唐氏綜合征合并先天性心臟病相關(guān)基因的研究進(jìn)展

周 園， 張 斌

復(fù)旦大學(xué)附屬婦產(chǎn)科醫(yī)院產(chǎn)科，上海 200011

唐氏綜合征(Down syndrome,DS)，又稱21-三體綜合征，其細(xì)胞遺傳學(xué)基礎(chǔ)是21號(hào)染色體呈三體性。約50%的DS患兒合并不同類型的先天性心臟病(congenital heart disease,CHD)[1-6]。

DS患兒合并的CHD的類型主要以間隔類缺損為主，包括房間隔缺損(atrialseptal defect,ASD)、室間隔缺損(ventricular septal defect,VSD)、房室間隔缺損(atrioventricular septal defect,AVSD)等。其中，完全性AVSD是DS特有的心臟畸形[7]。此外，還有部分DS患兒合并動(dòng)脈導(dǎo)管未閉、肺動(dòng)脈閉鎖、右心室雙流出道或復(fù)合缺損等心臟畸形[8]。DS的發(fā)病主要與卵母細(xì)胞減數(shù)分裂錯(cuò)誤[9]、黏連蛋白異常[10]及端粒長(zhǎng)度縮短[11]等有關(guān)；而CHD的發(fā)生與染色體非整倍體性、染色體上的微小缺失(如22q11.2缺失、7q11.23缺失等)、拷貝數(shù)變異(copy number variations,CNVs)及單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms,SNPs)等相關(guān)。本文主要就DS合并CHD患兒的基因特點(diǎn)作一綜述。

1 DS合并CHD的流行病學(xué)特點(diǎn)

DS合并CHD存在性別、種族的差異。Freeman等[12]通過(guò)對(duì)美國(guó)國(guó)家DS項(xiàng)目(national Down syndrome project,NDSP)和其前身亞特蘭大DS項(xiàng)目(Atlanta Down syndrome project,ADSP)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)DS患兒合并的CHD中以AVSD為主，且呈現(xiàn)明顯的性別差異，女?huà)氲陌l(fā)生率約為男嬰的2倍(優(yōu)勢(shì)比1.93,95%可信區(qū)間1.40～2.67)；黑種人AVSD發(fā)生率高于白種人(優(yōu)勢(shì)比2.06，95%可信區(qū)間1.32～3.21)；西班牙裔人群AVSD的發(fā)生率較低(優(yōu)勢(shì)比0.48，95%可信區(qū)間0.30～0.77)。此外，Diogenes等[13]也發(fā)現(xiàn)，DS女?huà)牒喜HD的發(fā)生率明顯高于男嬰，CHD以間隔類缺損為主。關(guān)于DS合并CHD性別、種族差異的原因尚未明確，需要進(jìn)一步探索。

2 DS合并CHD的2種假說(shuō)

參與人類AVSD發(fā)生的相關(guān)基因有GATA4、Nkx2.5、TBX5、DSCAM、COL6 A1～2等[14]，其中部分位于21號(hào)染色體上。DS合并CHD的發(fā)病機(jī)制在基因水平上主要有基因劑量效應(yīng)假說(shuō)和基因突變假說(shuō)。

2.1 基因劑量效應(yīng)假說(shuō) DS合并CHD的相關(guān)基因包括DSCAM、RCAN1、COL6 A1～2、CRELD1、ALK2及KCNJ6，其中DSCAM、RCAN1、COL6 A1～2及KCNJ6位于21號(hào)染色體上的關(guān)鍵區(qū)域21q22(圖1)。DS的特征表型(如顱面部畸形、心血管系統(tǒng)畸形、智力減退等)與此區(qū)域相關(guān)[15-16]。21-三體引起基因量倍增效應(yīng)，其候選基因呈現(xiàn)不同程度的表達(dá)增加，通過(guò)增加黏附分子的表達(dá)、干擾信號(hào)通路的調(diào)節(jié)等，導(dǎo)致心臟發(fā)育異常，形成CHD[17]。

圖1 第21號(hào)染色體上與DS合并CHD有關(guān)的關(guān)鍵基因

2.2 基因突變假說(shuō) CRELD1及ALK2基因位于其他染色體上(圖2)，但在21-三體背景下，其上某些位點(diǎn)突變，從而導(dǎo)致CHD的發(fā)生，這是基因突變假說(shuō)。然而，并不是所有DS患兒均患CHD，且患CHD的類型、程度各異，這可能是多基因作用的結(jié)果；21-三體可影響其他染色體上基因的表達(dá)，呈現(xiàn)基因的系統(tǒng)效應(yīng)[18]。

3 基因特點(diǎn)

