NKX2.5和TBX5与先天性心脏病的研究进展

胡易池(综述)，杨毅宁(审校)

(新疆医科大学第一临床医学院，乌鲁木齐 830054)

NKX2.5和TBX5与先天性心脏病的研究进展

胡易池△(综述)，杨毅宁※(审校)

(新疆医科大学第一临床医学院，乌鲁木齐 830054)

心脏特异转录因子是指主要在心肌细胞中表达的关键的转录活化因子，调控编码心肌细胞结构蛋白或调节心脏基因蛋白的表达。目前研究较多的心脏特异转录因子有Nkx2.5、MEF2C、Irx4以及TBX5。心脏特异转录因子的突变是先天性心脏病遗传学方面的主要病因。研究显示其中Nkx2.5和TBX5为单纯性心脏病中2个主要的致病基因，它们协同作用，调控许多下游基因的正确表达。现对它们的结构、功能、相互关系及其变异引发先天性心脏病的可能机制进行综述。

先天性心脏病;易感基因;心脏发育

先天性心脏病(congenital heart disease，CHD)是指胚胎时期心血管异常发育对心功能产生了实际或潜在影响的一种先天畸形，在新生儿中发病率为1%～2%，严重危害婴幼儿健康。CHD发病的内在因素主要与遗传有关。最近十几年来遗传学研究的显著成果之一是基因定位，即确定某致病基因在染色体上的特定位置。根据致病的遗传物质及遗传方式的不同，分为单基因遗传缺陷、多基因遗传缺陷、先天性代谢紊乱和染色体畸变。实验和临床资料显示，15%的CHD与单基因致病有关，85%仍由多基因所致病，但易感基因尚未确定［1-2］。

参与心脏发育及CHD形成的分子主要有4类，即转录因子、信号分子、细胞黏附分子、离子通道分子。其中，各种转录因子之间通过相互作用形成精确的调控机制，参与心脏发育，发挥着中枢性作用，近期人们研究较多的转录因子主要有TBX5和NKX25等。

1 NKX2.5

1.1 NKX2.5基因的结构 NKX2.5基因属于Hombox基因家族，定位于5q3511，cDNA全长1632 bp，2个外显子，编码324个氨基酸，是心脏前体细胞分化的最早期标志之一，许多功能重要的启动子、增强子、自动调节因子和抑制因子存在于该基因的侧翼序列及外显子之间，这些元件在不同时间和空间全方位调控NKX2.5基因，使其在心脏发育过程中发挥复杂的作用。

1.2 NKX2.5 基因在正常发育及成熟心脏中的功能

人类心脏的正常发育过程异常复杂。NKX2.5是参与各个发育过程的心脏前体细胞最早的标志物之一。它由特定信号诱导，通过自身的启动子、增强子、自动调控因子及抑制子的协调作用，按心脏发育的特定时空顺序进行表达。它于心肌分化前开始表达，在心房及心室的发育、心脏环化、房室瓣的形成、房室传导的维持及动脉干分隔等一系列功能上起着举足轻重的作用。同时它又以转录因子的形式直接或间接地参与与心脏发育密切相关的其他基因的表达调控。Sultana等［3］通过救援实验展示 NKX2.5 是 Ecx调停信号的下游中介。随着心脏的发育成熟，该基因的表达范围趋向局限，仅在房室肌细胞中表达，尽管如此，它对成熟心脏发挥其正常功能是必需的。Pashmforoush等［4］研究证实，NKX2.5 参与出生后心肌细胞的功能调控和增殖调节，心脏房室结的形成和功能维持依赖于心肌细胞中NKX2.5的正常表达。但Jay等［5］认为，任何依赖Nkx2.5剂量的基因表达是针对个体基因和生理环境而言的。

