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遗传因素与CHD发病关系探究
发布时间:2018-10-31

  摘要:先天性心脏病 (congenital heart disease, CHD) 是最常见的出生缺陷, 严重危害群体健康。遗传因素与CHD发病关系, 历来受到国内外学者的瞩目。理解遗传因素在CHD发生、发展及转归过程中的作用意义重大。影响CHD的遗传因素包括染色体数目及结构异常、各种各样的点突变、基因拷贝数变异 (copy number variation, CNV) 、DNA拼接位点突变、RNA突变及表观遗传学修饰等。本文仅对染色体畸变、单基因突变、拷贝数变异及新生突变与CHD的关系简要综述如下。

  关键词:先天性心脏病; 染色体; 拷贝数变异; 外显子测序; 新生突变;

遗传病

  Research progress of genetic factors in congenital heart diseases

  Zhao Qiang

  Department of Clinical Genomics, Kingmed Medical School of Laboratory, Guangzhou Medical University, Guangzhou Kingmed Diagonostics

  Abstract:

  Congenital heart diseases (CHD) are the most common birth defects, which severely effect humans healthy. The genetic factors in CHD have been increasingly became to be the focus of attention worldly. It is quite important to understand the critical role of genetic factors in the onset, development, and prognosis of CHD. Various genetic factors such as chromosomal numerical and structural aberrations, point mutations, gene splicing sites mutation, copy number variations, RNA mutations and epigenetics modifications, played important roles in the development of CHD. This article only focuses on the effeteness of chromosomal abnormalities, monogeneses, copy number variations, and de novo mutations with CHD.

  Keyword:

  Congenital heart diseases; Chromosomal abnormalities; Copy number variation; Whole exons sequencing; Denovo mutation;

  先天性心脏病 (congenital heart disease, CHD) 是最常见的出生缺陷, 在世界范围内约占活产儿的2%~3%[1,2]。据我国卫计委出生缺陷监测数据显示, 2012年CHD发生率为40.06/万, 2014年则为50.20/万。CHD发病率在2005年已经从出生缺陷发病顺位的第4位上升到第1位, 成为我国最主要的出生缺陷类型。CHD临床表现多变, 严重性明显不同, 轻者如室间隔缺损, 生后可以自行闭合, 重者如法洛氏四联症 (tetralogy of Fallot, TOF) , 严重影响心脏的功能和结构, 死亡率很高。CHD常伴发全身多脏器畸形, 是新生儿死亡的主要原因之一[1,2,3]。

  传统的观念认为CHD是环境因素与遗传因素共同作用的结果, 其中环境因素占主导地位, 特别是母亲孕期感染、妊娠并发症、服用药物及暴露于有害射线等, 是导致CHD重要因素。但是, 随着技术的进展, 人们发现当患者有家族史、近亲婚配史、单卵双胎家族史时, CHD发生率明显偏高;多种多样的染色体畸变也常伴发不同类型的CHD。种种迹象高度提示, 遗传因素在CHD发病过程中起重要作用[4]。

  当代遗传学技术, 特别是染色体微阵列技术, 二代及三代DNA测序等高通量技术的发明及应用, 为阐明遗传因素在CHD发生过程中的极其重要作用, 提供了强有力的依据[5,6,7]。遗传学研究特别基因组学研究对于揭示CHD的病理生理机制、风险评估、临床管理及遗传咨询意义重大。本文旨在对遗传学因素与CHD的病因进行探讨。

  一、染色体畸变与CHD

  染色体的数目和/或结构异常是导致多种多样的先天性畸形的重要病因, 在各种各样的先天性心脏发育不良的患者中, 常常可发现常染色体异常、或性染色体异常、亦或染色体微缺失及微重复综合征等染色体畸变现象。

  1. 常染色体异常:

  是最常见的与CHD有关的染色体畸变类型, 最早证实的与CHD有关的常染色体畸变是Down综合征 (又称21-三体综合征) 。约半数21-三体综合征患者伴发不同类型的CHD, 包括常见的房间隔缺失、心导管异常及法洛氏四联症等。13-三体综合征和18-三体综合征患者患先天性心脏发育不良的几率更高, 前者可高达90%。

  2. 性染色体异常:

