扩张型心肌病致病基因及基因多态性研究进展

聂宏运 刘小玲 张佳伟 李海涛 曾群

扩张型心肌病（DCM）是最常见的原发性心肌病，其特征是左心室扩张和收缩功能受损。DCM的病因多种多样，包括基因变异、感染、自身免疫性疾病、接触化学物质和毒素等。欧洲心脏病学会将DCM 分为遗传性（家族性）和非遗传性（非家族性），近年来，研究发现基因突变约占DCM 病因的40%，已鉴定出50 个以上的基因与DCM 有关[1]。而由感染、炎症和化疗等引起的部分非遗传性DCM 可能与个体存在易感基因有关。近期发现了一些散发性DCM 的新型易感基因，如白细胞介素-31 基因（IL-31）、锌指和BTB 结构域蛋白17基因（ZBTB17）等。

1 产力障碍相关基因突变对DCM发病的影响

肌联蛋白基因（TTN）编码的TTN 是肌节中具有高度弹性的大分子蛋白，由A 带区域、I 带区域、羧基端M 线以及氨基端Z 线等4 个部分构成，具有维持心肌紧张度、协调肌肉收缩和传递肌力等重要功能。TTN截断突变（TTNtv）是DCM 最常见的遗传学病因，在DCM 患者中占20%，包括移码突变、无义突变和剪切突变等。另外，TTN错义突变也可能导致DCM。

TTNtv 导致DCM 的确切机制尚不清楚，目前已提出多种机制来说明TTNtv 的致病过程：（1）“毒肽”效应。TTNtv 使TTN 蛋白异常缩短，导致一些具有重要功能的结构缺失，进而形成“毒肽”，最终引起相关功能障碍。例如，A 带是β-肌球蛋白和粗肌丝的连接点，其与肌肉环指蛋白2（MuRF2）的相互作用促进了肌节的形成和成熟。研究表明A 带区域的TTNtv 导致β-肌球蛋白的结合位点丢失，从而影响肌节的组装和心肌收缩功能[2]。另外，TTN 的M 线与感知和调节肌节力有关，而发生在羧基末端的TTNtv 使TTN 的M 线被截断，引起肌力调节障碍，导致隐性、早发性DCM。（2）单倍剂量不足和心脏代谢障碍。与显性负性效应相反，A 带和I 带区域的TTNtv 可通过无义介导的mRNA 降解（NMD），避免异常TTN 的产生。随后的研究发现，细胞中TTN 数量减少可降低心脏对中链和长链脂肪酸的代谢，并增加心脏对糖酵解的依赖性，其分子机制尚不清楚[3]。糖酵解中间产物和支链氨基酸的长期升高会导致丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶-哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体1（mTORC1）信号通路活化，进而促进无效蛋白合成和细胞自噬，引起心肌细胞受损和心脏收缩障碍[4]。此外，Adams 等[5]发现TTNtv 会影响心脏线粒体呼吸链电子传递，继而导致活性氧（ROS）水平升高和线粒体蛋白泛素化增加。这些因素可通过细胞自噬和线粒体氧化磷酸化障碍等途径，引起心肌结构破坏和能量供应不足，最终导致心肌收缩障碍和DCM 的形成。

尽管TTNtv与DCM密切相关，但是在2%～3%的无症状人群中也存在TTNtv，这可能与TTN发生突变的区域有关。研究发现，I 带区域TTNtv 的外显子受选择性剪切控制，可以从转录本中移除而不会导致移码；另外，TTN内部启动子（cronos）上调可以弥补I 带启动子附近截断突变的影响，因此，TTNtv 未使健康人群产生DCM 表型[6]。这些研究表明TTNtv 的致病潜力主要取决于外显子的变异位置，对TTNtv 突变区域的研究有助于评估TTNtv导致疾病的风险。

2 线粒体功能障碍相关基因突变对DCM发病的影响

2.1 线粒体DNA

线粒体是细胞中生产能量的细胞器，对维持细胞各项生命活动至关重要。目前已经发现线粒体DNA（mtDNA）中多个基因突变与DCM 相关，如编码线粒体tRNA（mt-tRNA）的基因、酰基辅酶A 脱氢酶9 基因（ACAD9）、脯氨酰tRNA 合成酶2基因（PARS2）、Ts 翻译延伸因子基因（TSFM）、Tu 翻译延伸因子基因（TUFM）等[7]。mt-tRNA在线粒体蛋白质的合成中起重要作用。mt-tRNA基因多个位点的点突变都可导致DCM，特别是mt-tRNA 亮氨酸基因MT-TL1，mt-tRNA 赖氨酸基因MT-TK和mt-tRNA 异亮氨酸基因MT-TI的突变。近来发现MT-TIm.4318-4322delc 的突变，使其转录的tRNA T 环和T 臂区域的5 个连续胞嘧啶缺失，造成tRNA二级结构破坏，导致tRNA氨基酰化、半衰期缩短和tRNA 前体缺陷，从而引起tRNA 水平降低和蛋白质合成障碍，最终导致线粒体功能障碍和DCM[8]。因此，目前认为MT-TIm.4318-4322delc 基因突变可作为DCM 的遗传学基础。

