乙醛脱氢酶2基因多态性与心血管疾病的研究进展

林加龙 徐伍 李运明 张信琴 徐瑞 李秀川 汪雄 王永华 李公任 裴海峰

心血管疾病是全球致死率最高的非传染性疾病，在2019年世卫组织发布的全球十大健康威胁榜单中高居次位。中国现有心血管病人数约2.9亿，每年近350万人死于心血管疾病，预计2020年全球心血管疾病死亡率将增加50%，亚洲国家死亡人数也将翻一番[1]，因此对心血管疾病的防治尤为重要，且探索新的心血管疾病风险预测因子一直是临床上的重要课题，近年来乙醛脱氢酶2(aldehyde dehydrogenase，ALDH2)与心血管疾病之间的关系引起了极大关注。ALDH2作为一种编码基因定位于12号染色体且呈现基因多态性的四联体蛋白，不仅是乙醇代谢产物乙醛氧化的关键酶，也参与心肌代谢产生的有毒醛4-羟基-2-壬烯醛(4-hydroxy-2-nonenal，4-HNE)的氧化[2]。多项研究证实ALDH2通过代谢有毒醛(如乙醛、4-HNE等)、改变饮酒习惯以及介导硝酸甘油源性NO的产生等方式，在高血压、冠心病、心肌梗死、心力衰竭、心肌纤维化、心律失常中发挥保护作用，但其作用机制尚存争议。故明确ALDH2在心血管系统疾病的作用机制有利于为心血管疾病易感人群的早期筛查、个体化预防及治疗提供新的突破点和方向，现就ALDH2 rs671基因多态性与心血管系统疾病之间的关系作一综述。

1 ALDH2的来源及简介

醛脱氢酶(aldehyde dehydrogenase，ALDH)是一类烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)(P)+依赖的酶[3]，能利用NAD(P)+作为辅助因子，参与活性醛的氧化和代谢。目前发现的ALDH家族成员共有19 个[4]，其中研究最广泛的ALDH2，它定位于线粒体基质，是由517 个氨基酸组成的分子量为56 000的线粒体蛋白。结构上，ALDH2是一种由4个相同亚基组成的四聚体酶，亚基间通过氢键聚合。每个亚基均由3个主要结构域组成：催化结构域、NAD(P)+结合辅酶结构域和齐聚结构域[5]。在这些结构域的接口处有1个漏斗形的通道通向催化口袋，漏斗的上方由3 个结构域的全部残基组成，是赋予ALDH醛底物特异性的区域；而漏斗的下方是由辅因子和催化结构域的残基组成的催化位点，是ALDH2进行脱氢氧化作用的场所[6]。

2 ALDH2的分布及生理功能

ALDH2广泛存在于哺乳动物中，人ALDH2在身体各个组织器官的线粒体内均有分布，但主要大量表达于心、肝、脑、肺、肾等器官中，特异性催化内、外源性醛氧化为相应的酸[5]。ALDH2最早因氧化乙醇代谢的中间体乙醛而闻名，作为酒精在肝脏中代谢的关键酶，能将乙醇脱氢酶氧化乙醇所得的乙醛催化为无毒的乙酸[7]。除代谢乙醛外，ALDH2还代谢4-HNE、丙烯醛等有毒不饱和醛。当心肌细胞缺血缺氧时氧化应激增加，线粒体中产生的活性氧会加快4-HNE的产生，而作为高活性化合物，4-HNE可与蛋白质形成醛蛋白加合物，损伤心肌细胞，甚至使心肌细胞凋亡[8,9]。ALDH2 通过代谢相关有毒醛，发挥抗氧化应激的心脏保护作用[10]。此外，ALDH2还具有还原酶的活性[5]，作为硝酸还原酶，能催化硝酸甘油生成1,2-二硝酸甘油和亚硝酸盐，从而最终产生环磷酸鸟苷(cyclic guanosine monophosphate,cGMP)和NO，发挥扩张血管的作用[8]。

