心脏性猝死的分子遗传学研究进展

赵慧左 王跃兵

不明原因猝死(sudden unexplained death,SUD)是指从发病到死亡时间急骤,经相关辅助检查无法确定死因的死亡。 30%的成年人猝死是不明原因的,SUD 一直是学术界研究的难点和热点。 随着分子遗传学的发展,心脏性猝死(sudden cardiac death,SCD)患者的基因变异与猝死的关系逐渐得到揭示,遗传性心律失常和遗传性心肌病使SCD 发生的可能性增大[1],被认为与SUD 高度相关,近70%的猝死病例由SCD 引起[2]。 据《中国心血管健康与疾病报告2021》估测,中国每年有54.4 万人发生SCD,相当于每分钟有1 人发生SCD,而抢救成功率不足1%,且发生率还在上升[3]。 国内外学者从分子遗传学、电生理学等多方面对SCD 发生机制进行了研究,发现先天性的基因突变和后天的心脏功能负荷过重等原因能在一定程度上导致猝死性心律失常。2020 年亚太心律学会(APHRS)/美国心律学会(HRS)关于不明原因猝死者和心搏骤停幸存者及其家属的专家共识指出,遗传性心脏病的总患病率至少为0.2%,其对家庭和社区影响重大,早期调查和识别应成为公共卫生优先事项[4]。

云南不明原因猝死(Yunnan sudden unexplained death,YNSUD)是指主要发生在滇中和滇西的部分贫困山区,发病急,具有时间、空间和人群聚集性特征,无明显前驱症状的SUD。 综合前期研究结果,YNSUD 的病因被认为是“多因一果”的复合病因模式。 根据存活者的临床诊断、死者生前表现、病理解剖和显著的SCD 发病特点(心电图“U 波异常”50.9%的检出率,90%的猝死病例有心脏病理改变、心肌酶谱异常率较高)[5],目前认为遗传性心律失常和遗传性心肌病可能是YNSUD 的病因之一。

1 遗传性心律失常

遗传性心律失常是由编码离子通道或其相关蛋白的基因突变引起的,主要包含以下4 种疾病。这些罕见的疾病往往是年轻人SCD 的潜在病因[6]。

1.1 长QT 综合征

长QT 综合征(long QT syndrome,LQTS)是最早被发现的遗传性心律失常之一,是基因突变引起的心肌离子通道紊乱。 心电图显示的QT 间期延长和T 波改变,多发于交感神经系统张力增加,如运动、兴奋、惊恐等情形下。 LQTS 的临床特征为复发性晕厥、癫痫甚至SCD[7],无明显前驱症状,死亡率极高。 在约80%的LQTS 患者中能够检测到基因突变。 在中国西南地区,33.7%SUD 患者有KCNQ1和KCNH2变异基因[8]。 目前已明确的LQTS 致病基因有20 个(KCNQ1、KCNH2、SCN5A、ANK2、KCNE1、KCXE2、KCNJ2、CACNAI、CAV3、SCX4B、AKA、SNTA1、KCXE3、KCXJ5、ALG10、CALM1、CALM2、CACXA1C、CAX9、KCNJ5),突变707 个,其中KCNQ1、KCNH2、SCN5A基因突变约占基因诊断LQTS 患者的75%。在有晕厥和猝死史的LQTS 家系中,对生存者给予对症治疗可取得明显疗效,然而,仍有15% ～20%的LQTS 患者无法确定致病基因,提示存在尚未被发现的致病基因[9]。

1.2 短QT 综合征

短QT 综合征(short QT syndrome,SQTS)是一种以短QT 间期为特征的遗传性高致死性心律失常。SQTS 可在静息时发生,伴有晕厥、恶性心室不规则、心房颤动、SCD 病史或器质性心脏病家族史,无心脏结构异常[10]。 不同病例之间存在显著的临床差异,大多数患者常规12 导联心电图出现连续QTc延长,却无任何临床症状[11]。 1993 年就有学者提出SQTS 与SCD 有关[12],直到2003 年3 个与SQTS相关的家系被报道[13],才引起全球相关领域学者的关注。 2022 年WALSH 等[14]利用基因管理框架重新评估了7 个SQTS 相关基因,发现KCNH2为确定的致病性基因,KCNQ1、KCNJ2、SLC4A3为可能的致病基因。