1.3 NKX2.5 基因突变与 CHD Wang 等［6］在 136例室间隔缺损患者中把整个NKX2.5基因的编码域按顺序排好，一个已鉴定有突变的遗传病家族中的亲属和200个无亲缘关系的个体予以基因分型。在一个常染色体显性遗传的室间隔缺损家系中鉴定出一种杂合的NKX2.5p.P59A突变。分析结果显示，NKX2.5P.P59A突变与转录活性降低有关。这些发现扩展了与室间隔缺损有关的NKX2.5突变频谱并提供了一个与室间隔缺损有关的分子机制新视野。Pabst等［7］对一个家族三代受房间隔缺损(atrial septal defect，ASD)和其他先天性心血管疾病所致房室传导阻滞影响的5例女性成员的研究，认为突变引起NKX2.5单倍体不足以致功能缺陷是这个家族发生这种疾病的病理生理学机制。有研究发现，CHD患者NKX2.5基因突变类型很多，某些类型在VSD和ASD患者中具有特异性。Granados-Riveron等［8］研究多个突变在CHD中的可能作用，在同一组患者中进行NKX2.5、GATA4、TBX5联合突变筛查。鉴定出两个多重杂合的突变案例。其中一例患者L122P NKX2.5新奇突变与MYH6A1443D普通突变相关，另一例患者D425N GATA杂合子突变也伴随基因MYH6(V700M)普通突变。Reamon-Buettner等［9］发现，检测到散发性CHD的频率为2%左右，而且以前NKX2.5突变检测仅针对患者或普通家庭，同时也缺乏相关的基因表现型，不同的NKX2.5突变展现出同样的心脏畸形或相同NKX2.5突变显示出不同的畸形。总结已公布的NKX2.5突变，探索不同疾病的发病机制，赞成CHD可能由几个基因和相关途径所引起的观念。Peng等［10］对135例中国非家族性先天性心脏缺陷的儿童NKX2.5和GATA4的联合突变进行评估，发现GATA4和NKX2.5错义突变可能导致中国儿童先天性心脏缺陷。这需要进一步大样本的临床研究进行佐证。Zhang等［11］采用聚合酶链反应、变性高效液相色谱法和测序调查中国汉族230非综合征CHD患者NKX2.5基因编码域的突变，在患者中没有发现致病突变。收集的数据表明，NKX2.5突变在中国汉族CHD高度罕见的。因此，NKX2.5突变调查应限于大量家族性的和特殊表型的汉族CHD患者。Terada等［12］采用他莫西芬诱导消融NKX2.5为靶基因的大鼠进行研究表明，在胚胎发育到12.5 d时开始消融NKX2.5，胚胎在发育到17.5 d时死亡。在发育到16.5 d时突变胚胎可出现心律失常，心脏收缩缺陷，心脏畸形，包括ASD。应用组织结构连续切片及三维重建定量测量证明消融NKX2.5会导致胚胎房间隔和扩大的卵圆孔生长停滞。很显然，NKX2.5对于哺乳动物心脏的正常发育十分关键。Joziasse等［13］在4个患有CHD和房室传导阻滞的家族中发现了NKX2.5基因的突变。Takeda等［14］研究表明，NKX2.5对2周大的婴儿的心脏传导和收缩是必要的，但是较之围生期有实质性的不同。

2 TBX5

2.1 TBX5基因的结构 TBX5基因定位于12q2411，属于 T-box转录因子基因家族。TBX5 cD2NA全长2133 bp，8个外显子，编码518个氨基酸。T-box基因家族的功能是作为转录因子调控胚胎的生长发育过程，其家族基因均具有保守片段，该片段在进化过程中具有很强的保守性。

