乙醛脫氫酶2基因多態性與心血管疾病的研究進展

林加龍 徐伍 李運明 張信琴 徐瑞 李秀川 汪雄 王永華 李公任 裴海峰

心血管疾病是全球致死率最高的非傳染性疾病，在2019年世衛組織發布的全球十大健康威脅榜單中高居次位。中國現有心血管病人數約2.9億，每年近350萬人死于心血管疾病，預計2020年全球心血管疾病死亡率將增加50%，亞洲國家死亡人數也將翻一番[1]，因此對心血管疾病的防治尤為重要，且探索新的心血管疾病風險預測因子一直是臨床上的重要課題，近年來乙醛脫氫酶2(aldehyde dehydrogenase，ALDH2)與心血管疾病之間的關系引起了極大關注。ALDH2作為一種編碼基因定位于12號染色體且呈現基因多態性的四聯體蛋白，不僅是乙醇代謝產物乙醛氧化的關鍵酶，也參與心肌代謝產生的有毒醛4-羥基-2-壬烯醛(4-hydroxy-2-nonenal，4-HNE)的氧化[2]。多項研究證實ALDH2通過代謝有毒醛(如乙醛、4-HNE等)、改變飲酒習慣以及介導硝酸甘油源性NO的產生等方式，在高血壓、冠心病、心肌梗死、心力衰竭、心肌纖維化、心律失常中發揮保護作用，但其作用機制尚存爭議。故明確ALDH2在心血管系統疾病的作用機制有利于為心血管疾病易感人群的早期篩查、個體化預防及治療提供新的突破點和方向，現就ALDH2 rs671基因多態性與心血管系統疾病之間的關系作一綜述。

1 ALDH2的來源及簡介

醛脫氫酶(aldehyde dehydrogenase，ALDH)是一類煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)(P)+依賴的酶[3]，能利用NAD(P)+作為輔助因子，參與活性醛的氧化和代謝。目前發現的ALDH家族成員共有19 個[4]，其中研究最廣泛的ALDH2，它定位于線粒體基質，是由517 個氨基酸組成的分子量為56 000的線粒體蛋白。結構上，ALDH2是一種由4個相同亞基組成的四聚體酶，亞基間通過氫鍵聚合。每個亞基均由3個主要結構域組成：催化結構域、NAD(P)+結合輔酶結構域和齊聚結構域[5]。在這些結構域的接口處有1個漏斗形的通道通向催化口袋，漏斗的上方由3 個結構域的全部殘基組成，是賦予ALDH醛底物特異性的區域；而漏斗的下方是由輔因子和催化結構域的殘基組成的催化位點，是ALDH2進行脫氫氧化作用的場所[6]。

2 ALDH2的分布及生理功能

ALDH2廣泛存在于哺乳動物中，人ALDH2在身體各個組織器官的線粒體內均有分布，但主要大量表達于心、肝、腦、肺、腎等器官中，特異性催化內、外源性醛氧化為相應的酸[5]。ALDH2最早因氧化乙醇代謝的中間體乙醛而聞名，作為酒精在肝臟中代謝的關鍵酶，能將乙醇脫氫酶氧化乙醇所得的乙醛催化為無毒的乙酸[7]。除代謝乙醛外，ALDH2還代謝4-HNE、丙烯醛等有毒不飽和醛。當心肌細胞缺血缺氧時氧化應激增加，線粒體中產生的活性氧會加快4-HNE的產生，而作為高活性化合物，4-HNE可與蛋白質形成醛蛋白加合物，損傷心肌細胞，甚至使心肌細胞凋亡[8,9]。ALDH2 通過代謝相關有毒醛，發揮抗氧化應激的心臟保護作用[10]。此外，ALDH2還具有還原酶的活性[5]，作為硝酸還原酶，能催化硝酸甘油生成1,2-二硝酸甘油和亞硝酸鹽，從而最終產生環磷酸鳥苷(cyclic guanosine monophosphate,cGMP)和NO，發揮擴張血管的作用[8]。