1.3 Brugada 综合征

Brugada 综合征(Brugada syndrome, BrS)是一种具有遗传性和空间聚集性的心律失常,因多形性室性心动过速或心室颤动(简称室颤)而导致SCD。该病的特征是右束支阻滞,V1、V3导联ST 段抬高和T 波反转,高室颤风险,一般无心脏结构变化和临床症状,多发生在青年男性[15],且常在迷走神经兴奋时发作。 1992 年BRUGADA 等[16]发表了有关BrS的首篇文章,科学解释了部分东南亚青壮年睡眠中猝死的原因。 SINGH 等[17]研究发现,在一些地区,BrS 是中年男性死亡的主要原因,30%的BrS 患者以SCD 为首发症状,心脏结构正常的SCD 患者中12% ～20%与BrS 相关。 经统计,目前有25 种突变基因与BrS 有关,其中,SCN5A是BrS 的主要易感致病基因,占全部基因诊断患者的25%,SCN5A基因的293 个突变位点与BrS 相关,其严重程度与突变位置有关[18]。 对于怀疑或明确诊断为BrS 的患者,应尽快进行基因检测。

1.4 儿茶酚胺敏感性多形性室性心动过速

儿茶酚胺敏感性多形性室性心动过速(catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia,CPVT)是一种高度致命的遗传性心律失常,在运动或情绪激动时,可能会出现间断性晕厥或心搏骤停。 心电图常出现明显的U 波,一般为双向性和多形性室性心动过速,多发于无器质性心脏病且QTc正常的青少年。 RYR2 通道或CASQ2 蛋白功能异常导致舒张期肌质网大量Ca2+外漏并进入胞质,产生去极化的内向电流,触发延迟后除极活动,这是CPVT 发生心律失常的病理生理基础[19]。 目前已发现RYR2基因突变位点100 多个,新近发现的RYR2基因突变位点G3118R 与应激性常染色体隐性遗传性室颤和猝死有关[20]。 WALSH 等[14]在基因管理框架下对部分CPVT 有关基因重新进行评估,结果只得到了7 个确定的致病基因:RYR2、CALM1、CALM2、CALM3、CASQ2、TRDN、TECRL,建议临床加强对可疑患者的检测[16]。

2 遗传性心肌病

遗传性心肌病是一种由基因决定的心脏疾病,属于心肌功能和结构异常的异质性疾病,会导致心律失常和猝死。 在所有心血管疾病中,心肌病的遗传比例高达60%[21]。 常见与SUD 有关的心肌病主要有肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy,HCM)、 扩 张 型 心 肌 病(dilated cardiomyopathy,DCM)、致心律失常性右室心肌病(arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy,ARVC)和左心室心肌致密化不全(left ventricular noncompaction,LVNC)等[7]。

