小兒先天性心臟病合并神經(jīng)系統(tǒng)病變的遺傳學(xué)相關(guān)研究進(jìn)展

李敬一，李文歡

(中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院小兒神經(jīng)心血管內(nèi)科，沈陽 110004)

先天性心臟病(congenital heart diseases，CHD)是新生兒常見的先天性畸形。在胎兒發(fā)育過程中，由于大血管或心臟發(fā)育異常，造成出生時(shí)心臟功能不全。目前手術(shù)和介入治療是治療CHD的主要手段，治療后患兒血流動(dòng)力學(xué)和心功能均得到改善，生存率顯著提高，但仍有可能發(fā)生后遺癥或并發(fā)癥，其中神經(jīng)系統(tǒng)病變是較嚴(yán)重的并發(fā)癥之一。有數(shù)據(jù)表明，約10%的輕癥CHD患兒發(fā)生神經(jīng)系統(tǒng)病變，約30%的嚴(yán)重患兒發(fā)生神經(jīng)系統(tǒng)病變[1]。CHD患兒常表現(xiàn)且不限于認(rèn)知、運(yùn)動(dòng)、語言和視覺空間等多方面障礙，可能的原因包括術(shù)后應(yīng)激反應(yīng)等，但近年來的研究表明手術(shù)的影響并不顯著[2]。CHD合并神經(jīng)系統(tǒng)病變的發(fā)生機(jī)制包括遺傳因素和非遺傳因素，遺傳因素包括基因突變、染色體異常、表觀遺傳學(xué)異常等，而非遺傳因素包括母體在妊娠前或妊娠期接觸致畸性藥物、射線以及被病毒感染等[3]。近年來，國際上對CHD及其并發(fā)癥的研究已進(jìn)入全基因組測序時(shí)代，可以從基因?qū)用娼忉孋HD與神經(jīng)系統(tǒng)病變的關(guān)系，通過早篩查、早診斷、早治療可準(zhǔn)確定位CHD與相關(guān)后遺癥?，F(xiàn)就CHD患兒并發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)病變的相關(guān)研究進(jìn)展予以綜述。

1 染色體異常

染色體異常是導(dǎo)致CHD及其相關(guān)并發(fā)癥發(fā)生的重要原因，主要包括染色體數(shù)目和染色體結(jié)構(gòu)異常，其中染色體數(shù)目異常是主要原因。在發(fā)育過程中，有多種原因可導(dǎo)致胎兒細(xì)胞減數(shù)分裂異常，使染色體數(shù)目發(fā)生改變，非整倍體是最常見的染色體數(shù)目異常(如唐氏綜合征、X單體特納綜合征、13-三體綜合征)，其次為整倍體畸形(如92,XX/XY四倍體)[4]。染色體結(jié)構(gòu)異常即染色體發(fā)生斷裂或互換造成染色體缺失、易位和倒位，最終導(dǎo)致染色體結(jié)構(gòu)異常。研究表明，CHD等嚴(yán)重的胚胎發(fā)育異常與部分染色體異常相關(guān)[5]。

1.1數(shù)目異常 由于體內(nèi)大量基因失調(diào)，幾乎所有非整倍體新生兒均會(huì)發(fā)生CHD，且由基因失調(diào)導(dǎo)致的器官結(jié)構(gòu)功能發(fā)育異常嚴(yán)重且不可逆轉(zhuǎn)[3]?；铙w新生兒發(fā)生染色體數(shù)目異常最常見的為唐氏綜合征和18-三體綜合征。Kosiv等[6]通過大樣本分析發(fā)現(xiàn)，91%的18-三體綜合征患兒伴有CHD，通常為間隔缺損和動(dòng)脈導(dǎo)管未閉，也包括不常見的復(fù)雜CHD。Alsaied等[7]的研究表明，在1 092例唐氏綜合征患兒中，與未合并CHD患兒相比，合并CHD患兒的語言和運(yùn)動(dòng)能力均顯著降低；18-三體綜合征的臨床表現(xiàn)與唐氏綜合征相似，但18-三體綜合征患兒并發(fā)CHD的概率接近100%，常見的類型包括室間隔缺損、動(dòng)脈導(dǎo)管未閉等。Bruns和Campbell[8]通過對25例9號染色體三體嵌合綜合征患者的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)患者存在至少一種類型的心臟畸形(包括間隔缺損和動(dòng)脈導(dǎo)管未閉)，少數(shù)患者合并卵圓孔未閉和左鎖骨下動(dòng)脈異常。

