胸主动脉瘤/主动脉夹层的基因组学研究进展△

李 莹，范瑞新

［1.华南理工大学医学院，广州 510641；广东省心血管病研究所广东省人民医院（广东省医学科学院）心外科，广州 510100］

提要：胸主动脉瘤/主动脉夹层是一种极其凶险、有极高病死率的大血管疾病。目前发病机制尚不明确，除了原发性高血压（高血压）、动脉粥样硬化、外伤、吸烟、嗜铬细胞瘤、炎性改变等常见危险因素外，基因突变也会引起主动脉的病理改变。胸主动脉瘤/主动脉夹层是涉及FBN1、TGFBR1、TGFBR2、SMAD3、ACTA2 等的多基因疾病，随着分子生物学技术的发展，在精准医学的指导下，通过基因检测可以提高主动脉疾病的风险预知性。本文主要综述胸主动脉瘤/主动脉夹层的基因组学研究进展。

胸主动脉瘤/主动脉夹层（thoracic aortic aneurysms and dissections，TAAD）是一种极其凶险、具有极高病死率的大血管疾病。主动脉瘤是指主动脉的病理性扩张超过正常血管直径的50%，或者直径>5 cm［1］。当动脉瘤直径为>6 cm 时，年破裂率或夹层发生率为6.9%以上，病死率为11.8%［2］。主动脉夹层是指主动脉内膜撕裂，血流穿透病变中层或主动脉壁出血，而导致的主动脉壁各层分离，出现真假两腔，血流自原发破裂口进入假腔，而当真腔受到压迫时导致主动脉管径减小，严重时可直接导致由真腔供血的器官发生缺血［3］。大部分主动脉夹层起源于升主动脉，胸降主动脉次之，腹降主动脉最少。胸主动脉夹层起病急骤，病情十分凶险，容易破裂，进而引起休克、甚至死亡。男性发病率是女性发病率的2～5 倍左右，病程在2 周之内者属于急性期，大约有2/3 的主动脉夹层患者为急性发病，如果不及时进行治疗，2 d 内病死率每小时增加2%，2 周内病死率高达74%。据不完全统计，65～75 岁欧洲人主动脉夹层的年发病率为35/ 10 万［4］，我国每年新发患者20 万，因此，危险因素的评估、生物标志物的检测、遗传性基因突变的识别，对预估主动脉疾病的发病风险、减少夹层病死率极为重要。

1 胸主动脉瘤/主动脉夹层的病因及发病机制

TAAD 的病因和发病机制尚无定论。原发性高血压（高血压）、动脉粥样硬化、外伤、吸烟、嗜铬细胞瘤、炎性改变等可以增加主动脉疾病的易感性，在众多临床相关性因素中，控制不良的高血压是主动脉夹层的主要危险因素之一［5］，大约80%主动脉夹层患者都会有高血压。最近十几年来，随着高血压发病率的增加，主动脉夹层的发病趋势亦有所增加。其他研究也证实了这一点，与胸升主动脉扩张及对照组的患者相比，Stanford A 型主动脉夹层的高血压患病率更高［6］。此外，除了传统的危险因素外，遗传因素在TAAD 的病因学中起着重要作用。原纤维蛋白-1（fibrillin-1，FBN1）、原纤维蛋白-2（fibrillin-2，FBN2）、赖氨酰氧化酶、二聚糖、微纤维相关蛋白（microfi⁃bril associated protein 5，MFAP5）等致病基因引起细胞外基质蛋白的改变；转化生长因子（transforming growth factor beta receptor，TGF-β）及受体等，如TGF-β2、TGF-β3、TGF-βR1、TGF-βR2及SMAD家族：SMAD2、SMAD3、SMAD4等基因影响TGF-β信号通路相关蛋白的改变；α-平滑肌肌动蛋白（actin alpha2，smooth muscle，ACTA2）、肌球蛋白重链（myosin heavy chain 11，MYH11）、肌球蛋白轻链激酶（myosin light chain kinase，MYLK）、环磷酸鸟苷依赖的蛋白激酶（protein kinase c GMP-dependent1，PRKG1）、甲硫氨酸腺苷基转移酶（methionine adenosyltransferase 2A，MAT2A）、细丝蛋白（filamin A，FLNA）等则影响平滑肌细胞（smooth muscle cell，SMC）的收缩功能以及SMC 分化和增殖受损的受相关基因FOXE3 影响［7］。在某些特定情况下，先天性心血管异常，如二叶主动脉瓣和主动脉缩窄，可以促进胸主动脉瘤的发生、发展。

