扩张型心肌病的基因学研究进展

2023-03-03景雨俞佳丽景宏美潘丽华

国际心血管病杂志 2023年6期

景雨俞佳丽景宏美潘丽华

由于扩张型心肌病（DCM）起病隐匿以及心脏自身各种代偿机制激活，DCM 患者早期可能不会出现明显症状，但随着病情加重，心脏进入失代偿阶段，患者出现临床症状时往往已经有明显的心功能不全，心脏电生理传导功能出现障碍。流行病学研究显示，普通人群的DCM 患病率约为1∶250[1]，并可能持续上升。目前，DCM 的病因尚不明确，其中25%～50%有家族遗传史。尽管以指南[2]为基础的药物和设备治疗可控制DCM的进展，减少患者的住院频率，延长患者生存期，但DCM 难以预防，死亡率居高不下。近年来，对DCM 患者转录组的研究表明，不同遗传病因的DCM 具有不同的分子特征。

1 DCM相关致病基因

DCM 是目前临床上导致慢性心力衰竭甚至心源性猝死的重要原因之一，涉及多种遗传和非遗传病因。研究表明，与DCM 发病密切相关的基因已经超过50 个[3]，表明DCM 的遗传异质性。近年来，随着第二代DNA 测序、高通量RNA 筛选和单细胞测序等方法的不断精进，发现许多与DCM 发生相关的基因，这些基因编码的蛋白质在肌节、Z 线（Zdisk）、细胞骨架、离子通道、桥粒、细胞器和细胞外基质中发挥作用[1]。

1.1 编码肌小节结构相关蛋白的基因突变

组织学中将肌小节定义为2 条相邻Z 线间的肌原纤维，它是心肌细胞的基本收缩单位。编码肌小节结构相关蛋白的基因发生变异，必将影响心肌细胞的正常收缩与舒张，产生心肌病。

1.1.1 编码肌球蛋白的基因肌球蛋白由重链（MHC）和轻链（MLC）构成，其中β-肌球蛋白重链（β-MHC）构成肌球蛋白的头尾域，能够将三磷酸腺苷（ATP）水解释放出来的化学能转化为肌肉收缩的机械能，为心肌收缩提供驱动力。MYH7基因编码β-MHC 蛋白，其突变是肥厚型心肌病（HCM）患者发病的主要原因[4]。有研究在印度不同人群的DCM 中也检测到MYH7基因的致病突变[5]。1 项基于29 个国际中心招募的147 例MYH7基因突变DCM 患者的临床数据分析显示，由MYH7基因突变引起的DCM 的特点是表型表达率高，通常在儿童期发病，并且多与左心室心肌致密化不全相关，左心室逆重构率低，尽管进行了最佳药物治疗，仍常常进展为终末期心力衰竭[6]。

1.1.2 编码原肌球蛋白的基因原肌球蛋白是细肌丝的组成部分，是肌肉收缩过程中重要的调节蛋白质。TPM1基因位于染色体15q22.2 上，编码α-原肌球蛋白，多项研究表明该基因突变与DCM 相关，循证评估更是将其作为诊断DCM 的中度证据。有研究对1 个具有DCM 表型的家系进行TPM1基因突变序列分析，在TPM1基因外显子3 中发现了1 个新的错义突变c.340G＞C，这种新的杂合突变导致谷氨酸被谷氨酰胺替代，被确认为DCM1Y，此类患者心力衰竭症状进行性加重，死亡率高[7]。

1.1.3 编码肌钙蛋白的基因心肌肌钙蛋白复合体是由肌钙蛋白C、肌钙蛋白T（cTnT）以及肌钙蛋白Ⅰ组成的络合物，通过与Ca2+配位，改变自身分子构型，继而影响肌动蛋白与肌球蛋白间的相互作用，共同调节心肌的收缩和舒张。cTnT 是Ca2+调节的主要参与者，由TNNT2基因编码。TNNT2基因的异常突变改变了cTnT 在肌丝中对钙的敏感性和肌球蛋白ATP 酶活性，如第210 位赖氨酸单残基缺失（Lys210）和第141 位精氨酸被色氨酸替代（Arg141Trp）都会导致肌丝钙脱敏，引起心肌收缩力下降，导致DCM[8]。Hershberger 等[9]研究发现了6 个TNNT2基因的突变：Lys210del、Arg134Gly、Arg151Cys、Arg159Gln、Arg205Trp、Glu244Asp，并对这些突变进行功能研究，观察到Ca2+水平降低，此结果支持这些突变可以导致DCM。

