先天性心脏病分子遗传学研究进展

陈 雪，闫有圣，郝胜菊

(甘肃省妇幼保健院医学遗传中心，兰州 730050)

先天性心脏病(congenital heart disease，CHD)由胎儿胚胎时期心血管系统发育畸形导致的先天心脏血管结构和功能的异常，是人类最常见的出生缺陷性疾病之一，约占1/3，也是围生期患儿死亡的主要原因之一，其中新生儿的发病率为0. 8% ～1%［1］。目前CHD 的发病机制尚不能完全阐明，国内外大部分学者研究发现主要是由遗传、环境因素单独或相互作用所致，其中两者相互作用占75% ～90%，关于CHD 高发家系的研究亦证实了此观点［2］。近年来随着医学技术的不断发展和分子遗传学实验手段的提高，关于CHD 的病因研究发现遗传因素的作用逐渐凸显，受到广泛关注。本文对近年来CHD 的分子遗传学研究进展进行整理和分析，现分述如下。

1 染色体异常与CHD

CHD 中染色体异常约占4% ～5%，染色体病中约50 种伴心血管异常，根据不同的发病机理，染色体异常进一步分为染色体数目缺陷(非整倍体)和染色体结构异常(重排)。临床多数综合征中染色体异常是其最常见的病因，如猫叫(5P-)综合征、Patau(13-三体)综合征、Edward(18-三体)综合征、Down(21-三体)综合征、22q11 微缺失综合征(22q11 deletion syndrome，22q11DS)等，多伴有CHD。研究显示，30%的染色体异常可伴有心脏畸形［3］，20%的先心病是以并发其他出生缺陷的形式出现［4］。

Down 综合征即21-三体综合征，又称先天愚型，是小儿染色体病中最常见的一种疾病，我国活婴发病率1/600 ～800，占受孕人数1/150［5］，主要特征表现为严重智力低下，特殊面部和身体畸形。研究发现40% ～50%的Down 综合征患者并发先天性血管畸形，包括主动脉缩窄、大动脉转位、左心室发育不良、房间隔缺损、室间隔缺损、房室间隔缺损及法洛四联症等［6］。Edward 综合征，是第2 大常见染色体三体征，活婴发病率为1/4 000，几乎所有的Edward综合征都合并心脏畸形，常见动脉导管未闭及室间隔缺损，房间隔缺损少见，亦可见右位心、房室间隔缺损、主动脉缩窄、右位主动脉弓等［7］。Patau 综合征的发病率极低，活婴发病率约0.049/1 000，但出现的多发性先天畸形比21-三体综合症严重，出生后6 个月内死亡率达90%，极少数能活到成年，多死于心肺并发症［8］，90% 患儿患有心血管畸形，主要为房间隔缺损、室间隔缺损、动脉导管未闭等，临床表现多样，可累及全身多个器官。猫叫综合征，是5 号染色体丢失一个片段所致，临床表现为出生时体质量轻，头小、圆脸、眼距过宽等特殊面容，伴猫叫样哭声，智力障碍，约50%合并心血管畸形，主要为室间隔缺损、动脉导管未闭等。22q11 微缺失综合征是22 号染色体的q11.21-q11.23 区域发生微缺失而引起一系列临床症状(CATCH22)，活婴发病率为1/4 000，是以心血管异常、面容异常、腭裂、胸腺发育不良和低钙血症为临床特征的一类遗传性疾病，包括腭-心-面综合征、DiGeorge 综合征、椎干异常面容综合征，三者可分别或联合出现，临床常出现法洛四联症、动脉导管未闭、主动脉弓离断、永存动脉干、肺动脉瓣狭窄及室间隔缺损。在CATCH22一系列症状中各类心脏畸形的发生率并不相同，其中主动脉弓离断占50%、永存动脉干占35%、法洛氏四联症仅占15%［3］。

2 单基因遗传缺陷与CHD

单基因遗传缺陷引起的畸形依据遗传形式可分为性染色体隐性、显性遗传和常染色体隐性、显性遗传4 类。单基因改变所致的遗传缺陷发生率仅为1/2 000，大约120 种单基因病可以并发心血管系统畸形。引起心脏发育异常的单基因多发生在对胎儿各系统发育有较大影响的基因上，因此患儿常表现为一系列综合征而不是单纯存在的心脏疾病。