1.2結(jié)構(gòu)異常 人第22號染色體22q11.21～q11.23微小缺失所引起的染色體異常是CHD最常見的致病因素，患者通常存在第22號染色體1.5～3 Mb半合子缺失，導(dǎo)致病理性T盒轉(zhuǎn)錄因子(T-box transcription factor，Tbx)1、信號接頭蛋白Crkl和(或)促分裂原活化的蛋白激酶1單倍體功能不足，發(fā)病率約為1/4 000，且無性別差異[9]。染色體22q11.21～q11.23微小缺失涉及多個(gè)與心臟正常發(fā)育相關(guān)的重要基因，因此可造成心臟結(jié)構(gòu)、頭顱面部的畸形，臨床上有腭心面綜合征、先天性胸腺發(fā)育不全綜合征等，主要表現(xiàn)為胸腺發(fā)育缺陷、神經(jīng)系統(tǒng)異常等，這類由22q11缺失引起的染色體病大部分合并CHD，22q11重復(fù)則會(huì)引起貓叫綜合征，臨床上較罕見，患兒呈特殊面容，哭聲似貓叫，存在智力低下、發(fā)育遲緩等表現(xiàn)，約30%的患兒合并CHD[10]。馮晴[11]對393例CHD胎兒標(biāo)本進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，有1例胎兒核型為47,XX，der(22)t(11,22)(q23.3；q11.1)mat，兩條染色體均發(fā)生部分重復(fù)，表現(xiàn)為CHD(包括肺動(dòng)脈高壓、間隔缺損以及動(dòng)脈導(dǎo)管未閉)，心外畸形表現(xiàn)為小腦發(fā)育不良、膽管閉鎖以及外耳畸形。

2 拷貝數(shù)變異

拷貝數(shù)變異(copy number variation，CNV)是指基于陣列技術(shù)的發(fā)展染色體亞顯微水平的片段(1 kb～1 Mb)拷貝數(shù)突變[12]。CNV廣義上屬于染色體結(jié)構(gòu)異常范疇，有微重復(fù)與微缺失的區(qū)別。存在CNV的患兒可能來源于胚胎發(fā)育過程中的新發(fā)，也有可能是遺傳因素導(dǎo)致，與CHD的發(fā)生關(guān)系密切[13]。有文獻(xiàn)報(bào)道，約10%的CHD患兒發(fā)生CNV[14]。不同染色體位點(diǎn)上的CNV以及多類型基因可導(dǎo)致多種表型不同的CHD發(fā)生。

在CNV所致CHD中，22q11.2微缺失綜合征最常見，其次為7q11.23區(qū)域Elastin基因微缺失導(dǎo)致的染色體變異，臨床上稱為威廉姆斯綜合征?；町a(chǎn)兒22q11.2微缺失綜合征發(fā)病率約為1/6 000，心外畸形表現(xiàn)為神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育異常、胸腺缺損、低鈣血癥、顱面部畸形等，其中CHD發(fā)病率約為77%，主要表現(xiàn)為心臟圓錐動(dòng)脈干畸形[15]。威廉姆斯綜合征是一種以小精靈面容為特征，伴有主動(dòng)脈瓣狹窄、精神發(fā)育遲緩、腎臟畸形、身材缺陷等癥狀的綜合征，約82%的威廉姆斯綜合征患兒伴有CHD，常見心臟表現(xiàn)為主動(dòng)脈瓣狹窄、周圍肺動(dòng)脈狹窄、肺動(dòng)脈瓣上狹窄、二尖瓣脫垂以及室間隔缺損等[16]。