3 ALDH2的基因多態性

人ALDH2編碼基因位于第12號染色體(12q24)上，全長44 kb[7]，包含13 個外顯子和12個內含子[11]。在第12 號外顯子的rs671位點上存在單核苷酸多態性(single nucleotide polymorphism，SNP)，即第1 510 位堿基發生突變，堿基鳥嘌呤(G)被堿基腺嘌呤(A)替換，致使編碼的氨基酸由谷氨酸(Glu)突變為賴氨酸(Lys)[12]。基因突變最終使ALDH2酶結構發生改變，輔酶NAD(P)+與突變ALDH2酶的結合受損，脫氫作用減弱導致ALDH2酶的活性降低[8]。因此該位點存在兩個等位基因亞型，即野生型(ALDH2*1)和突變型(ALDH2*2)，共表現為3 種基因型：GG型(ALDH2*1/*1，野生純合型)、GA型(ALDH2*1/*2，突變雜合型)、AA型(ALDH2*2/*2，突變純合型)[3]。不同基因型的ALDH2酶活性程度亦不同，野生純合子編碼的ALDH2(ALDH2*1/*1)維持了正常ALDH2酶活性，突變雜合子編碼的ALDH2(ALDH2*1/*2) 酶活性僅為正常活性的30%～40%，而突變純合子編碼的ALDH2(ALDH2* 2/*2) 酶活性忽略不計[13]。既往研究表明，不同人群間ALDH2 rs671位點的等位基因的分布存在顯著性差異[14,15]。其突變頻率在西方人群中僅為5%，但在東亞人群中卻達到30%～50%[16]。中國人群ALDH2 rs671突變基因A的分布也呈現顯著的地域差異，東南部最多，且由東南向西北呈遞減趨勢[2]。在東亞人群中，攜帶ALDH2突變A等位基因的人通常大量飲酒后出現面色潮紅、頭暈和心率加快等癥狀，即“亞洲酒精性潮紅綜合征”，而堆積的乙醛擴張毛細血管是其主要機制[7,17]。此外，有學者發現ALDH2酶的活性不足或缺失編碼ALDH2酶的基因均會導致硝酸甘油耐藥，這可能是部分患者心絞痛發作時服用硝酸甘油疼痛不能緩解的主要原因[2]。

4 ALDH2基因多態性與心血管疾病

4.1 ALDH2基因多態性與高血壓 高血壓作為最常見的慢性病之一，由于血壓持續增高可引起血管內皮損傷，會導致血管粥樣硬化，從而引發心血管疾病[18]。當機體缺血缺氧時產生的4-HNE亦會損傷血管內皮細胞，導致氧化應激水平增加，從而誘發高血壓[19,20]。值得注意的是，ALDH2可通過代謝4-HNE而在體內發揮抗氧化應激作用，抑制了高血壓的發生[21]，表明其與高血壓有一定的相關性。先前研究發現飲酒是高血壓的危險因素[17]，作為酒精在肝臟中的主要代謝酶，ALDH2對血壓的影響因飲酒而變得復雜。源自蒙古族的對照研究提示ALDH2 G等位基因是原發性高血壓的危險因素，其可能通過飲酒介導原發性高血壓的發生[22]，推測可能是因為蒙古族人ALDH2 G等位基因攜帶者長期酗酒，超出酶的代謝能力，導致血液中乙醛堆積，它與蛋白質結合形成的蛋白副產物損傷了血管內皮細胞，從而誘發高血壓的發生[23]。進一步的研究發現經調整飲酒等混雜因素后，ALDH2 rs671基因多態性亦與高血壓獨立相關，推測其可能通過不依賴于飲酒的其他機制影響高血壓的發生[10]。相反的是，茅臺鎮的人群研究卻發現ALDH2 A突變等位基因是原發性高血壓的危險因素，分層分析顯示在男性原發性高血壓患者中ALDH2 A突變等位基因攜帶者與飲酒無相關性，懷疑與人群飲酒量不同有關[24]。前瞻性隊列研究同樣提示ALDH2 A突變等位基因與血壓升高顯著相關，攜帶ALDH2 A突變等位基因者可能更容易發展為高血壓，推測該人群可能存在其他基因多態性，并與ALDH2基因型及其他因素共同作用于血壓[25]。在探討高血壓與ALDH2 rs671基因多態性的關系是否在性別方面也存在差異時，日本的大型隊列研究表明，與女性相比，ALDH2 GG基因型是男性高血壓的潛在危險因素[26]；但Ma等[10]的研究卻與之相悖，在調整潛在的混雜因素后發現性別與高血壓無關。