3 ALDH2的基因多态性

人ALDH2编码基因位于第12号染色体(12q24)上，全长44 kb[7]，包含13 个外显子和12个内含子[11]。在第12 号外显子的rs671位点上存在单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)，即第1 510 位碱基发生突变，碱基鸟嘌呤(G)被碱基腺嘌呤(A)替换，致使编码的氨基酸由谷氨酸(Glu)突变为赖氨酸(Lys)[12]。基因突变最终使ALDH2酶结构发生改变，辅酶NAD(P)+与突变ALDH2酶的结合受损，脱氢作用减弱导致ALDH2酶的活性降低[8]。因此该位点存在两个等位基因亚型，即野生型(ALDH2*1)和突变型(ALDH2*2)，共表现为3 种基因型：GG型(ALDH2*1/*1，野生纯合型)、GA型(ALDH2*1/*2，突变杂合型)、AA型(ALDH2*2/*2，突变纯合型)[3]。不同基因型的ALDH2酶活性程度亦不同，野生纯合子编码的ALDH2(ALDH2*1/*1)维持了正常ALDH2酶活性，突变杂合子编码的ALDH2(ALDH2*1/*2) 酶活性仅为正常活性的30%～40%，而突变纯合子编码的ALDH2(ALDH2* 2/*2) 酶活性忽略不计[13]。既往研究表明，不同人群间ALDH2 rs671位点的等位基因的分布存在显著性差异[14,15]。其突变频率在西方人群中仅为5%，但在东亚人群中却达到30%～50%[16]。中国人群ALDH2 rs671突变基因A的分布也呈现显著的地域差异，东南部最多，且由东南向西北呈递减趋势[2]。在东亚人群中，携带ALDH2突变A等位基因的人通常大量饮酒后出现面色潮红、头晕和心率加快等症状，即“亚洲酒精性潮红综合征”，而堆积的乙醛扩张毛细血管是其主要机制[7,17]。此外，有学者发现ALDH2酶的活性不足或缺失编码ALDH2酶的基因均会导致硝酸甘油耐药，这可能是部分患者心绞痛发作时服用硝酸甘油疼痛不能缓解的主要原因[2]。

4 ALDH2基因多态性与心血管疾病

4.1 ALDH2基因多态性与高血压 高血压作为最常见的慢性病之一，由于血压持续增高可引起血管内皮损伤，会导致血管粥样硬化，从而引发心血管疾病[18]。当机体缺血缺氧时产生的4-HNE亦会损伤血管内皮细胞，导致氧化应激水平增加，从而诱发高血压[19,20]。值得注意的是，ALDH2可通过代谢4-HNE而在体内发挥抗氧化应激作用，抑制了高血压的发生[21]，表明其与高血压有一定的相关性。先前研究发现饮酒是高血压的危险因素[17]，作为酒精在肝脏中的主要代谢酶，ALDH2对血压的影响因饮酒而变得复杂。源自蒙古族的对照研究提示ALDH2 G等位基因是原发性高血压的危险因素，其可能通过饮酒介导原发性高血压的发生[22]，推测可能是因为蒙古族人ALDH2 G等位基因携带者长期酗酒，超出酶的代谢能力，导致血液中乙醛堆积，它与蛋白质结合形成的蛋白副产物损伤了血管内皮细胞，从而诱发高血压的发生[23]。进一步的研究发现经调整饮酒等混杂因素后，ALDH2 rs671基因多态性亦与高血压独立相关，推测其可能通过不依赖于饮酒的其他机制影响高血压的发生[10]。相反的是，茅台镇的人群研究却发现ALDH2 A突变等位基因是原发性高血压的危险因素，分层分析显示在男性原发性高血压患者中ALDH2 A突变等位基因携带者与饮酒无相关性，怀疑与人群饮酒量不同有关[24]。前瞻性队列研究同样提示ALDH2 A突变等位基因与血压升高显著相关，携带ALDH2 A突变等位基因者可能更容易发展为高血压，推测该人群可能存在其他基因多态性，并与ALDH2基因型及其他因素共同作用于血压[25]。在探讨高血压与ALDH2 rs671基因多态性的关系是否在性别方面也存在差异时，日本的大型队列研究表明，与女性相比，ALDH2 GG基因型是男性高血压的潜在危险因素[26]；但Ma等[10]的研究却与之相悖，在调整潜在的混杂因素后发现性别与高血压无关。

