擴張型心肌病基因型-環境-表型研究進展

劉 雯，舒先紅,3*

1.復旦大學附屬中山醫院心超室，上海 200032 2.上海市心血管病研究所，上海 200032 3.復旦大學附屬中山醫院心內科，上海 200032

擴張型心肌病（DCM）是一組表現為單側或雙側心腔擴大伴收縮功能障礙的異質性疾病。其臨床發病率約為1/250，多為散發，35%的患者有明確家族史，而約50%的患者病因不明確［1-3］。DCM患者臨床表現個體差異性大，表現為不同程度的心腔擴大和心功能障礙，部分患者以惡性心律失常、傳導阻滯為主，伴或不伴其他系統疾病，猝死率高。其主要病理表現為心肌細胞凋亡、自噬異常、線粒體功能異常、炎癥反應等，組織學表現為心肌壞死和纖維化［4］。DCM可歸因于遺傳和非遺傳因素，非遺傳因素包括炎癥、感染、心動過速、甲狀腺功能亢進等。其臨床病理表現的復雜性給臨床醫生對患者預后的評估及進展機制的闡明帶來了重大挑戰。

隨著基因二代測序技術的發展，DCM基因組學被逐漸揭示，目前已有40多個致病基因被報道，如編碼肌小節、細胞骨架蛋白、離子通道、線粒體、橋粒等的相關基因［5-6］。同時，隨著對基因致病機制的研究，該疾病的遺傳異質性（不同基因突變導致相同的臨床表型或相同的基因突變導致不同的臨床表型）以及表觀遺傳學在其進展過程中的調控作用也逐漸被發現。本文將DCM遺傳學基礎、發病機制及調控機制主要研究進展進行綜述。

1 DCM的遺傳學基礎和發病機制

DCM的遺傳方式多種多樣，以常染色體顯性遺傳為主，其他包括常染色體隱性遺傳、X連鎖遺傳和線粒體遺傳等。DCM致病基因編碼一組心肌異質性成分，包括細胞骨架、肌小節、離子通道、線粒體及橋粒等（表1）。目前最常見的致病基因依次為TTN、MYH7、LMNA、TNNT2、RBM20［5-6］。

表1 擴張型心肌病相關基因

1.1 肌小節相關致病基因 TTN基因編碼已知在心臟中表達的最大蛋白（達35000個氨基酸），即肌聯蛋白。該蛋白從Z盤到M帶跨越了肌節長度的一半，與細絲和粗絲一起組成肌節，被稱為“第三絲”。TTN能調節肌節收縮和信號傳遞，并通過其彈性結構域（PEVK結構域）影響心臟的舒張功能。在心臟中，TTN基因通過可變剪切編碼多個異構體。其中，N2A異構體占比越高，心臟順應性越好；而N2B異構體比例增高，心臟的順應性變差。TTN基因突變是DCM最常見的基因突變，在家族性和散發患者中的突變率分別是25%和18%［7］。其突變以截斷突變為主，目前只有小部分的錯義突變被報道［8］。在純合突變小鼠中，TTN缺失會導致肌小節發育異常，導致小鼠在胚胎早期即死亡，而雜合小鼠的表現不盡相同；蛋白組學分析提示TTN突變后會上調野生型小鼠TTN的表達，使小鼠在正常情況下沒有明顯的心臟結構及功能異常表現，而在面對應激時，會出現心臟擴大、收縮功能異常及纖維化等表現［9］。因此，攜帶TTN突變的DCM患者臨床表現常不明顯，大部分患者表型較輕，只有少數患者表現為惡性心律失常、明顯纖維化和線粒體功能異常［7,8,10］。另外，編碼肌小節其他基因，如MYH7、TNNT2、TNNI3、MYH6、MYBPC3、TNNC1也 可 以 導 致DCM［11-12］。肌小節基因突變常導致肌小節收縮和鈣離子循環失衡，導致患者出現心功能異常，而因其對鈣離子的敏感性不同，會導致心肌向擴張或肥厚兩個不同方向發展，其中DCM患者對鈣離子的敏感性多降低［13］。