2.1 肥厚型心肌病

HCM 是运动员最常见的遗传性心血管疾病,无明显前驱症状。 SCD 是HCM 的主要死因,也是最严重、最难预料的并发症,而携带HCM 有关突变基因者的后代有50%的概率可能遗传到相同的基因变体。 对家族遗传性HCM 患者进行基因检测,结果显示,约60%与HCM 有关的基因突变来自心肌纤维节相关编码基因,包含MYH7、TPM、TNNT2、MYBCP3、MYL2、MYL3、ACTC1、TNNI3、MYH6、PRKAG2、MYOZ2、ACTN2等至少23 个致病基因突变,其中MYH7、MYBPC3、TNNT2及TNNI3是4 个最常见的突变基因[3]。 35% ～50% 的HCM 患者有MYH7基因突变,近200 个突变点位通过影响MYH7球状头端的三磷酸腺苷分解位点和肌动蛋白的结合位点,降低粗细肌丝的亲和力,导致HCM[22-24],因此MYH7被称为“恶性基因”[24]。MYBPC3是第一个与家族性HCM 相关的基因,20% ～25% 的HCM 由MYBPC3基因突变导致。 该突变包含90%以上的早期终止密码子,并编码截断的蛋白质[22-23]。 心肌肌钙蛋白T 基因(TNNT2)突变在HCM 患者中占5% ～15%,属于可导致左心室扩张并伴有不同程度心肌纤维化的错义突变,尽管其引起的HCM 症状较轻,但猝死风险较高,预后不理想[25]。 TNNI3 是肌钙蛋白复合物的一个亚单位,没有明显的形态学特征[22,26]。 2022 年多个国际性心律学会联合发布的关于心脏疾病基因检测现状的专家共识指出,在同一家系中,HCM 发病年龄和疾病进展存在较大的表型异质性;基因检测是发现HCM 潜在病例的最佳方式,对致病基因突变位点携带者及其未进行基因检测或基因检测阴性的亲属,应定期进行筛查[27]。

2.2 扩张型心肌病

DCM 是指在没有异常负荷(高血压、瓣膜病、冠状动脉疾病等)的条件下,存在的左心室或双心室扩张和收缩功能障碍。 DCM 患者存在左、右心不同程度的功能不全,预后极差,确诊后的5 年生存率约50%,10 年生存率仅为25%;多数为散发病例,发病原因不明[28]。 40% ～60%的DCM 患者有基因突变或家族遗传史,大多数家族性DCM 伴常染色体显性遗传,少部分为常染色体隐性遗传。 2022 年多个国际性心律学会联合发布的关于心脏疾病基因检测现状的专家共识指出,约有100 个基因可能与DCM有关,已明确的致病性基因有BAG3、DES、FLNC、LMNA、MYH7、PLN、RBM20、SCN5A、TNNC1、TNNT2、TTN、DSP、ACTC1、ACTN2、JPH2、NEXN、TNNI3、TPM1、VCL,其中以TTN的截短变异最为常见[27]。

2.3 致心律失常性右室心肌病

ARVC 是一类与桥粒蛋白编码基因突变相关,以右心室肌细胞逐渐被脂肪组织、纤维组织替代而继发右心室功能障碍为主要病理特征的遗传性心肌病,易导致心律失常和猝死[29]。 目前已证实ARVC 有15 个致病基因,其中5 个为桥粒蛋白基因(PKP2、DSP、DSG2、DSC2、JUP),10 个为非桥粒蛋白基因(RYR2、TMEM43、PLN、FLNC、DES、LMNA、TTN、CTNNA3、CDH2、TGFβ3)[29]。 近50%的ARVC患者具有一种或多种致病性桥粒,常见的致病突变基因为5 个桥粒蛋白基因。 王跃兵团队对云南省南涧县、祥云县、鹤庆县等YNSUD 重点病区的猝死病例及其亲属、对照人群ARVC 进行的研究,在大部分家庭中发现可遗传突变基因,结果提示部分YNSUD 的发病可能与ARVC 桥粒蛋白基因突变有关,病例亲属也存在ARVC 基因致病性突变的潜在健康风险;临床上对基因突变携带者应进一步诊断,嘱其避免情绪激动、过度运动及劳累,从而预防猝死[29-30]。