高血压是一种受基因、环境和生活方式影响的多因素疾病。尽管初步发现了ALDH2 rs671基因多态性与高血压有关，但目前关于高血压与ALDH2 rs671基因多态性之间的关系是否依赖于饮酒和性别仍存在争议，且受饮酒量、地域、人群等影响，而生活方式与其他基因多态性的交互作用也会影响高血压发生，上述因素都使ALDH2 rs671基因多态性作为原发性高血压的预测因子存在着争议，但我们认为解决此矛盾进而明确二者的关系就显得尤为重要，未来的研究设计应该更注重多区域、大样本量，并且考虑饮酒量的差异。

4.2 ALDH2基因多态性与冠心病 冠心病是指冠状动脉发生粥样硬化而引起血管腔狭窄或阻塞，造成心肌缺血缺氧或坏死而导致的心脏病。在缺血环境下，心肌细胞氧化损伤加重，4-HNE生成增加，诱发心肌细胞的坏死和凋亡，ALDH2通过代谢4-HNE从而在冠心病中发挥保护心肌细胞的作用[9]。研究表明ALDH2 rs671基因多态性与亚洲人冠心病患病风险相关，且A突变等位基因携带者冠心病风险增加[27]。饮酒是冠心病的危险因素之一，二者的相关性很大程度上取决于饮酒水平：过度饮酒会增加冠心病的发生风险，而轻中度饮酒反而降低风险[28]，因为轻中度饮酒能通过增加高密度脂蛋白胆固醇(high density lipoprotein-Cholesterol，HDL-C)的水平[29]，从而实现预防冠心病的发生。Meta分析提示ALDH2 rs671基因多态性与饮酒密切相关，且A突变等位基因是冠心病的危险因素，推测可能是因为ALDH2突变基因型对乙醛代谢能力不足，大量饮酒后堆积的乙醛通过增加血压和4-HNE的水平促进了冠心病的发生[27,30]。但江玲[31]研究却发现ALDH2基因多态性不是中国汉族人群冠心病的独立危险因素，考虑受人群选择的影响。在地域上，Zhao等[16]的进一步研究表明ALDH2 rs671 基因多态性与冠心病的相关性存在差异，仅在中国南方及亚组非饮酒人群中存在一定的相关性。生活方式上，Morita等[32]研究发现吸烟和ALDH2 A突变等位基因共同增加冠心病的发生风险，提示ALDH2 rs671基因多态性可能与吸烟协同作用影响冠心病的进程。

冠心病发病机制复杂，主要由遗传和环境因素共同作用。ALDH2 通过改变饮酒习惯、调节脂类代谢和血压变化、代谢有毒醛等机制参与冠心病的病理生理过程，且突变基因型的A等位基因的存在增加了冠心病的风险。除此之外，ALDH2 rs671基因多态性对冠心病的作用机制还受地域、个体饮酒量及生活方式(如吸烟等)的影响。所以，ALDH2 rs671基因多态性与冠心病的关系及其作用机制仍未完全清楚，更不明确何种机制发挥主导作用，故ALDH2 rs671基因多态性是否为冠心病遗传的易感基因以及靶向提高ALDH2的活性是否可以成为未来防治冠心病的方向都还处在探索阶段，仍需深入探究。