1.2 細胞骨架相關致病基因 LMNA編碼層纖維蛋白A/C，該蛋白是一種廣泛表達的核內膜蛋白，參與多種細胞活動，包括調節基因表達、維持正常核結構的作用。LMNA突變是一種常染色體顯性遺 傳，在DCM患 者 中 占6%～8%。LMNA突 變 可發生在編碼區任何位置，主要以錯義和框架突變為 主［14-16］，且伴隨高心律失常風險，包括竇房結、房室結功能障礙、房顫、室速、室顫等［17］。LMNA編碼的核纖層蛋白可以通過網蛋白和鈣調蛋白與細胞骨架（中間絲、肌動蛋白）相連，對維持細胞結構有重要作用。LMNA基因敲除小鼠的心肌細胞結構明顯紊亂［18］。除維持細胞結構的穩定性外，LMNA還參與調控基因轉錄，LMNA突變會導致相關基因轉錄水平改變。在小鼠模型中發現，LMNA N195K突變可導致HF1b/Sp4（參與心臟傳導系統發育）表達減少，導致小鼠心肌組織電流信號減弱，該現象也為LMNA突變攜帶者易出現房室傳導阻滯提供了依據；同時，在LMNA突變的iPSC細胞上發現存在鈣離子水平失衡，這為心律失常發生提供了基礎［19］。

細絲蛋白C（FLNC）是細胞骨架重要組成部分，參與肌節與細胞膜及細胞間的連接，同時參與細胞內信號轉導［20-21］。FLNC突變外顯率較高且患者容易出現心肌纖維化及惡性心律失常［22］。在斑馬魚模型中，FLNC突變（I2160F）可導致心肌細胞Z盤和肌小節結構紊亂［23］；而其純合無義突變可導致青鳉魚在胚胎晚期就出現心室破裂和骨骼肌退行性變［24］。另外，中間絲、肌營養不良蛋白復合體（DMD、SGCD等）、橋粒蛋白（DSG2、DSC2、DSP、PKP2）［25-27］、Z盤（MYPN、CSRP3、ACTN2、BAG3、ANKRD1等）［28-29］等細胞骨架相關基因的突變均可導致DCM。

1.3 離子穩態相關的致病基因 PLN基因編碼的受磷蛋白（跨膜蛋白，52個氨基酸）可通過自身磷酸化調節肌漿網Ca2＋-ATP酶(SERCA)，在心肌細胞鈣穩態的調節中起重要作用。目前，PLN中的幾個顯性突變已證實與DCM相關［30］，其中R14del突變最常見，該突變首先在新西蘭和德國被報道［31-32］。R14del突變可以導致心肌舒張期肌漿網Ca2＋ATP酶對鈣離子再攝取減少，從而出現鈣超載，導致心律失常的發生［33］。在PLN突變的iPSC細胞中，觀察到在核周和細胞質中有大量異常的PLN蛋白聚集及其自噬降解異常［34］。

SCN5A基因編碼跨膜鈉離子通道，在維持心肌動作電位方面有重要作用。該基因既往在Brugada綜合征、特發性室顫、家族性房顫患者中 被 發 現［35-36］，也 存 在 于DCM患 者 中［37］。攜帶SCN5A突變的DCM患者有較高的心律失常風 險［37］。攜帶SCN5A突變基因的小鼠出現持續異常心房和心室鈉電流，后期出現心臟收縮功能降低和房顫［38］。

1.4 其他致病基因 RBM20是一種RNA結合蛋白，在心房和心室中均高表達。RBM20基因突變占DCM相關基因突變的1%～5%［39］。在心臟中，RBM20介導包括TTN蛋白在內的蛋白剪接，其突變可能與TTN截斷突變有相似之處［40-41］。RBM20突變細胞肌節變薄，與TTN突變的iPSC心肌細胞有類似表現［42］；另外，線粒體相關基因（CPT2、TAZ等）［43］、RAF1、EYA4、LAMP2等 基 因 突 變與DCM的相關性均有報道［44-45］。

臨床中，偶有攜帶雙突變的病例報道。相對于單基因突變攜帶者，多基因突變攜帶者往往臨床表現更嚴重。如：LMNA突變的家系中，合并TTN截斷突變者的臨床表型更重［46］；MYBPC3多突變攜帶者表型出現時間早，甚至出現在新生兒時期［47］。部分突變攜帶者除心臟表現外，還合并全身其他系統疾病或表現為特殊的臨床綜合征，如LMNA、DES、DMD、SGCD突 變 攜 帶 者 常 合 并骨骼肌營養不良［27,48-49］；DSP上某些特定位點的突變會導致Carvajal綜合征，患者臨床表現為心臟擴張、羊毛狀毛發和皮膚角化［50］。TAZ突變導致線粒體功能異常，攜帶者發生以骨骼肌病、中性粒細胞減少、生長遲緩以及心臟擴大為特征的Barth綜合征［51］。

