先天性心脏病相关基因的研究进展

Research Progress of Genes Related to Congenital Heart Disease

摘要: 先天性心脏病(CHD)是一种常见的先天性畸形类疾病，是目前最常见的出生缺陷，也是儿童死亡的重要原因之一。CHD主要是由遗传和环境两大因素所致。目前关于CHD的遗传因素主要是单基因缺陷、多基因缺陷、染色体异常、基因组拷贝数变异等。本文根据现有结果就CHD相关基因突变予以综述，为诊治CHD提供分子生物学新思路。

Abstract: Congenital heart disease (CHD) is a common congenital malformation, which is the most common birth defect and one of the major causes of death in children. Genetic and environmental factors are the main causes of congenital heart disease. Genetic factors mainly include single gene defect, polygene defect, chromosome abnormality, genome copy number variation. In addition to familial aggregation, there are also differences in genetic factors among different regions and ethnic groups. Based on the existing results, this paper reviews genes related to CHD so as to provide a new molecular biological idea for the diagnosis and treatment of CHD.

1. 引言

CHD是胚胎时期心脏及大血管发育异常所致的局部解剖结构异常或是出生后应自动关闭的通道未能关闭的一种心脏疾患。欧美国家CHD的患病率约为9%，我国约为8% [1]。CHD病因复杂，目前认为该病主要与遗传和环境两大因素有关。其中，遗传因素在CHD的发生发展中起着不可忽视的作用。目前已知CHD的致病基因有NKX2.5、TBX5、GATA4、SCN5A、MEF2C、HAND1、HAND2、FLT4等。

2. NKX2.5与CHD

NKX2.5基因是心脏发育过程中最早表达的转录因子之一，属于Hombox基因家族，定位于5q3511，cDNA全长1632bp。NKX2.5基因参与心脏发育的全过程，在心脏发育过程中起着重要作用。研究发现，敲除NKX2.5基因会影响心脏的发育，产生一系列心脏畸形 [2]。

目前发现的NKX2.5基因突变超50个。NKX2.5基因导致CHD与其编码的4个蛋白结构域有关。在小鼠NKX2.5基因DNA结合域中敲入与人类CHD发病高度相关的p.R142C突变后观察到小鼠胚胎于E10.5出现心脏发育迟缓、胚胎停育以及下游基因的表达下调，最终在小鼠心脏可见到房间隔缺损(atrial septal defect, ASD)、室间隔缺损(ventricular septal defect, VSD)等畸形 [3]。其次，NKX2.5基因受许多存在于外显子与侧翼序列之间的启动子、增强子、抑制因子及自动调节因子的调控，这种调控主要有两种方式：第一，这些元件在不同时间、空间调控NKX2.5基因的自身表达进而参与心脏复杂的发育过程。第二，NKX2.5基因作为上游基因调控下游许多和心脏发育有关基因的表达，如BMP、ANF、MLC2V、MEF2C、dHAND等。NKX2.5作为上游基因可以与GDF1启动子结合激活GDF1的表达，通过影响GDF1的基因表达来参与CHD的发生 [4]。

3. TBX5与CHD

TBX5基因属于T-box家族成员，定位于12q24.1，cDNA全长2133bp。TBX5在心脏发育初期参与心肌细胞及房室腔的分化，后期参与传导系统的发育以及维持成熟心肌细胞功能。在最新的人类基因突变数据库中，TBX5基因突变有103种，这些突变中对心脏的作用是导致心手综合征(Holt-Oram syndrome, HOS)或其他心脏缺陷。TBX5基因导致心脏畸形的机制较为复杂，主要与以下几个方面有关。

TBX5基因编码区有44个突变，突变类型众多，如错义突变、无义突变、缺失和重排等。不同类型突变会影响其与靶DNA序列的结合部位，引起不同的结果。若突变改变T框N端结构如p.G80R可引起显著的心脏畸形，但对肢体的作用较小；然改变T框C端结构如p.R237Q和p.R237W会引起明显的上肢畸形，而心脏畸形却不明显 [5]。其次，与调控序列的基因突变有关。研究发现敲除TBX5基因启动子区-1578/943区域导致该基因转录活性降低40% [6]。此外，TBX5基因突变可影响其与一些复合物的相互作用，从而构成心脏畸形的分子机制。研究发现TBX5和NKX2.5、MREF2C之间存在遗传交互作用，参与CHD的发生 [7] [8]。最后，TBX5表达减少对心脏畸形程度也有影响，通过对靶基因的转录调控，减少TBX5基因表达可以增加心脏缺陷的风险 [6]。

