扩张型心肌病致病基因的研究进展

李晨瑜 叶强，2

(1.西南医科大学临床医学院，四川 泸州 646000；2.西南医科大学附属医院心血管内科，四川 泸州 646000)

扩张型心肌病(dilated cardiomyopathy，DCM)是一组病因未明的心肌疾病，以左心室或双心室扩大伴收缩功能障碍为主要特征。临床表现主要为心脏扩大、心力衰竭、心律失常、血栓栓塞及猝死。患者预后差，死亡率高，5年生存率约50%。国内外学者对DCM的发病机制和防治措施进行了大量研究，仍未明确其具体的发病机制，且目前尚未发现有效的预防措施和特异性的治疗方法，这为临床治疗DCM带来了困难。近年来，有研究发现DCM与基因相关，心肌细胞基因表达的改变可能会引起心肌收缩和/或舒张功能障碍。因而有研究者提出通过筛选易感基因对早期DCM进行干预治疗，为DCM的临床治疗提供新的方向。现从以下几方面对DCM的致病基因和基因治疗的研究做一简要综述。

1 DCM有关的基因突变

目前，已有35%的DCM病例被证实为家族遗传，在DCM家系中采用候选基因筛查和检索分析的方法已定位了与该病相关的26个染色体位点，并已鉴定出60多个致病基因[1]。编码心肌细胞骨架蛋白和肌节蛋白的基因与DCM关系密切，也是DCM主要的遗传病因。

1.1 肌节蛋白基因

肌节是肌原纤维结构和功能的基本单位，也是维持心肌细胞收缩与舒张的基本单位。肌节由三种不同的肌丝系统组成，肌丝间相互作用是肌节收缩和舒张的基础。肌丝由多种蛋白质构成，包括肌联蛋白、肌球蛋白、肌钙蛋白和原肌球蛋白(tropomyosin，Tm)等。这些蛋白的基因突变将引起肌节收缩和/或舒张功能障碍，最终导致心肌扩张和心功能障碍。

1.1.1 肌联蛋白基因

肌联蛋白是一类有高度弹性的蛋白质分子，主要作用为保持肌球蛋白位于肌节中心。因此，肌联蛋白结构和功能的变化将影响肌细胞的收缩和舒张功能。TTN基因突变是DCM最常见的遗传病因，占所有DCM病例的15%～20%。几乎所有已报道的TTN基因突变都是杂合子，在心肌中呈显性表型。编码肌联蛋白的基因TTN分子量大，包含283 kb碱基对和363个外显子，编码38 138个氨基酸。有研究通过对诱导多能分化的心肌细胞进行功能分析，证明肌联蛋白基因TTN错义突变产生的蛋白质不能发挥正常的生理功能，最终引起心肌收缩功能障碍[2]。RNA结合基序蛋白(RBM)调控肌联蛋白外显子的剪接，经过选择性剪接后，心肌细胞产生多种TTN蛋白亚型。心脏相关的亚型包括N2B、N2BA和NOVEX-3[3]。进一步的研究表明TTN蛋白剪切途径具有复杂的异质性。多项研究发现敲除了RBM20基因的大鼠肌联蛋白的剪接方式发生了改变，产生了DCM表型[4-5]。Robyns等[6]对一个DCM家系进行全组外显子测序，发现RBM20外显子9(c.2714T>A)突变与DCM的发生有直接关系。这些研究为RBM20和TTN的致病性提供了有力证据。

1.1.2 肌球蛋白基因

心肌肌球蛋白是肌原纤维粗肌丝的组成单位，由2条重链(MHC)和4条轻链(MLC)构成的六聚体，在心肌收缩运动中起重要作用。Rehmani等[7]通过构建αMHC-cre小鼠研究发现，敲除小鼠的MHC基因可能导致致命性DCM的发生。国内外学者对多个DCM家系进行基因突变扫描和聚合酶链反应研究，发现了MHC-6和MHC-7的多个突变位点，提示MHC基因突变可能与DCM密切相关。

1.1.3 Tm基因

Tm是细肌丝中的蛋白分子，其与肌动蛋白结合可遮盖肌动蛋白与肌球蛋白的结合位点，阻止后两者结合，从而调节心肌的收缩和舒张。多项研究表明多种原肌球蛋白1(TPM1)发生突变与DCM有关。近来研究发现，TPM1基因的选择性剪接可产生一种只在心肌中表达的Tm异构体TPM1-κ，该异构体通过影响Tm磷酸化,降低心肌肌丝张力，最终诱导DCM的发生。Yao等[8]研究发现TPM1的单核苷酸多态性可能与DCM的发生有关。多项研究发现新疆哈萨克族的DCM患者中TPM1基因多态位点rs1071646发生率较高，提示TPM1基因多态位点rs1071646可能是新疆哈萨克族人群发生DCM的一个易感基因多态位点[9-10]。

