肌聯蛋白基因截斷突變致家族性擴張型心肌病的研究進展

李發有綜述，范潔審校

擴張型心肌病（DCM） 是一種原因不明的以心腔左心室和（或）雙心室擴大、心肌收縮功能減弱為主要特征的異質性心肌病。臨床表現為進行性加重的心力衰竭、心律失常、血栓栓塞甚至猝死。常根據病因是否明確將DCM分為特發性（原發性）DCM和繼發性（獲得性）DCM。

特發性DCM原因不明，行心血管疾病篩查，家族性擴張型心肌病（FDCM）比例高達48%[1]。擴張型心肌病患者中，約有25%為基因突變遺傳因素所致[2]，提示遺傳缺陷在FDCM的發病過程中具有重要作用。到目前為止，已經發現31個常染色體和2個X染色體突變基因與FDCM有關，現就FDCM的診斷標準、遺傳特點及肌聯蛋白基因截斷突變的研究進展情況進行綜述如下。

1 擴張型心肌病的定義及家族性擴張型心肌病的診斷標準

擴張型心肌病的定義[3]：左心室短縮分數（FS）＜25%和（或）左心室射血分數（LVEF）＜45%，且左心室舒張末期內徑（LVEDD）＞117%按年齡和體表面積校正的預計值，排除任何病因明確的心臟疾病。

家族性擴張型心肌病的診斷標準[3]：患者家族中有兩個或以上家族成員符合擴張型心肌病的診斷標準；或是擴張型心肌病患者一級親屬在35歲前有不明原因的猝死家族史。

2 家族性擴張型心肌病的遺傳學特征

遺傳方式的多樣性[4]：包括常染色體顯性遺傳及隱性遺傳、X連鎖遺傳和線粒體遺傳。常染色體顯性遺傳即患者的雙親之一往往是患者，家族成員中常有多例患者，可達半數以上，男女患病機會均等，其特點是有近50%的外顯率；常染色體隱性遺傳，即患者的雙親都不是患者，但均是致病基因的攜帶者；X-連鎖遺傳，其特點是女性攜帶FDCM相關基因，但不發病，患者均為男性。

遺傳基因外顯率不全[5]：即攜帶致病突變的個體不表現出FDCM的任何表型，因此，在攜帶可疑致病突變而缺失FDCM表型的部分個體，尚不能認為突變與FDCM無關，對任何年齡臨床心血管評估陰性的高危家族成員，不能排除FDCM晚發的可能性。需要周期性重復對高危家族成員篩查和評估。FDCM還顯示出年齡相關性的外顯率，致病突變個體通常要到40～60歲或更晚才表現出疾病表型。另一個FDCM的特征是多變的表現型，即部分患者僅表現出部分表型特征。很多FDCM的家屬僅有超聲心動圖的異常或傳導系統異常，而無明顯的臨床癥狀，存在無癥狀的致病基因的攜帶者。目前已知的DCM致病基因包括編碼肌節蛋白、Z線、細胞骨架、線粒體、RNA結合蛋白、肌漿網及核膜[5]。而肌節蛋白和細胞骨架蛋白是DCM致病基因最常見的突變靶點。

3 肌聯蛋白基因截斷突變致家族性擴張型心肌病的病理生理機制

許多心肌病都有遺傳因素參與，它們大多數發生在編碼肌節蛋白和細胞骨架蛋白的基因上。TTN編碼巨蛋白肌聯蛋白，肌聯蛋白是肌小節的重要組成單元，也是人體最大的蛋白和第三大含量最多的橫紋肌蛋白，由大約33000個氨基酸組成。兩分子肌聯蛋白共同橫跨肌節并錨定在肌節Z線和M線上[6,7]。人類肌聯蛋白的分子結構由四個不同的部分組成，它們分別是位于氨基端的Z線、I帶和A帶區以及位于羧基端的M線，M線的末端由最后6個外顯子（358-363）或Mex1至Mex6編碼，肌聯蛋白扮演著裝配肌節的重要角色[8]，感受機械刺激并轉換成生物化學信號，在橫紋肌中提供被動張力，調節肌節的主動收縮力[9]。與其他已知的DCM致病基因相比，關于TTN突變效應的研究相對較晚。TTN的分子大小是肌球蛋白的12～16倍，TTN包含283kb堿基對、363個外顯子，編碼38138個氨基酸[1,10]。這足以表明它是常見的突變靶點。有兩方面的原因可以解釋為什么有較少的TTN突變被發現。首先巨大的TTN分子使傳統的分子生物學方法難以運用于檢測突變。其次，存在大量的多種TTN蛋白亞型，TTN經過選擇性剪切后產生多種骨骼肌和心肌亞型[7]，并且受RNA結合基序蛋白（RBM）基因的調控，該基因與大約2%的DCM有關[11,12]。心臟相關的亞型包括N2B、N2BA和 NOVEX-3[6]。進一步的研究表明有多種亞剪切途徑能產生N2BA亞型，剪切途徑的異質性在肌節的PEVK區更為復雜[10]。更新的擴張型心肌病指南提到在Bcl-2相關抗凋亡基因3（BAG3）上的突變，包括大段缺失突變占DCM的2%，而TTN截斷突變占DCM的25%[1]。TTN截斷突變在DCM患者中高達27%，而單基因引起的DCM僅占6%～8%[6]。TTN相關的DCM在先前的研究中已有報道[12,13]。