Holt-Oram 综合征(Holt-Oram syndrome，HOS)是一种先天心脏畸形合并上肢畸形的常染色体显性遗传病，1960 年，首先由Holt 和Oram 发现并系统描述，主要表现为先天性上肢骨骼畸形和先天性心脏缺损，包括桡骨缺失或发育不全，肩胛骨发育不良等，100%合并心血管畸形，以房间隔缺损和室间隔缺损多见，进行性房室传导阻滞和心房纤颤时有发生，可同时有多种简单畸形并存，亦可伴大血管错位等复杂畸形。对患病家系进行遗传学连锁分析和定位克隆［9］，发现HOS 是由Tbx5 转录因子基因的单突变所引起，该基因突变发生在T-box5'端，CHD 临床表现严重;突变发生在T-box3'端，上肢畸形更严重。马凡氏综合征(Marfan＇s syndrome)，是常染色体显性遗传病，个别呈常染色体隐性病，发病率约1 ～2/20 000，具有高度外显率，属先天性遗传性结缔组织疾病。临床表现为四肢、手指、脚趾细长不匀称，身高明显超出常人，约80%患者合并先天性心血管畸形，常见心脏瓣膜异常和进行性的主动脉根部扩张、动脉瘤形成等，当动脉瘤破裂时，可导致患者猝死［10］。研究发现该病是由于15q21.1 位点的微纤维基因突变导致原纤维质或量改变［11］。先天性侏儒痴呆综合征(congenital dwarfism dementia syndrome)是常见的单基因常染色体显性遗传病，染色体组型正常。临床表现类似于Turner 综合征，为骨骼异常、特殊面容、身材矮小、智力发育迟缓、生长激素可正常或部分缺如、男性生殖器分化不全或完全缺如，女性性腺发育不良或正常发育，并伴CHD［12］，以右心系统异常为主，肺动脉瓣狭窄最为常见，可合并肥厚型心肌病或房室管畸形。本病发病机制尚不明确，有研究表明此病与MEK1、BRAF、PTPN11、RAF1、SOS1 和SHOC2 基因突变相关，并且认为PTPN11 基因可能为主要的致病基因［13］。Alagille 综合征又称先天性肝内胆管发育不良症，为常染色体显性遗传病，有家族发病倾向，男女均可发病，以出生3 个月内发生轻度黄疸，肝内胆汁淤积为主要特征。有典型的面部特征，前额突出，眼与鼻距离大，下颏小而尖;智力发育障碍。90% ～97%此病患者合并心血管畸形，其中外周肺动脉狭窄最常见，亦可有主动脉缩窄、法洛四联症等［14］。Ellis-Van Creveld 综合征，又称为软骨外胚层发育不良症，是由于EVC 基因位于第4 号染色体的短臂上而引起的一种常染色体隐性遗传疾病［15］。临床常见指甲营养失调与发育不良，轴后多指症，心血管畸形表现为心房中隔缺损，产前牙齿萌发，部分兔唇，腕关节骨骼的畸形等。软骨发育不良的表现多为四肢远端短小，与近端及躯干不成比例，成人身高约106 ～153 cm。几乎所有病例均有多指并趾畸形，婴幼儿期易死于感染、呼吸及循环衰竭，合并先心病者预后更差，常死于心力衰竭。

3 多基因遗传缺陷与CHD

60 年代末，美国心血管遗传学家Nora 提出了心血管的多基因遗传学说，认为多基因遗传缺陷通常与环境因素共同作用，即在多基因遗传的基础上，环境致畸因素作用下引起CHD，有明显的家族遗传性，多表现为心血管畸形而不伴有其他系统畸形，约占全部CHD 的90%。法洛四联症:人群中发病率约0.1%，是1 岁后最常见的青紫型CHD，有多种遗传方式，大多数是由遗传和环境因素相互共同作用引起的多基因遗传。此病具有家族聚集性，患者子女患病风险可达3% ～4. 2%，近亲为2. 5% ～3%［16］。主动脉狭窄:本病的人群发病率约0.05%，占CHD 的5%，男性多见，主动脉狭窄的部位不同其有不同的遗传方式，单纯主动脉瓣狭窄呈多基因遗传，特发性肥厚性主动脉瓣下狭窄和主动脉瓣上狭窄属常染色体显性遗传。房间隔缺损:病发率约0.1%，女性易患，大量研究表明本病大多数由遗传-环境因素相互作用引起。房间隔缺损患儿同胞重现率约2.5%，Nora 等［17］人的研究发现对100 个房缺患者进行家系调查，其中阳性家族史占32%，认为是多基因遗传。室间隔缺损:为最常见的CHD，可单独存在，亦可合并其他畸形，单独发病率约0.25%，单纯室间隔缺损多呈多基因遗传。若父母一方或同胞中有室间隔缺损，同胞重现率约3%，在岳凤珍等［18］人的关于CHD 高发家系的研究，得出此病遗传方式既不符合常染色体显性和隐性遗传，也不同于性连锁遗传，并加权室间隔缺损的平均遗传率为148.07% ±7.055%，提示其遗传方式是一个显性主基因参与的多基因遗传。动脉导管未闭:发病率约0.125%，多见与女性，男女比例为1∶ 2 ～3。单纯动脉导管未闭为多基因遗传，遗传率为66% ～70%。妊娠前三个月风疹病毒感染或生活在高原易发生此病，在同胞及子代的重现率和传递率分别为2.5%、3.7%［19］。肺动脉狭窄:人群发病率约0.1%，男女发病无明显差别，呈多基因遗传方式，遗传率为50%。本病在同胞及子代的重现率和传递率分别为2.7%、3.6%［19］。

