楊光,王壘,吳守振
·綜述·
肺動(dòng)脈高壓易感基因研究進(jìn)展
楊光,王壘,吳守振
710021 西安醫(yī)學(xué)院(楊光);710003 西安市兒童醫(yī)院心內(nèi)科(王壘),檢驗(yàn)科(吳守振)
肺動(dòng)脈高壓(pulmonary arterial hypertension,PAH)是一類由多種病因引起肺動(dòng)脈壓力進(jìn)行性升高,最終導(dǎo)致右心衰竭,甚至死亡的惡性心肺疾病。PAH 病因繁雜,臨床早期診斷困難,長期生存率低。目前認(rèn)為,遺傳及環(huán)境因素共同參與 PAH 的肺血管重構(gòu)過程,其中遺傳是 PAH,尤其是特發(fā)性肺動(dòng)脈高壓(idiopathic pulmonary arterial hypertension,IPAH)和遺傳性肺動(dòng)脈高壓(heritable pulmonary arterial hypertension,HPAH)發(fā)生發(fā)展的重要因素,有 25% ~ 30% 的 IPAH 患者發(fā)病與孟德爾遺傳因素有關(guān)[1]。自從骨形成蛋白 II 型受體(bone morphogenetic protein type II receptor, BMPR2)被發(fā)現(xiàn)是 PAH 易感基因以來,科研人員相繼發(fā)現(xiàn)了眾多 PAH 易感基因。
BMPR2 基因位于染色體 2q31-32[2],編碼 TGF-β 超家族成員BMPR2 蛋白,目前已發(fā)現(xiàn)大約 370 種 PAH 相關(guān)的 BMPR2 突變基因型,其中無義突變、錯(cuò)義突變、移碼突變和基因重排最常見[3]。70% ~ 80% 的 HPAH 和 10% ~ 20% 的 IPAH 與 BMPR2 變異相關(guān)。PAH 患者中,BMPR2 突變者與 BMPR2 非突變者相比較,其發(fā)病時(shí)間平均提前 10 年,肺血管阻力升高約 35%,平均肺動(dòng)脈壓升高 8 mmHg,心輸出量降低約 15%,急性血管舒張?jiān)囼?yàn)反應(yīng)性更低(3% vs 16%),且低年齡人群(平均年齡 35.4 歲)發(fā)生死亡和肺移植的風(fēng)險(xiǎn)更高[4]。經(jīng)典信號通路中,在結(jié)合 BMP 配體時(shí),BMPR(ActRIIA 和 ActRIIB)招募、復(fù)合和磷酸化 BMP-1 型受體,進(jìn)一步磷酸化下游的 SMADs,這些蛋白與通用型 SMAD(如 SMAD4)形成復(fù)合物,并轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核,與 BMP 反應(yīng)元件 DNA 序列結(jié)合;因此,該復(fù)合物作為轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子,通過結(jié)合在細(xì)胞增殖、凋亡和遷移中起關(guān)鍵作用的 BMP 反應(yīng)元件,包括 DNA 結(jié)合抑制劑 1、2和 3(ID1、ID2、ID3)或細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑1A和 2B(CDKN1A 和 CDKN2B),調(diào)節(jié)靶基因表達(dá)。除了經(jīng)典的 SMADs 信號通路外,BMPR2 還激活幾種非典型的 BMP 信號通路,包括 p38 絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK)、磷酸肌醇 3-激酶(PI3K)/Akt 信號、過氧化物酶體增殖物激活受體 γ(PPARγ)/載脂蛋白 E(ApoE)/高密度脂蛋白膽固醇(HDLC)、Wnt 通路、小窩蛋白、Rho-GTPases、蛋白激酶 C(PKC)信號和 Notch 信號通路[5],BMPR2 通過上述多種機(jī)制調(diào)控細(xì)胞增殖、分化與凋亡。