4.3 ALDH2基因多态性与心肌梗死 心肌梗死是因冠状动脉狭窄或梗阻后心肌细胞缺血缺氧所引起的损伤，而氧化应激是缺血损伤的最主要机制。研究发现在心肌细胞缺血条件下，活性氧和4-HNE的表达增加，二者共同作用促进心肌梗死的发生，且它们在ALDH2突变基因型中的表达水平明显高于野生基因型，当特异性提高ALDH2活性时可抑制缺血性心肌氧化损伤和凋亡[9,33]，其主要与高活性ALDH2对4-HNE的代谢及活性氧的抗氧化应激能力增强有关。动物研究同样证实，上调ALDH2的表达亦可缩小大鼠急性心肌梗死的面积，改善心功能障碍[8]，而抑制ALDH2活性却得到了相反的结果[34]。与此一致的是，陈红梅[35]也发现激活ALDH2不仅提高心梗大鼠ALDH2酶活性并且增加了其远期生存率。以上均揭示了ALDH2主要参与心肌缺血损伤的病理生理过程[36]。

亚洲人群的流行病学调查表明ALDH2 rs671基因多态性与急性心肌梗死的高患病率密切相关[8]。进一步的Meta分析提示ALDH2的A等位基因携带者与心肌梗死的高风险相关[37]。刘萍等[38]进一步研究发现这种相关性可能与ALDH2突变基因型的A等位基因更易导致缓慢血流，增加冠脉栓塞风险[39]，从而引起心肌细胞缺血缺氧有关。此外，Takagi等[40]的研究也指出，ALDH2基因突变型可以作为日本男性人群心肌梗死的独立危险因素，而吸烟与ALDH2 A突变等位基因的组合也协同增加了心肌梗死的发病风险[32]。

心肌梗死作为一种复杂疾病，主要由遗传与各种环境因素共同作用。综上所述，ALDH2主要通过代谢4-HNE等有毒醛和拮抗氧化应激及抑制心肌细胞凋亡等机制来实现抗心肌梗死的作用，但它们的确切机制尚不完全清楚，还需深入研究。研究表明ALDH2 基因多态性与心肌梗死的易感性相关，且基因突变型是心肌梗死的独立危险因素，但考虑到ALDH2基因多态性在不同种族人群以及地域间存在着明显差异，可能会影响研究结果的不一致[41]。所以未来的研究设计更应考虑不同种族、地域以及饮食、环境等因素的影响，明确ALDH2基因多态性与心肌梗死的确切病理生理机制，从而为心肌梗死的提前风险预测和个体化治疗提供新的思路和治疗靶点。

4.4 ALDH2基因多态性与心力衰竭 心力衰竭是一种心脏结构性或功能性异常综合征，是大多数心肌损害的终末期，也是全球范围内死亡的重要原因之一[42]。心力衰竭的发生过程复杂，主要由氧化应激、线粒体功能障碍导致细胞凋亡，最终发展成心肌结构重塑和心脏功能障碍[43]。当心肌细胞持续缺血缺氧时，活性氧生成增加导致4-HNE的累积，它通过与半胱氨酸、组氨酸和赖氨酸残基相互作用形成的蛋白加合物使蛋白失活进而损伤心肌，导致心肌细胞凋亡，并逐渐进展为心室重塑，导致心力衰竭[44,45]。动物实验发现ALDH2激活剂Alda-1(aldehyde dehydrogenase agonist-1)长期治疗可抑制心室重构，并改善心肌梗死后慢性心衰大鼠的长期生存率，其主要是通过高活性的ALDH2对4-HNE的代谢增加来实现[46]。类似研究亦发现Alda-1处理的大鼠中未见心力衰竭中4-HNE蛋白加合物和蛋白质羰基等醛类负荷的积累，表明选择性激活ALDH2确实对心力衰竭的心脏起到保护作用[45]。

