唐氏綜合征合并先天性心臟病相關基因的研究進展

周 園， 張 斌

復旦大學附屬婦產科醫院產科，上海 200011

唐氏綜合征(Down syndrome,DS)，又稱21-三體綜合征，其細胞遺傳學基礎是21號染色體呈三體性。約50%的DS患兒合并不同類型的先天性心臟病(congenital heart disease,CHD)[1-6]。

DS患兒合并的CHD的類型主要以間隔類缺損為主，包括房間隔缺損(atrialseptal defect,ASD)、室間隔缺損(ventricular septal defect,VSD)、房室間隔缺損(atrioventricular septal defect,AVSD)等。其中，完全性AVSD是DS特有的心臟畸形[7]。此外，還有部分DS患兒合并動脈導管未閉、肺動脈閉鎖、右心室雙流出道或復合缺損等心臟畸形[8]。DS的發病主要與卵母細胞減數分裂錯誤[9]、黏連蛋白異常[10]及端粒長度縮短[11]等有關；而CHD的發生與染色體非整倍體性、染色體上的微小缺失(如22q11.2缺失、7q11.23缺失等)、拷貝數變異(copy number variations,CNVs)及單核苷酸多態性(single nucleotide polymorphisms,SNPs)等相關。本文主要就DS合并CHD患兒的基因特點作一綜述。

1 DS合并CHD的流行病學特點

DS合并CHD存在性別、種族的差異。Freeman等[12]通過對美國國家DS項目(national Down syndrome project,NDSP)和其前身亞特蘭大DS項目(Atlanta Down syndrome project,ADSP)的數據進行分析，發現DS患兒合并的CHD中以AVSD為主，且呈現明顯的性別差異，女嬰的發生率約為男嬰的2倍(優勢比1.93,95%可信區間1.40～2.67)；黑種人AVSD發生率高于白種人(優勢比2.06，95%可信區間1.32～3.21)；西班牙裔人群AVSD的發生率較低(優勢比0.48，95%可信區間0.30～0.77)。此外，Diogenes等[13]也發現，DS女嬰合并CHD的發生率明顯高于男嬰，CHD以間隔類缺損為主。關于DS合并CHD性別、種族差異的原因尚未明確，需要進一步探索。

2 DS合并CHD的2種假說

參與人類AVSD發生的相關基因有GATA4、Nkx2.5、TBX5、DSCAM、COL6 A1～2等[14]，其中部分位于21號染色體上。DS合并CHD的發病機制在基因水平上主要有基因劑量效應假說和基因突變假說。

2.1 基因劑量效應假說 DS合并CHD的相關基因包括DSCAM、RCAN1、COL6 A1～2、CRELD1、ALK2及KCNJ6，其中DSCAM、RCAN1、COL6 A1～2及KCNJ6位于21號染色體上的關鍵區域21q22(圖1)。DS的特征表型(如顱面部畸形、心血管系統畸形、智力減退等)與此區域相關[15-16]。21-三體引起基因量倍增效應，其候選基因呈現不同程度的表達增加，通過增加黏附分子的表達、干擾信號通路的調節等，導致心臟發育異常，形成CHD[17]。

圖1 第21號染色體上與DS合并CHD有關的關鍵基因

2.2 基因突變假說 CRELD1及ALK2基因位于其他染色體上(圖2)，但在21-三體背景下，其上某些位點突變，從而導致CHD的發生，這是基因突變假說。然而，并不是所有DS患兒均患CHD，且患CHD的類型、程度各異，這可能是多基因作用的結果；21-三體可影響其他染色體上基因的表達，呈現基因的系統效應[18]。

3 基因特點

3.1 DSCAM基因 通過定量印跡劑量分析及熒光原位雜交技術對21號染色體進行分析發現，DS合并CHD發生的關鍵區域包含DSCAM、D21S55、ERG、ETS2等重要的基因位點，其中，DSCAM基因是已知的64個位于DS合并CHD關鍵區域中唯一調節細胞間黏附的基因[19]。DSCAM基因位于21號染色體長臂(21q22.3)，其編碼的跨膜蛋白在細胞黏附分子免疫球蛋白超家族中具有高度的序列和結構同源性，且其編碼的蛋白鼠類和人類具有高度保守性。在鼠類心臟發育過程中，DSCAM基因在心內膜墊融合之前已高度表達。將人類DSCAM基因的cDNA轉染至小鼠成纖維母細胞L細胞，DSCAM穩定的轉化株表現出強大的黏附性能，DSCAM蛋白以親同種抗原的方式快速形成聚合體[19]。

圖2 DS合并CHD關鍵基因影響的心臟結構簡圖

黏連蛋白位于染色體著絲粒附近，在卵母細胞的減數分裂過程中，維持同源染色體的穩定性；其表達減少將導致非整倍體卵子的產生增加[20]，進而導致DS的發生。而在DS患兒中，由于21號染色體三體化，位于其上的基因量倍增。這種劑量效應使細胞間黏連蛋白的表達在心內膜墊融合前異常增加，進而使細胞間黏附力增加，影響心內膜墊的融合，發生AVSD[19,21-22]。