2.2 TBX5基因在心脏正常发育中的功能 TBX5基因在心脏发育中的研究最为广泛。研究表明，TBX5对心脏发育的作用主要表现在心室腔形成和传导系统发育上，发挥着重要作用。TBX5转录因子在早期心脏发育，特别是在心房和左心室的发育中起着独一无二的作用。研究发现在鸟类及鼠类的胚胎TBX5是从心脏的原基和后部的心管开始早期表达的。Goetz等［15］证实了 TBX5完全控制胚胎心肌细胞周期和心脏分化的时间进程，也就是说TBX5在调节心脏细胞周期的进展。Camarata等［16］研究证明，保持TBX5因子活度的平衡对房室交界和瓣膜的形成十分关键。在心脏分化之前TBX5于整个早期心管形成表达区，以后在明显房室系区分时逐步限位于后部心房形成区。以上研究表明，在心脏早期发育过程中TBX5的表达方式是动态的，而对于房室腔初始分化和间隔的正确形成这种动态的表达方式十分关键。

2.3 TBX5基因突变与CHD TBX5基因突变会使TBX5转录因子表达异常或表达缺陷，引起心脏发育不良和上肢畸形，已被确认为 Holt-Oram综合征(Holt-Oram symdrome，HOS)的致病基因。HOS又称心手综合征，属常染色体显性遗传病，患者表现为以ASD为主的心脏异常和上肢不同部位、不同程度的畸形。目前，在HOS中已发现了37种TBX5突变类型，其中包括错义突变、染色体缺失、无义突变和重排。Vianna等［17］通过电脑断层摄影显示1例36岁的由TBX5基因新的突变(外显子8受体结合位点，c.663-1G＞A)引起的HOS患者有ASD和异常的右冠状动脉横跨在主动脉与肺动脉之间。这是HOS体征描述的又一补充。Postma等［18］报告1例典型HOS患者，有轻度骨骼变形并出现阵发性心房纤颤，却很少患有CHD。TBX5序列显示了一个新颖的突变，c.373G＞A突变导致P.Gly125Arg错义突变。推测致病机制潜存于轻微的骨骼表型及阵发性房颤，暗示致心脏功能发展为心房纤颤的TBX5的一个可能的作用是靶基因经TBX5直接或间接刺激TBX3。Mori等［19］研究表明，发育中的心脏对TBX5剂量异常敏感，TBX5剂量的轻微改变对CHD严重性带来直接影响。Boogerd等［20］发现，TBX5的两个新的错义突变p.H220del和p.l106v突变导致TBX5单倍不足，从而致靶基因转录因子激活减少，这可能是HOS发病机制的中心环节。Wang等［21］证明引起人类HOS的TBX5G80R突变不能与心肌蛋白协同激活心脏基因的表达。这些资料揭示TBX5和心肌蛋白在建立心脏基因激活转录控制基础方面起关键作用。也就是说心肌蛋白与TBX5相互作用也许参与心脏的发育和病变。Nadeau等［22］报告转录因子TBX5存在于心内膜亚细胞群，其消融完全导致大鼠渗透的、量依赖的心房室间隔缺损。缺乏TBX5的心内膜细胞凋亡增加，以及通过激活心内膜NOS3，使之作用于房间隔心肌细胞的TBX5，这是疾病发病的潜在机制。同时他们还发现NOS3基因受许多因素包括CHD风险因素、压力和糖尿病的影响，与TBX5基因相互作用提供了一个用来理解人类有出生缺陷背景的遗传-环境相互作用的分子框架。Camarata等［23］利用斑马鱼研究发现，正确控制TBX5活动的平衡对房室边界和阀门的正常形成至关重要。Liu等［24］在192例儿科先天性室间隔缺损患者和对照组192例配对健康人进行了研究，认为TBX5与室间隔缺损的发生有关，也许是汉人一种CHD的缺陷基因。Maitra等［25］证明了GATA6基因和TBX5相互作用，形成一个不完全渗透的新生儿致死伤和薄心肌表型。对这两类杂合子同时进行了基因表达分析，只有在GATA4/TBX5杂合子里的始端肌球蛋白重链展现了向下调节。结果突出了在活的机体内GATA4、GATA6和TBX5在心脏正常形态形成时的相互作用。Zhu等［26］研究表明，作为 HOS的一部分，小鼠和人类T-box转录因子TBX5单倍不足引起先天性心脏缺陷。由TBX5单倍不足导致小鼠心室细胞自主放松缺陷。此外，他们发现HOS患者有显著的舒张期血液充盈异常。这些结果揭示了直接调节心脏舒张功能的遗传途径。