1.1 综合征型胸主动脉瘤/主动脉夹层

以往的研究表明TAAD 复杂的遗传背景多与结缔组织疾病有关，如FBN1 基因所致的马凡综合征（Marfan syn⁃drome，MFS）［8］，III 型胶原蛋白（COL3A1）突变导致的Ehlers-Danlos 综合征［9］；转录生长因子-β或肌动蛋白突变所致的Loeys-Dietz 综合征［10］；SKI（v-SKI avian sarcoma viral oncogene homolog）突变导致的Shprintzen-Goldberg 综合征［11］。综合征型疾病所并发的TAAD 患者发病年龄早、病情的进展快、危重性高［12］。一般来讲，相比于散发性主动脉夹层，伴发有结缔组织疾病的患者主动脉夹层的发病年龄会更小一些［13］。新生儿马凡氏综合征（neonatal Mar⁃fan syndrome，nMFS）是一种罕见的马凡氏综合征，也是最严重的类型，表现为严重的房室瓣功能失调，甚至主动脉扩张，预后极差［14-15］。最近欧洲的一项研究比较了主动脉疾病的FBN1 基因多态性与年龄之间的联系，结果发现在Stanford A 型夹层亚组中，相比于rs10519177、rs755251 和rs4774517 的杂合突变和野生型突变者，这些单核苷酸多态性（SNPs）最小等位基因纯合子突变携带者的年龄会更小一些。但是，除此之外，在不同的主动脉病理表型中，没有发现其他与基因型有关的显著年龄差异［6］。

1.2 非综合征型胸主动脉瘤/主动脉夹层

TAAD 主要好发于中老年，大多数为散发性。多项研究报道了遗传因素在非综合征型胸主动脉瘤发生、发展中的重要性，其遗传率约为70%［16］；20%～40%的TAAD 有家族史［17］。最近，法国的一项研究，排除包括MFS、血管性埃勒斯综合征、Loeys-Dietz 综合征等在内的一系列结缔组织疾病，纳入了226 例非综合征型遗传性TAAD，非家族性患者占比为31.4%，而其基因突变检出率可达26.8%［7］。耶鲁大学等亦曾对1 025 例TAAD 欧洲患者的15 种基因进行了二代测序，结果发现，几乎一半的致病或可能致病变异是非综合征且无主动脉疾病家族史患者［18］。LeMaire 等对1 639 例欧洲人进行了多阶段的全基因组关联研究，追踪了107 个与散发性TAAD 相关的单核苷酸多态性，在染色体15q21.1 区域发现了5 个FBN1 位点——rs1036477、rs2118181、rs10519177、rs4774517、rs755251与TAAD有关［19］。目前为止，至少有十几种基因可能与TAAD 相关，如FBN1、COL3A1、TGFBR2、TGFBR1、ACTA2、SMAD3、SLC2A10、MYH11、MYLK、LOX、FOXE3、MFAP5［20-28］。Ziganshin 等［29］已经将TAAD 基因扩展到了21 种，探究综合征型和非综合征型夹层的相关性，随着高通量基因的应用，TAAD 发病机制的基因遗传学研究将会取得更大的进展。

2 胸主动脉瘤/主动脉夹层相关致病基因

综合征性主动脉疾病致病基因相对明确，但是非综合征型TAAD 致病基因仍有待研究。Renard 等［30］确定出至少31 种遗传性TAAD 的候选基因，包含11 种核心基因ACTA2、COL3A1、FBN1、MYH11、SMAD3、TGFB2、TGFBR1、TGFBR2、MYLK、LOX、PRKG1；以及FLNA、MAT2A、MFAP5、NOTCH1、TGFB3、BGN、COL1A1、COL4A5、COL5A1、COL5A2、EFEMP2、ELN、FBN2、PLOD1、SKI、SMAD2、SMAD4、FOXE3、GATA5、SLC2A10 等。随着新一代测序技术的发展，TAAD患者的基因遗传谱将不断扩展。最近的一项全基因组关联研究表明，FBN1 的常见变异与散发性主动脉瘤/主动脉夹层有关，提示MFS 和散发性TAAD 具有共同的发病机制［19］。此外，作为散发性TAAD 的潜在致病基因，TGFBR、ACTA2、COL 家族均占有一定的比例，但是由于研究人群、纳入标准的不同以及遗传异质性，并不能得到确证的基因-表型关系。

2.1 FBN1 基因及单核苷酸多态性

FBN1 编码的细胞外基质糖蛋白是主动脉夹层弹力纤维的重要组成部分，微纤维的缺失、弹力纤维的破坏导致主动脉壁变薄，脆性增加；其除了会导致MFS，亦是TAAD最主要的致病基因之一［31-33］。有报道称，某些FBN1 变异的个体更倾向于发生散发性TAAD［19］。此外，FBN1 基因具有调节TGF-β 生物利用度的作用，FBN1 的缺失，促使细胞外基质释放大量活跃TGF-β1，导致TGF-β 信号通路的过度激活，加速细胞外基质的破坏［34］。FBN1 结构域的突变会增加炎症蛋白水解酶活性，进而造成微纤维蛋白的降解以及TGF-β1 生物利用度的系列改变［35］。患者表现出弹力纤维变薄、断裂，容易形成主动脉瘤和主动脉夹层。

