GDF1基因与先天性心脏病的相关性研究进展

张娟 吴青青

先天性心脏病(congenital heart disease)简称先心病，是指胎儿时期心血管发育异常对心功能产生实际或潜在影响的一组先天畸形。先心病是胎儿出生缺陷中最常见的出生畸形，是造成新生儿死亡的重要原因。GDF1(Growth differentiation factor-1,生长分化因子1)是调节胚胎期细胞生长和分化的重要基因，在器官左右不对称的分化发育过程中发挥重要作用。本文就GDF1基因与先心病的关联性研究进展进行综述。

一、先心病病因学概述

先心病病因目前尚不完全清楚，遗传因素、环境因素及两者的共同作用均可引起先心病的发生[1]。

环境因素方面，孕妇的高龄受孕、超重或肥胖及罹患慢性疾病如糖尿病等均可引起先心病的发生风险增加。药物的使用、孕期烟草暴露、酗酒、重金属摄入也与先心病的发生也有关。另外，环境污染也是先心病重要的致病因素[2-4]。

在遗传因素中，染色体异常是先心病发生的重要原因。21-三体、18-三体等染色体数目异常及染色体重排、易位、嵌合体、环状染色体等结构异常组成了遗传因素的重要部分[5-8]。另外，较多的学者还认为，致病性拷贝数变异也在先心病的病因学中有着非常重要的位置，如22q11微缺失等[9-10]。近年来，有研究报道指出，信号传导通路也与先心病的发生有关，如Nodal信号通路、Notch信号通路、Wnt信号通路等[11]。另外，心脏发育转录因子、先心病易感基因等心脏发育的关键基因发生突变也会增加先心病的发病风险，如NKX2-5、TBX2、GATA4等基因的多态性与先心病不同临床表型有一定的相关性[12]。GDF1也是目前研究较热的先心病相关基因之一。

二、GDF1的基因结构与功能

GDF1基因定位于19p13.11，属于TGF-β(transforming growth factor-β,转化因子-β)超家族成员，与非洲爪蟾Vg-1同源性最高[13]。GDF1基因最早由Lee[14]在8.5天小鼠胚胎cDNA文库中分离得出，在小鼠胚胎时期可检测出其两种转录物，长度分别为1.4 kb和3.0 kb。在小鼠发育的早期阶段均可见1.4 kb的转录物表达，尤其在原结、腹侧神经管、中间板和侧板中胚层等处，10.5天后消失。另一个长度为3.0 kb的双顺反子转录物在9.5天时出现并贯穿于整个胚胎发育过程，且特异性表达于神经系统。其中，3.0 kb的转录物包含了GDF1编码区，预测可编码372个氨基酸[13,15]。

人类GDF1序列与小鼠GDF1有69%的同源性，含有27593个碱基对。人类GDF1序列在252、253氨基酸位置包含了一对碱性氨基酸残基(Arg-Arg)，可能是其蛋白水解位点。人类GDF1基因序列的C-末端至该碱性残基之间的区域是TGF-β的同源区域。人类GDF1序列还包含了一个长的开放阅读框，位于GDF1编码区上游，免疫组化显示其编码的是一包含多个跨膜结构域、功能未知的蛋白。而GDF1蛋白是由其下游的开放阅读框所编码，为含有372个氨基酸的分泌性糖蛋白，具有多个蛋白水解位点，可裂解产生一个含有7个保守半胱氨酸残基的成熟蛋白质，参与早期胚胎发育的调控[15]。

作为Vg1的同源基因，GDF1在转录水平进行调节，包含有非洲爪蟾BMP2前结构域和GDF1成熟结构域的嵌合蛋白通过激活Smad2依赖性信号传导途径来诱导内胚层形成和轴向重叠[13]。Tanaka等[16]认为，GDF1作为TGF-β家族的Vg1相关成员，本身并不具活性，其作为Nodal的配体发挥作用。Nodal信号通路具有精确诱导中胚层及内胚层的形成、确立体轴及调控神经发育模式等重要作用。GDF1作为Nodal样因子，与Nodal处于信号传导级联反应的上游，两者直接相互作用，形成更加有活力的共配体，调节信号范围及传递效能。当Nodal与GDFl共表达时在前轴发育中存在一个遗传的协同作用，在器官的不对称发育中可能扮演着重要角色[17-18]。

