小兒先天性心臟病合并神經系統病變的遺傳學相關研究進展

李敬一，李文歡

(中國醫科大學附屬盛京醫院小兒神經心血管內科，沈陽 110004)

先天性心臟病(congenital heart diseases，CHD)是新生兒常見的先天性畸形。在胎兒發育過程中，由于大血管或心臟發育異常，造成出生時心臟功能不全。目前手術和介入治療是治療CHD的主要手段，治療后患兒血流動力學和心功能均得到改善，生存率顯著提高，但仍有可能發生后遺癥或并發癥，其中神經系統病變是較嚴重的并發癥之一。有數據表明，約10%的輕癥CHD患兒發生神經系統病變，約30%的嚴重患兒發生神經系統病變[1]。CHD患兒常表現且不限于認知、運動、語言和視覺空間等多方面障礙，可能的原因包括術后應激反應等，但近年來的研究表明手術的影響并不顯著[2]。CHD合并神經系統病變的發生機制包括遺傳因素和非遺傳因素，遺傳因素包括基因突變、染色體異常、表觀遺傳學異常等，而非遺傳因素包括母體在妊娠前或妊娠期接觸致畸性藥物、射線以及被病毒感染等[3]。近年來，國際上對CHD及其并發癥的研究已進入全基因組測序時代，可以從基因層面解釋CHD與神經系統病變的關系，通過早篩查、早診斷、早治療可準確定位CHD與相關后遺癥。現就CHD患兒并發神經系統病變的相關研究進展予以綜述。

1 染色體異常

染色體異常是導致CHD及其相關并發癥發生的重要原因，主要包括染色體數目和染色體結構異常，其中染色體數目異常是主要原因。在發育過程中，有多種原因可導致胎兒細胞減數分裂異常，使染色體數目發生改變，非整倍體是最常見的染色體數目異常(如唐氏綜合征、X單體特納綜合征、13-三體綜合征)，其次為整倍體畸形(如92,XX/XY四倍體)[4]。染色體結構異常即染色體發生斷裂或互換造成染色體缺失、易位和倒位，最終導致染色體結構異常。研究表明，CHD等嚴重的胚胎發育異常與部分染色體異常相關[5]。

1.1數目異常 由于體內大量基因失調，幾乎所有非整倍體新生兒均會發生CHD，且由基因失調導致的器官結構功能發育異常嚴重且不可逆轉[3]。活體新生兒發生染色體數目異常最常見的為唐氏綜合征和18-三體綜合征。Kosiv等[6]通過大樣本分析發現，91%的18-三體綜合征患兒伴有CHD，通常為間隔缺損和動脈導管未閉，也包括不常見的復雜CHD。Alsaied等[7]的研究表明，在1 092例唐氏綜合征患兒中，與未合并CHD患兒相比，合并CHD患兒的語言和運動能力均顯著降低；18-三體綜合征的臨床表現與唐氏綜合征相似，但18-三體綜合征患兒并發CHD的概率接近100%，常見的類型包括室間隔缺損、動脈導管未閉等。Bruns和Campbell[8]通過對25例9號染色體三體嵌合綜合征患者的調查發現，大多數患者存在至少一種類型的心臟畸形(包括間隔缺損和動脈導管未閉)，少數患者合并卵圓孔未閉和左鎖骨下動脈異常。

1.2結構異常 人第22號染色體22q11.21～q11.23微小缺失所引起的染色體異常是CHD最常見的致病因素，患者通常存在第22號染色體1.5～3 Mb半合子缺失，導致病理性T盒轉錄因子(T-box transcription factor，Tbx)1、信號接頭蛋白Crkl和(或)促分裂原活化的蛋白激酶1單倍體功能不足，發病率約為1/4 000，且無性別差異[9]。染色體22q11.21～q11.23微小缺失涉及多個與心臟正常發育相關的重要基因，因此可造成心臟結構、頭顱面部的畸形，臨床上有腭心面綜合征、先天性胸腺發育不全綜合征等，主要表現為胸腺發育缺陷、神經系統異常等，這類由22q11缺失引起的染色體病大部分合并CHD，22q11重復則會引起貓叫綜合征，臨床上較罕見，患兒呈特殊面容，哭聲似貓叫，存在智力低下、發育遲緩等表現，約30%的患兒合并CHD[10]。馮晴[11]對393例CHD胎兒標本進行研究發現，有1例胎兒核型為47,XX，der(22)t(11,22)(q23.3；q11.1)mat，兩條染色體均發生部分重復，表現為CHD(包括肺動脈高壓、間隔缺損以及動脈導管未閉)，心外畸形表現為小腦發育不良、膽管閉鎖以及外耳畸形。

2 拷貝數變異

拷貝數變異(copy number variation，CNV)是指基于陣列技術的發展染色體亞顯微水平的片段(1 kb～1 Mb)拷貝數突變[12]。CNV廣義上屬于染色體結構異常范疇，有微重復與微缺失的區別。存在CNV的患兒可能來源于胚胎發育過程中的新發，也有可能是遺傳因素導致，與CHD的發生關系密切[13]。有文獻報道，約10%的CHD患兒發生CNV[14]。不同染色體位點上的CNV以及多類型基因可導致多種表型不同的CHD發生。