2 DCM基因型和表型的關系

DCM患者有顯著的遺傳異質性。如PLN R14del突變在新西蘭攜帶者中可引起嚴重的臨床表型［32］，而在波蘭人群中引起的表型較輕［52］；TNNI3、TTN、DES可 導 致DCM，也 可 導 致 心 肌肥厚、限制型心肌病［53］。KCNQ1突變可導致離子通道疾病，但部分攜帶者臨床表現以心衰為主，因此，其基因型和表型之間的關系仍未完全闡明［54］。 鑒于DCM遺傳學的復雜性，2019年《單基因遺傳性心血管疾病基因診斷指南》僅推薦對有家系共分離證據支持的14個致病基因進行篩查［55］（表1），并建議在基因篩查中嚴格按照國際標準解讀基因變異的致病性［56］。

雖然DCM與多基因相關，且有明顯的遺傳異質性，但基因型在疾病診斷和臨床決策制定上仍有不可替代的價值。對于臨床表現不典型或病因不明確的患者，基因型陽性可以協助疾病確診和病因診斷，并為其臨床預后預測提供一定參考。攜帶某些突變基因型的DCM患者可有特定的臨床表現和預后。對194例LMNA突變攜帶者的為期57個月的前瞻性隨訪研究發現，其容易出現惡性心律失常、傳導阻滯、終末期心衰，且心源性猝 死（SCD）事 件 明 顯 增 加［57］。LMNA突 變 可表現為單獨心肌受累或同時合并骨骼肌營養不良（如Emery-Dreifuss型肌營養不良、肢帶型肌營養不良），往往需要早期進行起搏器干預［58］。 針對LMNA突變的大規模隨訪研究［47］得出類似結論，尤其是LMNA截斷突變患者惡性心律失常風險更高。因此，對于DCM合并進行性房室傳導阻滯或惡性心律失常的患者，應警惕合并LMNA突變，合并時應早期進行起搏器干預，避免不良臨床事件的發生。另外，有研究發現 PLN［30］、FLNC［22］、DES［59］、 和SCN5A［37］與DCM的惡性程度相關，這些基因的突變會導致房室傳導阻滯、惡性室性心律失常等心臟節律的紊亂。而且，多個突變攜帶者往往臨床表型更重、預后更差。因此，在制定DCM治療決策是應充分考慮其基因型。

另外，基因型能為DCM精準治療提供潛在的靶點，例如：Lee等［60］發現，與對照組相比，在LMNA K117fs突變的iPSC細胞中，PDGF信號通路被激活，且PDGF受體的過度激活與其心律失常表型密切相關，為特異性藥物治療提供了潛在靶點；在LMNA基因敲除小鼠病變組織（心肌和骨骼肌）中檢測到了mTORC1通路的激活，應用雷帕霉素抑制mTORC1通路能明顯改善DCM表 型［61］；Nair等［62］的研究發現，SCN5A R222Q突變能增強患者心臟鈉通道興奮性，予以鈉離子拮抗劑（利多卡因）后可明顯改善其心律失常。因此，對基因突變機制的揭示，能為未來DCM的精準治療提供潛在靶點。

3 DCM基因-獲得性因素/環境-表型

隨著對DCM異質性的認知，近年來研究重點逐漸從對單純基因型的探討轉變為對基因、獲得性因素/環境、表觀遺傳調控、表型之間關系的探討（圖1）。基因和獲得性因素/環境相互作用影響DCM患者的預后。表觀遺傳調控對基因表達進行調控，同時受獲得性因素、環境等因素影響，作用于細胞內相關通路，從而影響患者的表型和預后，形成復雜的調控網絡。

圖1 擴張型心肌病基因型和表型之間的關系

3.1 獲得性因素/環境 多種獲得性因素/環境，如心肌毒性藥物、感染、應激、體質量指數（BMI）、妊娠等能影響DCM的發生和發展。酒精和蒽環類抗腫瘤藥物是常見的細胞毒性藥物，可導致一系列心臟損害，甚至導致嚴重的心力衰竭。大量酒精攝入會導致氧化應激、交感神經過度激活、血脂異常以及自噬激活。上述多因素協同作用可引起心臟的線粒體功能障礙、能量代謝異常、炎癥、心肌細胞凋亡和心律失常等，從而導致酒精性DCM［63］。蒽環類心肌毒性藥物會導致心肌活性氧的產生和消除失衡、激活NF-κB通路和炎癥免疫系統，導致心肌損害，誘發DCM［64］。體質量、空氣質量等亦能影響DCM的發生和發展。一項對1393346例受試者進行的為期33年的前瞻性隨訪研究［65］發現，不考慮基因突變的遺傳學背景情況時，在年輕女性中，BMI升高將會導致其DCM發生風險增高，尤其是過度肥胖會增加5倍以上的風險。另一項研究［66］證實，在健康人群和DCM患者中，肥胖均使心臟重構加重，繼而引起心室腔擴大。此外，在小鼠DCM模型中，相比對照組，長期暴露于PM2.5的心衰小鼠左右心收縮功能均下降，肺動脈壓力升高，且纖維化程度加重（Ⅱ型膠原和TGF-α基因表達增多）［67］。