大量研究證實(shí)功能失調(diào)的 BMPR2 信號是 PAH 的關(guān)鍵特征。IPAH 患者肺血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷-修復(fù)失衡,維持肺血管內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定、DNA 損傷修復(fù)及基因穩(wěn)定性的 BMPR2-BRCA1 軸表達(dá)明顯下調(diào),造成 DNA 修復(fù)異常和細(xì)胞凋亡抵抗,引起內(nèi)皮細(xì)胞嚴(yán)重?fù)p傷、血管重塑及血流動(dòng)力學(xué)改變等臨床表征[6];炎癥細(xì)胞因子 IL-1β、TNF-α 下調(diào) BMPR2 表達(dá),誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞向間質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化,這些細(xì)胞對 BMP9 誘導(dǎo)的成骨分化作用更敏感,最終導(dǎo)致管壁鈣化[7];HIV 病毒蛋白通過 miR-126a 負(fù)向調(diào)節(jié) BMPR2 表達(dá),誘導(dǎo)肺平滑肌細(xì)胞增殖[8];BMPR2 突變心肌細(xì)胞的線粒體功能和胰島素代謝異常,心肌細(xì)胞胰島素抵抗增強(qiáng),葡萄糖攝取減弱,脂質(zhì)攝取增強(qiáng),導(dǎo)致 PAH 右心室脂質(zhì)毒性變化[9];在對一例 HPAH 合并疑似遺傳性出血性毛細(xì)血管擴(kuò)張癥(hereditary hemorrhagic telangiectasia,HHT)患兒基因分析時(shí)發(fā)現(xiàn)了 BMPR2 新突變[10],佐證了 BMPR2 變異者的支氣管血管、肺動(dòng)靜脈及毛細(xì)血管網(wǎng)之間更容易形成異常吻合這一結(jié)論[11]。所有異常信號最終都?xì)w于內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞功能障礙的共同途徑上,伴隨著凋亡和增殖信號的失衡、血管收縮和血管壁結(jié)構(gòu)變化,遠(yuǎn)端肺血管的進(jìn)行性閉塞導(dǎo)致肺血管阻力和右心室后負(fù)荷增加,引起右心室衰竭和死亡[5]。近年來,BMPR2 的靶向治療主要有三種思路:①靶向調(diào)節(jié) BMPR2 受體,增加其活性;②通過調(diào)節(jié) BMPR2 上游的信號,增加細(xì)胞表面的受體可用性;③通過靶向相互作用的信號通路重建 BMPR2 下游信號。重組 BMP9 防止內(nèi)皮細(xì)胞凋亡,可改善 PAH 臨床癥狀[12]。目前已有一些藥物顯示出良好的藥理學(xué)效應(yīng),如他克莫司通過對 FKBP12 和鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的雙重抑制,激活下游經(jīng)典及非經(jīng)典 BMPR2 信號途徑,臨床IIa 期試驗(yàn)提示其具有良好的安全性及耐受性[13]。利用腺病毒載體向 PAH 小鼠靶向注入 BMPR2 基因,發(fā)現(xiàn)其肌肉化血管得到改善,盡管目前尚未進(jìn)行人體試驗(yàn),但仍然顯示出基因干預(yù)的良好前景[14]。PKC 通路信號抑制劑恩扎妥林可有效逆轉(zhuǎn) PAH 相關(guān)表型[15],伴侶 4-苯基丁酸(4-PBA)通過增加 BMPR2 穿梭至細(xì)胞膜表面的頻率,提高該受體利用率[16]。依那西普、紫杉醇可通過負(fù)向調(diào)節(jié) TGF-β 抑制性通路,增加 BMPR2 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[17]。體外試驗(yàn)顯示 FK506 和恩扎妥林對 BMPR2 信號激活顯示出相加效應(yīng),進(jìn)一步探討 BMPR2 受體及其下游信號的潛在疊加效應(yīng)可能具有治療價(jià)值[15]。
BMPR2 外顯率約 20%[18],提示有其他因素參與其表觀遺傳過程。與男性相比,攜帶有害 BMPR2 突變體的女性更容易患 PAH[19]。越來越多的證據(jù)表明 PAH 與內(nèi)源性雌激素的合成與代謝功能失調(diào)、促有絲分裂雌激素代謝產(chǎn)物累積有關(guān)。16-羥基雌酮(16OHE1)抑制正常 BMP 通路信號,增加 BMPR2 突變外顯率。有趣的是,雌激素的甲氧基代謝物反而有肺血管保護(hù)作用[20]。肥胖也可通過影響雌激素代謝參與 PAH 發(fā)病[21],芳香化酶作為內(nèi)源性雌激素合成的重要酶,目前,已有小規(guī)模臨床試驗(yàn)表明其抑制劑阿那曲唑能改善男性及絕經(jīng)婦女的 6 分鐘步行試驗(yàn)[22]。