內臟異位合并先天性心臟病中纖毛相關變異研究進展

索美姣，馬曉靜

(國家兒童醫學中心 復旦大學附屬兒科醫院心血管中心，上海 201102)

纖毛相關疾病與胚胎時期的多種發育過程及退行性疾病相關[1]。身體左右軸/左右模式的形成是發育時期非常重要的環節，身體左右模式發育過程遭到破壞可導致偏側化障礙，而內臟異位是其中一種重要的表型。作為一種罕見的多發性先天性異常綜合征，內臟異位廣泛累及心臟和其他心外器官[2]。先天性心臟病是我國最常見的出生缺陷，其發病率約為8.94‰[3]，是我國新生兒致殘、致死的主要原因之一。先天性心臟病的發生與遺傳和環境因素相關，在病因學上由遺傳因素導致的先天性心臟病約占1/3[4]。其中，許多復雜型先天性心臟病均合并內臟異位，其術后并發癥多、病死率高且預后較差。纖毛及其相關基因變異與內臟異位及先天性心臟病的發生密切相關[5]。一方面，纖毛、纖毛相關基因以及纖毛信號轉導通路變異在內臟異位合并先天性心臟病的發生中發揮重要作用[6-8]；另一方面，在原發性纖毛運動障礙的患者中，約50%存在鏡像反位[9]。現就內臟異位合并先天性心臟病中纖毛相關變異的研究進展予以綜述。

1 內臟異位與先天性心臟病的發生

心臟是體內左右不對稱的器官之一，線性心管由來自第一心區的細胞組成，可產生左心室和部分心房；來自第二心區的細胞遷移至線性心管的兩極，產生流出道、右心室和部分心房；當線性心管開始環化時，其兩側的對稱性被破壞，而這種不對稱性是血液有效氧合所必需，通過建立從心臟右側至肺部的循環實現供氧，而心臟左側則系統地將含氧血液泵送至全身[10]。

左右不對稱在醫學上與一組先天性畸形密切相關，統稱為偏側化障礙，若調節偏側化的信號轉導被破壞，則可能發生中線和其他缺陷[10-11]。內臟異位由胚胎發育過程中左右身體軸的異常發育或纖毛功能障礙引起，主要累及腹部、胸腔及循環等[12-14]。內臟異位多表現為3種不同的表型：①內臟正位，即正常器官排列；②鏡像反位，即所有器官鏡像排列或倒置，包括心、肺、橫膈、肝、脾、胃、腸等；③內臟不定位，即非正常位點或全內臟反位的任何異常排列。內臟異位的發病率為0.1‰～0.2‰，90%以上的內臟異位患者存在復雜的先天性心臟病(如單心室、完全性房室間隔缺損)[15]。原生纖毛最早出現在胚胎發育早期(原腸胚期)，與節纖毛一起為左右軸的確定提供關鍵信號[16-18]。當左向右模式被打亂時，內臟異位則伴隨復雜的先天性心臟病出現，但復雜型先天性心臟病發生的分子機制目前尚不明確，纖毛相關的變異可能是其發生的重要環節。

2 纖毛與纖毛病

2.1纖毛的結構與功能 纖毛是細胞游離面伸出的較長的突起，較微絨毛粗且長，在光鏡下可見。一個細胞可有1根或200～300根纖毛，纖毛長5～10 μm，直徑約0.2 μm，根部有一個致密顆粒稱為基體，從基體發出縱向排列的微管，構成纖毛體部[17]。按照微管的排列結構，可將纖毛分為兩類：①含有中央組件和外周9組二聯微管的“9+2”型(“9”指周圍的9束二聯體微管，“2”指中央的2根中央微管)；②僅含有外周9組二聯微管組件的“9+0”型；而按照纖毛是否能夠產生動力，又可將其分為動力纖毛和無動力纖毛(靜纖毛)，因此，在理論上纖毛共分為四類，且均已被證實實際存在[19]。

纖毛的外動力臂提供纖毛擺動的動力，控制擺動的頻率；纖毛的內動力臂、輻條結構和中央微管協同調控纖毛擺動的波形大小和形狀。纖毛作為細胞運動或信號轉導器官而行使功能。動纖毛在體內廣泛分布，主要的功能是帶動周圍的液體流動(如胚胎左-右模式形成)；節纖毛僅在胚胎發育早期的腹側節點處短暫存在，兼具運動和信號轉導功能，通過有規律的一致性的旋轉產生“結流”，正常情況下“結流”方向為由右向左，并因此觸發不對稱信號，通過中胚層的傳播激活左側結信號級聯，從而形成人體內臟左右不對稱的形態[20]。每一個節纖毛節點上的細胞均有1根單一纖毛，且均為動纖毛，其遵循一定的規律擺動，即集體向左傾斜，進行順時針式的轉動；幾百根纖毛的集體轉動可帶動并引起節點表層明顯的左向液流，這個流動信號會被節點左側細胞上的纖毛感知，而這些纖毛是靜纖毛，具有調控細胞分裂以及音猬因子(sonic hedgehog，SHH)、Wnt、轉化生長因子-β等信號通路的作用[21]。由于靜纖毛缺乏動力蛋白和中心微管束，不能進行自主的擺動，但靜纖毛的質膜上分布著許多跨膜受體，可以被不同的外界信號激活。