高血壓是一種受基因、環境和生活方式影響的多因素疾病。盡管初步發現了ALDH2 rs671基因多態性與高血壓有關，但目前關于高血壓與ALDH2 rs671基因多態性之間的關系是否依賴于飲酒和性別仍存在爭議，且受飲酒量、地域、人群等影響，而生活方式與其他基因多態性的交互作用也會影響高血壓發生，上述因素都使ALDH2 rs671基因多態性作為原發性高血壓的預測因子存在著爭議，但我們認為解決此矛盾進而明確二者的關系就顯得尤為重要，未來的研究設計應該更注重多區域、大樣本量，并且考慮飲酒量的差異。

4.2 ALDH2基因多態性與冠心病 冠心病是指冠狀動脈發生粥樣硬化而引起血管腔狹窄或阻塞，造成心肌缺血缺氧或壞死而導致的心臟病。在缺血環境下，心肌細胞氧化損傷加重，4-HNE生成增加，誘發心肌細胞的壞死和凋亡，ALDH2通過代謝4-HNE從而在冠心病中發揮保護心肌細胞的作用[9]。研究表明ALDH2 rs671基因多態性與亞洲人冠心病患病風險相關，且A突變等位基因攜帶者冠心病風險增加[27]。飲酒是冠心病的危險因素之一，二者的相關性很大程度上取決于飲酒水平：過度飲酒會增加冠心病的發生風險，而輕中度飲酒反而降低風險[28]，因為輕中度飲酒能通過增加高密度脂蛋白膽固醇(high density lipoprotein-Cholesterol，HDL-C)的水平[29]，從而實現預防冠心病的發生。Meta分析提示ALDH2 rs671基因多態性與飲酒密切相關，且A突變等位基因是冠心病的危險因素，推測可能是因為ALDH2突變基因型對乙醛代謝能力不足，大量飲酒后堆積的乙醛通過增加血壓和4-HNE的水平促進了冠心病的發生[27,30]。但江玲[31]研究卻發現ALDH2基因多態性不是中國漢族人群冠心病的獨立危險因素，考慮受人群選擇的影響。在地域上，Zhao等[16]的進一步研究表明ALDH2 rs671 基因多態性與冠心病的相關性存在差異，僅在中國南方及亞組非飲酒人群中存在一定的相關性。生活方式上，Morita等[32]研究發現吸煙和ALDH2 A突變等位基因共同增加冠心病的發生風險，提示ALDH2 rs671基因多態性可能與吸煙協同作用影響冠心病的進程。

冠心病發病機制復雜，主要由遺傳和環境因素共同作用。ALDH2 通過改變飲酒習慣、調節脂類代謝和血壓變化、代謝有毒醛等機制參與冠心病的病理生理過程，且突變基因型的A等位基因的存在增加了冠心病的風險。除此之外，ALDH2 rs671基因多態性對冠心病的作用機制還受地域、個體飲酒量及生活方式(如吸煙等)的影響。所以，ALDH2 rs671基因多態性與冠心病的關系及其作用機制仍未完全清楚，更不明確何種機制發揮主導作用，故ALDH2 rs671基因多態性是否為冠心病遺傳的易感基因以及靶向提高ALDH2的活性是否可以成為未來防治冠心病的方向都還處在探索階段，仍需深入探究。