1q21.1微小缺失是指每個(gè)細(xì)胞1號染色體長臂(q)上q21.1區(qū)域中約135萬個(gè)堿基對缺失，若發(fā)生這種染色體異常，可能會(huì)造成智力殘疾、面容與身體異常，還可能導(dǎo)致法洛四聯(lián)癥、主動(dòng)脈瓣狹窄等[17]。4q22.1序列區(qū)域的PPMIK基因，5q14.1～14.3序列區(qū)域的表皮生長因子樣重復(fù)區(qū)和盤狀結(jié)構(gòu)Ⅰ樣域蛋白3、單鏈DNA結(jié)合蛋白2等基因，19p13.3序列區(qū)域中的MIER2(mesoderm induction early response 1,family member 2)、FSTL3(follistatin-like 3)、WDR18(WD repeat domain 18)、鈣調(diào)寧蛋白2等基因不同位點(diǎn)的染色體部分序列微重復(fù)均可導(dǎo)致法洛四聯(lián)癥[18]。Brunetti-Pierri等[19]研究發(fā)現(xiàn)，染色體區(qū)域1q21.1包含廣泛而復(fù)雜的低副本重復(fù)數(shù)和副本編號變體，該區(qū)域發(fā)生微小缺失與先天性心臟缺陷、發(fā)育遲緩等息息相關(guān)。Karahuseyinoglu等[20]報(bào)道了1對發(fā)生PREPL(prolyl endopeptidase-like)和SLC3A1[solute carrier family 3 (amino acidtransporter heavy chain),member 1]基因純和缺失的同胞姐弟病例，兩者均表現(xiàn)為神經(jīng)肌肉和內(nèi)分泌異常，姐姐還表現(xiàn)為左心室心肌致密化不全和擴(kuò)張性心肌病，PREPL基因高表達(dá)于腦組織中，其次表達(dá)于骨骼肌、心臟和腎臟中。

3 基因突變

心臟結(jié)構(gòu)發(fā)育以及維持正常功能運(yùn)轉(zhuǎn)均需要多種信號分子和轉(zhuǎn)錄因子的共同作用，多方位調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)過程中，任何一個(gè)調(diào)控機(jī)制的差錯(cuò)均可能引起CHD等發(fā)育畸形的發(fā)生。近年來，單基因突變導(dǎo)致的CHD成為研究熱點(diǎn)，如心臟特異性同源盒轉(zhuǎn)錄因子Nkx2.5和Tbx5兩種單基因，Nkx2.5位于第5號染色體5q35區(qū)域，是首個(gè)被證實(shí)單基因突變可引起CHD的基因，也是胚胎期心臟發(fā)育重要的轉(zhuǎn)錄因子，Nkx2.5基因參與心臟房室分隔以及傳導(dǎo)系統(tǒng)形成等過程[21]。由于突變位點(diǎn)的多樣性，不同突變位點(diǎn)導(dǎo)致CHD的種類也不同，而不同類型CHD患者的突變位點(diǎn)也可能相同。Tbx5位于第12號染色體12q24.1區(qū)域，參與心臟發(fā)育(特別是左心室和心房)并發(fā)揮重要作用，Tbx5單基因突變可引起單純性的房間隔缺損和房室間隔缺損，也可與表現(xiàn)為骨骼、心血管系統(tǒng)畸形為主的心手綜合征相關(guān)，如橈骨發(fā)育不全、房間隔缺損、室間隔缺損等[22]。另有研究發(fā)現(xiàn)，Tbx5突變導(dǎo)致的CHD可能與DNA結(jié)合位點(diǎn)突變有關(guān)[23]。