3 NKX2.5与TBX5在心脏发育中的生理及病理关系

NKX2.5和TBX5都是高度保守的转录因子，在胚胎发育过程中起着重要作用。人和小鼠的NKX2.5和TBX5基因在结构和功能上是高度同源的。NKX2.5基因表达是体细胞分化的最早标志之一，对果绳、小鼠及人类心脏的正常发育必需的。在心脏发育过程中，NKX2.5作为上游的主基因调控许多下游基因的表达，其中包括对TBX5的直接调控作用［27］。CHD患者的NKX2.5基因mRNA表达呈下降趋势，推测单纯性CHD中NKX2.5表达下调可能是TBX5基因表达下调的原因。心脏同源盒蛋白质NKX2.5是心脏发育所必需的，Csx(编码Nkx2.5的部位)的突变造成各种各样的先天性心脏疾病。Hiroi等［28］制造心肌和肢体畸形的HOS模型，发现NKX2.5和TBX5功能上紧密关联。转染NKX2.5和TBX5进入COS-7细胞的研究表明，它们在哺乳动物细胞内也彼此联系。这些结果表明，两种不同类型的心脏转录因子协同诱导心脏发育。

以上研究表明NKX2.5和TBX5是单纯性CHD相关的2个重要基因，心脏特异转录因子在心脏发育的特定阶段起着关键作用，依赖于它们之间的相互作用及对靶基因的调控，它们在其中任何一个环节发生变异都可能引发心脏先天畸形。其中，TBX5是引起合并CHD的人类HOS的基因，NKX2.5不仅是引起家族性孤立性心脏病即心脏间隔缺损的相关基因，而且还是散发CHD的致病基因。

4 小结

综上所述，从基因的相互关系或分子层面等对CHD的发病机制作出了定性或量化的阐释，认识到在心脏发育过程中多个基因参与其中，共同组成对心脏发育进行调控的网络状有机体系，在功能上它们既有明确分工又相互合作，对心脏的调控既有时空的不同，又有地位上的差别，共同支配心脏的正常发育。它们在心脏不同发育时期有着表达与调节的不同，在心脏发育中与机体生长发育、能量代谢、细胞周期等蛋白基因相互协调、相互影响。为CHD的基因诊断和治疗提供更多的依据，增强了针对性。目前在CHD研究中已明确的易感基因或为基因缺陷或为单基因突变，它们都是重要的病因，越来越多的研究和发现已经并正在证实着绝大多数CHD是多个基因共同致病的结果，在家族性CHD或伴CHD的遗传综合征已找到较多的基因突变的明确证据，但在大量散发CHD它们的致病基因依然有待证实或仅作出定性鉴别，基因筛查工作任重道远。

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Research Progress of NKX2.5，TBX5 and Congenital Heart Disease

HU Yi-chi，YANG Yi-ning.(The First Clinical Medical College of Xinjiang Medical University，Urumuqi830054，China)

Heart specific transcription factors are the key activated transcription factors expressed mainly in myocardial cells，which regulate expression of coding myocardial cell structure protein or modulate cardiac gene protein.Heart specific transcription factors in more research currently include：Nkx2.5，MEF2C，Irx4 and TBX5.Mutations of heart specific transcription factors are the main cause of congenital heart disease in genetics.Studies show that Nkx2.5 and TBX5 are two major ones of all the virulence genes in the idiopathic heart disease，which act in synergy and regulate correct expression of many downstream genes.Here is to make a review on their structure，function，relationship and the possible mechanisms of congenital heart disease triggered by their variation.

Congenital heart disease;Susceptibility genes;Heart development

R541.1

A

1006-2084(2012)13-1986-04

新疆维吾尔自治区自然科学基金面上项目(2010211A44)

2011-11-09

2012-02-18 编辑：楼立理