最新研究發(fā)現(xiàn)了一種新的心臟保護(hù)性 E2-ERα-BMPR2-apelin 軸,也為 PAH 右心室靶向治療提供了新方向[23]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著年齡增長,實(shí)驗(yàn)小鼠的心輸出量、肺血管阻力及體循環(huán)壓均呈現(xiàn)惡化趨勢,PAH 外顯率隨之升高[24]。此外,微小核糖核酸(miRNA)常通過抑制相關(guān)翻譯過程調(diào)節(jié)基因表達(dá),尤其是 miR-29、miR-124、miR-140、miR-204作為 PAH 生物標(biāo)志物及治療靶點(diǎn)的優(yōu)勢,日益受到重視[25];基于人工補(bǔ)充 miRNA 類似物或抑制特定 miRNA 表達(dá)的治療方法,目前一些基于微小核糖核酸的藥物尚處于臨床試驗(yàn)中,療效有待觀察[26]。miRNA 臨床測定及其分子本身的不穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)運(yùn)方式和非靶效應(yīng)特點(diǎn),仍然是該領(lǐng)域研究的巨大挑戰(zhàn)[27-28]。PAH 患者代謝明顯紊亂,肺血管內(nèi)皮細(xì)胞有氧代謝減少,糖酵解增加,谷氨酰胺分解增加,脂肪酸氧化減少,加速一氧化碳代謝等變化引起內(nèi)皮細(xì)胞異常增殖、血管增生及右心重塑等表型,異常高表達(dá)的精氨酸酶通過裂解精氨酸,減少內(nèi)皮依賴性的一氧化氮合酶(eNOs)合成,使血管舒張功能受損,此外,還原和氧化細(xì)胞環(huán)境、三羧酸循環(huán)等代謝途徑也存在異常,這些研究為 PAH 治療提供了眾多新靶點(diǎn),目前,已有一些針對糖代謝途徑的藥物,如丙酮酸脫氫酶激酶抑制劑二氯乙酸鹽、以糖酵解酶烯醇化酶(ENO)為靶點(diǎn)的 PFKFB3 在降低 PAH模型大鼠糖代謝及改善右心室功能方面已經(jīng)取得了一些成功[29]。這些研究都提示包括性別、年齡在內(nèi)的多種因素參與 PAH 發(fā)病。在有害的 BMPR2 突變背景下,還可能有多種遺傳因素及環(huán)境的“二次打擊”也促使 PAH 發(fā)病,需要進(jìn)一步探索[30]。
遺傳性出血性毛細(xì)血管擴(kuò)張癥(HHT)是以皮膚黏膜毛細(xì)血管擴(kuò)張、反復(fù)鼻出血、動(dòng)靜脈畸形(尤以肺部、肝臟和顱腦血管畸形多見)為特征的常染色體顯性遺傳病,HHT 常合并 PAH[31]。HHT 的重要遺傳學(xué)病因是編碼激活素受體樣激酶 1(activin receptor-like kinase 1,ALK1)和內(nèi)皮素(endolin,ENG)受體的基因發(fā)生突變。Chen 等[32]研究顯示中國漢族人群的 ALK1 和 ENG 變異率分別為 57.1% 和 14.3%,同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了位于 ENG 第 8 和 14 號外顯子的兩個(gè)新突變位點(diǎn)。PAH 的發(fā)生與 BMP 通路抑制和TGF-β通路異常活化密切相關(guān),提高 ALK1/ENG 蛋白表達(dá),改善其功能是取得突破性治療的關(guān)鍵。細(xì)胞和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)已發(fā)現(xiàn)多種調(diào)節(jié)劑,其中包括:①PI3K 抑制劑,可抑制動(dòng)靜脈畸形形成;②酪氨酸激酶抑制劑TKIS,能改善貧血和胃腸道出血;③整合素激活劑 CXCL12,使內(nèi)皮素與白細(xì)胞、周細(xì)胞或血小板上相應(yīng)的整合素結(jié)合;④BMP9 作用于 ENG 和 ALK1 的上游,其阻斷可加重 HHT 癥狀;⑤氧化甾醇和其他核 LXR 激動(dòng)劑能夠上調(diào) ENG 的表達(dá);⑥可溶性內(nèi)皮素、TRC105 和 ACE-041,均具有抗血管生成作用,進(jìn)一步研究這些靶點(diǎn),對于 PAH 診治至關(guān)重要[33]。