  也是常见的与CHD有关的染色体畸变类型, 如Turner综合征约35%患者有心脏畸形。Turner综合征的染色体除45、X外, 可有多种嵌合体, 如45、X/46、XX;45、X/47、XXX或45、X/46、Xi Xq等[8]。临床表现根据嵌合体中哪一种细胞系占多数而异。Turner综合征也可起因于X染色体结构异常, 如X染色体等长臂Xi (Xq) 、等短臂Xi (Xp) 、长臂或短臂缺失 (XXq-, XXp-) 、形成畸形X环状染色体或与常染色体的各种易位。X染色体的数目异常在临床上并非罕见, 也可以导致患者的心脏发育不全。49、XXXXX的病例相当罕见, 目前已经报道的约25例, 常可以见到颜面部的异常、骨骼肌发育异常及先天性心脏病及血管发育异常。最近1例患者出生后发育迟缓、眼内眦赘皮、小头畸形及CHD。细胞遗传学及分子遗传学研究表明, 患者的额外X染色体源于母亲生殖细胞减数分裂过程中的不分离[9]。

  3. 染色体微缺失及微重复综合征:

  也称邻近基因综合征, 是一类比较常见的染色体疾病, 由于特殊部位的DNA序列出现缺失或重复, 导致个别或相邻的基因结构及功能异常, 致使相应的蛋白质功能异常, 患者表现各种临床症状和体征。CHD是其重要的临床表现之一, 也是针对患者进行相应的遗传分析以排除染色体微缺失微重复综合症的重要指征。研究表明22q11.2的片段缺失及重复可以导致数种综合征, 表型可以显着不同, 但是均有不同形式的CHD[10]。Di George综合征是最常见的微缺失微重复综合征之一, 发病率约1/3500~4000, 这些患者常可以见到严重的CHD。值得注意的是, 临床上比较常见的微缺失微重复综合征患者, 常常表现为多脏器异常, CHD仅是常见的表型之一[11]。例如Williams-Beuren综合症是7号染色体长臂缺失引起的染色体病, 除了重度CHD之外, 常可见到面部、肾、甲状腺等器官结构异常, 并伴发严重的低钙血症[12]。

  随着现代分子遗传学检测技术的快速发展, 对于常见的与染色体畸变相关的CHD的病因研究正在逐步深入到分子水平, 为更深入地理解其病理生理发生机制提供了重要线索[13]。Ackerman等[14]对26例伴有房间隔缺损及无缺损的21-三体综合征患者做基因组重测序, 发现伴发CHD的21-三体综合征患者20%可以检出潜在的致病基因位点, 其中6个基因 (COL6A1, COL6A2, CRELD1, FBLN2, FRZB和GATA5) 需要特别关注, 因为它们和VEGFA信号传导通路有关, 而该通路已经证实和房室间隔瓣膜的形态发生有密切的关系。在没有伴发CHD的21-三体综合征患者中, 仅3%可以检出上述变异, 显着低于伴发CHD组。此项研究初步表明选择有特异的遗传背景的病例, 例如此研究中的21-三体综合征, 可以探讨基因型与CHD临床表现的关系。

  二、单基因遗传病与CHD

  单基因遗传病指由单一基因异常导致的遗传病, 也称孟德尔遗传病, 多达上千种。分为常染色体显性或隐性, X染色体显性或隐性遗传病。单一发病率不高, 但是总体发病率可达4%~5%。此类遗传病也常可见于各种CHD, 既可以是单一的CHD表型 (如GATA4和NKX2.5基因突变[15]) , 也可以是复杂的综合征的一部分, 如Noonan综合征和Holt–Oram综合征[16]。Noonan综合征又名先天性侏儒痴呆综合征, 是一种以特殊面容、智力发育障碍并伴有CHD、身材矮小、骨骼发育异常为特征的多发性先天畸形。据统计活产新生儿中的发病率为1/1000~1/2500。该病具有明显的遗传异质性, 其常见方式有常染色体显性遗传、常染色体隐性遗传以及由基因突变导致的散发病例。在合并CHD的综合征中, Noonan综合征仅次于21-三体综合征, 约70%~80%患者发病与丝裂原活化蛋白激活信号通路 (RAS-MAPK) 中PTPN11等8个基因的突变有关[17], 这些基因的筛查阳性有助于诊断, 但是检测阴性并不能排除Noonan综合征。

  三、新生突变与CHD

  在人类30亿碱基对中, 起编码作用的序列仅占约2%, 称作外显子。外显子的总数约18万个, 30兆碱基。用外显子测序 (whole exons sequencing, WES) 的方法使我们能够以较快的速度、较便宜的价格分析个体的基因构成。该项技术不仅能够分析孟德尔氏遗传病即单基因疾病, 也可以分析复杂的多基因位点疾病。运用该技术已经为探讨CHD的遗传病因提供了新的途径及大量数据。

