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先天性心脏病分子遗传学研究进展

2011年08月23日 来源:好大夫在线

摘要:先天性心脏病(CHD)是人类最常见的出生缺陷,虽然其具体的发病机制至今仍不完全清楚,但遗传和环境因素已被证实是其主要的病因。本文着重就近年CHD的分子遗传学研究进展进行了综述。

关键词:先天性心脏病;心脏发育;分子遗传学南京医科大学附属南京儿童医院心内科杨世伟

中图分类号: R541.1      文献标识码: A       文章编号:1009-7236(2010)0--

先天性心脏病(congenital heart disease,CHD),是人类最常见的出生缺陷,在新生活产婴儿中发病率为0.8~1%,目前仍是1岁以下婴幼儿非感染性死亡的主要病因[1]。近年来,随着应用模式动物对心脏发育分子机制的研究进展,发现了一系列参与心脏发育转录调节、信号传导和形态发生有关的关键基因,随后遗传分析证实多个基因参与了CHD的发病[2]。随着对人类全基因组测序的成功和分子遗传学技术的发展,遗传因素在CHD中的作用受到越来越多的重视。本文就近年来CHD的分子遗传学研究进展,从最初的染色体异常到单个基因突变,以及最近的单核苷酸多态性和基因拷贝数变异作一综述。

1 染色体异常与CHD

染色体异常包括非整倍体(aneuploidy)和微小缺失(microdeletion),是各种临床综合征最常见的病因。研究发现,30%的染色体异常伴有心脏畸形[3],20%的CHD以合并其他出生缺陷的形式出现[4]。应用染色体G带核型分析,可以检测出大部分染色体非整倍体异常:如50%的21-三体综合征患者合并间隔缺损,包括房间隔缺损(ASD)、室间隔缺损(VSD)和房室间隔缺损(AVSD);80%的13-三体综合症合并内脏反位(heterotaxy)和心脏缺损;而几乎所有的18-三体综合征都合并CHD(以间隔缺损为主)。此外,接近1/3的Turner综合征患者合并心血管异常,以左侧心脏结构异常为主,包括主动脉瓣病变(bicuspid aortic valve,BAV)、主动脉缩窄(aortic stenosis,AS)、左心发育不良综合症;50%的克兰费尔特综合症(Klinefelter syndrome)合并动脉导管未闭(PDA)和/或ASD等异常[3]。然而,由于传统的染色体核型分析的分辨率在5 Mb左右,很难检测出5 Mb以下的亚显微染色体异常。

随着更高分辨率的荧光原位杂交技术(fluorescence in situ hybridization, FISH)的出现,亚显微染色体异常陆续被发现,其中最典型的是22q11缺失综合征和Williams-Beuren综合征。22q11缺失综合征是22号染色体的q11.2区段发生微缺失而引起,包括DiGeorge综合征、腭心面综合征、椎干异常面容综合征,Cayler心面综合征和Opitz 综合征等数个具有相同遗传学基础的临床综合征,合并的心脏畸形有法洛氏四

联症(TOF)、VSD、先天性主动脉弓离断B型、肺动脉狭窄,以及共同动脉干或其他心脏流出道畸形[5]。

Williams-Beuren综合征(威廉综合征)系7q11.23邻近基因杂合性丢失(弹性蛋白基因突变)所致,临床表型包括心血管异常、特殊面容、神经行为异常和一过性婴儿期高钙血症等,其中心脏畸形包括主动脉瓣上狭窄、肺动脉狭窄和外周肺动脉狭窄[6]。弹性蛋白基因突变同样发现于散发性主动脉瓣上狭窄[7]。由于FISH技术受探针特异性的限制,只能使用已知位点探针检测已知的染色体异常,不能用于发现新的染色异常,限制了其的进一步应用。

