科学家发现“新”基因突变类型!避开“雷”区,让你的孩子茁壮成长

2021
03/05

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林怡婷 / 健康界
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新生命的降临本应给家庭带来欢乐和希望,但先天性心脏病的患儿家庭却只能沉浸在无边的痛苦之中。目前,医学界关于这一疾病的确切致病原因仍不清楚。


先天性心脏病(CHD)是由感染、环境、染色体异常、基因突变及遗传等多因素引起胎儿期心脏或大血管发育异常,而导致的心血管畸形,是最常见的先天性缺陷,约占出生缺陷新生儿总数的25%1。全世界每年约150万的CHD 儿出生;我国是世界上 CHD 发病率较高国家之一,每年约30多万CHD 儿出生,CHD也是占据我国近年出生缺陷类疾病的首位2

图1: 心脏健康概念(来源:图虫创意)

新生命的降临本应给家庭带来欢乐和希望,但先天性心脏病的患儿家庭却只能沉浸在无边的痛苦之中。目前,医学界关于这一疾病的确切致病原因仍不清楚。子宫内存在广泛的结构性问题,其致病根源难以解析,又或者是怀孕期间的一次感染。而近年来,科学家发现基因突变的新类型,或能解释部分未知的CHD的发病机制,未来,通过识别这些异常的基因,将大范围避免这一悲剧的发生。

CHD相关的基因突变类型

与CHD相关的基因突变类型常分为3种2

(1)单基因突变:是指DNA 分子中碱基对顺序发生改变而翻译、转录信息出现错误而引起的疾病称为单基因突变病。研究表明约4%的儿童CHD与单基因突变有关,它的表现为常染色体显性遗传、常染色体隐性遗传、X连锁隐性遗传、X连锁显性遗传等,均符合孟德尔遗传定律。单基因突变导致的CHD 分为两种类型:(1)非遗传综合征性单基因病,即仅体现在心脏畸形,不累及其他器官;(2)遗传综合征性单基因病,即不仅体现在心脏功能不全还累及其他器官。常见突变基因包括,NKX2.5基因、GATA4基因、CX43基因等。

(2)多基因突变:两种以上的基因突变与环境因素共同作用导致CHD的发生,是最常见的遗传发病因素,这些基因具有异质性特点,由多基因突变导致的CHD 占全部CHD 的90%以上,临床表现为心脏畸形伴或不伴有其他系统畸形。同样多基因突变导致的 CHD 也分为两种类型:(1)非遗传综合征性多基因病,仅表现心脏畸形不伴其他器官畸形;(2)遗传综合征性多基因病,除了心脏畸形外还累及其他器官。常见突变类型包括,ZFPM2 / FOG2基因等。

(3)染色体异常:CHD 患儿染色体异常占5%,染色体病患儿伴有 CHD 者高达50%;染色体的突变错综复杂,所以临床表现不仅只表现在心脏畸形,多数均累及其他系统。染色体异常分为数目异常和结构异常两大类。

Science研究发现:父母三种单核苷酸突变(SNV)的组合是CHD的新突变类型

多基因突变是CHD最常见的基因突变类型,大多数情况下,单一基因的突变本身并不能导致病变,甚至可能是良性突变,然而,多个单基因突变组合起来就有可能导致器官生长畸形。

2019年,一项发表在Science杂志上的研究曾引起学术界的关注,来自美国的研究团队使用CRISPR基因编辑技术对一个家族的进行了全基因组测序,该家族父母心脏功能正常,然而3个子代均出现CHD,分析后发现小儿CHD可能是由父母双方3种SNV(单核苷酸突变,也称为单核苷酸多态性,主要是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的DNA序列多态性。它是人类可遗传的变异中最常见的一种,占所有已知多态性的90%以上)的组合而引起的3

图2: Oligogenic inheritance of a human heart disease involving a genetic modifier

研究人员对该家族的全基因组进行了测序,发现父亲在MKL2和MYH7这两个基因发生了突变,而MYH7的突变,使氨基酸位置387(L387F)上的亮氨酸被苯丙氨酸取代,该突变与肥厚型心肌病、扩张型心肌病发病风险增高有关。另一方面,尽管母亲的心脏功能正常,但基因组测序显示,母亲的基因组中NKX2-5基因上存在一个突变,进而使丙氨酸被丝氨酸取代,但这一突变本身与心脏病并无关联。