三、GDF1与先心病的关系

动物研究发现，GDF1基因敲除小鼠表现出左-右轴异常的广谱畸形，包括内脏反位、右肺动脉异构和各种心脏异常等，且只有2/3的GDF1基因敲除小鼠胚胎可存活至出生，并几乎都在出生后48 h内死亡[17]。而且，GDF1基因敲除小鼠的肺动脉的位置比主动脉位置更偏向背侧[17]。胚胎发育时GDF1的表达模式相对于左-右轴来说几乎是对称的，而GDF1影响左-右不对称的机制主要是作为Ebaf、Leftb、nodal和Pitx2基因的上游基因，形成基因调控网络的一部分，启动体轴极性形成并调节胚胎的左右不对称性，在胚胎发育早期左右不对称模式的建立及心脏、大血管的发育过程中发挥关键作用[18]。在斑马鱼的胚胎发育研究中发现，GDF1不但在斑马鱼胚胎的左右不对称建立中起到重要作用，且在砷暴露后出现心脏畸形的胚胎中表达显著下降，提示GDF1异常与先心病有关[19]

Fuerer等[20]分析了胚胎发育过程中GDF1蛋白水平及信号强度，发现Nodal与GDF1形成异二聚体，增加信号受体的亲和力，在Notch信号通路中发挥重要作用从而介导人胚胎干细胞分化，在特定区域特异性表达并调节左-右轴的形成。

Karkera等[21]在对375例心脏畸形、225例正常对照及198例全前脑的研究发现，GDF1突变只出现在心脏畸形组，提示丧失功能的GDF1杂合突变可能在心脏畸形如大动脉转位、右心室双出口、法洛四联症和主动脉离断的发生中起到一定的作用，但是在人类病例中并未观察到小鼠GDF1缺失时出现的内脏反位现象如右肺动脉异构，提示GDF1突变只是在先心病的发生中起到遗传易感性的作用，其研究团队认为，GDF1杂合突变可能会导致左右轴确立异常从而影响到部分器官，并与外部因素相互作用干扰胚胎发育的左-右模式，从而参与特定类型心脏畸形的发生，并可致心血管正常不对称发育的血管重塑。研究中还发现，丧失功能的GDF1杂合突变降低了TGF-β信号表达，而当TGF-β信号表达严重下降时可导致心脏畸形的发生，提示GDF1通过TGF-β信号而发生作用，故GDF1有效信号表达下降可导致心脏畸形的发生[21]。

在右心房异构的家系中，Kaasinen等[22]进行连锁分析和基因定位后发现，右心房异构儿童呈现GDF1杂合子突变现象。此外，患病家族中父母均为健康的杂合子携带者，其子代出现右心房异构的临床表型，提示GDF1基因遗传分离与表型决定遵循常染色体隐性遗传；同时，该研究团队建立GDF1基因敲除小鼠模型进行验证，发现GDF1基因敲除小鼠出现广泛的单侧胸腹部器官缺陷，包括复杂的心脏畸形、大动脉转位、房室共道及永存左上腔等，以及右肺异构及肝脾倒位等，证实GDF1可能为右心房异构的致病基因。

Sun等[23]筛选出GDF1基因的四个标签单核苷酸多态性，对310例先心病患者及正常对照组320例进行对比研究，并同时检测Nodal基因后发现，GDF1与Nodal具有交互作用，可对先心病的发生产生一定的影响，但研究结果并不支持GDF1作为先心病的独立危险因子存在，进一步进行分层分析时发现GDF1突变的某些亚型则与肺动脉瓣闭锁有显著的相关性，提示GDF1基因变异可能与中国汉族人群的圆锥动脉干畸形有关。

但是，目前也有关于GDF1在部分类型先心病中不同结果的报道。De Luca等[24]在对7个先证者为完全型大动脉转位的先心病家族中进行GDF1基因突变的检测后，未发现GDF1基因的突变证据。另外，De Luca等[24]还对圆锥动脉干的患者进行了研究，结果也并不支持法洛四联症患者会发生GDF1突变，其研究团队认为GDF1突变并不是引起法洛四联症发生的主要原因[25]。

有关GDF1在先心病中可能的作用机制如下：(1)GDF1可与Nodal形成共配基，与受体结合，激活Nodal信号通路，作用于靶基因，诱导胚胎组织形成完整体轴，并参与前-后体轴位置的确定和左-右体轴的特化等胚胎发育关键步骤[26-29]。(2)GDF1基因还参与到Hedgehog信号通路中，活化Hedgehog信号通路，在心脏形态学发生中起重要作用，从而参与早期心脏发育[30]。(3)GDF1还是Notch信号通路的依赖性基因，可通过Notch信号通路在先心病的发生中起到重要作用[31]。

综上所述，GDF1是胚胎早期发育的重要调节因子，其通过NODAL信号通路，在器官的不对称发育中扮演重要角色。随着对GDF1研究的深入，其在先心病中的作用机制也将会逐渐明确。GDF1在先心病中突变率较高，GDF1可能作为胚胎早期左-右体轴发育能力的重要遗传学标志，将来可能对临床先心病的诊断及预后判断有一定的指导意义。

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