4.3 ALDH2基因多態性與心肌梗死 心肌梗死是因冠狀動脈狹窄或梗阻后心肌細胞缺血缺氧所引起的損傷，而氧化應激是缺血損傷的最主要機制。研究發現在心肌細胞缺血條件下，活性氧和4-HNE的表達增加，二者共同作用促進心肌梗死的發生，且它們在ALDH2突變基因型中的表達水平明顯高于野生基因型，當特異性提高ALDH2活性時可抑制缺血性心肌氧化損傷和凋亡[9,33]，其主要與高活性ALDH2對4-HNE的代謝及活性氧的抗氧化應激能力增強有關。動物研究同樣證實，上調ALDH2的表達亦可縮小大鼠急性心肌梗死的面積，改善心功能障礙[8]，而抑制ALDH2活性卻得到了相反的結果[34]。與此一致的是，陳紅梅[35]也發現激活ALDH2不僅提高心梗大鼠ALDH2酶活性并且增加了其遠期生存率。以上均揭示了ALDH2主要參與心肌缺血損傷的病理生理過程[36]。

亞洲人群的流行病學調查表明ALDH2 rs671基因多態性與急性心肌梗死的高患病率密切相關[8]。進一步的Meta分析提示ALDH2的A等位基因攜帶者與心肌梗死的高風險相關[37]。劉萍等[38]進一步研究發現這種相關性可能與ALDH2突變基因型的A等位基因更易導致緩慢血流，增加冠脈栓塞風險[39]，從而引起心肌細胞缺血缺氧有關。此外，Takagi等[40]的研究也指出，ALDH2基因突變型可以作為日本男性人群心肌梗死的獨立危險因素，而吸煙與ALDH2 A突變等位基因的組合也協同增加了心肌梗死的發病風險[32]。

心肌梗死作為一種復雜疾病，主要由遺傳與各種環境因素共同作用。綜上所述，ALDH2主要通過代謝4-HNE等有毒醛和拮抗氧化應激及抑制心肌細胞凋亡等機制來實現抗心肌梗死的作用，但它們的確切機制尚不完全清楚，還需深入研究。研究表明ALDH2 基因多態性與心肌梗死的易感性相關，且基因突變型是心肌梗死的獨立危險因素，但考慮到ALDH2基因多態性在不同種族人群以及地域間存在著明顯差異，可能會影響研究結果的不一致[41]。所以未來的研究設計更應考慮不同種族、地域以及飲食、環境等因素的影響，明確ALDH2基因多態性與心肌梗死的確切病理生理機制，從而為心肌梗死的提前風險預測和個體化治療提供新的思路和治療靶點。

4.4 ALDH2基因多態性與心力衰竭 心力衰竭是一種心臟結構性或功能性異常綜合征，是大多數心肌損害的終末期，也是全球范圍內死亡的重要原因之一[42]。心力衰竭的發生過程復雜，主要由氧化應激、線粒體功能障礙導致細胞凋亡，最終發展成心肌結構重塑和心臟功能障礙[43]。當心肌細胞持續缺血缺氧時，活性氧生成增加導致4-HNE的累積，它通過與半胱氨酸、組氨酸和賴氨酸殘基相互作用形成的蛋白加合物使蛋白失活進而損傷心肌，導致心肌細胞凋亡，并逐漸進展為心室重塑，導致心力衰竭[44,45]。動物實驗發現ALDH2激活劑Alda-1(aldehyde dehydrogenase agonist-1)長期治療可抑制心室重構，并改善心肌梗死后慢性心衰大鼠的長期生存率，其主要是通過高活性的ALDH2對4-HNE的代謝增加來實現[46]。類似研究亦發現Alda-1處理的大鼠中未見心力衰竭中4-HNE蛋白加合物和蛋白質羰基等醛類負荷的積累，表明選擇性激活ALDH2確實對心力衰竭的心臟起到保護作用[45]。