Gramlich等[14]首次報道敲入TTN突變小鼠的特性，這跟先前報道的人體TTN突變相似[15]，這種常染色體上的顯性遺傳產生一個終止密碼子和一個截斷表達蛋白，雜合子個體最終發展為擴張型心肌病致猝死，但外顯率不全。用TTN蛋白抗體的蛋白免疫印跡技術證實在敲入TTN突變的雜合個體有截短的肌聯蛋白表達，這種截短的肌聯蛋白量比預想中的要少，可能與升高的蛋白水解作用有關[10]。Roncarati等[16]用全外顯子測序來探究家族性DCM異質性的原因，該研究發現雙雜合子突變核纖層蛋白A/C基因（Lamin A/C，LMNA）:p.K219T/TTN:p.L4855F患者心臟移植的年齡遠遠小于單雜合子的LMNA:p.K219T患者。與單雜合子突變相比，觀察到雙雜合子突變患者的心肌細胞核增長，肌節排列紊亂，心肌細胞核聚集現象。在LMNA:c.656A＞C+TTN:c.14563C＞T患者可以觀察到顯著的心肌纖維化。該研究認為TTN:c.14563C＞T在攜帶LMNA突變的狀態下作為一個修飾因子惡化DCM的臨床表現。c.14563C＞T把脂肪族氨基酸亮氨酸替換成芳香族氨基酸苯丙氨酸，突變致病性預測工具Taster預測c.14563C＞T是一個致病性替換，基于文獻數據，亮氨酸替換苯丙氨酸能導致受影響蛋白的功能缺失。

最近的一個研究表明，兩個堿基對插入的TTN雜合子小鼠是能存活的并且顯示正常的心臟形態。另一方面，當雜合子小鼠長期給以血管緊張素Ⅱ或異丙腎上腺素，小鼠的左心室顯著擴大[14]。因此，在應急情況下，小鼠肌聯蛋白的功能缺陷被顯現出來。核纖層蛋白A結合到肌聯蛋白的羧基端能導致肌節的機械-化學力量的轉換[17]，從而推斷LMNA和TTN的復合突變以協同作用的方式惡化肌節的機械-化學力量轉換。

近年來，第二代測序技術（NGS）已經發現了許多新的TTN突變，并逐漸認識到TTN是人類遺傳性疾病的一個重要突變基因[18]，事實上幾乎所有新報道的TTN突變都是雜合子，這些突變在成人發病的心肌或骨骼肌中呈現出顯性表型。特別是雜合子TTN截斷突變已經被報道是DCM最常見的遺傳因素，然而，截斷TTN突變也被報道在3%的正常健康人群，這足以說明解釋TTN突變的病理機制是困難的[6]。此外，幾個與疾病相關的肌聯蛋白結構域作用仍有待確定，這包括肌聯蛋白絲氨酸-蘇氨酸激酶結構域（TK），TK結構域在控制肌肉組織的基因表達和蛋白質轉換中起重要作用。敲出純合子小鼠TK編碼區和鄰近的TTN外顯子（Mex1和Mex2）可導致孕中期的胚胎死亡[8]。McNally等[19]認為一些TTN突變破壞肌聯蛋白的激酶結構域，可能損害傳遞細胞信號的蛋白導致異常的肌節延長，當肌節拉伸過長時，對信號的感知、傳達障礙使得心肌細胞更易受到來自肌肉活動的損害，另外一些突變可能會破壞肌節在肌肉收縮時的彈性回縮。Herman和同事觀察到少數對照組攜帶肌聯蛋白功能異常的基因突變，這一現象表明可能有其他遺傳或環境因素增強了這些突變的致病能力，而那些無癥狀的個體可能攜帶有其他突變基因，這些突變基因主動抑制了TTN突變的效應。

Chauveau等[8]認為雜合子雙親的表型缺陷證明不是所有的截斷TTN突變，尤其是在M線上的突變，都有臨床表型，除非伴有第二種突變。在他們的研究中，基因型和表型的分析表明心臟的表型嚴重性與TTN突變的位置有關，父母有TK區的突變會表現出危及生命的心臟表型，而那些羧基端的突變很少會有嚴重的表型，甚至無任何心肌受累。截短肌聯蛋白的錯折疊、蛋白間相互作用的紊亂及肌節結構的不完整性和彈性回縮力異常都可能導致疾病表型的表達。

