内脏异位合并先天性心脏病中纤毛相关变异研究进展

索美姣，马晓静

(国家儿童医学中心 复旦大学附属儿科医院心血管中心，上海 201102)

纤毛相关疾病与胚胎时期的多种发育过程及退行性疾病相关[1]。身体左右轴/左右模式的形成是发育时期非常重要的环节，身体左右模式发育过程遭到破坏可导致偏侧化障碍，而内脏异位是其中一种重要的表型。作为一种罕见的多发性先天性异常综合征，内脏异位广泛累及心脏和其他心外器官[2]。先天性心脏病是我国最常见的出生缺陷，其发病率约为8.94‰[3]，是我国新生儿致残、致死的主要原因之一。先天性心脏病的发生与遗传和环境因素相关，在病因学上由遗传因素导致的先天性心脏病约占1/3[4]。其中，许多复杂型先天性心脏病均合并内脏异位，其术后并发症多、病死率高且预后较差。纤毛及其相关基因变异与内脏异位及先天性心脏病的发生密切相关[5]。一方面，纤毛、纤毛相关基因以及纤毛信号转导通路变异在内脏异位合并先天性心脏病的发生中发挥重要作用[6-8]；另一方面，在原发性纤毛运动障碍的患者中，约50%存在镜像反位[9]。现就内脏异位合并先天性心脏病中纤毛相关变异的研究进展予以综述。

1 内脏异位与先天性心脏病的发生

心脏是体内左右不对称的器官之一，线性心管由来自第一心区的细胞组成，可产生左心室和部分心房；来自第二心区的细胞迁移至线性心管的两极，产生流出道、右心室和部分心房；当线性心管开始环化时，其两侧的对称性被破坏，而这种不对称性是血液有效氧合所必需，通过建立从心脏右侧至肺部的循环实现供氧，而心脏左侧则系统地将含氧血液泵送至全身[10]。

左右不对称在医学上与一组先天性畸形密切相关，统称为偏侧化障碍，若调节偏侧化的信号转导被破坏，则可能发生中线和其他缺陷[10-11]。内脏异位由胚胎发育过程中左右身体轴的异常发育或纤毛功能障碍引起，主要累及腹部、胸腔及循环等[12-14]。内脏异位多表现为3种不同的表型：①内脏正位，即正常器官排列；②镜像反位，即所有器官镜像排列或倒置，包括心、肺、横膈、肝、脾、胃、肠等；③内脏不定位，即非正常位点或全内脏反位的任何异常排列。内脏异位的发病率为0.1‰～0.2‰，90%以上的内脏异位患者存在复杂的先天性心脏病(如单心室、完全性房室间隔缺损)[15]。原生纤毛最早出现在胚胎发育早期(原肠胚期)，与节纤毛一起为左右轴的确定提供关键信号[16-18]。当左向右模式被打乱时，内脏异位则伴随复杂的先天性心脏病出现，但复杂型先天性心脏病发生的分子机制目前尚不明确，纤毛相关的变异可能是其发生的重要环节。

2 纤毛与纤毛病

2.1纤毛的结构与功能 纤毛是细胞游离面伸出的较长的突起，较微绒毛粗且长，在光镜下可见。一个细胞可有1根或200～300根纤毛，纤毛长5～10 μm，直径约0.2 μm，根部有一个致密颗粒称为基体，从基体发出纵向排列的微管，构成纤毛体部[17]。按照微管的排列结构，可将纤毛分为两类：①含有中央组件和外周9组二联微管的“9+2”型(“9”指周围的9束二联体微管，“2”指中央的2根中央微管)；②仅含有外周9组二联微管组件的“9+0”型；而按照纤毛是否能够产生动力，又可将其分为动力纤毛和无动力纤毛(静纤毛)，因此，在理论上纤毛共分为四类，且均已被证实实际存在[19]。

纤毛的外动力臂提供纤毛摆动的动力，控制摆动的频率；纤毛的内动力臂、辐条结构和中央微管协同调控纤毛摆动的波形大小和形状。纤毛作为细胞运动或信号转导器官而行使功能。动纤毛在体内广泛分布，主要的功能是带动周围的液体流动(如胚胎左-右模式形成)；节纤毛仅在胚胎发育早期的腹侧节点处短暂存在，兼具运动和信号转导功能，通过有规律的一致性的旋转产生“结流”，正常情况下“结流”方向为由右向左，并因此触发不对称信号，通过中胚层的传播激活左侧结信号级联，从而形成人体内脏左右不对称的形态[20]。每一个节纤毛节点上的细胞均有1根单一纤毛，且均为动纤毛，其遵循一定的规律摆动，即集体向左倾斜，进行顺时针式的转动；几百根纤毛的集体转动可带动并引起节点表层明显的左向液流，这个流动信号会被节点左侧细胞上的纤毛感知，而这些纤毛是静纤毛，具有调控细胞分裂以及音猬因子(sonic hedgehog，SHH)、Wnt、转化生长因子-β等信号通路的作用[21]。由于静纤毛缺乏动力蛋白和中心微管束，不能进行自主的摆动，但静纤毛的质膜上分布着许多跨膜受体，可以被不同的外界信号激活。