1.1.4 编码肌动蛋白的基因肌动蛋白对于细胞间移动和收缩起着关键作用。ACTC1基因位于染色体15q14 上，有7 个外显子，编码肌肉收缩装置的主要组成部分α-肌动蛋白。ACTC1基因缺陷与特发性扩张型心肌病（IDCM）有关。Frank 等[10]发现，当ACTC1基因的第5 外显子存在杂合、非同义、完全外显的突变（Gly247Asp）时，心脏微观结构分析显示肌节紊乱、肌原纤维变性和细胞凋亡增加，心肌细胞的分子动力学研究证实肌动蛋白存在聚合和翻转缺陷。

1.1.5 编码肌联蛋白的基因肌联蛋白的高度弹性使其在心肌舒缩过程中扮演着分子弹簧的角色，具有调节心肌主动和被动张力、调控信号转导、协调心肌舒缩运动等多种重要的生物学功能。编码肌联蛋白的TTN基因包含2 个区域：N 端I 带和C 端A 带。目前研究发现TTN基因突变是导致遗传性DCM 的最主要原因，其最常见的变异方式是肌联蛋白的截短变异（TTNtv），可导致C 端A带部分截短的起始突变，包括移码、无义和剪接位点突变[11]，并显示出位置依赖性，这种变异发生在多达25%的终末期或家族性DCM 患者中[12]。心脏中TTN基因的主要亚型包括N2B 和N2BA，研究显示，1 名健康成人心脏的N2BA∶N2B 比值为30∶70 至40∶60，并且在正常衰老过程中，这一比值保持相对稳定。RBM20 基因可选择性剪接TTN基因Ⅰ带外显子，降低RBM20 表达，增大N2BA 与N2B 的比值并降低心脏硬度[13]。因此，靶向肌联蛋白异构型转换以调节心肌细胞顺应性可能会改善一些心力衰竭患者的预后和症状，这可能使其成为未来的一种治疗方法。

1.2 编码细胞骨架相关蛋白的基因突变

广义上的细胞骨架是指由细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架以及细胞外基质共同搭建的网架体系，能够维持细胞形态，并参与许多重要的生命活动。

1.2.1 编码核纤层蛋白的基因核纤层蛋白是核膜结构组分，在维持细胞正常结构、调控转录等方面发挥重要作用，可细分为A、B 和C 3 种类型，其中Lamin A、C 由位于染色体1q22 上的LMNA基因编码。迄今为止已报道LMNA基因的450 多个突变，不同的突变导致不同的疾病表型，这些疾病统称为核纤层蛋白病，其中也包括LMNA突变相关DCM。目前研究发现，LMNA是DCM 的第二常见致病基因，占DCM 病例的6%～10%，携带者常具有高疾病外显率，早期即出现心脏传导系统疾病如房室传导阻滞、心动过缓和快速性心律失常等，后期进展为严重的心力衰竭，预后极差，猝死率及致死率高。随着基因测序技术的快速发展，越来越多的突变被发现，如LMNA基因c.1C＞T/p.R541C变异增强了异染色质基因抑制，并破坏了线粒体功能，携带该突变体的小鼠模型在出生6 个月后即出现明显的心室扩张和收缩功能下降，其线粒体的基因表达受到抑制，这可能是DCM 的原因之一[14]；某一具有LMNA基因c.475G＞T/p.E159 突变的家族，同时具有传导障碍、扩张型心肌病和心源性猝死家族史，其家庭成员均出现各种恶性心律失常和射血分数降低的心力衰竭（HFrEF）的临床表现，且为年龄依赖性[15]。

1.2.2 编码结蛋白的基因结蛋白是存在于肌节Z线附近的Ⅲ型中间丝蛋白，由DES基因编码，对于维持骨骼肌、心肌和平滑肌纤维的机械稳定和细胞结构连接的完整性至关重要。DES基因异常改变将引起中间丝的组装缺陷，继而导致心肌功能障碍。某一DCM 家系的基因测序和遗传分析提示，DES基因c.1010C＞T 突变可能主要影响心脏传导系统，导致家族性扩张型心肌病（FDCM），但不伴有骨骼肌肌病[16]。另一种新的错义突变c.6C＞T/p.R227C 导致精氨酸被半胱氨酸替代，呈常染色体显性遗传模式，患者具有典型的DCM 表现（左心房及左心室扩大）[17]。