Herman等[6]的研究納入了312例DCM患者，231例肥厚型心肌病，249例對照，并用第二代測序技術分析所有研究對象TTN基因。該研究發現多種TTN突變，包括錯義突變、無義突變、框移突變、剪切突變、重復數突變。這些突變預測可能改變肌聯蛋白的氨基酸序列，并將它們歸類為TTN截斷突變。因為TTN無義突變、框移突變、剪切突變及重復數突變被預測實質性改變肌聯蛋白結構，這些突變在DCM組比肥厚型心肌病組和對照組頻率更高，且發現突變與DCM共顯現遺傳，推斷這些突變可能導致DCM。研究者發現DCM中TTN截斷突變是隨機分布在肌聯蛋白上，它們主要集中在肌節的A帶區域而不存在于Z帶和M帶區。肥厚型心肌病組和對照組中突變的空間分布與DCM組不同，在肥厚型心肌病組和對照組中發現的突變很少集中在肌聯蛋白的A帶區域（40% vs 84%）與DCM組突變相對。TTN截斷突變的DCM患者通常不伴有傳動系統或骨骼肌系統疾病。來源于TTN截斷突變的人體心肌組織病理特征改變類似于特發性DCM。TTN突變（包括無義突變和框移突變）預測能引起蛋白截短，剪切供體或受體位點突變引起外顯子跳躍或外顯子序列缺失和大段的串聯插入，推斷這些等位基因突變產生生物學特性異常的截短肌聯蛋白，最終導致DCM的發生。在DCM組中，用第二代測序技術檢出的TTN截斷突變比用雙脫氧法的檢測率高，差異有統計學意義（P＜0.01）。DCM家系研究顯示TTN截斷突變外顯率在40歲以上的患者中超過95%。TTN截斷突變可能通過以下幾個機制改變完整的肌聯蛋白結構導致DCM。RNA和蛋白監視途徑最可能降解一些截短的肌聯蛋白肽，低水平的肌聯蛋白可能限制肌節的形成和引起心功能不全、心室重構。免疫組化分析顯示一些截短肌聯蛋白的羧基端整合在肌節上，引起隱性的早發的的骨骼肌和心肌病。另外，如果鄰近的TTN截斷突變由于單倍劑量不足引起DCM，那么這種突變的分布更集中于肌聯蛋白的易變區。相比之下，該研究觀察到DCM的一個不均一突變分布，這與沒有DCM的患者不一致。這種不規則的突變分布表明DCM截短的肌聯蛋白被整合到肌節上，是以一種負顯性的機制引起DCM。

Gerul等[20]在研究澳大利亞DCM大家系中報道了一種新的TTN雜合突變，該突變缺失一個堿基對（c.62890delG）表現出與疾病共分離現象，這種TTN基因上堿基對（c.62890delG）的缺失引起基因的移碼突變，由于提前出現終止密碼子產生了截短的A帶肌聯蛋白，而在300例的對照組中未發現這種突變。家族性DCM表現出不完全的疾病外顯率和多變的表型表達，常常使得臨床診斷困難。在家系研究中觀察到一個大的表型變化范圍，發病年齡從20～80歲不等。關于家族性DCM不完全的疾病外顯率原因目前還不清楚，可能與性別、遺傳或表觀遺傳修飾或其他因素有關。

近年來，不斷改進的遺傳病診斷技術提高了對DCM復雜的遺傳學認識，增加了我們對致病突變和原來不明意義的突變識別，第二代測序技術顯著減少了測序成本，使得基因檢測，尤其像TTN這樣分子量大的基因檢測成為可能，隨著突變基因集合的增多，第二代測序技術診斷FDCM的敏感性高達27%～37%，使其應用于臨床篩查無癥狀FDCM擁有較好的前景[21]。

4 展望

遺傳因素在FDCM發生發展過程中起著重要作用，從基因水平尋找FDCM病因及發病機制具有重要的意義，突變基因的檢測為FDCM的診斷與防治開辟了新的途徑，這將有利于對FDCM的早期診斷、早期預防及特定基因的個體化治療。近年來隨著第二代測序技術應用于基因突變檢測，TTN截斷突變致 FDCM的分子遺傳學機制受到越來越多的關注。然而FDCM的發病是環境和遺傳因素相互作用的結果，其表型和外顯率的異質性啟示我們可能有其他修飾基因參與FDCM的發病，目前FDCM分子遺傳學機制還不十分清楚，從基因水平或蛋白質組學水平研究FDCM的分子遺傳學機制仍是今后研究的一個主要方向。

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