  所谓的新生突变或原发突变 (de novo mutation) 指个体发育过程中发生的遗传变异, 导致个体发育异常, 出现各种畸形, 而父母基因及表型均正常[18]。研究此类突变对于进一步理解CHD的病因及发病机理意义重大。Zaidi等[19]在2013年做了一项多中心联合研究, 用外显子测序技术检测362例CHD患者及其父母, 并以此为病例组, 同时测序264名健康人及其父母为对照组, 通过比对发现, 病例组与对照组的新生点突变总数及小的插入及缺失并没有显着差别, 但是和心脏发育有关的、导致蛋白结构改变的各种新生突变在病例组明显高于对照组。这些检测到的突变包括无义突变、拼接位点突变及框架移位突变等。更为有趣的是, 这些突变产生的相关蛋白对于染色质的形成和功能方面发挥了重要影响, 这些蛋白和H3K4基因的甲基化的产生及去除的关系更引人注目。染色质的结构变化在心血管发育过程中的广泛作用以及在某些罕见的先天性心脏病综合症 (例如Kabuki综合症) 的致病机制已经有所报道;然而研究显示, H3K4基因的甲基化在CHD的发病过程中的复杂作用程度远远超出以往的认知水平[20]。在其他出生缺陷例如孤独症也常常见到H3K4的身影, 这些不同出生缺陷的发生和染色质的结构及功能改变是否有共同的机理, 非常值得更深入的研究。

  四、染色体拷贝数变异与CHD

  染色体拷贝数变异 (copy number variations, CNVs) 是指基因组中大小介于1000到数百万碱基对不等的染色体片段的缺失或重复, 此类变异占人类基因组总量的10%以上。通常用比较基因组杂交或单核甘酸多态性芯片杂交技术分析染色体拷贝异常。随着越来越多的CNVs被检出, 其与CHD的关系也越来越引起人们的关注[21,22,23]。按不同解剖部位分型的CHD, 涉及的CNVs亦不同, 而某些CNVs相关的CHD可以反复出现, 这类反复发生的CHD多伴有其他脏器的畸形[24,25]。

  2009年, Greenway团队率先发现CNVs与法洛氏四联症的关系, 在114例TOF患者中, 约10%携有罕见的CNVs[23]。随后, Silversides等[26]在2012年对400例TOF患者的9个CNVs位点做了分析, 其中5%的人有异常。9个位点中, 1q21.1位点既有缺失, 也有重复, 这些位点先前已经证实与自闭症、精神分裂症以及智力低下有关。超过500 bp的罕见的、大片段异常见于约1.5%的CHD患者, 包括1q21.1重复、16p11.2重复和22q11.21重复[27]。

  不同类型CHD的拷贝数变异也不同[23]。对左心缺陷的病例研究发现, CNVs的检出频率在病例组和对照组之间并无显着差别, 但是大量罕见的CNVs位点在病例组更常见, 有趣的是这些CNVs位点和血管发生有关, 已经初步证实的相关位点约25个[28]。

  在全基因组水平的CNVs研究同样提供了有意义的线索。对900名健康对照及2000多例CHD患者 (其中800多例为TOF患者) 的研究提示, 超过100 bp的拷贝缺失在病例组更常见。这些罕见的缺失和WTN信号传导通路有关, 后者和CHD发生的多个环节密切相关[29]。

  总之, 各种各样的常染色体、性染色体数目及结构异常、染色体微缺失及微重复综合征, 单基因遗传病, 新生突变与染色体拷贝数变异与CHD的发生、发展及预后有密切的关系。

  自35年前国内外学者开始研究CHD的遗传病因以来, 随着技术的飞速发展, 人们发现越来越多的遗传因素和CHD的发生和发展密切相关。各种类型的单基因遗传病、染色体的结构及数目异常、微缺失微重复综合征、染色体拷贝数变异、基因组的点突变、拼接位点异常等与CHD的发生、发展及转归的深入研究, 已经为或正在为我们干预CHD, 特别是防止先心病CHD的出生缺陷, 提供更好的方法。囿于篇幅所限, 本文对表观遗传因素、非编码序列的影响以及常见遗传位点与CHD的有关研究、现状及进展未予阐述。并非这些因素不重要, 事实上, 只有用不同的技术在不同的水平进行综合研究, 才能全面深入的理解遗传因素在CHD病理生理过程中的重要作用, 为精准诊断、治疗及预防提供依据。研究提示高通量技术的充分及合理的运用, 对探讨环境与基因的相互作用与CHD的关系, 加快多中心的国际合作是今后研究的主要方向, 应引起高度关注。

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