其他学者研究发现ALDH2缺乏会加重线粒体功能障碍，同样增加心衰的风险[44,47]，而增加ALDH2活性可减少醛类负荷对线粒体活性氧和能量产生的毒性作用，从而减少衰竭心脏线粒体Ca2+诱导的通透性转变和细胞色素c的释放，保护了线粒体的功能，改善心衰的预后[45]。此外，持续性压力超负荷，如高血压，也是心力衰竭的重要危险因素[42]。心肌纤维化是心力衰竭患者的共同病理特征，而持续的压力超负荷会促进过度间质纤维化的形成，导致心功能严重受损[48]。最新研究证实ALDH2缺乏可促进压力超负荷小鼠心衰的进展，而这一过程与心肌纤维化增强有关[49]。同时自噬也与压力负荷引起的心衰有关，磷酯酰肌醇-3激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B,PI3K/PKB)是参与自噬的信号通路之一，而ALDH2可以通过调节该信号通路来抑制心肌细胞自噬，从而起到抑制心衰进展的作用[50]。从基因组学方面，发现ALDH2 A突变等位基因携带者与射血分数保留型心衰风险增加相关，推测全身炎性反应可能与该疾病过程有关[51]。

综上所述，ALDH2通过抗氧化应激、代谢4-HNE、减少醛类负荷、调节信号通路等多种机制对心力衰竭的心肌细胞起代偿保护作用，因此靶向提高ALDH2的活性或增加其表达在未来治疗心力衰竭方面十分具有潜力。此外，ALDH2高效激活剂的研发能否为心力衰竭治疗提供更多的可能亦值得探究。而现阶段有关ALDH2 rs671基因多态性与心力衰竭的研究依然不足，仍需大量研究为靶向ALDH2治疗心力衰竭提供更多证据。

5 ALDH2基因多态性与心肌纤维化

心肌纤维化，又称心肌钙化，是多种心血管疾病引起的心肌纤维持续性和(或)反复加重的心肌缺血缺氧所产生的结果，临床上可导致心律失常或心力衰竭，是多种心血管疾病的终末期病理过程[52]。关于心肌纤维化的发病机制尚未完全阐明，普遍认为心脏疾病逐渐进展会导致心肌细胞坏死凋亡，同时心肌成纤维细胞被激活后大量复制增加，促纤维因子释放也增加，最终发生心肌纤维化[53]，进而促进心肌重构，心肌功能显著降低或消失，引发心力衰竭。

谷小雨[54]研究发现心肌成纤维细胞存在ALDH2的表达，ALDH2特异性激动剂Alda-1的使用提高ALDH2表达后抑制高糖诱导大鼠的心肌成纤维细胞增殖，改善心肌纤维化和细胞凋亡，起到保护心肌的作用，其机制可能与ALDH2抑制心肌细胞的氧化应激有关。与此一致，多项动物实验亦发现提高ALDH2酶的活性可抑制心室重构，改善心肌纤维化损伤[55,56]。

综上所述，多项研究揭示了ALDH2酶活性的高低可以影响心肌纤维化的发生发展，而ALDH2酶的活性取决于其编码基因的多态性。但现有研究只局限于心室肌纤维化层面，且基本为动物实验，因此有关人群试验以及ALDH2 rs671基因多态性与心房肌纤维化的相关研究应成为未来进一步的研究方向，以此来明确ALDH2 rs671基因多态性与心肌纤维化的关系及确切的作用机制。

6 ALDH2基因多态性与心律失常

心律失常是因心脏电传导系统异常所引起的心脏跳动的频率和(或)节律异常，主要分为房性心律失常和室性心律失常两大类，通过心电图检测可明确心律失常的发生及种类。生理性及病理性因素皆可诱发心律失常，生理性因素包括运动、情绪改变等，而病理性因素则以心血管疾病为主。同时，高血压、冠心病、心肌梗死、心衰、心肌纤维化等一般均伴有心律失常。

王英等[57]研究发现增强ALDH2在心肌缺血再灌注损伤大鼠心肌组织中的表达可以保护心肌,这可能与高表达ALDH2抑制室性心动过速、缓解氧化应激、抑制心肌细胞凋亡有关。与此结果一致，研究表明通过长期应用低浓度乙醇可明显降低心肌缺血再灌注损伤大鼠心律失常的发生，其机制主要是与长期低浓度乙醇的应用增加ALDH2的活性，减轻缺血再灌注损伤所致的氧化应激有关[58]。此外，日本人群中ALDH2 rs671 A等位基因与房颤的发生呈现负相关[53]，即低活性ALDH2反而更不易发生房颤，这与此前高活性ALDH2对心肌有保护作用的结论相矛盾，推测可能与地域、人群以及饮酒水平有关。