单核苷酸多态性是指由于DNA 片段中单个核苷酸的改变，而在基因组水平上引起DNA 序列的多态性，是人类基因DNA 序列变异的主要形式。最近，Lesauskaite 等［6］针对312 个立陶宛的TAAD 患者进行了全基因组关联分析，结果表明rs2118181、rs1036477 与Stanford A 型夹层具有最明显的相关性。同时，也验证了rs2118181和主动脉瘤相关，然而，并没有得到之前全基因组关联分析所报道的rs10519177 和非夹层性动脉瘤具有相关性的结论［19］。基于之前LeMaire 等进行的全基因组关联分析，耶鲁大学进行了相关的验证性实验，结果发现，只有FBN1 的rs2118181与胸主动脉夹层有关，其余4个单核苷酸多态性位点并没有得到同样的重复性验证［36］。而且，也没有发现rs2118181、rs10519177 和非夹层性动脉瘤有相关性。龙浏城等［37］首次针对汉族人群的急性主动脉综合征（acute aortic syn⁃drome，AAS）进行了相关研究，发现FBN-1 rs2118181 与散发性主动脉壁间血肿（intramural hematoma，IMH）发病相关性更大；欧美人群中，C 等位基因是散发性主动脉夹层的危险等位基因，而针对汉族人而言，TT 基因携带者才是散发性AAS 及散发性IMH 的易感人群。研究人群及等位基因分布频率的不同，可能是导致这几项研究结果之间的显著差异性的原因之一。因此，仍需要进一步研究去探索这几个单核苷酸多态性位点与散发性TAAD 之间的联系。

2.2 血管平滑肌细胞病变相关基因

肌球蛋白、肌动蛋白是血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cell，VSMC）的重要组成部分，其功能的改变引起血管平滑肌收缩装置异常，进而可能引起动脉瘤或夹层的发生。编码及影响平滑肌收缩功能的基因包括ACTA2、MYH11、MYLK、PRKG1、MAT2A、FLNA 等，但是在以往的基因测序中，致病基因检出率相对较高的是ACTA2、MYH11、MYLK［38］。MYH11 基因编码肌球蛋白11，是重链的重要组成成分。平滑肌肌球蛋白重链突变者，可表现为典型的升主动脉瘤，伴有明显的动脉导管未闭。虽然外显率很低，但是携带异常MYH11 等位基因的个体增加了动脉硬化甚至主动脉瘤的风险。ACTA2 编码的ACTA2 广泛的表达在炎症细胞，参与TGF-β 通路信号传递。其突变者主要表现为以升主动脉瘤为主要特征的多种血管病变，亦包括其他心血管疾病如脑动脉瘤、心肌梗死、类似烟雾病的神经血管畸形［39］。在ACTA2 相关血管病变中，疾病严重程度存在着明显的等位基因特异性差异。MYLK 编码肌球蛋白轻链激酶，是肌动蛋白-肌球蛋白的正向调节因子，而PRKG1 恰恰相反。肌动蛋白、肌球蛋白（ACTA2 或MYH11）或它们的调节因子（MYLK 或PRKG1）功能的缺陷，导致肌动蛋白与肌球蛋白的相互作用减弱，进而引起胸主动脉瘤。

2.3 转化生长因子β信号通路相关基因

TGF-β超家族和膜相关蛋白具有很高的结合力。其中，TβRⅠ、TβRⅡ均属于跨膜的丝氨酸/苏氨酸激酶受体家族，各自编码TGFBR1 和TGFBR2 具有内在的激酶活性，是介导TGFB 信号转导所必需［40］。TGF-β与两种不同类型的跨膜受体结合引发构象改变，再与相应配体组成异源四聚体，使得TGFβRI 磷酸化，活化的I 型受体与下游的信号分子相互作用从而传递信号。TGFB2、TGFB3、TGFBR1、TGFBR2、SMAD2、SMAD3、SMAD4、SKI 等基因可能影响TGF-β信号通路相关蛋白的改变，进而导致主动脉病变。其中，TGFBR1、TGFBR2、SMAD3 等是除FBN1 外的高外显率基因之一。Weerakkody 等［18］最近的研究对先证者分别进行了15 种基因检测，TGFBR1、TGFBR2 致病基因检测率分别为20.0%、18.8%。经典的TGFB/Smad 信号传导通路与动脉瘤的形成相关，当通路信号发生改变时，会引起VSMC 的表型转换异常，进而影响细胞外基质的过度降解。特异受体调控的SMAD（receptor-regulated Smad，R-Smad）转录因子，如SMAD2、SMAD3 参与信号传递以及靶向基因的转录调控。Arnaud 等［7］也证实了SMAD3 与主动脉疾病的基因-表型相关性。然而，TGF-β通路仍然存在很大的争议，过度激活会促进动脉瘤的发生，而过度抑制则可能导致非经典通路的过度激活，进而促进动脉瘤的发生［41-44］。