2.2纤毛病 近年研究发现，有缺陷的静纤毛和动力纤毛均是导致人类遗传病的原因[17,22]。纤毛病可以影响多个器官或单个器官，临床表现复杂。纤毛的发育受基因的调控，目前已发现187个可导致纤毛病的基因，同时还发现241个与纤毛结构和功能相关的基因，其缺陷也可致病[14,22]。纤毛的结构或功能缺陷可导致许多人类疾病。在结构上，由于动力纤毛与静纤毛存在共同之处，某些基因突变可造成两种纤毛同时受损；在功能上，动力纤毛与静纤毛相互协调，因此动力纤毛和(或)静纤毛受损均可导致纤毛相关疾病以及内脏异位合并先天性心脏病的发生[23]。

3 纤毛相关变异与内脏异位合并先天性心脏病

内脏异位患者的先天性心脏病家族史较多见，作为内脏异位的一个重要病因，纤毛运动在心脏的发育中具有重要作用[24]。此外，纤毛在先天性心脏病发病机制中的重要作用已在大规模小鼠正向遗传筛选的结果中显现出来[14]。

3.1动力纤毛变异与内脏异位合并先天性心脏病 纤毛分为静纤毛和动力纤毛，无论静纤毛还是动力纤毛，均在胚胎时期身体左右轴的分化过程中起重要作用。动力蛋白可以分为两类，即细胞质动力蛋白和轴丝动力蛋白。轴丝动力蛋白也称为纤毛动力蛋白或鞭毛动力蛋白，可以使纤毛和鞭毛滑动[25]。轴丝动力蛋白重链(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型动力蛋白外臂(outer dynein arm，ODA)位于纤毛的近端，靠近微绒毛的细胞体，含有DNAH5和DNAH11；2型ODA是位于微绒毛以外的远端纤毛，含有DNAH5和DNAH9两条重链[26-27]。

DNAH5基因位于第5号染色体短臂，DNAH5蛋白是呼吸纤毛的轴丝成分，缺乏DNAH5可导致呼吸道纤毛运动障碍[26]。Nöthe-Menchen等[28]发现，在携带DNAH5基因突变的132例原发性纤毛运动障碍患者中有87例存在偏侧化障碍，其中77例表现为完全性内脏反位，10例表现为内脏异位，且在132例患者中有8例合并先天性心脏病；同时动物实验发现，DNAH5mut/mut小鼠胚胎左右组织器单纤毛缺乏ODA，导致纤毛不活动、左右组织器流动障碍、Nodal信号随机化以及关键分子正常、反转或双侧表达，直接从分子水平揭示了胚胎发育过程中与DNAH5缺乏相关的偏侧化障碍的发病机制，进一步研究发现DNAH5基因突变不仅与身体左右轴不对称的经典随机化有关，还与包括先天性心脏病在内的严重偏侧化障碍有关。

DNAH6基因位于第2号染色体短臂，编码一个含有4 158个氨基酸的蛋白质，属于动力蛋白家族，包含多个与微管相关的运动蛋白复合物，在纤毛运动和细胞分裂中起重要作用[29]。Li等[30]在斑马鱼胚胎中进行了DNAH6反义吗啡啉敲除实验，在斑马鱼胚胎中单独注射DNAH6、动力蛋白轴突中间链1或DNAH5吗啡啉均未发现异常，但当注射DNAH6+动力蛋白轴突中间链1或DNAH6+DNAH5组合吗啡啉时发现斑马鱼左-右轴发育中心环缺陷显著增加，其具体机制可能为组合吗啡啉破坏了身体左右模式形成所必需的位于库普弗细胞囊泡中的动力纤毛，导致伴有心脏/肠袢异常的内脏异位。

DNAH9基因位于第11号染色体短臂，DNAH9及其配对重链DNAH5定位于远端纤毛的2型ODA，在DNAH9基因突变的鼻呼吸道上皮纤毛中发现，含有DNAH9/DNAH5的2型ODA丢失仅限于远端纤毛区域[31]。Loges等[32]用Sanger测序和不同的二代测序法对548例疑似纤毛缺损患者进行了DNAH9基因测序，结果发现5例患者由于DNAH9基因突变而功能丧失，导致偏侧化障碍；同时他们还在GeneMatcher数据库中鉴定出2例带有偏侧化障碍和DNAH9双等位基因功能丧失变异的独立个体，其中1例患者携带DNAH9c.308dupT,p.Leu104Profs*45和c.11666C>G,p.Ser3889*突变，临床表现为内脏异位合并复杂心脏缺损(左心房异构、房室管缺损、下腔静脉中断、肺静脉异常连接、永存动脉导管)；另1例患者携带DNAH9c.1997G>A,p.Trp666*和c.5020G>A,p.Gly1674Arg突变，临床表现为内脏异位、下腔静脉中断伴奇静脉延续、右主动脉弓呈镜像头颈血管分支、左侧肝胆、右侧多脾。