2.4 左心室心肌致密化不全

LVNC 是一种由非单一遗传因素或获得性因素造成的心肌病。 该病以儿童多见,主要是由编码肌节、细胞骨架、离子通道和核膜等的基因发生变异所致,其具体的分子机制还未明确[31]。 LVNC 的特征是腔室尤其是左腔室中有很深的凹痕,以及较厚的梯形肌肉球;临床可无症状,也可能发生心律失常、心搏骤停、血栓以及心源性死亡等[32]。 分子遗传学研究发现,LVNC 具有显著的遗传性,常见的遗传形式有常染色体显性遗传和线粒体遗传。 李红燕等[33]通过全外显子组测序,从3 个LVNC 家系中筛选出了14 个共同的可能致病基因:ABCC8、CACNA2D1、COL6A3、PAMD8、DCHS1、FAT1、MUC4、NEB、PCDH15、PDE4DIP、PRUNE2、TTN、USH2A、ZFHX4。 这些基因可能影响相应的细胞功能,进而扰乱心脏发育,导致心肌致密化不全的发生。

3 云南不明原因猝死与心脏性猝死基因突变的相关研究

截至2022 年,已报告了421 例YNSUD,专家学者们从经济、卫生、气候、肠道病毒、微量元素、野生蘑菇中毒等多方面进行研究验证,均无法完全明确其具体的死因和机制[34]。 近年来,在有关致病性基因突变的大量研究及临床辅助检查中,研究者们发现了上千个基因突变位点可用来解释部分YNSUD者的死因,而对这些致病基因的检测为明确YNSUD的死因提供了科学依据。

3.1 遗传性心律失常的基因突变

JIA 等[8]对83 例SUD 患者的KCNQ1、KCNH2和SCN5A基因4 个突变位点进行了检测,发现多例有错义突变,其中KCNH2基因7 号外显子c.1801G ＞A(p.G601S)杂合突变为致病性突变位点,首次揭示了YNSUD 可能与LQTS 致病基因有关。 付华[35]对95 例YNSUD 病例进行基因测序,筛查出30%的病例有错义突变,并对其中3 例(在24 h 内相继死亡的5 岁YNSUD 女童及其母亲和尚健在的祖父)进行家系全基因组测序,筛查出与SUD 相关的OBSCN、TTN基因突变位点5 个。 LI 等[36]也对此3例进行了全基因组测序,分析了289 个与心脏病相关的基因,并筛选出7 个基因(HADH、NUP155、KCNE1L、AKAP9、PKD2、ASIC1、KCNH8)进一步进行功能验证和比较。 结果显示,HADH、NUP155和AKAP9基因中的3 个错义突变在女童及其母亲中均被测出,而在祖父中未被检出,其余4 个错义突变在母亲中被测出而祖父中没有;母女携带但在病区人群和尚健在的祖父中未检测到的HADH和NUP155杂合突变预测结果为有害。 WEI 等[37]通过基因测序、超声和心电图等检测手段,对14 个有SUD 史的家系中的25 名受检者进行检查,发现7 个病理性心脏疾病相关基因的单核苷酸变异可能与SUD 相关。 刘凯[28]对3 例青壮年猝死综合征病例进行全外显子测序,发现3 例患者分别携带TTN、CACNB2、SCN5A、KCNH2基 因 突 变 位 点,TTNV23610I、TTN-P1698L、TTN-124875T、TTN-R14571H、TTN-R24762H、CACNB2-S502L、SCN5A-R11930 的致病性预测结果为致病性基因突变。 同时,该研究团队还对4 个YNSUD 高发村的112 名村民进行基因测序、心电图和心脏彩超检查,发现有82 例(73.2%)携带YNSUD 易感致病基因IRX4-Y77C,在这82 例中有33 例(40.2%)有不同程度的心电改变、心脏瓣膜反流、心室增宽及房间隔缺损等异常。上述研究表明,致猝死性心律失常的基因突变可能与部分YNSUD 有关。

