表观遗传学在先天性心脏病发病机制中的研究进展

王 静 综述，苏立明 审校

(延边大学附属医院儿科，吉林 延吉 133000)

先天性心脏病(先心病)，CHD是胚胎时期心血管发育异常所致的心脏形态、结构和功能的异常。它是一类危害婴幼儿生命健康的常见先天畸形，占婴幼儿出生缺陷的首位，其发病率为活产婴儿的6‰～8‰，死亡率在新生儿非感染性死亡中占首位约10‰[1]。近年来，随着对心脏发育分子机制的研究进展，发现了一系列参与心脏发育转录调节、信号传导和形态发生的关键基因，随后遗传学分析证实多个基因参与了CHD的发病[2]。但基因组测序在很大程度上不能预测或产生治疗先心病的方法，除了潜在的基因组外，表观遗传学也驱动着心脏的发育。越来越多的证据表明，表观遗传学在CHD发病机制中存在着异常调节。本文就表观遗传学在CHD发病机制中的不同和重叠的作用以及识别新的表观遗传生物标记物的最新进展做一综述。

1 CHD的病因

CHD的病因复杂且多因素。研究发现，约有30%的儿童染色体出现异常与CHD发病相关。据推测，散发性先心病其发病的主要原因约80%的病例是由遗传和环境因素相互作用引起的。遗传因素主要包括：①单基因遗传缺陷：主要表现为Holt-Oram综合征、马方综合征。②染色体的缺陷：主要表现为唐氏综合征、18-三体综合征。③双基因遗传缺陷：主要是心血管结构发育畸形，不伴有其他畸形。妊娠期糖尿病、饮食缺乏、药物使用、孕妇年龄、吸烟、肥胖、妊娠期发热疾病、饮酒和病毒感染已被报道为导致CHD发生的母源环境危险因素[3]。研究发现妊娠期高血压和妊娠期糖尿病可以增加新生儿患CHD风险，孕早期使用抗高血压药物可增加房间隔缺损(ASD)、肺动脉瓣狭窄(PS)等CHD发生的风险，子代CHD发生的风险为非糖尿病母亲的4倍[4]。根据已有的研究试验可得知CHD主要是由于遗传、母体、环境等因素所引起的。

2 表观遗传学与CHD

表观遗传学是指在基因组的核苷酸序列之外控制基因表达的一套机制。包括DNA甲基化和组蛋白修饰，以及主要控制mRNA翻译的非编码RNA。通过改变局部染色质结构调控基因表达，从而改变染色质和DNA结合蛋白的相互作用，如转录激活剂和阻遏物与基因启动子和增强子的结合。与遗传变异不同，表观遗传修饰在不改变核苷酸序列的情况下调控基因表达。重要的是，这些机制在细胞分裂过程中是可遗传的，因此在细胞分化和维持细胞命运中起着至关重要的作用。越来越多的临床和实验研究已经在包括CHD在内的几种多基因疾病中发现了异常的表观遗传模式[5]。

2.1DNA甲基化：在DNA中，按顺序排列的胞嘧啶-鸟嘌呤核苷酸在5-3个方向上被称为CpG二核苷酸，并可在胞嘧啶的5个位置被甲基化。CpG岛是300～3 000个碱基对区域，它们趋向于非甲基化，而大多数CpG二核苷酸位于岛外。大约70%的基因启动子存在于CpG岛，这些区域的甲基化与基因沉默相对应。除了这种典型的机制外，CpG岛已经在启动子区域外被识别，这些岛的甲基化有时会增加转录。

已有研究表明，DNA甲基化在细胞发育过程中起着重要的基因调控作用，尤其是组织特异性基因的甲基化作用，对细胞的维持有重要作用。无论是在全基因组范围内还是在特定的基因位点，都与疾病易感性的增加有关，而DNA甲基化的失调则与心血管疾病[6]、2型糖尿病和癌症有关。心脏基因在发育过程中的时空表达有着惊人的微调，DNA甲基化起着关键作用。心脏DNA甲基化在胚胎期、CHD和对照组织之间、新生儿和成人组织之间进行了比较，在从E11.5-E14.5胚胎中分离出的心脏中，鉴定出79个基因的差异DNA甲基化与表达改变相关。许多基因与心脏发育有关，值得注意的是，透明质酸合成酶2(Has2)是心外膜、隔膜和心脏瓣膜形成所必需的，并被发现在E14.5处通过DNA甲基转移酶3b介导的增强子甲基化而下调[7]。

比较新生儿主动脉瓣狭窄(AVS)、法洛四联征(TOF)和先天性室间隔缺损(VSDs)的DNA甲基化状态的研究已经确定了几种病变患者的异常模式[8-10]。与新生健康婴儿相比，在新生AVS患者的血液中共鉴定出52个DNA甲基化显著改变的基因。尤其值得关注的是APOA5和PCSK9，它们都被高度甲基化，被认为是成人先心病的主要危险因素[8]。在TOF和VSD患者的心肌活检中，在细胞色素c氧化合成酶蛋白(SCO2)的启动子区域观察到高甲基化。在一项揭示性的研究中，对DORV不一致的单卵双胞胎进行了基因组和表观基因组差异分析。毫不奇怪，很少有基因差异被发现。然而，有121个转录因子结合位点被不同程度的甲基化，包括ZIC3(一种参与Wnt信号转导的锌指蛋白)和NR2F2(一种对心脏发育很重要的蛋白)的高甲基化[10]。这一发现强调了表观遗传学在先天性心脏病等病因复杂疾病中的重要性。