此外，由心肌錨蛋白重復(fù)和激酶域1基因突變引起完全性肺靜脈異位引流所致的CHD很少見；CBP/p300結(jié)合轉(zhuǎn)化激活因子2突變可引起房間隔缺損、室間隔缺損；FOG2(friend of GATA 2)/ZFPM2(zinc finger protein M2)突變引起法洛四聯(lián)癥、右心室雙出口；心臟神經(jīng)脊衍生物表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子2突變可引起法洛四聯(lián)癥；IRX4(iroquois 4)突變引起室間隔缺損；MED13L(mediator complex subunit 13 like)突變可引起大動(dòng)脈轉(zhuǎn)位；Tbx1突變可引起法洛四聯(lián)癥；Tbx2突變可引起室間隔缺損；Tbx20突變可引起房間隔缺損、室間隔缺損等[24]。

丁凡等[25]對鋅指轉(zhuǎn)錄因子(zinc finger transcription factor，ZIC)3和GATA結(jié)合蛋白(GATA binding protein，GATA)4突變與CHD關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，CHD患者的ZIC3存在3個(gè)突變位點(diǎn)，GATA4存在6個(gè)突變位點(diǎn)，均可能導(dǎo)致CHD。早期研究表明，ZIC3基因突變可引起孤立性CHD，ZIC3在心臟表達(dá)并直接影響心臟發(fā)育[25]。GATA4位于染色體8p23.1，屬于GATA家族，主要表達(dá)于心臟、肝臟、肺，且高表達(dá)于胚胎心臟與心肌細(xì)胞；GATA4正常范圍內(nèi)表達(dá)時(shí)心臟發(fā)育正常，低表達(dá)時(shí)可導(dǎo)致心肌細(xì)胞損傷，甚至心臟發(fā)育不全[26]。

4 表觀遺傳調(diào)控異常

表觀遺傳也是影響心臟結(jié)構(gòu)和功能發(fā)育異常的因素，它不涉及DNA序列改變，但可以對DNA、染色質(zhì)、微RNA(microRNA，miRNA)、組蛋白進(jìn)行修飾。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，CHD的發(fā)生與修飾異常相關(guān)，其機(jī)制可能與表觀遺傳調(diào)控相關(guān)的基因表達(dá)及蛋白功能異常有關(guān)[27]。

4.1DNA甲基化修飾 DNA甲基化是表觀遺傳調(diào)控異常導(dǎo)致CHD的重要原因，現(xiàn)階段此類研究開展較多。利用精準(zhǔn)化醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)可以定位某段基因單個(gè)CpG點(diǎn)的甲基化狀態(tài)。正常情況下，CpG島處于非甲基化狀態(tài)，甲基化異常會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的基因沉默，DNA甲基化修飾異?？缮险{(diào)CHD相關(guān)致病基因的表達(dá)，導(dǎo)致CHD發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)升高[28]。一項(xiàng)針對小鼠胚胎發(fā)育的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，DNA甲基化水平升高可使心臟干細(xì)胞凋亡，而DNA甲基化水平降低則導(dǎo)致心肌細(xì)胞分化障礙，因此DNA甲基化異常會(huì)造成心臟發(fā)育畸形；該實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，組蛋白乙?；揭矔?huì)影響心臟發(fā)育，妊娠鼠乙醇暴露處理后，胎鼠心臟組織中組蛋白乙?；浇档?，且與之相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)水平隨之降低，最終導(dǎo)致胎鼠心臟發(fā)育異常[29]。另有研究表明，Brahma相關(guān)基因1、CREB結(jié)合蛋白/腺病毒E1A相關(guān)蛋白p300結(jié)合轉(zhuǎn)化激活因子2基因內(nèi)CpG島區(qū)域低甲基化CHD患者表現(xiàn)為間隔缺損[30]。