DNAH11基因位于第7号染色体短臂，大小为353 kb，包含82个外显子，产生14 kb信使RNA[33]。Liu等[34]应用靶向测序和Sanger测序法分析42例内脏异位合并先天性心脏病患者的37个原发性纤毛功能障碍相关候选基因的外显子区域，一方面，在19例内脏异位合并先天性心脏病患者中鉴定出11个基因中34种潜在致病杂合子，其中DNAH11基因的突变率最高[16.7%(14/84)]，Fisher精确检验显示，DNAH11变异与内脏异位合并先天性心脏病显著相关；另一方面，DNAH11的6个不同复合杂合子变异在6个不同的家系中也得到了验证，提示DNAH11复合杂合子变异可能是家族性先天性心脏病和内脏异位综合征发生的共同遗传因素。

3.2纤毛相关变异涉及的信号通路 活动纤毛和原生纤毛在左右模式的形成中起重要作用，与动力纤毛或感觉纤毛结构功能相关的基因均可能是纤毛相关疾病和内脏异位合并先天性心脏病的致病基因[23]。一些与纤毛转导相关的信号通路在调节心血管发育和左右模式的形成中发挥重要作用。

3.2.1Wnt信号通路 Wnt信号通路在心脏发育的各个方面均发挥重要作用，包括由纤毛转导调控的第二心区细胞的增殖；经典的Wnt信号通过β-肌动蛋白在正向调节第二心区细胞增殖方面起重要作用，且在β-肌动蛋白突变的胚胎中观察到右心室和流出道发育不全[35]。另外，在先天性二尖瓣畸形和先天性主动脉瓣畸形患者中也筛查出Wnt信号通路中与先天性心脏病相关的致病基因[36]。在有神经发育缺陷的先天性心脏病患者中也观察到Wnt信号通路中新发突变的富集，表明先天性心脏病与Wnt信号通路间存在共同的遗传因素[6]。

3.2.2SHH信号通路 SHH信号由咽内胚层分泌，第二心区细胞接收配体，维持心脏祖细胞的增殖，SHH信号在第二心区的发生、流出道分隔和正确的流出道对齐中起重要作用；同时，SHH信号也是心脏神经嵴细胞迁移至流出道心内膜垫上所必需，SHH突变可导致小鼠神经嵴细胞死亡和定位错误[37]。多样表皮生长因子样域蛋白8基因作为SHH信号通路中的负调节因子[38]，其突变可导致大动脉转位或其他与内脏异位相关的复杂型先天性心脏病[7]。对小鼠的研究表明，纤毛转导的SHH信号还可调节心脏发育的后期事件，包括流出道分隔和房室间隔的形成[5]。

3.2.3Notch信号通路 在脊椎动物中，偏侧化起始于胚胎的左右组织器，动力纤毛产生由感觉纤毛感知的向左流动的液体，然后转换为下游的不对称信号[21]。Boskovski等[8]研究表明，多肽N-乙酰氨基半乳糖转移酶11或Notch1耗尽可增加动力纤毛的比例，同时减少静纤毛比例，并产生偏侧化障碍；多肽N-乙酰氨基半乳糖转移酶11通过修饰Notch在左右组织器上建立动力纤毛与静纤毛间的基本平衡，以确定偏侧性，这可能是人类内脏异位的一个新机制。Tanaka等[39]研究表明，Notch信号通路的异常激活可导致其下游一些靶基因的异常表达，进而影响左右级联的最后一个效应器成对样同源异构域转录因子2基因的表达，从而影响左右不对称的形成过程。

4 小 结

先天性心脏病是一种具有复杂遗传学基础的异质性疾病，而纤毛及纤毛基因相关变异可能在驱动先天性心脏病发生的复杂遗传学中起重要作用。纤毛ODA相关基因及信号通路与身体左右轴形成及内脏异位合并先天性心脏病的发生密切相关。深入研究纤毛在内脏异位合并先天性心脏病中的潜在致病基因和具体致病机制以及纤毛相关疾病与先天性心脏病发生风险之间的关系，一方面可以为内脏异位合并先天性心脏病的防治提供有价值的分子靶点以及与疾病相关的基因突变谱；另一方面还可发现治疗干预的新途径，提高患者的存活率和生存质量，改善内脏异位合并先天性心脏病和其他复杂型先天性心脏病患者的预后。