表觀遺傳學在先天性心臟病發病機制中的研究進展

王 靜 綜述，蘇立明 審校

(延邊大學附屬醫院兒科，吉林 延吉 133000)

先天性心臟病(先心病)，CHD是胚胎時期心血管發育異常所致的心臟形態、結構和功能的異常。它是一類危害嬰幼兒生命健康的常見先天畸形，占嬰幼兒出生缺陷的首位，其發病率為活產嬰兒的6‰～8‰，死亡率在新生兒非感染性死亡中占首位約10‰[1]。近年來，隨著對心臟發育分子機制的研究進展，發現了一系列參與心臟發育轉錄調節、信號傳導和形態發生的關鍵基因，隨后遺傳學分析證實多個基因參與了CHD的發病[2]。但基因組測序在很大程度上不能預測或產生治療先心病的方法，除了潛在的基因組外，表觀遺傳學也驅動著心臟的發育。越來越多的證據表明，表觀遺傳學在CHD發病機制中存在著異常調節。本文就表觀遺傳學在CHD發病機制中的不同和重疊的作用以及識別新的表觀遺傳生物標記物的最新進展做一綜述。

1 CHD的病因

CHD的病因復雜且多因素。研究發現，約有30%的兒童染色體出現異常與CHD發病相關。據推測，散發性先心病其發病的主要原因約80%的病例是由遺傳和環境因素相互作用引起的。遺傳因素主要包括：①單基因遺傳缺陷：主要表現為Holt-Oram綜合征、馬方綜合征。②染色體的缺陷：主要表現為唐氏綜合征、18-三體綜合征。③雙基因遺傳缺陷：主要是心血管結構發育畸形，不伴有其他畸形。妊娠期糖尿病、飲食缺乏、藥物使用、孕婦年齡、吸煙、肥胖、妊娠期發熱疾病、飲酒和病毒感染已被報道為導致CHD發生的母源環境危險因素[3]。研究發現妊娠期高血壓和妊娠期糖尿病可以增加新生兒患CHD風險，孕早期使用抗高血壓藥物可增加房間隔缺損(ASD)、肺動脈瓣狹窄(PS)等CHD發生的風險，子代CHD發生的風險為非糖尿病母親的4倍[4]。根據已有的研究試驗可得知CHD主要是由于遺傳、母體、環境等因素所引起的。

2 表觀遺傳學與CHD

表觀遺傳學是指在基因組的核苷酸序列之外控制基因表達的一套機制。包括DNA甲基化和組蛋白修飾，以及主要控制mRNA翻譯的非編碼RNA。通過改變局部染色質結構調控基因表達，從而改變染色質和DNA結合蛋白的相互作用，如轉錄激活劑和阻遏物與基因啟動子和增強子的結合。與遺傳變異不同，表觀遺傳修飾在不改變核苷酸序列的情況下調控基因表達。重要的是，這些機制在細胞分裂過程中是可遺傳的，因此在細胞分化和維持細胞命運中起著至關重要的作用。越來越多的臨床和實驗研究已經在包括CHD在內的幾種多基因疾病中發現了異常的表觀遺傳模式[5]。

2.1DNA甲基化：在DNA中，按順序排列的胞嘧啶-鳥嘌呤核苷酸在5-3個方向上被稱為CpG二核苷酸，并可在胞嘧啶的5個位置被甲基化。CpG島是300～3 000個堿基對區域，它們趨向于非甲基化，而大多數CpG二核苷酸位于島外。大約70%的基因啟動子存在于CpG島，這些區域的甲基化與基因沉默相對應。除了這種典型的機制外，CpG島已經在啟動子區域外被識別，這些島的甲基化有時會增加轉錄。

已有研究表明，DNA甲基化在細胞發育過程中起著重要的基因調控作用，尤其是組織特異性基因的甲基化作用，對細胞的維持有重要作用。無論是在全基因組范圍內還是在特定的基因位點，都與疾病易感性的增加有關，而DNA甲基化的失調則與心血管疾病[6]、2型糖尿病和癌癥有關。心臟基因在發育過程中的時空表達有著驚人的微調，DNA甲基化起著關鍵作用。心臟DNA甲基化在胚胎期、CHD和對照組織之間、新生兒和成人組織之間進行了比較，在從E11.5-E14.5胚胎中分離出的心臟中，鑒定出79個基因的差異DNA甲基化與表達改變相關。許多基因與心臟發育有關，值得注意的是，透明質酸合成酶2(Has2)是心外膜、隔膜和心臟瓣膜形成所必需的，并被發現在E14.5處通過DNA甲基轉移酶3b介導的增強子甲基化而下調[7]。

比較新生兒主動脈瓣狹窄(AVS)、法洛四聯征(TOF)和先天性室間隔缺損(VSDs)的DNA甲基化狀態的研究已經確定了幾種病變患者的異常模式[8-10]。與新生健康嬰兒相比，在新生AVS患者的血液中共鑒定出52個DNA甲基化顯著改變的基因。尤其值得關注的是APOA5和PCSK9，它們都被高度甲基化，被認為是成人先心病的主要危險因素[8]。在TOF和VSD患者的心肌活檢中，在細胞色素c氧化合成酶蛋白(SCO2)的啟動子區域觀察到高甲基化。在一項揭示性的研究中，對DORV不一致的單卵雙胞胎進行了基因組和表觀基因組差異分析。毫不奇怪，很少有基因差異被發現。然而，有121個轉錄因子結合位點被不同程度的甲基化，包括ZIC3(一種參與Wnt信號轉導的鋅指蛋白)和NR2F2(一種對心臟發育很重要的蛋白)的高甲基化[10]。這一發現強調了表觀遺傳學在先天性心臟病等病因復雜疾病中的重要性。