目前研究表明ALDH2 rs671基因多态性与心律失常存在关联，其机制主要与高表达ALDH2可抑制心肌纤维化、抗氧化应激和心肌细胞凋亡有关。但上述日本人群的研究与这一结论相悖，考虑ALDH2 rs671基因多态性对心律失常的影响可能因多种因素的作用而变得复杂，比如饮酒水平、地域因素以及种族等。此外，笔者发现ALDH2 rs671基因多态性与心律失常的研究目前主要局限在室性心律失常方面，绝大多数均为动物试验，临床研究较少；而ALDH2 rs671基因多态性与房性心律失常方面的研究更少，目前仅有与房颤方面的相关报道，且结论尚存争议。未来研究应着重进行更好的研究设计来验证人群ALDH2 rs671基因多态性与不同房性心律失常(房颤、房扑、房速、房早)的相关性，并明确它们的关系及作用机制。

综上所述，现已发现高血压、冠心病、心肌梗死、心力衰竭、心律失常、心肌纤维化等都与ALDH2 rs671基因多态性相关。ALDH2主要通过代谢醛类(如乙醛、4-HNE等)、影响饮酒量、抗氧化应激、抑制心肌纤维化和心律失常的发生以及介导硝酸甘油源性NO的产生等方式来发挥保护心血管的作用，其活性跟编码基因的多态性有关。但因ALDH2基因多态性的分布在不同种族、地域以及饮食环境等方面存在明显差异，且多项研究的结果存在争议，所以其与心血管疾病间的具体作用机制尚不完全清楚，仍需要进一步研究，但对ALDH2 rs671基因多态性与心血管疾病相关性的提示意义不言而喻。故未来应该设计更合理、可行性高的研究来进一步深入探讨ALDH2基因多态性与心血管疾病的相关性及其作用机制，以期得到各种心血管疾病的确切易感基因。

正常活性的ALDH2在心脏中发挥保护作用，而ALDH2 A突变等位基因携带者有较高的心血管疾病患病风险，因此如何高效开发ALDH2的治疗潜力已成为热门的研究课题。近年来，许多小分子激活剂的问世，通过靶向提高线粒体ALDH2的活性，从而为个体化治疗心血管疾病提供了新方向，其中最具有代表性的Alda-1已经在各种动物试验中被证实有效，但还缺乏临床人群疗效的相关证据。因此，在治疗方面，未来应该继续开发新技术、新方法来研发更加高效、并发症少且适用于临床人群的靶向激活ALDH2活性的产品，而传统的药物治疗或心血管介入手术治疗与靶向提高ALDH2活性的激动剂的联合治疗也许可以有意想不到的益处。

心血管疾病因其高患病率和严重并发症影响着人类的生命和生活质量，这就对预防和治疗都提出了较高的要求，除了上述的治疗外，在预防方面，首先对人群进行心血管疾病的ALDH2易感基因的筛查，包括对出生时ALDH2酶缺失的个体采取个性化的精准治疗；其次对普通人群的风险筛查，通过识别ALDH2心血管疾病易感基因型人群，给予其针对性的健康教育，包括心血管疾病常见的症状和体征，不良的生活习惯，饮食、活动、用药等的注意事项，出现不适症状时可随时就诊等的相关知识的普及，从而做到对ALDH2易感人群发生心血管疾病事件的早期识别、预防和干预；再者也可为因心血管疾病住院且是ALDH2易感基因携带者提供更多护理，对可能发生的病情变化进行预测和及时干预，降低患者的不适感以及并发症的发生，从而达到提高生命和生活质量、减轻疾病负担的目的。