2.2纖毛病 近年研究發現，有缺陷的靜纖毛和動力纖毛均是導致人類遺傳病的原因[17,22]。纖毛病可以影響多個器官或單個器官，臨床表現復雜。纖毛的發育受基因的調控，目前已發現187個可導致纖毛病的基因，同時還發現241個與纖毛結構和功能相關的基因，其缺陷也可致病[14,22]。纖毛的結構或功能缺陷可導致許多人類疾病。在結構上，由于動力纖毛與靜纖毛存在共同之處，某些基因突變可造成兩種纖毛同時受損；在功能上，動力纖毛與靜纖毛相互協調，因此動力纖毛和(或)靜纖毛受損均可導致纖毛相關疾病以及內臟異位合并先天性心臟病的發生[23]。

3 纖毛相關變異與內臟異位合并先天性心臟病

內臟異位患者的先天性心臟病家族史較多見，作為內臟異位的一個重要病因，纖毛運動在心臟的發育中具有重要作用[24]。此外，纖毛在先天性心臟病發病機制中的重要作用已在大規模小鼠正向遺傳篩選的結果中顯現出來[14]。

3.1動力纖毛變異與內臟異位合并先天性心臟病 纖毛分為靜纖毛和動力纖毛，無論靜纖毛還是動力纖毛，均在胚胎時期身體左右軸的分化過程中起重要作用。動力蛋白可以分為兩類，即細胞質動力蛋白和軸絲動力蛋白。軸絲動力蛋白也稱為纖毛動力蛋白或鞭毛動力蛋白，可以使纖毛和鞭毛滑動[25]。軸絲動力蛋白重鏈(dynein axonemal heavy chain，DNAH)主要包括DNAH1、DNAH2、DNAH3、DNAH5、DNAH6、DNAH7、DNAH8、DNAH9、DNAH10、DNAH11、DNAH12、DNAH13、DNAH14、DNAH17等。其中，1型動力蛋白外臂(outer dynein arm，ODA)位于纖毛的近端，靠近微絨毛的細胞體，含有DNAH5和DNAH11；2型ODA是位于微絨毛以外的遠端纖毛，含有DNAH5和DNAH9兩條重鏈[26-27]。

DNAH5基因位于第5號染色體短臂，DNAH5蛋白是呼吸纖毛的軸絲成分，缺乏DNAH5可導致呼吸道纖毛運動障礙[26]。N?the-Menchen等[28]發現，在攜帶DNAH5基因突變的132例原發性纖毛運動障礙患者中有87例存在偏側化障礙，其中77例表現為完全性內臟反位，10例表現為內臟異位，且在132例患者中有8例合并先天性心臟病；同時動物實驗發現，DNAH5mut/mut小鼠胚胎左右組織器單纖毛缺乏ODA，導致纖毛不活動、左右組織器流動障礙、Nodal信號隨機化以及關鍵分子正常、反轉或雙側表達，直接從分子水平揭示了胚胎發育過程中與DNAH5缺乏相關的偏側化障礙的發病機制，進一步研究發現DNAH5基因突變不僅與身體左右軸不對稱的經典隨機化有關，還與包括先天性心臟病在內的嚴重偏側化障礙有關。

DNAH6基因位于第2號染色體短臂，編碼一個含有4 158個氨基酸的蛋白質，屬于動力蛋白家族，包含多個與微管相關的運動蛋白復合物，在纖毛運動和細胞分裂中起重要作用[29]。Li等[30]在斑馬魚胚胎中進行了DNAH6反義嗎啡啉敲除實驗，在斑馬魚胚胎中單獨注射DNAH6、動力蛋白軸突中間鏈1或DNAH5嗎啡啉均未發現異常，但當注射DNAH6+動力蛋白軸突中間鏈1或DNAH6+DNAH5組合嗎啡啉時發現斑馬魚左-右軸發育中心環缺陷顯著增加，其具體機制可能為組合嗎啡啉破壞了身體左右模式形成所必需的位于庫普弗細胞囊泡中的動力纖毛，導致伴有心臟/腸袢異常的內臟異位。

DNAH9基因位于第11號染色體短臂，DNAH9及其配對重鏈DNAH5定位于遠端纖毛的2型ODA，在DNAH9基因突變的鼻呼吸道上皮纖毛中發現，含有DNAH9/DNAH5的2型ODA丟失僅限于遠端纖毛區域[31]。Loges等[32]用Sanger測序和不同的二代測序法對548例疑似纖毛缺損患者進行了DNAH9基因測序，結果發現5例患者由于DNAH9基因突變而功能喪失，導致偏側化障礙；同時他們還在GeneMatcher數據庫中鑒定出2例帶有偏側化障礙和DNAH9雙等位基因功能喪失變異的獨立個體，其中1例患者攜帶DNAH9c.308dupT,p.Leu104Profs*45和c.11666C>G,p.Ser3889*突變，臨床表現為內臟異位合并復雜心臟缺損(左心房異構、房室管缺損、下腔靜脈中斷、肺靜脈異常連接、永存動脈導管)；另1例患者攜帶DNAH9c.1997G>A,p.Trp666*和c.5020G>A,p.Gly1674Arg突變，臨床表現為內臟異位、下腔靜脈中斷伴奇靜脈延續、右主動脈弓呈鏡像頭頸血管分支、左側肝膽、右側多脾。