其他學者研究發現ALDH2缺乏會加重線粒體功能障礙，同樣增加心衰的風險[44,47]，而增加ALDH2活性可減少醛類負荷對線粒體活性氧和能量產生的毒性作用，從而減少衰竭心臟線粒體Ca2+誘導的通透性轉變和細胞色素c的釋放，保護了線粒體的功能，改善心衰的預后[45]。此外，持續性壓力超負荷，如高血壓，也是心力衰竭的重要危險因素[42]。心肌纖維化是心力衰竭患者的共同病理特征，而持續的壓力超負荷會促進過度間質纖維化的形成，導致心功能嚴重受損[48]。最新研究證實ALDH2缺乏可促進壓力超負荷小鼠心衰的進展，而這一過程與心肌纖維化增強有關[49]。同時自噬也與壓力負荷引起的心衰有關，磷酯酰肌醇-3激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B,PI3K/PKB)是參與自噬的信號通路之一，而ALDH2可以通過調節該信號通路來抑制心肌細胞自噬，從而起到抑制心衰進展的作用[50]。從基因組學方面，發現ALDH2 A突變等位基因攜帶者與射血分數保留型心衰風險增加相關，推測全身炎性反應可能與該疾病過程有關[51]。

綜上所述，ALDH2通過抗氧化應激、代謝4-HNE、減少醛類負荷、調節信號通路等多種機制對心力衰竭的心肌細胞起代償保護作用，因此靶向提高ALDH2的活性或增加其表達在未來治療心力衰竭方面十分具有潛力。此外，ALDH2高效激活劑的研發能否為心力衰竭治療提供更多的可能亦值得探究。而現階段有關ALDH2 rs671基因多態性與心力衰竭的研究依然不足，仍需大量研究為靶向ALDH2治療心力衰竭提供更多證據。

5 ALDH2基因多態性與心肌纖維化

心肌纖維化，又稱心肌鈣化，是多種心血管疾病引起的心肌纖維持續性和(或)反復加重的心肌缺血缺氧所產生的結果，臨床上可導致心律失常或心力衰竭，是多種心血管疾病的終末期病理過程[52]。關于心肌纖維化的發病機制尚未完全闡明，普遍認為心臟疾病逐漸進展會導致心肌細胞壞死凋亡，同時心肌成纖維細胞被激活后大量復制增加，促纖維因子釋放也增加，最終發生心肌纖維化[53]，進而促進心肌重構，心肌功能顯著降低或消失，引發心力衰竭。

谷小雨[54]研究發現心肌成纖維細胞存在ALDH2的表達，ALDH2特異性激動劑Alda-1的使用提高ALDH2表達后抑制高糖誘導大鼠的心肌成纖維細胞增殖，改善心肌纖維化和細胞凋亡，起到保護心肌的作用，其機制可能與ALDH2抑制心肌細胞的氧化應激有關。與此一致，多項動物實驗亦發現提高ALDH2酶的活性可抑制心室重構，改善心肌纖維化損傷[55,56]。

綜上所述，多項研究揭示了ALDH2酶活性的高低可以影響心肌纖維化的發生發展，而ALDH2酶的活性取決于其編碼基因的多態性。但現有研究只局限于心室肌纖維化層面，且基本為動物實驗，因此有關人群試驗以及ALDH2 rs671基因多態性與心房肌纖維化的相關研究應成為未來進一步的研究方向，以此來明確ALDH2 rs671基因多態性與心肌纖維化的關系及確切的作用機制。

6 ALDH2基因多態性與心律失常

心律失常是因心臟電傳導系統異常所引起的心臟跳動的頻率和(或)節律異常，主要分為房性心律失常和室性心律失常兩大類，通過心電圖檢測可明確心律失常的發生及種類。生理性及病理性因素皆可誘發心律失常，生理性因素包括運動、情緒改變等，而病理性因素則以心血管疾病為主。同時，高血壓、冠心病、心肌梗死、心衰、心肌纖維化等一般均伴有心律失常。

王英等[57]研究發現增強ALDH2在心肌缺血再灌注損傷大鼠心肌組織中的表達可以保護心肌,這可能與高表達ALDH2抑制室性心動過速、緩解氧化應激、抑制心肌細胞凋亡有關。與此結果一致，研究表明通過長期應用低濃度乙醇可明顯降低心肌缺血再灌注損傷大鼠心律失常的發生，其機制主要是與長期低濃度乙醇的應用增加ALDH2的活性，減輕缺血再灌注損傷所致的氧化應激有關[58]。此外，日本人群中ALDH2 rs671 A等位基因與房顫的發生呈現負相關[53]，即低活性ALDH2反而更不易發生房顫，這與此前高活性ALDH2對心肌有保護作用的結論相矛盾，推測可能與地域、人群以及飲酒水平有關。