1.1.4 肌钙蛋白T基因

心肌肌钙蛋白T是一种钙传感器，能调节细胞内游离Ca2+浓度，强烈影响肌肉收缩。DCM发生可能的机制是突变基因表达的蛋白质减弱了收缩心肌对Ca2+的敏感性，心肌收缩功能障碍最终导致DCM的形成。Hanson等[11]研究发现编码肌钙蛋白T的基因TNNT2外显子13高度保守的ALys210缺失可能引起DCM。另有多项研究发现，TNNT2基因多态性可能是哈萨克族人群和汉族人群DCM发病的危险因子[9，12]。

1.2 细胞骨架蛋白基因

细胞骨架系统是由蛋白质搭建起的骨架网络结构，起维持正常细胞形态结构和生理功能，协调心肌细胞收缩与舒张的作用。有学者认为，DCM是由一组与收缩力量传递有关的细胞骨架及其相关蛋白的基因突变导致的疾病，故又称其“细胞骨架疾病”。与DCM相关的细胞骨架成分蛋白包括结蛋白(desmin)、核纤层蛋白(lamin A/C)和纽带蛋白(vinculin)等。

1.2.1 lamin A/C基因

lamin A/C是一种核膜结构组分，起维持核膜的完整性和支持细胞核结构的功能。lamin A/C在细胞有丝分裂期转变为胞浆蛋白质，在细胞有丝分裂后参与核膜的重建。大量研究发现LMNA基因突变与家族性DCM密切相关，与lamin A/C突变有关的家族性DCM约占10%。免疫组织化学研究发现LMNA基因突变患者仅心肌细胞lamin A/C阳性表达降低，说明LMNA基因突变特异性地损害心肌细胞。Yin等[13]发现LMNA rs4641上单核苷酸多态性与DCM发生相关，Yokokawa等[14]在一个家系中发现了LMNA(c.475G>T)突变，推测此突变很可能与家系中DCM和心源性猝死等心脏病有关。研究发现，在LMNA基因突变导致的DCM家系中，LMNA突变携带者的外显率随年龄的增长而增高，约25%的携带者在早期无明显症状，而到60岁时携带者的突变外显率约为100%[15-16]。

1.2.2 desmin基因

desmin是由desmin基因编码的细胞骨架蛋白，功能包括连接Z带、核膜和胞膜，稳定肌小节，维持肌纤维正常的结构和功能。有研究发现，desmin基因外显子8发生的错义突变(Ile451Met)使病变的肌细胞过早死亡，进一步降低心肌收缩功能，从而促发心肌重构通路导致DCM[17]。故有研究者提出，desmin基因的突变可能是DCM的遗传学病因。

1.2.3 vinculin基因

vinculin是心肌细胞闰盘的主要组成成分之一，起固定细肌丝并在心肌细胞间传递收缩力的作用。vinculin突变基因表达的蛋白质可能无法传递心肌细胞间的收缩力，最终导致DCM的发生。Olson等[18]对350例DCM患者vinculin基因metavinculin特异外显子突变分析中发现了两个突变(Arg975Trp和Leu954de1)，提示vinculin基因突变可能会导致DCM的发生。

1.3 离子通道基因

离子通道是生物膜上各种无机离子跨膜被动运输的通路，是一切生命活动的基础。心肌的收缩与舒张功能主要与Ca2+和Na+通道有关。心肌细胞Ca2+和Na+通道基因突变可能会影响心肌收缩力，导致DCM的形成。

1.3.1 心肌细胞Ca2+通道基因

心肌细胞内的Ca2+浓度与心肌细胞收缩功能密切相关。正常心肌肌质网或内质网钙转运ATP酶(SERCA2a即Ca泵)受肌质网磷酸受钙蛋白的调节而降低，SERCA2a基因突变后SERCA2a活性降低，改变了细胞钙稳态而引起DCM。膜联蛋白家族具有与Ca2+和脂类结合的特性，心肌细胞中有丰富的膜联蛋白A5。国内学者研究发现，在中国川南地区DCM患者中膜联蛋白A5基因外显子2存在突变，这一突变可能引起A5对心肌细胞的Ca2+转运障碍，改变细胞Ca2+稳态，推测膜联蛋白A5基因突变可能与该地区DCM的发生存在相关性。

1.3.2 心肌细胞Na+通道基因

心肌细胞Na+通道是心肌细胞去极化阳离子通道，决定了0相动作电位的形成与幅度，对维持心肌细胞的正常生理功能起重要作用。心肌细胞Na+通道与细胞骨架蛋白连接形成复合体，SCN5A突变减弱了两者之间的联系，引起收缩力的传导障碍和心室结构的改变，这可能是DCM的发生机制之一。Mazzaccara等[19]发现SCN5A单核苷酸多态性可能与DCM的发生相关。国内学者提出SCN5A基因突变导致慢失活的恢复延迟和非失活钠电流增加，细胞内Na+浓度改变，凋亡细胞增多，同时间接导致Ca2+失衡，造成心肌损伤和DCM的发生。