DNAH11基因位于第7號染色體短臂，大小為353 kb，包含82個外顯子，產生14 kb信使RNA[33]。Liu等[34]應用靶向測序和Sanger測序法分析42例內臟異位合并先天性心臟病患者的37個原發性纖毛功能障礙相關候選基因的外顯子區域，一方面，在19例內臟異位合并先天性心臟病患者中鑒定出11個基因中34種潛在致病雜合子，其中DNAH11基因的突變率最高[16.7%(14/84)]，Fisher精確檢驗顯示，DNAH11變異與內臟異位合并先天性心臟病顯著相關；另一方面，DNAH11的6個不同復合雜合子變異在6個不同的家系中也得到了驗證，提示DNAH11復合雜合子變異可能是家族性先天性心臟病和內臟異位綜合征發生的共同遺傳因素。

3.2纖毛相關變異涉及的信號通路 活動纖毛和原生纖毛在左右模式的形成中起重要作用，與動力纖毛或感覺纖毛結構功能相關的基因均可能是纖毛相關疾病和內臟異位合并先天性心臟病的致病基因[23]。一些與纖毛轉導相關的信號通路在調節心血管發育和左右模式的形成中發揮重要作用。

3.2.1Wnt信號通路 Wnt信號通路在心臟發育的各個方面均發揮重要作用，包括由纖毛轉導調控的第二心區細胞的增殖；經典的Wnt信號通過β-肌動蛋白在正向調節第二心區細胞增殖方面起重要作用，且在β-肌動蛋白突變的胚胎中觀察到右心室和流出道發育不全[35]。另外，在先天性二尖瓣畸形和先天性主動脈瓣畸形患者中也篩查出Wnt信號通路中與先天性心臟病相關的致病基因[36]。在有神經發育缺陷的先天性心臟病患者中也觀察到Wnt信號通路中新發突變的富集，表明先天性心臟病與Wnt信號通路間存在共同的遺傳因素[6]。

3.2.2SHH信號通路 SHH信號由咽內胚層分泌，第二心區細胞接收配體，維持心臟祖細胞的增殖，SHH信號在第二心區的發生、流出道分隔和正確的流出道對齊中起重要作用；同時，SHH信號也是心臟神經嵴細胞遷移至流出道心內膜墊上所必需，SHH突變可導致小鼠神經嵴細胞死亡和定位錯誤[37]。多樣表皮生長因子樣域蛋白8基因作為SHH信號通路中的負調節因子[38]，其突變可導致大動脈轉位或其他與內臟異位相關的復雜型先天性心臟病[7]。對小鼠的研究表明，纖毛轉導的SHH信號還可調節心臟發育的后期事件，包括流出道分隔和房室間隔的形成[5]。

3.2.3Notch信號通路 在脊椎動物中，偏側化起始于胚胎的左右組織器，動力纖毛產生由感覺纖毛感知的向左流動的液體，然后轉換為下游的不對稱信號[21]。Boskovski等[8]研究表明，多肽N-乙酰氨基半乳糖轉移酶11或Notch1耗盡可增加動力纖毛的比例，同時減少靜纖毛比例，并產生偏側化障礙；多肽N-乙酰氨基半乳糖轉移酶11通過修飾Notch在左右組織器上建立動力纖毛與靜纖毛間的基本平衡，以確定偏側性，這可能是人類內臟異位的一個新機制。Tanaka等[39]研究表明，Notch信號通路的異常激活可導致其下游一些靶基因的異常表達，進而影響左右級聯的最后一個效應器成對樣同源異構域轉錄因子2基因的表達，從而影響左右不對稱的形成過程。

4 小 結

先天性心臟病是一種具有復雜遺傳學基礎的異質性疾病，而纖毛及纖毛基因相關變異可能在驅動先天性心臟病發生的復雜遺傳學中起重要作用。纖毛ODA相關基因及信號通路與身體左右軸形成及內臟異位合并先天性心臟病的發生密切相關。深入研究纖毛在內臟異位合并先天性心臟病中的潛在致病基因和具體致病機制以及纖毛相關疾病與先天性心臟病發生風險之間的關系，一方面可以為內臟異位合并先天性心臟病的防治提供有價值的分子靶點以及與疾病相關的基因突變譜；另一方面還可發現治療干預的新途徑，提高患者的存活率和生存質量，改善內臟異位合并先天性心臟病和其他復雜型先天性心臟病患者的預后。