4 转录因子基因突变与CHD

转录因子是影响发育的复杂生物学过程中起重要作用的一类蛋白质，心脏特异转录因子是通过连接到心肌细胞中DNA 分子上调节转录过程，并调控编码心肌细胞结构的蛋白或调节心脏基因蛋白的表达。近年来研究发现转录因子的突变是CHD 的病因之一，并证实了心脏早期发育的转录因子(GATA4、NKX2.5、TBX5)与CHD 相关，它们位于起关键作用基因的上游，可以以复合体形式调控编码心脏特异基因的表达。

Nkx2.5 基因亦称心脏特异性同源盒基因，位于5q34-35，有2 个外显子，总长度3 125 bp，是NK 型同源盒基因家族Nkx2 型的成员之一。Nkx2.5 基因的侧翼序列及外显子之间存在多数具有重要功能的启动子、增强子、抑制因子和一些自动调节因子，这些因子在心脏发育过程中，能够参与心肌细胞分化、心脏的环化、房室分隔、房室流出道及传导系统形成以及心脏功能的维持［20］。NKx2.5 是胚胎发育过程中的早期标志物之一，对小鼠的研究中发现NKx2.5基因表达在胚胎的第7.5 天即开始，并且一直维持至成年期，NKx2.5 基因缺失的小鼠随着心脏的发育停止，在胚胎发育的15 d 之前就已经死亡［21］。Jamali 等［22］亦证实了Nkx2.5 在P19 细胞向心肌细胞分化的过程中的重要作用;相反转染结构域突变的Nkx2.5 则完全阻断了心肌的分化。TBX 5 基因于1997 年在Holt-Oram 综合征中被克隆鉴定，定位于12q24.1，有8 个外显子，cDNA 全长2133 bp，编码518 个氨基酸的转录因子［23］。TBX 5 基因属于T-box 转录因子基因家族，其家族在进化过程中高度保守，在胚胎早期控制心脏发育和上肢形成。TBX 5 作为转录因子主要通过特有的T-box 结构域与下游靶基因结合，调控正常的心脏房室腔分化，在心脏间隔的正确形成中起关键作用。GATA-4 基因属于GATA 锌指转录因子家族，人类GATA-4 基因位于染色体8p23.1-p22，包括7 个外显子，编码442个氨基酸。是心脏前体细胞分化的最早期标志之一，对大量心脏基因的直接调节非常重要，并且贯穿于心脏发育的全过程。通过免疫荧光技术发现CHD 患者GATA-4 单倍体缺失，说明GATA-4 突变可能 导 致CHD 的 发 生［24］。在Garg［25］和Okubo等［26］研究中同样证实了GATA-4 突变可能是家族性、单纯性CHD 遗传学的病因。

5 展 望

综上所述，CHD 的发生从最初的染色体异常，到众多单基因突变的发现，遗传因素已经被证明是重要的发病影响因素。心脏的发育过程异常复杂，CHD 的出现不是单一或简单的因素作用的结果，而是各项危险因素综合相互作用形成。并且基因突变、染色体异常等与临床表现不存在固定的对应关系，通过借助生物遗传信息学工具以及崭新的实验手段，最大价值地利用现有的数据大规模研究CHD新的致病基因和已知基因的新功能，更深层次地揭示CHD 的分子学机理，完善各类CHD 的遗传学资料，为个性化CHD 患者做出准确的细胞遗传学及基因诊断，从而为临床预防和治疗CHD 提供更好的理论基础。

［1］ Rosamond W，Flegal K，Friday G，et al. Heart disease and stroke statistics-2007 update:a report from the American Heart Association Statistics Committee and Stroke Statistics Subcommittee［J］. Circulation，2007，115(5):69-171.

［2］ 余更生，陈 沅，田 杰，等. CHD 家族聚集的初步分析［J］.临床心血管病杂志，2004，20(11):672-674.