1.4 其他基因

近来研究发现，除上述几种基因外，还有一些基因的突变可能与DCM有关，如细胞因子基因、线粒体基因和凋亡基因。肿瘤坏死因子(TNF)是一种具有调节免疫应答，促进增殖分化等生物学功能的细胞因子。Hegewisch等[20]研究表明TNF可抑制心肌收缩力，降低血压及引起肺水肿，促进DCM的发生。国内研究发现，TNF-α(308)位点和TNF-β(252)位点基因多态性与DCM遗传易感性呈明显相关性。白介素(IL)也是一类细胞因子，具有传递信息，调节免疫应答，介导炎症反应和促进细胞增殖及分化的作用。其中IL-1具有广泛的免疫调节作用，能增强TNF对器官的损伤作用。IL-10具有抑制免疫应答和抗炎症作用，能保护心肌细胞。Parthenakis等[21]发现IL-1水平与左室射血分数明显相关。国内学者发现，DCM患者血清中IL-10明显升高，但其具体机制尚不明确。目前国内外对IL与DCM发病机制的关系研究较少，有待进一步探索。线粒体是细胞内的半自主细胞器，拥有自身的遗传物质和遗传体系，除为细胞供能外，还参与细胞分化、信息传递和细胞凋亡等过程。mtDNA4977和mtDNA7436是最常见的两种mtDNA缺失突变，研究发现这两种mtDNA突变与散发的DCM的发生有密切联系。Zhang等[22]研究表明，mtDNA突变率增加导致基因表达改变，促进心肌细胞纤维化和细胞外基质重塑，推测这可能是导致DCM的机制之一。此外，国内学者发现，细胞凋亡可能与DCM的发生有一定关系。DCM患者心肌组织中凋亡的心肌细胞明显增多，同时凋亡细胞数量与DCM病变的严重程度呈正相关。动物研究发现正常大鼠心肌凋亡信号调节激酶1(ASK1)低水平表达，DCM大鼠ASK1高水平表达，且ASK1表达水平与病程长短呈正相关，说明ASK1通过应激激活并传导凋亡信号，促进了DCM的发生和发展。

2 DCM的基因治疗

2.1 DCM基因治疗概述

基因治疗是指对有缺陷的基因进行修复或置换，改变基因表达，从而治疗和预防疾病的方法。基因治疗的关键是有合适的载体使目的基因转移入靶细胞并高效表达。腺相关病毒(AAV)是目前研究DCM基因治疗较为常用的病毒载体。AAV具无致病性，免疫原性弱和转染后目的基因可长时间存在等优点。非病毒载体主要是阴离子脂质体，具有安全和免疫原性低等优点。目前认为DCM致病基因涉及编码心肌细胞骨架蛋白和肌节蛋白、Ca2+调节、细胞内信号转导、能量代谢和细胞凋亡调控等多个方面，基因治疗可针对以上一个或多个环节的靶细胞进行。

2.2 基因治疗在DCM的具体应用

Kawada等[23]将AAV介导的δ-sacroglycan基因直接注入大鼠的心尖和心室游离壁，观察30周后发现基因转染后大鼠室壁厚度明显增加，心脏的收缩和舒张功能均明显改善。Kawada首次证实了δ-sacroglycan基因治疗DCM的可行性。匡歆等[24]通过CRISPR/Cas13b系统在TNNT 2R141W转基因模型小鼠进行探索性治疗，发现其可有效地敲低TNNT2 R141W mRNA的表达，有效地改善DCM小鼠DCM的症状。许霏等[25]也报道，CRISPR/Cas9技术能用于构建DCM和肥厚型心肌病等多种疾病模型，探究致病基因在各疾病发生和发展中的作用。多项研究发现，腺病毒介导的SERCA2a基因转染治疗可改善心肌的收缩和舒张功能。体外研究提示受钙蛋白磷酸化后对SERCA2a抑制解除，SERCA2a活性升高。因此除了直接转染SERCA2a基因升高SERCA2a水平外，也可通过降低受钙蛋白的水平间接提高SERCA2a水平，达到基因治疗的目的。虽然目前基因治疗的工作只停留于早期实验研究阶段，还有许多实际问题有待解决，但现阶段的研究已证实基因治疗的效果和可行性。因而许多研究者认为，以AAV为载体转染靶基因可能是治疗DCM的有效手段。

DCM是一种慢性病，患者往往在疾病发展到一定阶段，出现较明显的临床症状和体征后才去就诊。而此时患者的病程通常已发展到中晚期，病情严重，治疗效果和预后均较差，因此早期诊断至关重要。由于早期DCM患者并无明显的临床症状，对患者和亲属进行基因筛查，及早发现致病基因(表1为常见的DCM致病基因)是目前首选的诊断方法。基因缺陷导致的DCM可遗传给后代，所以一部分DCM呈现“家族聚集性”的特征。对于有家族史的患者，可通过基因筛查来寻找致病基因，对胎儿进行产前诊断，选择性生育以降低DCM患儿的出生率。此外，大量研究已证实通过对基因进行置换或修饰来治疗DCM的可行性，尤其是AAV载体的应用为基因治疗的临床应用奠定了基础。相信随着分子遗传学的不断发展，会发现更多的DCM致病基因，这不仅有助于DCM的早期诊断，还能为DCM的基因治疗提供更充足的理论依据。

表1 DCM的主要致病基因