小儿先天性心脏病合并神经系统病变的遗传学相关研究进展

李敬一，李文欢

(中国医科大学附属盛京医院小儿神经心血管内科，沈阳 110004)

先天性心脏病(congenital heart diseases，CHD)是新生儿常见的先天性畸形。在胎儿发育过程中，由于大血管或心脏发育异常，造成出生时心脏功能不全。目前手术和介入治疗是治疗CHD的主要手段，治疗后患儿血流动力学和心功能均得到改善，生存率显著提高，但仍有可能发生后遗症或并发症，其中神经系统病变是较严重的并发症之一。有数据表明，约10%的轻症CHD患儿发生神经系统病变，约30%的严重患儿发生神经系统病变[1]。CHD患儿常表现且不限于认知、运动、语言和视觉空间等多方面障碍，可能的原因包括术后应激反应等，但近年来的研究表明手术的影响并不显著[2]。CHD合并神经系统病变的发生机制包括遗传因素和非遗传因素，遗传因素包括基因突变、染色体异常、表观遗传学异常等，而非遗传因素包括母体在妊娠前或妊娠期接触致畸性药物、射线以及被病毒感染等[3]。近年来，国际上对CHD及其并发症的研究已进入全基因组测序时代，可以从基因层面解释CHD与神经系统病变的关系，通过早筛查、早诊断、早治疗可准确定位CHD与相关后遗症。现就CHD患儿并发神经系统病变的相关研究进展予以综述。

1 染色体异常

染色体异常是导致CHD及其相关并发症发生的重要原因，主要包括染色体数目和染色体结构异常，其中染色体数目异常是主要原因。在发育过程中，有多种原因可导致胎儿细胞减数分裂异常，使染色体数目发生改变，非整倍体是最常见的染色体数目异常(如唐氏综合征、X单体特纳综合征、13-三体综合征)，其次为整倍体畸形(如92,XX/XY四倍体)[4]。染色体结构异常即染色体发生断裂或互换造成染色体缺失、易位和倒位，最终导致染色体结构异常。研究表明，CHD等严重的胚胎发育异常与部分染色体异常相关[5]。

1.1数目异常 由于体内大量基因失调，几乎所有非整倍体新生儿均会发生CHD，且由基因失调导致的器官结构功能发育异常严重且不可逆转[3]。活体新生儿发生染色体数目异常最常见的为唐氏综合征和18-三体综合征。Kosiv等[6]通过大样本分析发现，91%的18-三体综合征患儿伴有CHD，通常为间隔缺损和动脉导管未闭，也包括不常见的复杂CHD。Alsaied等[7]的研究表明，在1 092例唐氏综合征患儿中，与未合并CHD患儿相比，合并CHD患儿的语言和运动能力均显著降低；18-三体综合征的临床表现与唐氏综合征相似，但18-三体综合征患儿并发CHD的概率接近100%，常见的类型包括室间隔缺损、动脉导管未闭等。Bruns和Campbell[8]通过对25例9号染色体三体嵌合综合征患者的调查发现，大多数患者存在至少一种类型的心脏畸形(包括间隔缺损和动脉导管未闭)，少数患者合并卵圆孔未闭和左锁骨下动脉异常。

1.2结构异常 人第22号染色体22q11.21～q11.23微小缺失所引起的染色体异常是CHD最常见的致病因素，患者通常存在第22号染色体1.5～3 Mb半合子缺失，导致病理性T盒转录因子(T-box transcription factor，Tbx)1、信号接头蛋白Crkl和(或)促分裂原活化的蛋白激酶1单倍体功能不足，发病率约为1/4 000，且无性别差异[9]。染色体22q11.21～q11.23微小缺失涉及多个与心脏正常发育相关的重要基因，因此可造成心脏结构、头颅面部的畸形，临床上有腭心面综合征、先天性胸腺发育不全综合征等，主要表现为胸腺发育缺陷、神经系统异常等，这类由22q11缺失引起的染色体病大部分合并CHD，22q11重复则会引起猫叫综合征，临床上较罕见，患儿呈特殊面容，哭声似猫叫，存在智力低下、发育迟缓等表现，约30%的患儿合并CHD[10]。冯晴[11]对393例CHD胎儿标本进行研究发现，有1例胎儿核型为47,XX，der(22)t(11,22)(q23.3；q11.1)mat，两条染色体均发生部分重复，表现为CHD(包括肺动脉高压、间隔缺损以及动脉导管未闭)，心外畸形表现为小脑发育不良、胆管闭锁以及外耳畸形。

2 拷贝数变异

拷贝数变异(copy number variation，CNV)是指基于阵列技术的发展染色体亚显微水平的片段(1 kb～1 Mb)拷贝数突变[12]。CNV广义上属于染色体结构异常范畴，有微重复与微缺失的区别。存在CNV的患儿可能来源于胚胎发育过程中的新发，也有可能是遗传因素导致，与CHD的发生关系密切[13]。有文献报道，约10%的CHD患儿发生CNV[14]。不同染色体位点上的CNV以及多类型基因可导致多种表型不同的CHD发生。