［3］ Pierpont M E，Basson C T，Benson D W Jr，et al.Genetic basis for congenital heart defects:current knowledge:a scientific statement from the American Heart Association Congenital Cardiac Defects Committee，Council on Cardiovascular Disease in the Young:endorsed by the American Academy of Pediatrics［J］. Circulation，2007，115(23):3015-3038.

［4］ Bentham J，Bhattacharya S. Genetic mechanisms controlling cardiovascular development［J］. Ann N Y Acad Sci，2008，1123:10-19.

［5］ 陈 瑶，张 波. 唐氏综合症产前筛查及诊断的研究进展［J］.国际检验医学杂志，2013，34(7):835-837.

［6］ Koster M P，Heetkamp K M，Pennings J L，et al. Down syndrome screening:imagining the screening test of the future［J］. Expert Rev Mol Diagn，2010，10(4):445-457.

［7］ Tsui D W，Lam Y M，Lee W S，et al. Systematic identification of placental epigenetic signatures for the noninvasive prenatal detection of Edwards syndrome［J］. PLoS One，2010，5(11):e15069.

［8］ De Souza E，Halliday J，Chan A，et al. Recurrence risks for trisomies 13，18，and 21［J］.Am J Med Genet A，2009，149A(12):2716-2722.

［9］ Basson C T，Cowley G S，Solomon S D，et al.The clinical and genetic spectrum of the Holt-Oram syndrome (hearthand syndrome)［J］. N Engl J Med，1994，330(13):885-891.

［10］Canadas V，Vilacosta I，Bruna I，et al. Marfan syndrome.Part 1:pathophysiology and diagnosis［J］.Nat Rev Cardiol，2010，7(5):256-265.

［11］ Gonzales E A. Marfan syndrome［J］. J Am Acad Nurse Pract，2009，21(12):663-670.

［12］Romano A A，Allanson J E，Dahlgren J，et al. Noonan syndrome:clinical features，diagnosis，and management guidelines［J］.Pediatrics，2010，126(4):746-759.

［13］ Tartaglia M，Zampino G，Gelb B D. Noonan syndrome:clinical aspects and molecular pathogenesis［J］.Mol Syndromol，2010，1(1):2-26.

［14］ Subramaniam P，Knisely A，Portmann B，et al. Diagnosis of Alagille syndrome -25 years of experience at King＇s College Hospital［J］. J Pediatr Gastroenterol Nutr，2011，52(1):84-89.

［15］ Ali B R，Akawi N A，Chedid F，et al. Molecular and clinical analysis of Ellis-van Creveld syndrome in the United Arab Emirates［J］.BMC Med Genet，2010，11:33.

［16］廖晓波，胡冬煦.法乐四联症相关基因研究进展［J］.国外医学·遗传学分册，2004，27(3):175-180.

［17］ Nora J J，Nora A H. Genetic epidemiology of congenital heart disease［J］.Prog Med Genet，1983(5):91-137.

［18］岳风珍，高秉仁. 先天性心脏病高发家系的遗传学研究［J］.兰州医学院学报，1994(3):149-153.

［19］杨振东，徐大地，李修琪.先天性心脏病与遗传［J］.郧阳医学院学报，1995，14(1):51-54.

［20］Elliott D A，Kirk E P，Yeoh T，et al.Cardiac homeobox gene NKX2-5 mutations and congenital heart disease:associations with atrial septal defect and hypoplastic left heart syndrome［J］. J Am Coll Cardiol，2003，41(11):2072-2076.

［21］Ueyama T，Kasahara H，Ishiwata T，Nie Q，et al. Myocardin expression is regulated by Nkx2.5，and its function is required for cardiomyogenesis［J］. Mol Cell Biol，2003，23(24):9222-9232.

［22］Jamali M，Rogerson P J，Wilton S，et al. Nkx2.5 activity is essential for cardiomyogenesis［J］. J Biol Chem，2001，276(45):42252-42258.

［23］Basson C T ，Bachinsky D R ，Lin R C，et al. Mutations in human TBX5 ［corrected ］cause limb and cardiac malformation in Holt-Oram syndrome［J］. Nat Genet，1997，15(1):30-35.

［24］ Pehilivan T，Pober B R，Brueckner M，et al. GATA4 haploinsufficiency in patients with interstitial deletion of chromosome region 8p23. 1 and congenital heart disease［J］. AmJ Med Genet，1999，83(3):201-206.

［25］ Garg V，Kathiriya I S，Barnes R，et al. GATA4 mutations cause human congenital heart defects and reveal an interaction with TBX5［J］. Nature，2003，424(6947):443-447.

［26］ Okubo A，Miyoshi O，Baba K，et al. A novel GATA4 mutation completely segregated with atrial septal defect in a large Japanese family［J］. J Med Genet，2004，41(7):e97.