3 遗传学应用

3.1 临床及产前诊断

对于有临床表型的女性患者或者男性患者的配偶，在孕前、孕期进行明确的基因型诊断，有利于优生优育，规避主动脉疾病风险。最近有报道称，在一个5 位同时罹患MFS的家族中，运用第三代试管婴儿技术成功的提前阻断了MFS。优先移植了不携带MFS 致病突变（c.4469A＞C）且染色体正常的胚胎，而生产出健康的婴儿。同时，Peng 等［45］报道了1 例与FBN1 错义突变有关的nMFS。虽然其没有家族史，但是通过基因检测可以发现一个新的显性FBN1突变c.3331T＞C（p.C1111R），与最严重的MFS 表型密切相关。一个胎龄为36 周的新生儿诊断为扩张型心肌病，伴有主动脉环、主动脉瓣窦和腹主动脉扩张，骨骼发育不全，通过基因检测发现新生突变c.3208+5G>A，确诊为nMFS［15］。识别与nMFS 相关的FBN1 突变，有助于严重疾病nMFS 的诊断及相同突变患者的临床诊断、产前诊断和遗传咨询。

3.2 生物标志物

大多数有临床症状的TAAD 患者通过进一步的检查如心电图、超声心动图、主动脉计算机断层扫描血管造影等可以得到明确的诊断。但是，主动脉瘤患者在发展为主动脉夹层或破裂前通常无症状，病死率很高。但是，通过发现新的生物标志物，提高阳性检测率，进而对疾病的发生、发展有一定的预知性。多项研究表明，FBN1 单核苷酸多态性（rs2118181、rs1036477、rs10519177、rs4774517、rs755251）可以不同程度地增加主动脉夹层、主动脉瘤的易感性。Sepetiene 等［46］第一次报道了FBN1 单核苷酸多态性（rs2118181、rs10519177）和非综合征性主动脉瘤患者的TGF-β1 浓度之间存在有一定的联系。因此，TGF-β1 血浆浓度结合FBN1 单核苷酸多态性亦可能作为一种生物标志物，来识别散发性主动脉夹层和主动脉瘤的发生风险。随着人类基因组计划的实施，基因测序技术的发展以及上百万单核苷酸多态性的确认，越来越多的单核苷酸多态性用于疾病关联性分析。单核苷酸多态性作为新一代遗传标记在人类疾病研究中显示出极高的潜在价值，主动脉相关疾病也不例外。

4 基因组学与精准医学的展望

1990 年，人类基因组计划的启动；2003 年，人类基因组计划正式完成；到2009 年，下一代测序（next-generation se⁃quencing，NGS）应用于临床疾病的诊断；以及到现在，全外显子测序在临床的应用。测序技术的发展，推动了基因组学走向精准医学。全基因组关联分析通过高通量基因分型技术，分析数以万计的单核苷酸多态性以及这些单核苷酸多态性与临床表型和可预测性状的相关性。近年来，越来越多的研究对主动脉瘤/主动脉夹层相关人群进行NGS 检测，发现了一些新的变异位点，甚至可以识别出无综合征表型的潜在TAAD患者，并且结合家族史、临床检查，进一步验证和完善疾病变异的分级［38，47］。变异分类的细化是形成疾病基因突变谱的关键，有利于提高临床敏感性。在一个没有MFS相关表型的遗传性晶状体异位家族中［48］，也因为NGS 发现了FBN1 新的突变位点c.385T>C（p.C129R），而被诊断为MFS。2018 年，有专家共识表明，TAAD 直径≥45 mm 时，50 岁以下、没有高血压史的50～60岁患者或者有家族史以及出现综合征表型时均应该进行基因检测［49］。此外，最新的临床诊疗专家共识建议，无综合征表型的主动脉瘤/主动脉夹层患者进行TAA 基因测序或者全外显子检测，有利于辅助诊断、症状前干预及预后判断［50］。虽然目前仍然有很多机制性的问题没有阐明，但是随着基因组学和测序技术的日益发展和完善，TAAD的发病机制研究将会取得更大的进展和突破，进一步为精准医疗发展奠定基础。