图3: 通过外显子组测序分析该家族的基因型

论文主要作者、格莱斯顿研究所干细胞中心的主任Deepak Srivastava博士提出了一个惊人的怀疑:“鉴于该家族儿童疾病的严重程度以及其中一位家长携带无症状突变基因的这一事实,我们怀疑儿童的病情是由母亲和父亲的基因组合引起的。”在这个家族三个子代全基因组进行测序后,研究人员遗憾地表示,这三个孩子不仅从父母亲那里继承了这三种基因突变,还共享了许多其他共同的遗传变异。

研究人员使用CRISPR基因编辑技术,在小鼠的基因拷贝上创建了完全SNV的突变。研究结果发现,只携带父亲的MKL2和MYH7突变或只携带母亲NKX2-突变的小鼠并没有表现出任何心脏病的迹象。但同时出现三种突变的小鼠,却能显示出该家族患病子代中所观察到的心脏缺陷。同样,这三种基因组合不仅损害了小鼠的心脏的结构和功能,而且还改变了其心脏和冠状动脉血管发育所必需的数百种其他基因的表达。

利用人类遗传变异实验的活体实验研究,无疑是揭示疾病机制的新方法。该提出了新的基因突变类型,并证实了其与CHD的相关性,对未来复杂表型的遗传性研究有重大借鉴意义。

JCI重磅:PLD1基因的双等位功能丧失变异体,将导致先天性右侧心瓣膜缺损和新生儿心肌病

事实上,CHD的潜在分子机制尚不清晰。有研究显示,PLD1是一种磷酸酶,可以切割细胞内的特定脂质,产生一种信号,从而改变细胞在受到激素、神经递质和生长因子刺激后的“行为”,最近的报道称,PLD1突变将导致右侧先天性心脏瓣膜缺陷。然而,PLD1突变体的酶促活性结局以及PLD1功能障碍导致先天性瓣膜异常的机制仍然未知4

2021年3月1日,一项“新鲜出炉”的研究,使用2718名先天性心脏病患者的全外显子测序数据,GeneMatcher中进行对比分析,从21个不相关家族的30例患者中发现了PLD1与CHD相关变异体,这些患者主要表现为先天性心脏瓣膜缺损。同时,研究人员确定了该变异体p.I668F在Ashkenazi犹太人中的高表达(等位基因频率为〜2%),并描述了与PLD1相关的先天性心脏缺陷的表型谱5

图4: Biallelic loss-of-function variants in PLD1 cause congenital right-sided cardiac valve defects and neonatal cardiomyopathy

该研究发现,PLD1功能的隐性丧失会导致先天性心脏缺陷。同时,该研究还发现,在体内实验中抑制PLD1基因的功能减少了“内皮间充质转化(EMT)”这一过程,该过程是在妊娠第七周左右,心脏瓣膜在胚胎发育中的关键性步骤。

图5: PLD1功能的隐性丧失会导致先天性心脏缺陷

总而言之,该研究有助于解析CHD发病相关的分子机制。同时,在犹太人中,该基因突变频率之高,因此,该文主要作者认为,应该将该突变整合至常规的产前基因检测。

写在最后

基因的正常表达对胎儿期的心脏发育至关重要,基因突变会影响心脏的结构与功能。目前关于基因突变引起 CHD 相关的研究已经取得了一定的进展,但针对基因突变机制、影响因素及突变后临床治疗的研究仍不成熟。相信随着对基因突变与 CHD 发生的关系进一步深入研究,早期进行基因筛查预防CHD 及从分子水平进行干预性治疗 CHD 将拥有广阔的前景。

参考文献:

1. 李烁琳, 顾若漪 & 黄国英. 儿童先天性心脏病流行病学特征. 中国实用儿科杂志 32, 871-875, doi:10.19538/j.ek2017110616 (2017).

2. 赵秀芝. 儿童先天性心脏病遗传学研究进展. 国际儿科学杂志 47, 686-689, doi:10.3760/cma.j.issn.1673-4408.2020.10.003 (2020).

3. Gifford, C. A. et al. Oligogenic inheritance of a human heart disease involving a genetic modifier. Science 364, 865-870, doi:10.1126/science.aat5056 (2019).

4. Ta-Shma, A. et al. Congenital valvular defects associated with deleterious mutations in the PLD1 gene. J Med Genet 54, 278-286, doi:10.1136/jmedgenet-2016-104259 (2017).

5. Lahrouchi, N. et al. Biallelic loss-of-function variants in PLD1 cause congenital right-sided cardiac valve defects and neonatal cardiomyopathy. J Clin Invest 131, doi:10.1172/jci142148 (2021).


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关键词:
先天性心脏病,基因突变,最新研究

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