4.2非編碼RNA 與編碼RNA不同，非編碼RNA不翻譯蛋白質(zhì)，包括廣泛研究的miRNA、長鏈非編碼RNA、Piwi相互作用RNA等。miRNA是廣泛存在于真核細(xì)胞中的單鏈小分子RNA，主要通過靶向結(jié)合信使RNA阻斷蛋白質(zhì)的翻譯過程。miRNA參與調(diào)控心臟發(fā)育，其表達(dá)異?？赡軐?dǎo)致CHD的發(fā)生。研究表明，在以室間隔缺損為主要表現(xiàn)的CHD患者的心肌組織中，作為miR-1-1靶基因的SRY相關(guān)高遷移率族基因9表達(dá)顯著減少，由于SRY相關(guān)高遷移率族基因9是瓣膜和間隔發(fā)育的重要調(diào)控基因，當(dāng)SRY相關(guān)高遷移率族基因9表達(dá)減少時(shí)，瓣膜和間隔發(fā)育出現(xiàn)異常；此外，法洛四聯(lián)癥患者心肌組織中的miR-1201和miR-122表達(dá)均下調(diào)，miR-1275、miR-421等表達(dá)上調(diào)[31]。miR-145過表達(dá)可抑制靶向共濟(jì)蛋白基因的表達(dá)，通過調(diào)控細(xì)胞凋亡和線粒體功能導(dǎo)致CHD的發(fā)生[32]。

長鏈非編碼RNA的長度超過200個(gè)核苷酸，在室間隔缺損患者的心臟組織異常表達(dá)，長鏈非編碼RNA UC.299定位于配對盒基因2基因，配對盒基因2參與多器官發(fā)育，當(dāng)長鏈非編碼RNA UC.299表達(dá)異常時(shí)，配對盒基因2基因調(diào)控出現(xiàn)異常，進(jìn)而導(dǎo)致相應(yīng)器官的異常發(fā)育[33]。

4.3組蛋白修飾 組蛋白修飾包括甲基化、乙?；?、泛素化等。參與組蛋白修飾的酶有組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC)、組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶等。一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，剔除生殖細(xì)胞中Ⅱ類HDAC中的HDAC5、HDAC9以及Ⅲ類HDAC中的沉默調(diào)節(jié)蛋白1的小鼠均出現(xiàn)間隔缺損；且剔除組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶造成小鼠心室發(fā)育不全，導(dǎo)致間隔缺損[34]。

5 先天性代謝紊亂

CHD的發(fā)生與先天性代謝紊亂有關(guān)[35]。先天性代謝紊亂本質(zhì)上屬于染色體異常或基因突變，但異常染色體或突變基因并未直接參與心臟發(fā)育及相關(guān)信號通路的調(diào)控。已知的參與CHD形成的先天性代謝紊亂疾病有Ⅱ型糖原累積病和高同型半胱氨酸癥。Ⅱ型糖原累積病患者不能正常分解體內(nèi)糖原，導(dǎo)致糖原在心肌細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞貯存，而Ⅱ型糖原累積病患兒可出現(xiàn)心臟結(jié)構(gòu)和功能的改變，包括心肌肥厚、心臟擴(kuò)大等[35]。同型半胱氨酸水平升高可阻礙胎兒心臟正常發(fā)育，與正常妊娠者相比，高同型半胱氨酸癥患者所育胎兒的CHD患病風(fēng)險(xiǎn)顯著增高[36]。

6 小 結(jié)

CHD的發(fā)生機(jī)制復(fù)雜，外界環(huán)境、染色體異常、拷貝數(shù)變異、基因突變、先天性代謝紊亂、表觀遺傳等因素均可影響心臟的正常發(fā)育。部分CHD患兒還會(huì)合并其他疾病，如神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育異常。目前，藥物對癥治療CHD的作用有限，僅能使患兒維持一個(gè)較好的身體狀態(tài)，以等待手術(shù)時(shí)機(jī)。手術(shù)是目前公認(rèn)的有可能治愈某些類型CHD患兒的治療方式，如修補(bǔ)房室間隔缺損。而全外顯基因測序技術(shù)可確定CHD與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育異常之間的關(guān)系，并可提供準(zhǔn)確率較高的妊娠期基因篩查，為小兒CHD的早期診治及相關(guān)后遺癥預(yù)防提供依據(jù)。