KCNK3 編碼TASK-1(K2P3.1),是一種雙孔鉀離子通道,存在于包括人 PASMCs 在內(nèi)的多種細(xì)胞膜上,主要作用是維持細(xì)胞膜靜息電位,調(diào)節(jié)肺血管緊張性[34]。Ma 等[35]通過研究一個(gè)原發(fā)性 PAH 家系,發(fā)現(xiàn)包括c.608G→A(G203D)在內(nèi)的 6 種 KCNK3 錯(cuò)義突變,證實(shí)該基因?yàn)?PAH 致病候選基因,這些雜合錯(cuò)義突變均為有害突變,電生理學(xué)研究顯示其均可導(dǎo)致離子通道功能喪失,而磷酸酯酶抑制劑ONO-RS-082 可改善受損通道的部分功能。研究顯示有 1.3% IPAH 和 3.2% HPAH 攜帶這些突變基因,2/9 的 KCNK3 突變攜帶者無臨床表現(xiàn),提示 KCNK3突變不完全外顯。2016 年,Navas Tejedor 等[36]發(fā)現(xiàn)了該基因2 個(gè)新錯(cuò)義突變(p.Gly106Arg 和 p.Leu214Arg),p.Gly106Arg 是發(fā)現(xiàn)的首個(gè) KCNK3 純合突變,該突變可能通過修飾位于鉀離子通道跨膜蛋白 106 位的甘氨酸參與 PAH 發(fā)病,正常情況下該位點(diǎn)介于膜內(nèi)區(qū)和跨膜區(qū)之間,高度保守。2017 年,研究人員發(fā)現(xiàn)了日本首例 KNCK3 突變(p.Gly203Asp)[37]。研究發(fā)現(xiàn),KCNK3 敲除,小鼠的肺血管平滑肌細(xì)胞膜靜息 K+電流明顯減弱,呈現(xiàn)去極化興奮狀態(tài),肺組織廣泛微血管收縮,右室收縮壓升高;其末端肺血管(直徑 < 30 μm)密度增加,微小血管肌化,膠原廣泛交聯(lián)。血管內(nèi)皮細(xì)胞保護(hù)因子 CD31 和 VWF 表達(dá)失衡,導(dǎo)致血管內(nèi)皮損傷[38]。實(shí)驗(yàn)小鼠 PASMCs 內(nèi) HIF1-α 表達(dá)上調(diào),肺血管低氧易感性增加;ERK1/2 和 Akt 的Thr308 磷酸化信號通路激活;凋亡抑制基因家族成員生存素表達(dá)增多;這些途徑均可導(dǎo)致 PASMCs 異常增殖,形成 PAH 病理基礎(chǔ)。電鏡下觀察 KCNK3 表達(dá)缺失的 PAH 模型小鼠的內(nèi)皮細(xì)胞胞膜,其表面的小窩蛋白分布異常,小窩結(jié)構(gòu)變淺,提示 KCNK3 可能通過影響內(nèi)皮細(xì)胞物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)及信號轉(zhuǎn)導(dǎo),調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞功能;同 BMPR2 突變類似,人類 siRNA-KCNK3-hPASMCs 細(xì)胞模型發(fā)現(xiàn),線粒體膜發(fā)生同細(xì)胞膜相似的去極化,且部分線粒體膜裂解,進(jìn)一步證實(shí)了 PAH 發(fā)病與亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能異常相關(guān)。最新研究[39]發(fā)現(xiàn),維生素 D 缺乏的 PAH 大鼠心肌細(xì)胞表面電壓門控性和酸敏感性鉀離子電流減弱,內(nèi)皮細(xì)胞功能惡化,PASMCs 去極化,動(dòng)脈肌化,引起肺動(dòng)脈壓力中度升高,可能與 VDR 靶基因表達(dá)失調(diào)有關(guān),維生素 D 活性形式骨化三醇可顯著增加 KCNK3 表達(dá),改善臨床癥狀,鑒于 VDR 靶基因眾多,且早期預(yù)防價(jià)值大,應(yīng)該進(jìn)一步深入研究 VDR 相關(guān)基因及其分子機(jī)制。
TopBP1 與人乳腺癌蛋白 1(breast cancer 1 protein,BRCA1)的 C 末端 BRCT 結(jié)構(gòu)域同源,在蛋白連接、DNA 復(fù)制啟動(dòng)、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、DNA 損傷修復(fù)及細(xì)胞周期“檢查點(diǎn)”等方面至關(guān)重要[40]。2013 年,de Jesus Perez 等[41]通過全外顯基因測序證實(shí)TopBP1 為 IPAH 的易感基因。IPAH 患者血管內(nèi)皮細(xì)胞的 TopBP1 表達(dá)減少,使內(nèi)皮細(xì)胞 DNA 損傷及凋亡易感性增加,修復(fù)其表達(dá)可明顯減少細(xì)胞凋亡,改善血管損傷;進(jìn)一步功能研究發(fā)現(xiàn) p.S817L 為意義不明確突變,p.R309C 為致病性突變,p.N1042S 為良性突變,提示單純基因突變不可能是 PAH 的唯一致病因素,存在其他因素影響其臨床表征,需要進(jìn)一步功能研究闡明影響突變基因蛋白功能的潛在因素[42]。BRCA1 通過 BMPR2-BRCA1 環(huán)路調(diào)節(jié) BMPR2 表達(dá)[6],提示與其含有同源結(jié)構(gòu)的TopBP1 也可能通過類似或其他機(jī)制影響 BMPR2 表達(dá)。