2 单基因突变与CHD

2.1 单基因突变与综合征型CHD   单基因突变也可以引起综合征型CHD。Marfan综合征是最早发现的与单个基因突变有关的综合征之一,是由原纤维蛋白-1(Fibrillin 1,FBN1)基因突变而引起的结缔组织病变,主要累及眼睛、骨骼和心血管系统(表现为主动脉根部扩张或升主动脉夹层动脉瘤)[8]。心脏发育转录因子TBX5基因突变可引起Holt-Oram综合征,表现为先天性上肢畸形(如拇指畸形)和心脏畸形(包括ASD、VSD和房室传导病变)[9]。编码Notch信号分子配体的JAG1基因突变可引起Alagille综合征,表现为肝内胆管发育不良和心血管异常(外周肺动脉狭窄、肺动脉瓣狭窄及TOF)[10]。此外,不同的单个基因突变可以引起同一综合征。如Noonan综合征(努南综合征,又称假特纳综合征)临床特征包括包括:心脏畸形(肺动脉狭窄及肥厚性心肌病)、特殊面容、身材矮小、蹼颈及智力低下等,50%的病例可由PTPN11基因(参与Ras信号通路)变异引起[11];而同样参与Ras信号通路的RAF1和SOS1基因突变也可引起Noonan综合征[12,13]。其他单个基因变异引起的伴发CHD的综合征有:转录因子TFAP2B基因突变引起的Char综合征(表现为PDA、面部异常和第5指异常[14]),内脏异位综合征包括心脏、肺、胃肠位置异常(常合并心脏畸形,如AVSD,大动脉转位),该综合征与一些调节心脏左向右不对称发育的基因(如ZIC3、CFC1、ACVR2B和LEFTYA)[15]变异有关。

2.2 单基因突变与非综合征型CHD  绝大多数的CHD为孤立性即非综合征型,对于这部分CHD遗传机制的理解大都来自对家系的连锁分析。临床上80%的CHD为散发性,对这部分CHD的遗传机制目前仍知之甚少,但流行病学研究发现,散发性CHD患者的同胞和子代存在较高的CHD再发率,如主动脉瓣异常(11.5%)、ASD(11.9%)、AVSD(9.9%)和TOF(2.4%),提示遗传因素仍然在散发性CHD中发挥重要作用[4]。心脏特异转录因子基因(包括NKX2.5、GATA4和TBX5等)通过相互作用和调控下游基因,在心脏发育过程中发挥关键作用,是最早发现与非综合征型CHD(间隔缺损为主)有关的基因。最初通过家系连锁分析发现,NKX2.5基因突变可引起ASD合并房室传导障碍,随后病例对照研究在散发性ASD、TOF中均发现NKX2.5基因突变[4,16]。GATA4基因突变可以引起ASD、VSD、TOF、AVSD等多种心脏畸形,在家族性、散发性病例中均有报道[4,17,18]。MYH6是TBX5和GATA4的下游调控基因,该基因突变也可引起ASD,提示受心脏核心转录因子基因调控的下游靶基因的变异,也可能是心脏间隔缺损的病因之一[19]。NOTCH1是最近发现的与家族性主动脉瓣病变(BSA和早期主动脉瓣钙化)有关的致病基因[20]。目前,对于复杂性紫绀性CHD的遗传机制认识不多。PROSIT240是编码甲状腺激素核受体相关蛋白2的基因,该基因突变最初发现于完全性大动脉转位(D-TGA)合并智力迟缓患者,随后在散发性D-TGA患者中也发现了该基因的突变[21]。其他发现与非综合征性CHD有关的基因有:NKX2.6(永存动脉干)、MYH11(PDA)、JAG1(TOF)及ACTC1(ASD)[4]。

2.3 体细胞突变与CHD  目前对散发性CHD的研究发现,侯选基因突变的检出率很低,但其研究结果大都来自患者的外周血淋巴细胞基因组DNA。与可遗传的种系突变(germline mutation)不同,起源于病变组织的体细胞突变(somatic mutation)已被广泛证实于各类肿瘤发病中,最近在心血管疾病中亦有发现。因此,心脏作为大多数散发性CHD患者“唯一受累器官”是否存在起源于病变心肌组织,而并不存在于同一患者血细胞的体细胞突变?由于很难获得新鲜的病变心肌组织,这一假设目前仍缺乏有效的研究支持。Reamon-Buettner等[22]通过对甲醛长期固定的68例以间隔缺损为主的复合心脏畸形的心肌组织分析,发现病变心肌组织存在高发的NKX2.5、GATA4和TBX5基因突变;但该研究缺乏同一患者的血细胞DNA验证,也不能排除甲醛诱发突变可能。随后Draus等[23]对28例CHD患者新鲜的心肌组织进行研究,却未发现NKX2.5基因体细胞突变。由于目前尚无其他类似研究的支持,因此,体细胞突变是否是散发性CHD的另一发病基础,有待对大样本的非固定病变心肌组织的研究论证。