3.1 DSCAM基因 通過(guò)定量印跡劑量分析及熒光原位雜交技術(shù)對(duì)21號(hào)染色體進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，DS合并CHD發(fā)生的關(guān)鍵區(qū)域包含DSCAM、D21S55、ERG、ETS2等重要的基因位點(diǎn)，其中，DSCAM基因是已知的64個(gè)位于DS合并CHD關(guān)鍵區(qū)域中唯一調(diào)節(jié)細(xì)胞間黏附的基因[19]。DSCAM基因位于21號(hào)染色體長(zhǎng)臂(21q22.3)，其編碼的跨膜蛋白在細(xì)胞黏附分子免疫球蛋白超家族中具有高度的序列和結(jié)構(gòu)同源性，且其編碼的蛋白鼠類和人類具有高度保守性。在鼠類心臟發(fā)育過(guò)程中，DSCAM基因在心內(nèi)膜墊融合之前已高度表達(dá)。將人類DSCAM基因的cDNA轉(zhuǎn)染至小鼠成纖維母細(xì)胞L細(xì)胞，DSCAM穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化株表現(xiàn)出強(qiáng)大的黏附性能，DSCAM蛋白以親同種抗原的方式快速形成聚合體[19]。

圖2 DS合并CHD關(guān)鍵基因影響的心臟結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

黏連蛋白位于染色體著絲粒附近，在卵母細(xì)胞的減數(shù)分裂過(guò)程中，維持同源染色體的穩(wěn)定性；其表達(dá)減少將導(dǎo)致非整倍體卵子的產(chǎn)生增加[20]，進(jìn)而導(dǎo)致DS的發(fā)生。而在DS患兒中，由于21號(hào)染色體三體化，位于其上的基因量倍增。這種劑量效應(yīng)使細(xì)胞間黏連蛋白的表達(dá)在心內(nèi)膜墊融合前異常增加，進(jìn)而使細(xì)胞間黏附力增加，影響心內(nèi)膜墊的融合，發(fā)生AVSD[19,21-22]。

3.2 RCAN1基因 RCAN1基因又稱為唐氏綜合征關(guān)鍵基因(Down syndrome critical region 1, DSCR1)，位于人類21號(hào)染色體長(zhǎng)臂(21q22.1)，在DS合并CHD的發(fā)生中有重要意義[23]。利用DSCR1探針對(duì)包埋的胚胎進(jìn)行RNA原位雜交，發(fā)現(xiàn)在胚胎發(fā)育第9.5～10.5天，以及之后的原始心管發(fā)育中(胚胎發(fā)育18～19 d起)，尤其在動(dòng)脈干、動(dòng)脈球、原始心室及房室屏障的形成過(guò)程(胚胎發(fā)育18～19 d起)中高表達(dá)[23]。DSCR1基因編碼鈣調(diào)蛋白磷酸酶，負(fù)性調(diào)節(jié)鈣調(diào)蛋白磷酸化。鈣調(diào)磷酸酶可去磷酸化活化T細(xì)胞的核因子(nuclear factor of active T cells，NF-AT)，而NF-AT是第1個(gè)被發(fā)現(xiàn)的只在心臟內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，其過(guò)度表達(dá)可促進(jìn)核異位及靶基因的激活。Ranger等[24]的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，NF-AT基因靶向斷裂的小鼠在胚胎發(fā)育13.5～17.5 d，心臟的形態(tài)發(fā)生出現(xiàn)明顯異常，包括主動(dòng)脈瓣和肺動(dòng)脈瓣缺如，導(dǎo)致胎兒因充血性心衰而死亡[24-25]。因此，21-三體導(dǎo)致位于其上的DSCR1基因過(guò)度表達(dá)，使胚胎原始心管發(fā)育過(guò)程中鈣調(diào)磷酸酶過(guò)度去磷酸化VF-AT，影響心臟瓣膜的正常發(fā)育及房室間隔的形成，導(dǎo)致先天性心臟發(fā)育缺陷。

3.3 COL6A1基因與COL6A2基因 COL6A1基因與COL6A2基因是編碼膠原蛋白Ⅵ的2個(gè)基因簇，均位于21號(hào)染色體長(zhǎng)臂(21q22.3)。膠原蛋白Ⅵ在胚胎第5～18周表達(dá)[26-28]，參與原始房室間隔的形成，包括房室間隔瓣膜、房間隔中下部及膜部。DS患兒中，3倍的COL6A1基因與COL6A2基因破壞了膠原蛋白鏈表達(dá)的協(xié)同調(diào)節(jié)，進(jìn)而影響DS患兒的膠原蛋白Ⅵ的表達(dá)[26]。另有學(xué)者指出[27]，無(wú)論是否合并CHD，相比于染色體正常的對(duì)照組，21-三體心臟樣本(包括心內(nèi)膜墊的起源結(jié)構(gòu)及瓣膜)中膠原蛋白Ⅵ的表達(dá)均明顯增強(qiáng)，且這些組織發(fā)育明顯不良。