在CNV所致CHD中，22q11.2微缺失綜合征最常見，其次為7q11.23區域Elastin基因微缺失導致的染色體變異，臨床上稱為威廉姆斯綜合征。活產兒22q11.2微缺失綜合征發病率約為1/6 000，心外畸形表現為神經系統發育異常、胸腺缺損、低鈣血癥、顱面部畸形等，其中CHD發病率約為77%，主要表現為心臟圓錐動脈干畸形[15]。威廉姆斯綜合征是一種以小精靈面容為特征，伴有主動脈瓣狹窄、精神發育遲緩、腎臟畸形、身材缺陷等癥狀的綜合征，約82%的威廉姆斯綜合征患兒伴有CHD，常見心臟表現為主動脈瓣狹窄、周圍肺動脈狹窄、肺動脈瓣上狹窄、二尖瓣脫垂以及室間隔缺損等[16]。

1q21.1微小缺失是指每個細胞1號染色體長臂(q)上q21.1區域中約135萬個堿基對缺失，若發生這種染色體異常，可能會造成智力殘疾、面容與身體異常，還可能導致法洛四聯癥、主動脈瓣狹窄等[17]。4q22.1序列區域的PPMIK基因，5q14.1～14.3序列區域的表皮生長因子樣重復區和盤狀結構Ⅰ樣域蛋白3、單鏈DNA結合蛋白2等基因，19p13.3序列區域中的MIER2(mesoderm induction early response 1,family member 2)、FSTL3(follistatin-like 3)、WDR18(WD repeat domain 18)、鈣調寧蛋白2等基因不同位點的染色體部分序列微重復均可導致法洛四聯癥[18]。Brunetti-Pierri等[19]研究發現，染色體區域1q21.1包含廣泛而復雜的低副本重復數和副本編號變體，該區域發生微小缺失與先天性心臟缺陷、發育遲緩等息息相關。Karahuseyinoglu等[20]報道了1對發生PREPL(prolyl endopeptidase-like)和SLC3A1[solute carrier family 3 (amino acidtransporter heavy chain),member 1]基因純和缺失的同胞姐弟病例，兩者均表現為神經肌肉和內分泌異常，姐姐還表現為左心室心肌致密化不全和擴張性心肌病，PREPL基因高表達于腦組織中，其次表達于骨骼肌、心臟和腎臟中。

3 基因突變

心臟結構發育以及維持正常功能運轉均需要多種信號分子和轉錄因子的共同作用，多方位調控網絡。在這個過程中，任何一個調控機制的差錯均可能引起CHD等發育畸形的發生。近年來，單基因突變導致的CHD成為研究熱點，如心臟特異性同源盒轉錄因子Nkx2.5和Tbx5兩種單基因，Nkx2.5位于第5號染色體5q35區域，是首個被證實單基因突變可引起CHD的基因，也是胚胎期心臟發育重要的轉錄因子，Nkx2.5基因參與心臟房室分隔以及傳導系統形成等過程[21]。由于突變位點的多樣性，不同突變位點導致CHD的種類也不同，而不同類型CHD患者的突變位點也可能相同。Tbx5位于第12號染色體12q24.1區域，參與心臟發育(特別是左心室和心房)并發揮重要作用，Tbx5單基因突變可引起單純性的房間隔缺損和房室間隔缺損，也可與表現為骨骼、心血管系統畸形為主的心手綜合征相關，如橈骨發育不全、房間隔缺損、室間隔缺損等[22]。另有研究發現，Tbx5突變導致的CHD可能與DNA結合位點突變有關[23]。

此外，由心肌錨蛋白重復和激酶域1基因突變引起完全性肺靜脈異位引流所致的CHD很少見；CBP/p300結合轉化激活因子2突變可引起房間隔缺損、室間隔缺損；FOG2(friend of GATA 2)/ZFPM2(zinc finger protein M2)突變引起法洛四聯癥、右心室雙出口；心臟神經脊衍生物表達轉錄因子2突變可引起法洛四聯癥；IRX4(iroquois 4)突變引起室間隔缺損；MED13L(mediator complex subunit 13 like)突變可引起大動脈轉位；Tbx1突變可引起法洛四聯癥；Tbx2突變可引起室間隔缺損；Tbx20突變可引起房間隔缺損、室間隔缺損等[24]。

丁凡等[25]對鋅指轉錄因子(zinc finger transcription factor，ZIC)3和GATA結合蛋白(GATA binding protein，GATA)4突變與CHD關系的研究發現，CHD患者的ZIC3存在3個突變位點，GATA4存在6個突變位點，均可能導致CHD。早期研究表明，ZIC3基因突變可引起孤立性CHD，ZIC3在心臟表達并直接影響心臟發育[25]。GATA4位于染色體8p23.1，屬于GATA家族，主要表達于心臟、肝臟、肺，且高表達于胚胎心臟與心肌細胞；GATA4正常范圍內表達時心臟發育正常，低表達時可導致心肌細胞損傷，甚至心臟發育不全[26]。