4. GATA4与CHD

GATA4基因是心脏前体细胞中最早表达的转录因子之一，属于GATA锌指转录因子家族，定位于8p23.1-p22，cDNA全长3372 bp。GATA4转录因子由转录激活域和DNA结合域构成，其DNA结合域又由2个锌指结构和羧基末端核定位核苷酸序列共同组成。在心脏发育过程、成熟心肌细胞中都能发现GATA4表达，其在心脏中正常水平的表达，是心脏正常发育成熟，发挥正常生理功能所必需的。GATA4基因突变导致CHD发生发展的机制较复杂。

第一，GATA4基因突变可导致基因产物的转录活性下降，进而影响心脏正常发育，导致各种类型CHD的发生。GATA4基因中高度保守的有害杂合突变p.R311W可降低GATA4激活下游靶基因的能力 [9]。第二，在GATA4基因侧翼序列与外显子链接处的调节因子在不同时空调控着GATA4基因，使其在心脏发育过程中起到不同作用。位于编码区的GATA4基因p.S335X突变使mRNA的翻译提前终止，导致与DNA结合密切相关的GATA4基因C末端截断，通过影响心肌细胞凋亡及分化相关基因的表达参与CHD的发生 [10]。第三，GATA4基因可与其他心脏特异性转录因子相互作用从而参与对心脏发育的调控。研究证明GATA4基因是NKX2.5基因的下游调控序列，二者共同参与对心脏发育的调控 [11]。

此外，蛋白共价修饰对GATA4基因转录活性和DNA亲和力有一定调节，如磷酸化使其转录活性和DNA亲和力升高 [12]；GATA4基因只有表达量不低于正常水平的30%~50%才能维持心脏的正常发育和胚胎存活，当其表达量减少70%时鼠胚胎可表现为完全性房室间隔缺损 [11]。

5. SCN5A与CHD

SCN5A基因属于电压门控通道基因家族，定位于3p21，cDNA全长约80 kb，由4个相似的同源结构域(DI-DIV)组成。目前关于SCN5A基因与CHD相关的报道较少。Doroteia等 [13] 在VSD患者SCN5A基因中发现罕见的突变c.3622G>T。Tan等 [14] 在TOF患者SCN5A基因发现无义突变p.Y1495X。故当SCN5A基因因各种原因发生突变或是表达受到干扰时可能会对CHD的发生发展有一定影响。

6. MEF2C与CHD

MEF2C基因属于肌细胞增强因子家族，主要由MADS盒和MEF2结构域组成。MEF2C基因是心脏发育的核心转录因子，其基因突变会降低自身转录活性，进而影响心脏的发育。此外，MEF2C基因可与其他转录因子相互作用来调控心脏发育。MEF2C基因p.R15C突变和p.L38P突变不仅能显著降MEF2C基因本身的转录活性，还能显著降低MEF2C基因与转录因子GATA4之间的协同激活作用 [15] [16]。Barnes等 [17] 通过灭活小鼠前第二心场中编码MEF2C的基因发现MEF2C功能丧失，导致一系列的流出道排列缺陷，如双出口右心室、大动脉右转。

除上述CHD相关基因突变外，还有一些少见的基因突变，如在青海藏族CHD患者FOXP1基因中发现的可能与藏族CHD相关的4个突变c.211C>A、c.733A>G、c.852C>T、c.1762G>A [18]。在法洛四联症(tetralogy of fallot, TOF)患者中发现的杂合子突变p.R118C不仅显著降低HAND1的转录活性，还降低了其与GATA4之间下游靶基因的协同激活 [19]。在TOF患者PBX1基因发现的错义变异c.551G>C使其转录活性下降 [20]。此外，研究发现HAND2、TFAP2B、PTPN11、CNOT1、ZFP36L2、TEK、USP34、UPF2、KDM5A、KMT2C、TIE1、TEAD2、FLT4等基因突变均与CHD有关。

目前关于中国汉族CHD相关基因突变报道较多，但不同民族CHD基因突变的报道较少，关于相关基因突变导致CHD发生发展机制的研究更少，由于特殊的地理环境及遗传因素，使得这些特殊人群CHD的发病机制亦不相同，故在现有的报道中需要更进一步地深入研究，为不同人群诊治CHD提供分子生物学新思路。