異常miRNA中下調(diào)最嚴(yán)重的[16]。相對(duì)于其他心室，miR-940主要在心臟TOF表達(dá)，其減少可增加心肌細(xì)胞增殖。此外，還發(fā)現(xiàn)miR-940調(diào)節(jié)JARID2，這是一種對(duì)適當(dāng)?shù)腘otch信號(hào)通路和心臟發(fā)育至關(guān)重要的染色質(zhì)修飾劑。第四項(xiàng)研究分析了TOF心肌中連接蛋白43 (Cx43)的表達(dá)，并試圖識(shí)別可能導(dǎo)致其失調(diào)的miRNAs[17]。病變組織中Cx43表達(dá)上調(diào)，miR-1和miR-206表達(dá)下調(diào)。然而，miR-1/miR-206與Cx43、Cx43與TOF之間的因果關(guān)系還有待進(jìn)一步的研究。

與其他表觀遺傳途徑相比，miRNA對(duì)CHD的治療特別有吸引力，因?yàn)樗鼈冋{(diào)節(jié)大量的基因，以及它們的基因和組織特異性。此外，miRNAs已被證明對(duì)心肌細(xì)胞增殖、成熟和致病性重構(gòu)至關(guān)重要，使其成為有希望在結(jié)構(gòu)性心臟缺陷患者中保存和糾正心臟功能的候選分子。

3 展望

將表觀遺傳調(diào)節(jié)因子作為CHD的潛在生物標(biāo)志物，可以更早、更準(zhǔn)確地診斷CHD。早期產(chǎn)前和新生兒診斷是降低CHD發(fā)病率和死亡率的關(guān)鍵。大多數(shù)CHD病例發(fā)生在妊娠期，沒(méi)有可識(shí)別的危險(xiǎn)因素。CHD的診斷在很大程度上依賴于胎兒超聲心動(dòng)圖，目前還沒(méi)有產(chǎn)前或產(chǎn)后的生物標(biāo)志物可用于檢測(cè)心臟缺陷。由于CHD的早期診斷已經(jīng)被證明可以極大地改善患者的預(yù)后，因此仍然需要識(shí)別準(zhǔn)確的、非侵入性的、與操作者無(wú)關(guān)的產(chǎn)前診斷生物標(biāo)記物。由于表觀遺傳機(jī)制在心臟發(fā)育中起著至關(guān)重要的作用，表觀遺傳調(diào)節(jié)因子如miRNA和DNA甲基化正被作為潛在的診斷冠心病的生物標(biāo)志物進(jìn)行研究。

綜上所述，為了促進(jìn)對(duì)CHD的診斷、認(rèn)識(shí)和治療，有必要進(jìn)一步了解這些基因組外系統(tǒng)。在包括TOF、HLHS、AVS、DORV和VSD在內(nèi)的幾種人類CHD中，均觀察到異常的DNA甲基化、組蛋白修飾和miRNA表達(dá)。這些表觀遺傳過(guò)程調(diào)節(jié)心臟發(fā)育的多個(gè)階段，包括心肌細(xì)胞的分化和增殖、心室形態(tài)形成、瓣膜形成和分隔。但目前尚不清楚這些表觀遺傳機(jī)制特異表達(dá)的原始缺陷引起的或因此而改變。需要進(jìn)一步研究來(lái)確定導(dǎo)致心臟缺陷形成的表觀遺傳控制異常的確切原因。繼續(xù)研究表觀遺傳學(xué)在心臟發(fā)育和CHD中的獨(dú)特和重疊的作用，對(duì)于促進(jìn)我們對(duì)CHD的理解是至關(guān)重要的，并可能揭示新的診斷和治療心臟病的策略。