1.2.3 编码变黏着斑蛋白的基因变黏着斑蛋白（Metavinculin）特异性表达于心肌细胞和血管中，在心肌细胞中位于闰盘内，通过与肌动蛋白细胞骨架相互作用而产生和传递力量。有报道在DCM和HCM 患者中，检测出编码该蛋白的VCL基因的R975W 突变[18]。在细丝-闰盘界面力传递中断后，心脏内的正常血流受阻，这可能是VCL基因突变导致DCM 的机制。但是，Kanoldt 等[19]研究发现，Metavinculin缺陷小鼠并未表现出心脏组织结构改变和异常肥大反应等心肌病的迹象，其对心肌功能的作用尚需进一步研究。

1.3 编码离子通道相关蛋白的基因突变

心肌细胞膜的离子通道主要包括钠离子通道、钾离子通道、钙离子通道、离子泵和交换体等，是心肌动作电位形成的基础，其结构或功能异常将导致心律失常的发生，心脏离子通道病为这一类疾病的统称。

1.3.1 编码钠离子通道的基因在心肌细胞动作电位中，钠离子通道的开放引起Na＋的快速内流，从而介导0 期快速去极化，此过程与心肌细胞的自律性、传导性以及动作电位的时程密切相关。钠通道SCN5A基因突变使得钙离子通道功能异常，形成异常动作电位，发生心律失常。SCN5A基因功能获得性突变导致更多的Na＋通过异常门控通道流入心肌细胞，引起长QT 综合征；而SCN5A基因功能缺失突变可导致表达水平降低或产生缺陷型钠离子通道蛋白质，引起Brugada 综合征。这2 种类型的突变都可能使患者出现DCM 的临床表现[20]。Sedaghat-Hamedani 等[21]发现SCN5A基因p.C335R 突变也会导致DCM，该家系成员PQ 间期和QRS 波显著延长，左室射血分数（LVEF）显著降低，并且多个突变的共存会导致更严重的临床表现。

1.3.2 编码受磷蛋白的基因受磷蛋白由PLN基因编码，主要有2 个结构域：亲水结构域，包含3 个磷酸化位点；疏水结构域，将受磷蛋白锚定在心肌肌浆网（SR）膜上。心肌细胞的正常收缩与舒张有赖于胞质中的Ca2+浓度，而Ca2+则贮存在SR 的终池中。心肌肌浆网钙循环异常与心肌病密切相关，在心脏疾病中，SR 的Ca2+-ATP 酶泵（SERCA2a）和受磷蛋白对Ca2+的异常处理起着重要作用。SERCA2a 主要调节Ca2+的再摄取，其表达水平与心肌收缩力密切相关，很多动物心力衰竭模型和人心力衰竭细胞中均观察到SERCA2a 表达水平和活性的降低[22]。受磷蛋白在非磷酸化状态下与SERCA2a 结合可降低SERCA2a 对Ca2+的亲和力，抑制酶活性。PLN基因缺陷小鼠中SERCA2a对Ca2+的重摄取能力增强，Ca2+瞬变幅度增加，心脏收缩功能改善[23]。PLN基因的一些致病性突变与DCM 病理学有关，最常见的是第14 位精氨酸缺失，它破坏蛋白激酶A（PKA）介导的磷酸化，导致SERCA2a 的过度抑制。Feyen 等[24]通过单细胞RNA 测序显示，心肌病模型PLNR14del 诱导了未折叠蛋白反应（UPR）信号通路，表明UPR 信号通路与PLNR14del 心肌病的发病机制有关。

1.4 编码桥粒相关蛋白的基因突变

桥粒是一种复杂的盘状结构，桥粒斑蛋白可将中间丝锚定在桥粒斑块上，并形成功能性桥粒的专性成分。DSP基因位于染色体6p24.3 上，编码桥粒斑蛋白。DSP基因突变与多种遗传性心肌病相关，如DCM、致心律失常性心肌病、左心室心肌致密化不全，也与Carvajal 综合征、Naxos 病、红皮角化病-心肌病综合征密切相关[25]。Karvonen等[26]发现1 种新的常染色体显性截短突变DSPc.2493delA/p.Glu831Aspfs*33 与DCM 相关，患者早期可能仅表现为局灶性掌跖角化病（FPPK）和轻度的心律失常。因此，当患者出现FPPK 时，应该提醒其进行基因检测，即使没有心脏相关症状，也有必要进行彻底的心脏评估。