3.2 遗传性心肌病的基因突变

王跃兵等[29]对云南省西部南涧县的YNSUD 病例亲属和对照村民进行了ARVC 桥粒蛋白基因突变检测,发现病例亲属7 人中有5 人携带DSP基因c.2862C ＞T、c.7122 C ＞T 杂合同义突变和DSC2基因c.2326A ＞G 杂合错义突变。 此外,他们还调查了4个家庭中共7 例YNSUD 患者及其亲属,发现全部检测出了DSP基因突变,其中PKP2、DSC2、DSG2和JUP基因突变各1 例,同一人同时携带1 ～3 个基因突变位点,而这些突变在对照人群中均未发现。 马琳等[29]对云南省西北部鹤庆县的YNSUD 病例及其亲属的39 份血样进行检测,共检出26 个基因突变位点,DSP、DSG2、PKP2、JUP、DSC2基因分别有13、5、3、3、2 个位点发生突变,受检的突变基因携带者均为复合基因突变携带者,同一人同时携带3 ～9 个基因突变位点,其中5 人共同携带DSP基因3 号外显子c.372G ＞A 杂合同义突变。 同年,马琳等[38]还对云南省中部祥云县的YNSUD 病区相关人群进行调查,发现猝死病例和同发病例携带JUP、DSP、DSG2基因突变位点,病例亲属中发生PKP2、JUP、DSP、DSG2、DSC2基因突变的分别有2、14、16、15、4 例,同一人同时携带多个突变基因,且携带突变基因的病例亲属都是复合突变基因携带者,该研究中患者亲属均有DSG2基因14 号外显子c.2318G ＞A 突变。 刘凯[28]研究显示,病区组中DSG2基因14 号外显子c.2318G ＞A 突变的等位基因频率和基因型频率都高于对照组。 程雪等[39]选取了云南省禄丰市、腾冲市、大姚县、宁蒗县的YNSUD 病例及其亲属进行基因检测,检出对照人群中未发现的17 个突变位点,其中DSP、DSC2、DSC2、PKP2、JUP基因突变分别有6、5、4、1、1 例;该研究中,有一个家庭中的4 例YNSUD 病例均携带DSP基因24 号外显子c.8472G ＞C 纯合同义突变,而马琳等[30]研究的云南省鹤庆县YNSUD 病例及其一、二、三级亲属也携带该突变位点。

本课题组已对云南省不同病区的11 例YNSUD病例、1 例同发病例、128 例亲属和60 位对照人群进行了ARVC 的5 个桥粒蛋白基因的97 个外显子位点突变检测,结果发现,在YNSUD 病例及其亲属中可检测到对照人群中未检出的36 个外显子的52 个突变位点(DSP21 个、DSG210 个、PKP28 个、DSC28 个、JUP5 个),携带突变位点的病例及亲属都同时携带多个突变位点;猝死病例单独携带6 个,同发病例单独携带2 个,病例亲属单独携带35 个,病例与亲属共同携带5 个,猝死病例与同发病例共同携带2 个,猝死病例、亲属和同发病例共同携带2 个,突变发生率高达37.11%(36/97);DSC2基因15 外显子c.2368G ＞-、c.2370A ＞-纯合缺失突变为致病性突变。 亲属及病区村民心电图异常发生率较对照村民更高,根据心电图“U 波异常”50.9%的检出率、90%的猝死病例有心脏病理改变,推测ARVC可能是部分云南猝死病例发病的遗传背景因素[30]。因此,目前应对遗传性心肌病进行更深层次的研究,从而进一步明确其致病机制及其与YNSUD 病因的关联。

4 小结与展望

YNSUD 的病因可能是遗传性心肌病、遗传性心律失常和毒沟褶菌中毒等“多因一果”的复合病因模式。 随着分子遗传学技术的深入应用及拓展,对各亚型致病基因变异进行致病性、变异性、高风险因素及发生机制的深入研究,并开展YNSUD 与致猝死性心脏基因变异关联性的研究,不仅能够增进对该病发病特点、病因、防治方法的了解,而且对散发性猝死的病因研究也有很大的推动作用。 这对提高对云南不明原因聚集性或散发性猝死病例的调查研究能力,推动疾控、临床等多层次以及医院、高校、科研院所等多部门的联合攻关,具有十分重要的意义。