2.2組蛋白修飾：核小體是被DNA緊緊包裹的組蛋白八聚體，同時也是染色質的基本單位，是在細胞核中緊密儲存DNA所必需的。然而，這種排列使得基因表達所需的轉錄因子和啟動復合物在很大程度上無法獲得DNA。組蛋白翻譯后修飾(hPTM)可以有效地改變染色質結構，從而控制轉錄。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。

組織修飾蛋白和復合物通常與轉錄因子結合，在調控DNA的特定序列上調控基因轉錄。通過常規的基因敲除研究，一些組蛋白修飾劑已被證明對心臟發育至關重要[11]。此外，hPTM的異常模式與CHD有關，已知的心臟發育調節因子已被證實通過hPTM發揮作用。例如，沃爾夫-赫施霍恩綜合征(WHS)是一種先天性疾病，其特征是生長遲緩和包括心臟在內的多個器官系統發育不全。Wolf-Hirschhorn候選蛋白1 (WHSC1)是一種h3k36me3特異性甲基轉移酶，在所有已知的WHS臨床病例中均被刪除。一項研究產生了一種敲除Whsc1的小鼠，闡明Whsc1缺失的致病作用[12]。在小鼠中，Jarid2的缺失導致VSD或DORV，使人聯想到心室壓實受損。在分子水平上，敲除阻止了SETDB1和H3K9me3在JARID2基因靶上的積累，最顯著的是在心內膜上的Notch1啟動子[13]。

2.3非編碼RNA：參與基因表達調控的非編碼RNA主要有長鏈非編碼RNA (lncRNA)和microRNA (miRNA或miR)。lncRNAs可以直接與染色質重塑復合物相互作用，進一步調節轉錄，而miRNA主要與mRNA轉錄相互作用，抑制翻譯。人類表達超過1000個miRNA，共同調控約30%的基因。對它們在心臟發育中作用的理解在過去20年中有了顯著的進展，它們與CHD的關系也在不斷被發現。

多項研究已經在TOF患者的活檢中發現了不規則miRNA表達。其中一項研究確定了44個心臟基因，其表達在TOF心肌與正常心肌之間存在顯著差異。這44個基因的表達與33個miRNA的表達呈負相關，對33個miRNA的進一步研究發現，miR-421是SOX4的調節因子，這對于適當的Notch信號通路和TOF的發展至關重要[14]。一項獨立的研究發現，miR-424過表達導致右心室TOF心肌細胞增殖增加，HAS2和NF1表達下降[15]。第三項研究發現miR-940是TOF組織中75個異常miRNA中下調最嚴重的[16]。相對于其他心室，miR-940主要在心臟TOF表達，其減少可增加心肌細胞增殖。此外，還發現miR-940調節JARID2，這是一種對適當的Notch信號通路和心臟發育至關重要的染色質修飾劑。第四項研究分析了TOF心肌中連接蛋白43 (Cx43)的表達，并試圖識別可能導致其失調的miRNAs[17]。病變組織中Cx43表達上調，miR-1和miR-206表達下調。然而，miR-1/miR-206與Cx43、Cx43與TOF之間的因果關系還有待進一步的研究。

與其他表觀遺傳途徑相比，miRNA對CHD的治療特別有吸引力，因為它們調節大量的基因，以及它們的基因和組織特異性。此外，miRNAs已被證明對心肌細胞增殖、成熟和致病性重構至關重要，使其成為有希望在結構性心臟缺陷患者中保存和糾正心臟功能的候選分子。

3 展望

將表觀遺傳調節因子作為CHD的潛在生物標志物，可以更早、更準確地診斷CHD。早期產前和新生兒診斷是降低CHD發病率和死亡率的關鍵。大多數CHD病例發生在妊娠期，沒有可識別的危險因素。CHD的診斷在很大程度上依賴于胎兒超聲心動圖，目前還沒有產前或產后的生物標志物可用于檢測心臟缺陷。由于CHD的早期診斷已經被證明可以極大地改善患者的預后，因此仍然需要識別準確的、非侵入性的、與操作者無關的產前診斷生物標記物。由于表觀遺傳機制在心臟發育中起著至關重要的作用，表觀遺傳調節因子如miRNA和DNA甲基化正被作為潛在的診斷冠心病的生物標志物進行研究。

綜上所述，為了促進對CHD的診斷、認識和治療，有必要進一步了解這些基因組外系統。在包括TOF、HLHS、AVS、DORV和VSD在內的幾種人類CHD中，均觀察到異常的DNA甲基化、組蛋白修飾和miRNA表達。這些表觀遺傳過程調節心臟發育的多個階段，包括心肌細胞的分化和增殖、心室形態形成、瓣膜形成和分隔。但目前尚不清楚這些表觀遺傳機制特異表達的原始缺陷引起的或因此而改變。需要進一步研究來確定導致心臟缺陷形成的表觀遺傳控制異常的確切原因。繼續研究表觀遺傳學在心臟發育和CHD中的獨特和重疊的作用，對于促進我們對CHD的理解是至關重要的，并可能揭示新的診斷和治療心臟病的策略。