2 DCM治疗进展

基于DCM 病因复杂多样且无法及时预防的特点，目前临床上治疗仍以有效控制心力衰竭及心律失常、减轻心脏负荷、改善心肌重构等延缓病情发展的方法为主。随着医疗技术的不断发展与精进，基因治疗、靶向治疗以及干细胞治疗等新兴治疗手段为DCM 的治疗带来希望。

2.1 基因治疗

基因治疗是指通过基因工程技术对致病基因进行修饰或替代，或调控该基因表达水平，从而达到根治疾病的目的。目前，已有6 种基因疗法在国外获得批准，应用于相应疾病的治疗，如一些神经肌肉疾病、眼部疾病等[27]。腺相关病毒（AAV）属于非整合载体，在进行体内基因转移时不会整合到患者基因组中，并且具有低免疫原性、无致病性的特点，是目前针对体细胞基因治疗最常用的载体，其中AAV-9 更是具有独特的结合心肌的能力。Chai 等[28]发现心肌细胞特异性LMNA基因缺失小鼠的内核膜蛋白SUN1 水平增加，并且在诱导突变3～4 周后发生心力衰竭及死亡，而当利用AAV-9介导的基因转导破坏SUN1 功能后，DCM 发展延缓，小鼠寿命至少延长5 倍。磷酸葡萄糖变位酶1（PGM1）缺乏导致的先天性糖基化障碍早期可出现危及生命的并发症DCM。Balakrishnan 等[29]构建了人类PGM1 同源基因敲除的小鼠模型，心脏超声心动图证实小鼠出现左心室扩张与LVEF 降低等DCM 表型，而通过AAV9-PGM1基因替代疗法可显著逆转DCM 的进展，改善心脏功能。此外，运用基因编辑技术（又称为分子剪刀），能精确对特定目标基因进行修饰，改变基因序列。CRISPR/Cas9系统是目前生物医学技术领域的热点，可用于多种疾病的模型构建及治疗，包括心肌病[30-31]。

2.2 靶向治疗

靶向治疗是基于细胞分子层面的治疗方式，特异性地针对致病位点而不影响其他正常组织，已经在肿瘤领域广泛应用。Omecamtiv mecarbil 是新型心肌肌球蛋白激活剂[32]，可选择性地与肌球蛋白的催化结构域结合，使与肌动蛋白丝结合并在收缩期开始时启动动力冲程的力发生器（即肌球蛋白头）的数量增加，但不干扰心肌细胞内的Ca2+浓度，对心肌耗氧量也无影响，继而增加心肌收缩力，被用以治疗HFrEF。Kumar 等[33]发现Omecamtiv mecarbil 可以逆转PLNR14del 对收缩参数的抑制作用，有益于治疗PLNR14del 心肌病。Luczak等[34]研究发现，心肌和线粒体钙调蛋白激酶Ⅱ（CaMK Ⅱ）过度表达的小鼠可出现严重的扩张型心肌病和ATP 降低，导致细胞质静息期（舒张期）Ca2+浓度升高和机械性能下降，而抑制CaMK Ⅱ，小鼠则不会出现左心室扩张和功能障碍。因此，靶向抑制线粒体CaMK Ⅱ的药物有希望用于治疗DCM。

2.3 干细胞移植治疗

干细胞有控制和维持细胞再生的功能和多向分化的潜能，当组织器官损伤或衰竭时，干细胞可作为修复或替代的种子细胞。由于心肌细胞的不可再生性，干细胞疗法（SCT）逐渐成为国内外治疗心脏病的研究热点。目前可用于移植治疗DCM的干细胞类型包括间充质干细胞、心脏干细胞、胚胎干细胞（ESCs）及诱导多能干细胞等。国外1 项关于DCM 干细胞疗法的荟萃分析，共纳入13 项随机对照试验，涉及452 例细胞疗法患者和310 名健康对照者，结果显示SCT 可改善纽约心脏病协会（NYHA）心功能等级，可能会在一定程度上改善患者运动能力，但不确定是否可以改善健康相关的生活质量，也不确定是否会降低全因死亡率[35]。国内1 项关于SCT 治疗DCM 的meta 分析给出了相似的结论，SCT 对心功能的改善有一定疗效，不会增加病死率和不良事件发生率[36]。因此，未来仍需更多的临床试验完善对这一疗法的认知。