3.4 CRELD1基因 CRELD1基因位于人類3號(hào)染色體短臂(3p25)，是第1個(gè)被發(fā)現(xiàn)與人類AVSD相關(guān)的基因，其編碼的蛋白質(zhì)位于細(xì)胞膜表面，起類似細(xì)胞黏附分子的作用，參與正常心臟的發(fā)生。涉及CRELD1基因高度保守區(qū)域的突變可能是導(dǎo)致AVSD的原因，如C4201T突變及C4148T突變DS患兒中CRELD1基因某些保守位點(diǎn)的突變導(dǎo)致AVSD的發(fā)生[5-6, 29]。Maslen等[6]對(duì)39例DS合并AVSD患者的CRELD1基因進(jìn)行測(cè)序，發(fā)現(xiàn)2例雜合錯(cuò)義突變，分別發(fā)生于cDNA外顯子9第985位點(diǎn)(c.985C>T)及外顯子10第1240位點(diǎn)(c.1240G>A)。這兩個(gè)突變導(dǎo)致的相應(yīng)的氨基酸替換(p.R329C、pE414K)在哺乳動(dòng)物中高度保守，且均遺傳自心臟發(fā)育正常的親本，而在對(duì)照組(DS但心臟發(fā)育正常)未發(fā)現(xiàn)此突變。Li等[5]發(fā)現(xiàn)，Ts65Dn小鼠(經(jīng)典DS模型小鼠)AVSD發(fā)生率為4.7%，Creld1+/-小鼠AVSD發(fā)生率為0%，而Creld1+/-Ts65Dn小鼠AVSD發(fā)生率上升至33.3%。

3.5 ALK2基因 骨形成蛋白(BMP)調(diào)節(jié)的信號(hào)通路參與胚胎心臟的分化和形成[30]。ALK2(activin-like kinase 2)是BMPs的Ⅰ型受體，位于1號(hào)染色體長(zhǎng)臂。在發(fā)育中的小鼠胚胎心內(nèi)膜結(jié)構(gòu)上消除ALK2基因，可導(dǎo)致心內(nèi)膜墊發(fā)育不全[31]。Smith等[32]對(duì)190例AVSD患兒的DNA標(biāo)本進(jìn)行篩查，發(fā)現(xiàn)2個(gè)位于ALK2編碼基因上的SNPs(R307L、L343P)，將ALK2基因上的SNPs之一(L343P)轉(zhuǎn)染至斑馬魚(yú)胚胎，發(fā)現(xiàn)相較于野生型ALK2(wtALK2)斑馬魚(yú)胚胎，其BMP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)明顯減少，并出現(xiàn)心管發(fā)育異常。在上述患兒中，發(fā)現(xiàn)其中1例合并原發(fā)孔型ASD及冠狀竇分流異常，通過(guò)對(duì)其外周血淋巴細(xì)胞DNA測(cè)序，發(fā)現(xiàn)3個(gè)SNPs(ALK2 p.His286Asp、ALK3 p.Glu414Lys及ERBB3 p.Thr1169Ile)。其中，只有ALK2上的SNPs在2個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本中均導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞，而在250例對(duì)照組中均未發(fā)現(xiàn)上述變化。家系分析發(fā)現(xiàn)，先證者父親、母親及姐姐分別攜帶上述1～2個(gè)SNPs，弟弟未攜帶上述SNPs，而超聲心動(dòng)圖證實(shí)，以上親屬均未發(fā)生CHD，說(shuō)明上述SNPs均不會(huì)在無(wú)21-三體的背景下單獨(dú)導(dǎo)致CHD的發(fā)生。研究[33]得出相似結(jié)論。

3.6 KCNJ6基因 KCNJ6基因在DS患兒的非結(jié)構(gòu)性心臟功能異常(如無(wú)癥狀的漸進(jìn)房室傳導(dǎo)阻滯及心動(dòng)過(guò)緩等)中起重要作用。KCNJ6基因參與編碼鉀離子通道調(diào)節(jié)蛋白(G蛋白)的亞基-Kir3.2(GIRK2)。鉀離子通道被G蛋白耦聯(lián)受體激活，G蛋白耦聯(lián)受體由異四聚體亞基(Kir3.1、Kir3.2、Kir3.3、Kir3.4)組成。其中，Kir3.2幾乎表達(dá)于全身器官，包括心臟。鉀離子通道激活后在竇房結(jié)形成負(fù)性變時(shí)效應(yīng)，在迷走神經(jīng)刺激下，心房收縮和房室傳導(dǎo)減弱，從而導(dǎo)致心臟功能異常[34]。

4 小 結(jié)

目前已知的DS合并CHD的相關(guān)基因包括DSCAM、RCAN1、COL6 A1～2、CRELD1、ALK2及KCNJ6，其致病機(jī)制主要包括基因劑量效應(yīng)及基因突變兩種假說(shuō)。DSCAM、RCAN1、COL6A1、COL6A2及KCNJ6位于21號(hào)染色體上，因21-三體導(dǎo)致其上的基因不同程度倍增，通過(guò)不同機(jī)制導(dǎo)致心臟發(fā)育異常，引起CHD。CRELD1及ALK2基因位于其他染色體上，因某些基因位點(diǎn)突變引起CHD。關(guān)于21-三體與上述DS合并CHD相關(guān)基因的相互作用機(jī)制須進(jìn)一步的研究。此外，DS合并CHD發(fā)病與性別、種族的關(guān)系，以及黏連蛋白在DS的發(fā)病及DS合并CHD發(fā)病中的作用機(jī)制也值得進(jìn)一步探討。