在CNV所致CHD中，22q11.2微缺失综合征最常见，其次为7q11.23区域Elastin基因微缺失导致的染色体变异，临床上称为威廉姆斯综合征。活产儿22q11.2微缺失综合征发病率约为1/6 000，心外畸形表现为神经系统发育异常、胸腺缺损、低钙血症、颅面部畸形等，其中CHD发病率约为77%，主要表现为心脏圆锥动脉干畸形[15]。威廉姆斯综合征是一种以小精灵面容为特征，伴有主动脉瓣狭窄、精神发育迟缓、肾脏畸形、身材缺陷等症状的综合征，约82%的威廉姆斯综合征患儿伴有CHD，常见心脏表现为主动脉瓣狭窄、周围肺动脉狭窄、肺动脉瓣上狭窄、二尖瓣脱垂以及室间隔缺损等[16]。

1q21.1微小缺失是指每个细胞1号染色体长臂(q)上q21.1区域中约135万个碱基对缺失，若发生这种染色体异常，可能会造成智力残疾、面容与身体异常，还可能导致法洛四联症、主动脉瓣狭窄等[17]。4q22.1序列区域的PPMIK基因，5q14.1～14.3序列区域的表皮生长因子样重复区和盘状结构Ⅰ样域蛋白3、单链DNA结合蛋白2等基因，19p13.3序列区域中的MIER2(mesoderm induction early response 1,family member 2)、FSTL3(follistatin-like 3)、WDR18(WD repeat domain 18)、钙调宁蛋白2等基因不同位点的染色体部分序列微重复均可导致法洛四联症[18]。Brunetti-Pierri等[19]研究发现，染色体区域1q21.1包含广泛而复杂的低副本重复数和副本编号变体，该区域发生微小缺失与先天性心脏缺陷、发育迟缓等息息相关。Karahuseyinoglu等[20]报道了1对发生PREPL(prolyl endopeptidase-like)和SLC3A1[solute carrier family 3 (amino acidtransporter heavy chain),member 1]基因纯和缺失的同胞姐弟病例，两者均表现为神经肌肉和内分泌异常，姐姐还表现为左心室心肌致密化不全和扩张性心肌病，PREPL基因高表达于脑组织中，其次表达于骨骼肌、心脏和肾脏中。

3 基因突变

心脏结构发育以及维持正常功能运转均需要多种信号分子和转录因子的共同作用，多方位调控网络。在这个过程中，任何一个调控机制的差错均可能引起CHD等发育畸形的发生。近年来，单基因突变导致的CHD成为研究热点，如心脏特异性同源盒转录因子Nkx2.5和Tbx5两种单基因，Nkx2.5位于第5号染色体5q35区域，是首个被证实单基因突变可引起CHD的基因，也是胚胎期心脏发育重要的转录因子，Nkx2.5基因参与心脏房室分隔以及传导系统形成等过程[21]。由于突变位点的多样性，不同突变位点导致CHD的种类也不同，而不同类型CHD患者的突变位点也可能相同。Tbx5位于第12号染色体12q24.1区域，参与心脏发育(特别是左心室和心房)并发挥重要作用，Tbx5单基因突变可引起单纯性的房间隔缺损和房室间隔缺损，也可与表现为骨骼、心血管系统畸形为主的心手综合征相关，如桡骨发育不全、房间隔缺损、室间隔缺损等[22]。另有研究发现，Tbx5突变导致的CHD可能与DNA结合位点突变有关[23]。

此外，由心肌锚蛋白重复和激酶域1基因突变引起完全性肺静脉异位引流所致的CHD很少见；CBP/p300结合转化激活因子2突变可引起房间隔缺损、室间隔缺损；FOG2(friend of GATA 2)/ZFPM2(zinc finger protein M2)突变引起法洛四联症、右心室双出口；心脏神经脊衍生物表达转录因子2突变可引起法洛四联症；IRX4(iroquois 4)突变引起室间隔缺损；MED13L(mediator complex subunit 13 like)突变可引起大动脉转位；Tbx1突变可引起法洛四联症；Tbx2突变可引起室间隔缺损；Tbx20突变可引起房间隔缺损、室间隔缺损等[24]。

丁凡等[25]对锌指转录因子(zinc finger transcription factor，ZIC)3和GATA结合蛋白(GATA binding protein，GATA)4突变与CHD关系的研究发现，CHD患者的ZIC3存在3个突变位点，GATA4存在6个突变位点，均可能导致CHD。早期研究表明，ZIC3基因突变可引起孤立性CHD，ZIC3在心脏表达并直接影响心脏发育[25]。GATA4位于染色体8p23.1，属于GATA家族，主要表达于心脏、肝脏、肺，且高表达于胚胎心脏与心肌细胞；GATA4正常范围内表达时心脏发育正常，低表达时可导致心肌细胞损伤，甚至心脏发育不全[26]。