2.2组蛋白修饰：核小体是被DNA紧紧包裹的组蛋白八聚体，同时也是染色质的基本单位，是在细胞核中紧密储存DNA所必需的。然而，这种排列使得基因表达所需的转录因子和启动复合物在很大程度上无法获得DNA。组蛋白翻译后修饰(hPTM)可以有效地改变染色质结构，从而控制转录。hPTM主要包括甲基化和乙酰化，但也可以包括泛素化、磷酸化和sumoylation。

组织修饰蛋白和复合物通常与转录因子结合，在调控DNA的特定序列上调控基因转录。通过常规的基因敲除研究，一些组蛋白修饰剂已被证明对心脏发育至关重要[11]。此外，hPTM的异常模式与CHD有关，已知的心脏发育调节因子已被证实通过hPTM发挥作用。例如，沃尔夫-赫施霍恩综合征(WHS)是一种先天性疾病，其特征是生长迟缓和包括心脏在内的多个器官系统发育不全。Wolf-Hirschhorn候选蛋白1 (WHSC1)是一种h3k36me3特异性甲基转移酶，在所有已知的WHS临床病例中均被删除。一项研究产生了一种敲除Whsc1的小鼠，阐明Whsc1缺失的致病作用[12]。在小鼠中，Jarid2的缺失导致VSD或DORV，使人联想到心室压实受损。在分子水平上，敲除阻止了SETDB1和H3K9me3在JARID2基因靶上的积累，最显著的是在心内膜上的Notch1启动子[13]。

2.3非编码RNA：参与基因表达调控的非编码RNA主要有长链非编码RNA (lncRNA)和microRNA (miRNA或miR)。lncRNAs可以直接与染色质重塑复合物相互作用，进一步调节转录，而miRNA主要与mRNA转录相互作用，抑制翻译。人类表达超过1000个miRNA，共同调控约30%的基因。对它们在心脏发育中作用的理解在过去20年中有了显著的进展，它们与CHD的关系也在不断被发现。

多项研究已经在TOF患者的活检中发现了不规则miRNA表达。其中一项研究确定了44个心脏基因，其表达在TOF心肌与正常心肌之间存在显著差异。这44个基因的表达与33个miRNA的表达呈负相关，对33个miRNA的进一步研究发现，miR-421是SOX4的调节因子，这对于适当的Notch信号通路和TOF的发展至关重要[14]。一项独立的研究发现，miR-424过表达导致右心室TOF心肌细胞增殖增加，HAS2和NF1表达下降[15]。第三项研究发现miR-940是TOF组织中75个异常miRNA中下调最严重的[16]。相对于其他心室，miR-940主要在心脏TOF表达，其减少可增加心肌细胞增殖。此外，还发现miR-940调节JARID2，这是一种对适当的Notch信号通路和心脏发育至关重要的染色质修饰剂。第四项研究分析了TOF心肌中连接蛋白43 (Cx43)的表达，并试图识别可能导致其失调的miRNAs[17]。病变组织中Cx43表达上调，miR-1和miR-206表达下调。然而，miR-1/miR-206与Cx43、Cx43与TOF之间的因果关系还有待进一步的研究。

与其他表观遗传途径相比，miRNA对CHD的治疗特别有吸引力，因为它们调节大量的基因，以及它们的基因和组织特异性。此外，miRNAs已被证明对心肌细胞增殖、成熟和致病性重构至关重要，使其成为有希望在结构性心脏缺陷患者中保存和纠正心脏功能的候选分子。

3 展望

将表观遗传调节因子作为CHD的潜在生物标志物，可以更早、更准确地诊断CHD。早期产前和新生儿诊断是降低CHD发病率和死亡率的关键。大多数CHD病例发生在妊娠期，没有可识别的危险因素。CHD的诊断在很大程度上依赖于胎儿超声心动图，目前还没有产前或产后的生物标志物可用于检测心脏缺陷。由于CHD的早期诊断已经被证明可以极大地改善患者的预后，因此仍然需要识别准确的、非侵入性的、与操作者无关的产前诊断生物标记物。由于表观遗传机制在心脏发育中起着至关重要的作用，表观遗传调节因子如miRNA和DNA甲基化正被作为潜在的诊断冠心病的生物标志物进行研究。

综上所述，为了促进对CHD的诊断、认识和治疗，有必要进一步了解这些基因组外系统。在包括TOF、HLHS、AVS、DORV和VSD在内的几种人类CHD中，均观察到异常的DNA甲基化、组蛋白修饰和miRNA表达。这些表观遗传过程调节心脏发育的多个阶段，包括心肌细胞的分化和增殖、心室形态形成、瓣膜形成和分隔。但目前尚不清楚这些表观遗传机制特异表达的原始缺陷引起的或因此而改变。需要进一步研究来确定导致心脏缺陷形成的表观遗传控制异常的确切原因。继续研究表观遗传学在心脏发育和CHD中的独特和重叠的作用，对于促进我们对CHD的理解是至关重要的，并可能揭示新的诊断和治疗心脏病的策略。