目前研究表明ALDH2 rs671基因多態性與心律失常存在關聯，其機制主要與高表達ALDH2可抑制心肌纖維化、抗氧化應激和心肌細胞凋亡有關。但上述日本人群的研究與這一結論相悖，考慮ALDH2 rs671基因多態性對心律失常的影響可能因多種因素的作用而變得復雜，比如飲酒水平、地域因素以及種族等。此外，筆者發現ALDH2 rs671基因多態性與心律失常的研究目前主要局限在室性心律失常方面，絕大多數均為動物試驗，臨床研究較少；而ALDH2 rs671基因多態性與房性心律失常方面的研究更少，目前僅有與房顫方面的相關報道，且結論尚存爭議。未來研究應著重進行更好的研究設計來驗證人群ALDH2 rs671基因多態性與不同房性心律失常(房顫、房撲、房速、房早)的相關性，并明確它們的關系及作用機制。

綜上所述，現已發現高血壓、冠心病、心肌梗死、心力衰竭、心律失常、心肌纖維化等都與ALDH2 rs671基因多態性相關。ALDH2主要通過代謝醛類(如乙醛、4-HNE等)、影響飲酒量、抗氧化應激、抑制心肌纖維化和心律失常的發生以及介導硝酸甘油源性NO的產生等方式來發揮保護心血管的作用，其活性跟編碼基因的多態性有關。但因ALDH2基因多態性的分布在不同種族、地域以及飲食環境等方面存在明顯差異，且多項研究的結果存在爭議，所以其與心血管疾病間的具體作用機制尚不完全清楚，仍需要進一步研究，但對ALDH2 rs671基因多態性與心血管疾病相關性的提示意義不言而喻。故未來應該設計更合理、可行性高的研究來進一步深入探討ALDH2基因多態性與心血管疾病的相關性及其作用機制，以期得到各種心血管疾病的確切易感基因。

正常活性的ALDH2在心臟中發揮保護作用，而ALDH2 A突變等位基因攜帶者有較高的心血管疾病患病風險，因此如何高效開發ALDH2的治療潛力已成為熱門的研究課題。近年來，許多小分子激活劑的問世，通過靶向提高線粒體ALDH2的活性，從而為個體化治療心血管疾病提供了新方向，其中最具有代表性的Alda-1已經在各種動物試驗中被證實有效，但還缺乏臨床人群療效的相關證據。因此，在治療方面，未來應該繼續開發新技術、新方法來研發更加高效、并發癥少且適用于臨床人群的靶向激活ALDH2活性的產品，而傳統的藥物治療或心血管介入手術治療與靶向提高ALDH2活性的激動劑的聯合治療也許可以有意想不到的益處。

心血管疾病因其高患病率和嚴重并發癥影響著人類的生命和生活質量，這就對預防和治療都提出了較高的要求，除了上述的治療外，在預防方面，首先對人群進行心血管疾病的ALDH2易感基因的篩查，包括對出生時ALDH2酶缺失的個體采取個性化的精準治療；其次對普通人群的風險篩查，通過識別ALDH2心血管疾病易感基因型人群，給予其針對性的健康教育，包括心血管疾病常見的癥狀和體征，不良的生活習慣，飲食、活動、用藥等的注意事項，出現不適癥狀時可隨時就診等的相關知識的普及，從而做到對ALDH2易感人群發生心血管疾病事件的早期識別、預防和干預；再者也可為因心血管疾病住院且是ALDH2易感基因攜帶者提供更多護理，對可能發生的病情變化進行預測和及時干預，降低患者的不適感以及并發癥的發生，從而達到提高生命和生活質量、減輕疾病負擔的目的。