4 表观遗传调控异常

表观遗传也是影响心脏结构和功能发育异常的因素，它不涉及DNA序列改变，但可以对DNA、染色质、微RNA(microRNA，miRNA)、组蛋白进行修饰。动物实验显示，CHD的发生与修饰异常相关，其机制可能与表观遗传调控相关的基因表达及蛋白功能异常有关[27]。

4.1DNA甲基化修饰 DNA甲基化是表观遗传调控异常导致CHD的重要原因，现阶段此类研究开展较多。利用精准化医学检测技术可以定位某段基因单个CpG点的甲基化状态。正常情况下，CpG岛处于非甲基化状态，甲基化异常会导致相应的基因沉默，DNA甲基化修饰异常可上调CHD相关致病基因的表达，导致CHD发病风险升高[28]。一项针对小鼠胚胎发育的实验发现，DNA甲基化水平升高可使心脏干细胞凋亡，而DNA甲基化水平降低则导致心肌细胞分化障碍，因此DNA甲基化异常会造成心脏发育畸形；该实验还发现，组蛋白乙酰化水平也会影响心脏发育，妊娠鼠乙醇暴露处理后，胎鼠心脏组织中组蛋白乙酰化水平降低，且与之相关的转录因子表达水平随之降低，最终导致胎鼠心脏发育异常[29]。另有研究表明，Brahma相关基因1、CREB结合蛋白/腺病毒E1A相关蛋白p300结合转化激活因子2基因内CpG岛区域低甲基化CHD患者表现为间隔缺损[30]。

4.2非编码RNA 与编码RNA不同，非编码RNA不翻译蛋白质，包括广泛研究的miRNA、长链非编码RNA、Piwi相互作用RNA等。miRNA是广泛存在于真核细胞中的单链小分子RNA，主要通过靶向结合信使RNA阻断蛋白质的翻译过程。miRNA参与调控心脏发育，其表达异常可能导致CHD的发生。研究表明，在以室间隔缺损为主要表现的CHD患者的心肌组织中，作为miR-1-1靶基因的SRY相关高迁移率族基因9表达显著减少，由于SRY相关高迁移率族基因9是瓣膜和间隔发育的重要调控基因，当SRY相关高迁移率族基因9表达减少时，瓣膜和间隔发育出现异常；此外，法洛四联症患者心肌组织中的miR-1201和miR-122表达均下调，miR-1275、miR-421等表达上调[31]。miR-145过表达可抑制靶向共济蛋白基因的表达，通过调控细胞凋亡和线粒体功能导致CHD的发生[32]。

长链非编码RNA的长度超过200个核苷酸，在室间隔缺损患者的心脏组织异常表达，长链非编码RNA UC.299定位于配对盒基因2基因，配对盒基因2参与多器官发育，当长链非编码RNA UC.299表达异常时，配对盒基因2基因调控出现异常，进而导致相应器官的异常发育[33]。

4.3组蛋白修饰 组蛋白修饰包括甲基化、乙酰化、泛素化等。参与组蛋白修饰的酶有组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC)、组蛋白甲基转移酶等。一项实验中，剔除生殖细胞中Ⅱ类HDAC中的HDAC5、HDAC9以及Ⅲ类HDAC中的沉默调节蛋白1的小鼠均出现间隔缺损；且剔除组蛋白甲基转移酶造成小鼠心室发育不全，导致间隔缺损[34]。

5 先天性代谢紊乱

CHD的发生与先天性代谢紊乱有关[35]。先天性代谢紊乱本质上属于染色体异常或基因突变，但异常染色体或突变基因并未直接参与心脏发育及相关信号通路的调控。已知的参与CHD形成的先天性代谢紊乱疾病有Ⅱ型糖原累积病和高同型半胱氨酸症。Ⅱ型糖原累积病患者不能正常分解体内糖原，导致糖原在心肌细胞、骨骼肌细胞贮存，而Ⅱ型糖原累积病患儿可出现心脏结构和功能的改变，包括心肌肥厚、心脏扩大等[35]。同型半胱氨酸水平升高可阻碍胎儿心脏正常发育，与正常妊娠者相比，高同型半胱氨酸症患者所育胎儿的CHD患病风险显著增高[36]。

6 小 结

CHD的发生机制复杂，外界环境、染色体异常、拷贝数变异、基因突变、先天性代谢紊乱、表观遗传等因素均可影响心脏的正常发育。部分CHD患儿还会合并其他疾病，如神经系统发育异常。目前，药物对症治疗CHD的作用有限，仅能使患儿维持一个较好的身体状态，以等待手术时机。手术是目前公认的有可能治愈某些类型CHD患儿的治疗方式，如修补房室间隔缺损。而全外显基因测序技术可确定CHD与神经系统发育异常之间的关系，并可提供准确率较高的妊娠期基因筛查，为小儿CHD的早期诊治及相关后遗症预防提供依据。