3 基因拷贝数变异与CHD

随着人类基因组测序的完成,一些新的遗传变异被发现并日益受到重视。其中,基因拷贝数变异(copy number variation,CNV)目前最受关注。CNV是指广泛存在于基因组的大小从1 kb~5 Mb的DNA片段CNV,包括缺失和复制。由于其发生的频率远远高于染色体结构变异,而且在整个基因组中覆盖的核苷酸总数大大超过单核苷酸多态性的总数,所以CNV可能与表型变异紧密关联[24]。近年来利用比较基因组杂交芯片技术(comparative genomic hybridization,CGH)研究发现,CNV可通过干扰基因活性和改变基因剂量来影响基因表达、表型差异和表型适应,从而引起疾病。目前已被证实,CNV在孤独症、精神分裂症及发育迟缓等疾病中发挥重要作用[25]。

目前,CNV与CHD发病的关系正引起人们的重视,并首先开始于对综合征型CHD的研究。CHARGE综合征,包括心脏异常(圆锥动脉干和主动脉弓异常)、眼缺失、后鼻孔闭锁、发育迟缓以及生殖器和耳畸形等多种出生缺陷。Vissers等[26]应用CGH芯片最初对17例CHARGE患者进行全基因组扫描,在其中1例患者发现位于染色体8p21上有一段2.3Mb的微缺失,进一步对该微缺失所在区域测序发现,10例患者存在CHD7基因杂合突变,提示CHD7基因单倍剂量不足可导致CHARGE综合征。Thienpont等[27]应用CGH芯片对60例常规核型分析正常、合并其他出生缺陷的CHD患者检测发现,30%存在少见CNV,其中17%(新发CNV或该CNV所在区域含有心脏发育重要基因,如NKX2.5、NOTCH1)被认为与疾病相关。同样,Richards等[28]对20例核型正常的综合征型CHD研究发现,25%的患者存在疾病相关的CNV。最近,Erdogan等[29]对105例孤立性CHD患者研究发现18个少见CNV,其中44%的CNV同时存在于其表型正常的父母,作者认为这些CNV可能通过基因修饰作用提高了对CHD的易感性。该研究结果提示,少见CNV也可能是孤立性CHD的一个重要的遗传发病机制。

4 单核苷酸多态性与CHD

单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms,SNPs)是基因组中除CNV外另一种常见的遗传多样性,可以发生于编码或非编码区。随着人类基因组计划的完成,发现90%的遗传变异来自SNPs,虽然大多数单个SNP并不足以影响基因功能,但可能会通过基因修饰作用改变个体药理反应或疾病易感性。利用全基因组扫描进行关联研究发现,SNPs能增加对一些常见疾病(如肿瘤、糖尿病及冠状动脉疾病等)的易感性。随后对多个队列的复制研究(replication study)证实了这种关联性。与上述常见疾病相比,由于人群中CHD病例样本量相对较小,对全基因组检测SNP的统计检验效能较低,所以SNPs与CHD的研究主要集中于相关的候选基因。目前研究较多的主要有:叶酸代谢相关基因MTHFR和血管内皮生长因子(VEGF)基因。早期研究认为,MTHFR基因多态性677C>T能增加CHD的易感性;但最近Meta分析显示,该SNP与CHD并无关联性[30]。在对22q11缺失综合征患者研究时,发现具有VEGF基因启动子区3个SNPs(C2578A、G1154A、C634G)的患者体内存在较低水平的VEGF,随后分别有研究发现,上述SNP与孤立性TOF、VSD和瓣隔缺损相关[31~33]。但与上述MTHFR基因的多态性类似,最近Meta分析并没有发现VEGF基因的3个SNPs与CHD的关联性[34]。

5 展望

从最初的染色体异常,到后来众多单基因突变的发现,遗传因素已经被证明是CHD的重要发病机制。目前对CNV与CHD的研究才刚刚开始,随着越来越多的新发CNV的发现,将大大促进人们对CHD发病机制的了解。而通过多中心联合对大样本、多种族CHD人群进行候选基因SNP关联分析,将可能发现一些真正的CHD易感因子。下一代基因组测序技术的出现,是近2年来分子遗传学研究中最受瞩目的技术进展。随着该技术的发展成熟及测序费用的快速下降,我们将有可能对较多的CHD病例进行全基因组测序,这将革命性地促进对未知致病基因的发现。随着对CHD遗传机制理解的进一步加深,将大大有助于开展遗传咨询和指导临床防治策略的制定。

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