ACAD9 是酰基辅酶A 脱氢酶家族成员，是组装线粒体呼吸链复合体Ⅰ所必需的酶。ACAD9突变可引起呼吸链复合体Ⅰ缺陷，从而抑制线粒体氧化磷酸化和ATP 生成，造成能量合成不足和毒性代谢产物蓄积，最终导致心肌受损和DCM 形成。另外，Dewulf 等[9]研究显示，ACAD9突变引起的DCM 通常伴有乳酸酸中毒，这更加重了对心肌细胞的损害。

2.2 线粒体蛋白基因

研究发现，核基因突变也与DCM 的形成密切相关。线粒体转录因子A（TFAM）是一种核编码蛋白，在mtDNA 转录中起重要作用。Li 等[10]发现小鼠TFAM基因突变可导致DCM 的发生，且DCM伴有严重的房室传导阻滞。目前认为其发病机制可能是TFAM突变抑制了多种氧化磷酸化所需酶的生成，直接影响呼吸链电子传递，从而使ROS 大量产生[11]。ROS 的累积可触发心肌细胞生理周期的停滞[12]。Zhang 等[11]的研究表明，对心肌细胞周期的抑制可能是心肌收缩障碍和线粒体介导的DCM 产生的重要促进因素。

超氧化物歧化酶2（SOD2）是一种线粒体基质蛋白，具有清除线粒体中过度产生的氧自由基的功能。研究表明，SOD2基因的突变可导致致命性DCM[13]。其机制可能是SOD2基因突变使线粒体中ROS 增多，特别是超氧化物自由基O2-。SOD2依赖性ROS 生成会触发线粒体内4-羟基壬烯醛（4-HNE）大量产生，随后4-HNE 对NADH 脱氢酶铁硫蛋白2（NDUFS2）、琥珀酸脱氢酶复合体亚基A（SDHA）、ATP 合酶F1 结构域β 亚基（ATP5B）和二氢硫辛酰胺脱氢酶（DLD）等呼吸链和三羧酸循环中的部分蛋白进行基团修饰，导致严重的线粒体氧化磷酸化障碍和能量生成不足，从而引起DCM 快速进展和致死性心力衰竭[14]。

热休克蛋白（HSP）D1 是HSP 家族D 组成员，可作为生物活动的保护系统，预防应激引起的蛋白质损伤。HSPD1 也是一种线粒体伴侣蛋白，控制线粒体蛋白质的运输和维持，协助mt-tRNA 的复制。近期研究发现，HSPD1基因的点突变可导致线粒体功能障碍，促进心力衰竭和DCM 的形成[15]，其导致DCM 的机制可能是HSPD1基因的点突变抑制了线粒体呼吸链复合物Ⅳ的活性，导致ROS 水平增加。ROS 诱导线粒体中出现大量自噬体样结构，过度自噬导致线粒体能量供应不足和肌纤维结构紊乱，从而引起心肌收缩减弱和DCM。

3 相关基因多态性对DCM易感性的影响

Kimura 等[16]根据遗传基础和环境因素对DCM 影响的大小，将DCM 分为多因素型和单一基因型。当遗传因素和环境因素的共同作用达到疾病阈值时，才导致DCM 的发生。单一基因型DCM的发病主要与家族遗传相关，由前文所述常见致病基因突变引起多因素型DCM 患者中存在一些易感基因，这些基因与外界环境（如感染、化疗）的共同作用可使罹患DCM 的风险增加，同时也影响DCM 的结局和转归。目前，已发现部分易感基因的单核苷酸多态性（SNP）与DCM 相关，易感基因的筛选可为DCM 的基因诊断和早期干预提供理论基础。

3.1 IL-12B和IL-10基因

Frade-Barros 等[17]在感染克氏锥虫的人群中发现，30% 的感染者会发展为炎性反应相关DCM，同时也显现出家族聚集性，表明遗传因素参与了疾病的进展。相关文献报道，在感染克氏锥虫后的此类DCM 患者中，IL-12B 和IL-10 水 平 明 显 升 高，IL-12B和IL-10基因改变可能在DCM 的形成中发挥作用[18]。研究发现，在IL-12B基因区域中，2 个SNP（rs2546893G/A、rs919766A/C） 与DCM 的 形 成有关；IL-10基因3'UTR 区域的SNP rs3024496 多态性和启动子区域的SNP rs1800896 多态性也显示出与DCM 易感性相关的趋势，rs3024496C 和rs1800896G 等位基因在DCM 患者中更为常见[17]。推测致病机制可能是IL-12B 和IL-10 在T 辅助细胞1（Th1）分化和γ 干扰素（IFN-γ）生成中发挥作用，而DCM 患者外周血和心脏组织中IFN-γ和Th1 细胞数量明显增加。IFN-γ 是DCM 心肌中表达最高的细胞因子，产生这种细胞因子的单核细胞也在DCM 心脏中大量存在，细胞因子之间的不平衡促进了DCM 的发展。在DCM 心脏组织中，IL-10 和其他Th1 拮抗因子的mRNA 表达较低或检测不到，表明DCM 心肌中的Th1 浸润基本不受细胞因子的调节，无法调节Th1 反应和IFN-γ 生成可能是DCM 患者的免疫缺陷[18]。