3.2 RCAN1基因 RCAN1基因又稱為唐氏綜合征關鍵基因(Down syndrome critical region 1, DSCR1)，位于人類21號染色體長臂(21q22.1)，在DS合并CHD的發生中有重要意義[23]。利用DSCR1探針對包埋的胚胎進行RNA原位雜交，發現在胚胎發育第9.5～10.5天，以及之后的原始心管發育中(胚胎發育18～19 d起)，尤其在動脈干、動脈球、原始心室及房室屏障的形成過程(胚胎發育18～19 d起)中高表達[23]。DSCR1基因編碼鈣調蛋白磷酸酶，負性調節鈣調蛋白磷酸化。鈣調磷酸酶可去磷酸化活化T細胞的核因子(nuclear factor of active T cells，NF-AT)，而NF-AT是第1個被發現的只在心臟內皮細胞表達的轉錄因子，其過度表達可促進核異位及靶基因的激活。Ranger等[24]的實驗發現，NF-AT基因靶向斷裂的小鼠在胚胎發育13.5～17.5 d，心臟的形態發生出現明顯異常，包括主動脈瓣和肺動脈瓣缺如，導致胎兒因充血性心衰而死亡[24-25]。因此，21-三體導致位于其上的DSCR1基因過度表達，使胚胎原始心管發育過程中鈣調磷酸酶過度去磷酸化VF-AT，影響心臟瓣膜的正常發育及房室間隔的形成，導致先天性心臟發育缺陷。

3.3 COL6A1基因與COL6A2基因 COL6A1基因與COL6A2基因是編碼膠原蛋白Ⅵ的2個基因簇，均位于21號染色體長臂(21q22.3)。膠原蛋白Ⅵ在胚胎第5～18周表達[26-28]，參與原始房室間隔的形成，包括房室間隔瓣膜、房間隔中下部及膜部。DS患兒中，3倍的COL6A1基因與COL6A2基因破壞了膠原蛋白鏈表達的協同調節，進而影響DS患兒的膠原蛋白Ⅵ的表達[26]。另有學者指出[27]，無論是否合并CHD，相比于染色體正常的對照組，21-三體心臟樣本(包括心內膜墊的起源結構及瓣膜)中膠原蛋白Ⅵ的表達均明顯增強，且這些組織發育明顯不良。

3.4 CRELD1基因 CRELD1基因位于人類3號染色體短臂(3p25)，是第1個被發現與人類AVSD相關的基因，其編碼的蛋白質位于細胞膜表面，起類似細胞黏附分子的作用，參與正常心臟的發生。涉及CRELD1基因高度保守區域的突變可能是導致AVSD的原因，如C4201T突變及C4148T突變DS患兒中CRELD1基因某些保守位點的突變導致AVSD的發生[5-6, 29]。Maslen等[6]對39例DS合并AVSD患者的CRELD1基因進行測序，發現2例雜合錯義突變，分別發生于cDNA外顯子9第985位點(c.985C>T)及外顯子10第1240位點(c.1240G>A)。這兩個突變導致的相應的氨基酸替換(p.R329C、pE414K)在哺乳動物中高度保守，且均遺傳自心臟發育正常的親本，而在對照組(DS但心臟發育正常)未發現此突變。Li等[5]發現，Ts65Dn小鼠(經典DS模型小鼠)AVSD發生率為4.7%，Creld1+/-小鼠AVSD發生率為0%，而Creld1+/-Ts65Dn小鼠AVSD發生率上升至33.3%。

3.5 ALK2基因 骨形成蛋白(BMP)調節的信號通路參與胚胎心臟的分化和形成[30]。ALK2(activin-like kinase 2)是BMPs的Ⅰ型受體，位于1號染色體長臂。在發育中的小鼠胚胎心內膜結構上消除ALK2基因，可導致心內膜墊發育不全[31]。Smith等[32]對190例AVSD患兒的DNA標本進行篩查，發現2個位于ALK2編碼基因上的SNPs(R307L、L343P)，將ALK2基因上的SNPs之一(L343P)轉染至斑馬魚胚胎，發現相較于野生型ALK2(wtALK2)斑馬魚胚胎，其BMP信號轉導明顯減少，并出現心管發育異常。在上述患兒中，發現其中1例合并原發孔型ASD及冠狀竇分流異常，通過對其外周血淋巴細胞DNA測序，發現3個SNPs(ALK2 p.His286Asp、ALK3 p.Glu414Lys及ERBB3 p.Thr1169Ile)。其中，只有ALK2上的SNPs在2個實驗樣本中均導致蛋白質結構破壞，而在250例對照組中均未發現上述變化。家系分析發現，先證者父親、母親及姐姐分別攜帶上述1～2個SNPs，弟弟未攜帶上述SNPs，而超聲心動圖證實，以上親屬均未發生CHD，說明上述SNPs均不會在無21-三體的背景下單獨導致CHD的發生。研究[33]得出相似結論。

3.6 KCNJ6基因 KCNJ6基因在DS患兒的非結構性心臟功能異常(如無癥狀的漸進房室傳導阻滯及心動過緩等)中起重要作用。KCNJ6基因參與編碼鉀離子通道調節蛋白(G蛋白)的亞基-Kir3.2(GIRK2)。鉀離子通道被G蛋白耦聯受體激活，G蛋白耦聯受體由異四聚體亞基(Kir3.1、Kir3.2、Kir3.3、Kir3.4)組成。其中，Kir3.2幾乎表達于全身器官，包括心臟。鉀離子通道激活后在竇房結形成負性變時效應，在迷走神經刺激下，心房收縮和房室傳導減弱，從而導致心臟功能異常[34]。

4 小 結

目前已知的DS合并CHD的相關基因包括DSCAM、RCAN1、COL6 A1～2、CRELD1、ALK2及KCNJ6，其致病機制主要包括基因劑量效應及基因突變兩種假說。DSCAM、RCAN1、COL6A1、COL6A2及KCNJ6位于21號染色體上，因21-三體導致其上的基因不同程度倍增，通過不同機制導致心臟發育異常，引起CHD。CRELD1及ALK2基因位于其他染色體上，因某些基因位點突變引起CHD。關于21-三體與上述DS合并CHD相關基因的相互作用機制須進一步的研究。此外，DS合并CHD發病與性別、種族的關系，以及黏連蛋白在DS的發病及DS合并CHD發病中的作用機制也值得進一步探討。