4 表觀遺傳調控異常

表觀遺傳也是影響心臟結構和功能發育異常的因素，它不涉及DNA序列改變，但可以對DNA、染色質、微RNA(microRNA，miRNA)、組蛋白進行修飾。動物實驗顯示，CHD的發生與修飾異常相關，其機制可能與表觀遺傳調控相關的基因表達及蛋白功能異常有關[27]。

4.1DNA甲基化修飾 DNA甲基化是表觀遺傳調控異常導致CHD的重要原因，現階段此類研究開展較多。利用精準化醫學檢測技術可以定位某段基因單個CpG點的甲基化狀態。正常情況下，CpG島處于非甲基化狀態，甲基化異常會導致相應的基因沉默，DNA甲基化修飾異常可上調CHD相關致病基因的表達，導致CHD發病風險升高[28]。一項針對小鼠胚胎發育的實驗發現，DNA甲基化水平升高可使心臟干細胞凋亡，而DNA甲基化水平降低則導致心肌細胞分化障礙，因此DNA甲基化異常會造成心臟發育畸形；該實驗還發現，組蛋白乙酰化水平也會影響心臟發育，妊娠鼠乙醇暴露處理后，胎鼠心臟組織中組蛋白乙酰化水平降低，且與之相關的轉錄因子表達水平隨之降低，最終導致胎鼠心臟發育異常[29]。另有研究表明，Brahma相關基因1、CREB結合蛋白/腺病毒E1A相關蛋白p300結合轉化激活因子2基因內CpG島區域低甲基化CHD患者表現為間隔缺損[30]。

4.2非編碼RNA 與編碼RNA不同，非編碼RNA不翻譯蛋白質，包括廣泛研究的miRNA、長鏈非編碼RNA、Piwi相互作用RNA等。miRNA是廣泛存在于真核細胞中的單鏈小分子RNA，主要通過靶向結合信使RNA阻斷蛋白質的翻譯過程。miRNA參與調控心臟發育，其表達異常可能導致CHD的發生。研究表明，在以室間隔缺損為主要表現的CHD患者的心肌組織中，作為miR-1-1靶基因的SRY相關高遷移率族基因9表達顯著減少，由于SRY相關高遷移率族基因9是瓣膜和間隔發育的重要調控基因，當SRY相關高遷移率族基因9表達減少時，瓣膜和間隔發育出現異常；此外，法洛四聯癥患者心肌組織中的miR-1201和miR-122表達均下調，miR-1275、miR-421等表達上調[31]。miR-145過表達可抑制靶向共濟蛋白基因的表達，通過調控細胞凋亡和線粒體功能導致CHD的發生[32]。

長鏈非編碼RNA的長度超過200個核苷酸，在室間隔缺損患者的心臟組織異常表達，長鏈非編碼RNA UC.299定位于配對盒基因2基因，配對盒基因2參與多器官發育，當長鏈非編碼RNA UC.299表達異常時，配對盒基因2基因調控出現異常，進而導致相應器官的異常發育[33]。

4.3組蛋白修飾 組蛋白修飾包括甲基化、乙酰化、泛素化等。參與組蛋白修飾的酶有組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC)、組蛋白甲基轉移酶等。一項實驗中，剔除生殖細胞中Ⅱ類HDAC中的HDAC5、HDAC9以及Ⅲ類HDAC中的沉默調節蛋白1的小鼠均出現間隔缺損；且剔除組蛋白甲基轉移酶造成小鼠心室發育不全，導致間隔缺損[34]。

5 先天性代謝紊亂

CHD的發生與先天性代謝紊亂有關[35]。先天性代謝紊亂本質上屬于染色體異常或基因突變，但異常染色體或突變基因并未直接參與心臟發育及相關信號通路的調控。已知的參與CHD形成的先天性代謝紊亂疾病有Ⅱ型糖原累積病和高同型半胱氨酸癥。Ⅱ型糖原累積病患者不能正常分解體內糖原，導致糖原在心肌細胞、骨骼肌細胞貯存，而Ⅱ型糖原累積病患兒可出現心臟結構和功能的改變，包括心肌肥厚、心臟擴大等[35]。同型半胱氨酸水平升高可阻礙胎兒心臟正常發育，與正常妊娠者相比，高同型半胱氨酸癥患者所育胎兒的CHD患病風險顯著增高[36]。

6 小 結

CHD的發生機制復雜，外界環境、染色體異常、拷貝數變異、基因突變、先天性代謝紊亂、表觀遺傳等因素均可影響心臟的正常發育。部分CHD患兒還會合并其他疾病，如神經系統發育異常。目前，藥物對癥治療CHD的作用有限，僅能使患兒維持一個較好的身體狀態，以等待手術時機。手術是目前公認的有可能治愈某些類型CHD患兒的治療方式，如修補房室間隔缺損。而全外顯基因測序技術可確定CHD與神經系統發育異常之間的關系，并可提供準確率較高的妊娠期基因篩查，為小兒CHD的早期診治及相關后遺癥預防提供依據。