3.2 IL-27基因

IL-27 是异二聚体炎性因子，属于IL-6/IL-12家族，具有较强的抗炎作用，还可促进IL-1、IL-12和IL-18 等炎性因子的释放。Chen 等[19]首次报道了中国汉族人群位于IL-27基因启动子区的SNP rs153109 与DCM 易感性存在关联，其中rs153109的AG 基因型与DCM 风险增加有关。IL-27基因的SNP rs153109 可增加外周血单核细胞中IL-27的表达，原因可能是启动子区域的多态性可以直接或间接地影响转录和翻译活动的稳定性，从而影响蛋白生成。炎性细胞和IL-27 等炎性因子对心肌细胞的长期浸润，最终促使DCM 形成。

3.3 IL-31基因

IL-31基因位于染色体12q24.31 上，编码的IL-31 可诱导多种细胞（如上皮细胞、巨噬细胞和嗜酸性粒细胞）释放促炎性反应介质（如IL-6）。Song 等[20]首次揭示了IL-31基因与中国汉族人DCM 易感性相关。他们发现，DCM 患者IL-31基因SNP rs4758680 位点的C 等位基因频率升高，而A 等位基因频率下降，C 等位基因频率与IL-31 水平呈正相关。这表明C 等位基因是DCM 主要的诱发因素，A 等位基因（CA/AA 基因型）对DCM有保护作用。Kaplan-Meier 曲线和Cox 比例风险模型显示，IL-31 基因SNP rs4758680 的CC 基因型频率也与DCM 预后较差相关。另有研究表明，DCM 患者血清中IL-31 水平明显升高[21]。IL-31的致病机制可能是：（1）IL-31 通过IL-31 受体A（IL-31RA）复合物起作用，IL-31RA 介导心脏中心肌营养素-1 （CT-1）下降，导致心脏成纤维细胞功能受损；（2）嗜酸性粒细胞中 IL-31 主要通过抑瘤素M 受体（OSMR）介导钙内流，提示 IL-31 可能影响心肌收缩[21]。

3.4 ZBTB17基因

ZBTB17基因编码的myc 相互作用锌指蛋白-1（MIZ-1）属于转录因子，可与c-myc原癌基因互相作用，激活或抑制其靶基因的转录。Li 等[22]首次证明ZBTB17基因的SNP rs10927875 是中国人群DCM 易感性的危险因素，其分子机制尚不清楚，可能与MIZ-1 不能正常筛查前T 细胞有关。MIZ-1正常功能的缺失将引起免疫功能失调和细胞凋亡，最终导致DCM 的发生[23]。

3.5 其他

研究表明，具有易感基因的个体患有心肌炎时容易发展为DCM。Jain 等[24]发现在成人和儿童患有心肌炎时，核纤层蛋白基因（LMNA）、肌球蛋白重链7 基因（MYH7）、肌球蛋白重链6 基因（MYH6）和Bcl-2 相关抗凋亡基因（BAG）相关位点的多态性变异可使抗肌萎缩蛋白（Dys）、BAG3、心肌肌钙蛋白I3（TNNI3）等出现结构破坏和功能紊乱，从而促进DCM 的发病。另外，研究发现病毒蛋白可通过影响人类白细胞抗原（HLA）的表达，增加DCM 的易感性[25]。例如，丙型肝炎病毒感染者常伴有超声心动图异常，表现为左室扩张、肥大以及收缩功能紊乱，其N 末端脑钠肽前体（NT-proBNP）水平也高于乙型肝炎病毒感染者或健康对照者[16]。

4 展望

遗传因素在DCM 的发展中起关键作用，已经证实编码肌节蛋白、核膜蛋白、细胞骨架和线粒体蛋白的多种基因是主要的致病基因。近年来的研究表明环境因素对于DCM 的发展同样不可忽视，其中包括炎性反应、病毒感染、药物和化疗等。易感基因会在某种环境因素的作用下发生突变，这也解释了为什么柯萨奇病毒感染的人群中仅极少数人患有DCM。与没有携带易感基因的个体相比，携带易感基因的个体在较低的化疗（如蒽环类药物）剂量下，发生DCM 的风险大大增加。IL-12B、IL-10、IL-31、IL-27和ZBTB17等基因的SNP 位点被证明与DCM 易感性相关，这些易感基因的发现进一步完善了DCM 诊疗的基因数据库，IL-12B、IL-10、IL-31、IL-27 等炎性因子也成为鉴别DCM 高危人群以及判断疾病预后的细胞因子。发现更多致病基因以及易感基因多态性，同时阐明这些基因在DCM 发病中的作用机制，对DCM的预防、诊断、治疗和预后有重要意义。