3.2 表觀遺傳調控 表觀遺傳通過調控DCM相關基因的表達影響患者的臨床預后。其中，非編碼RNA和DNA甲基化是近年來的研究熱點。

非編碼RNA如miRNA（約22個核苷酸）、lncRNA（＞200個核苷酸）參與DCM基因表達的調控。miRNA可與多個特定mRNA結合從而抑制其表達［68］。不同基因突變DCM患者的miRNA水平及其介導的信號通路不同。與對照組相比，TTN突變的DCM患者miR-208b表達上調，而miR-208b是介導心肌重構的重要因子［69］。LMNA突變的DCM患者血清中的let-7a-5p、miR-142-3p、miR-145-5p、miR-454-3p上調；生物信息學分析發現這些miRNA與轉化生長因子β（TGF-β）、Wnt等信號通路相關，可能參與介導心肌纖維化及心肌重構［70］。Verjans等［71］發現，高負荷誘導DCM動物模型miR-221/222明顯升高，且參與上調TGF-β介導的SMAD2通路或非SMAD通路活性，從而加重心肌纖維化。而在心肌炎發展為DCM的過程中，不同感染階段出現不同的miRNA上調和下調，導 致 下 游SIRT1/AMPK/NF-κB、AMPK、RAS通路等相繼發生激活或下調，繼而影響心肌重構，導 致DCM的 發生［72-73］。在 酒精 性DCM中，MiR-1865-p通過調節XIAP基因的表達，誘導心肌細胞凋亡［74］。近年來多項研究［75-80］表明，miRNA對心肌細胞自噬、增殖、纖維化、免疫等過程有重要調控作用，是DCM病理生理過程中的重要調控因子。與miRNA相同，lncRNA在心衰過程中差異性表達［81］，且其表達隨血流動力學變化而變化［82］。lncRNA可以通過調節鄰近基因轉錄或特異性吸附miRNA，負向調控其功能，形成lncRNAmiRNA-mRNA的調控網絡［83-84］。在小鼠中，上調lncRNA CRNDE可抑制經典纖維化通路中重要因子SMAD3的轉錄，從而減輕DCM小鼠心肌纖維化的程度［85］。降低lncRNA DCRF的表達可以抑制miR-155b-5p和PCDH17，從而降低心肌細胞自噬，改善心功能［86］。

另外，在DCM發展過程中，DNA甲基化也起重要的調控作用［87-89］。DNA甲基化可使基因組中相應區域染色質結構變化，使染色質高度螺旋化，凝縮成團，失去轉錄活性。LMNA編碼的層纖維蛋白與數百個大型染色質結構域相互作用，調控相關基因表達［90］。該過程主要是通過募集DNA甲基轉移酶對CpG島進行甲基化，從而下調多個細胞代謝、生存相關基因的表達，這也是LMNA心肌病的重要發病機制［91］。另外，Haas等［92］在DCM患者中發現，DNA甲基化可導致LY75等基因表達水平改變，從而誘導心肌的適應性和非適應性重構。在DCM終末期，心肌供能逐漸從脂類供能轉化為糖分解，而這一改變是心肌重構的重要過程。Pepin等［93］發現，DNA甲基化修飾參與這一轉換過程，在終末期心衰患者中，參與氧化代謝的基因是高甲基化的，而參與糖代謝的基因是低甲基化的。

4 小 結

近20年來對DCM基因型的探討，使臨床對DCM的遺傳學基礎有了初步的了解。基因突變者DCM的易感性增加，特定的基因型可為患者的臨床診斷、危險分層提供關鍵信息，從而為精準藥物治療提供靶點。而近年來，對DCM獲得性因素/環境、基因對其表型共同影響的探討及表觀遺傳學調控的進展進一步提高了臨床對于DCM異質性的理解。在DCM發生和進展過程中，基因型-環境-表型模式的作用，及這些因素之間的相互關系仍需進一步研究。

利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。