目前認(rèn)為,TBX4(T-Box transcription factor 4)(可能還有附近的其他基因座,包括 TBX2)的突變是一種以異常的可變表達(dá)為特征的綜合征,如骨骼發(fā)育不良(包括手腳發(fā)育異常)、發(fā)育遲緩、聽力損失、先天性心臟病缺損(如動(dòng)脈導(dǎo)管未閉、房間隔缺損、主動(dòng)脈瓣缺損)和 PAH[43]。研究發(fā)現(xiàn)兒童 TBX4 突變率高于成人,法國 TBX4 相關(guān) PAH 研究顯示女性占優(yōu)勢,年齡分布呈雙峰型,通常在兒童時(shí)期或 40 歲以后出現(xiàn)[44],與 BMPR2 相關(guān)的 PAH 一樣,女性占優(yōu)勢表明性別因素參與了 TBX4 突變體的 PAH 發(fā)病機(jī)制,值得注意的是,TBX4 突變常出現(xiàn)肺發(fā)育缺陷[45],這也為 PAH 分類帶來新的變化,究竟 TBX4 突變的 PAH 患者屬于肺發(fā)育異常因素還是遺傳因素,仍需要進(jìn)一步探索 TBX4 信號的分子和其他特征,尤其是與肺血管系統(tǒng)和表型變異的研究。
CBLN2 是目前唯一一個(gè)經(jīng)全基因組關(guān)聯(lián)研究證實(shí)的 PAH 易感基因,該基因突變使 PAH 發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)增加1.97 倍[46],相繼有研究[47-48]在慢性血栓栓塞性肺動(dòng)脈高壓(CTEPH)及系統(tǒng)性紅斑狼瘡性肺動(dòng)脈高壓(SLE-PAH)患者中發(fā)現(xiàn)了 CBLN2 新突變位點(diǎn),目前,CBLN2 作為 PAH 易感基因,研究甚少,具體機(jī)制有待闡明。
目前已經(jīng)在 IPAH、HPAH、PAH-CHD 及肺靜脈閉塞病/肺毛細(xì)血管?。╬ulmonary veno-occlusive disease or pulmonary capillary hemangiomatosis,PVOD/PCH)等多種類型 PAH 中發(fā)現(xiàn)了突變基因,法國對上述高危人群提供遺傳咨詢及基因檢測,2015 年歐洲心臟病學(xué)會(huì)(ESC)和歐洲呼吸學(xué)會(huì)(ERS)發(fā)布《肺動(dòng)脈高壓診斷和治療指南》建議對患有 PAH 或 PVOD/PCH 病的成人和兒童以及有攜帶易感突變風(fēng)險(xiǎn)的成人親屬進(jìn)行遺傳咨詢和檢測。臨床醫(yī)師應(yīng)該在技術(shù)允許的條件下,向這些高危群體及其家庭成員告知遺傳風(fēng)險(xiǎn),以便進(jìn)行篩查和早期診斷。家庭中的基因檢測應(yīng)該從受影響個(gè)體開始,如果家族突變已知,并且未受影響的家族成員該突變檢測為陰性,那么該成員患 PAH 的風(fēng)險(xiǎn)與普通人群相同,這不僅有助于協(xié)助診斷,更能提供充分的心理安慰;即使沒有進(jìn)行基因檢測,也應(yīng)該讓患者了解其臨床癥狀及體征,以確保診斷的時(shí)效性。鑒于外顯率的不完全、生殖問題、基因歧視以及伴隨基因病的各種社會(huì)心理問題,在基因檢測前,應(yīng)進(jìn)行充分的基因教育及咨詢,這些工作需要專業(yè)的臨床醫(yī)師、基因咨詢師、遺傳學(xué)家及檢測機(jī)構(gòu)共同完成[1]。
自 20 世紀(jì) 50 年代以來,PAH 的遺傳學(xué)研究快速發(fā)展,這些研究不僅從基因和分子層面揭示了 PAH 發(fā)生發(fā)展的原因,推動(dòng)了 PAH 臨床診療;也為靶向藥物治療開辟了道路,極大改善了其臨床預(yù)后。但是,該領(lǐng)域目前仍面臨若干問題亟待解決:①研究難度大:PAH 與多病因、多系統(tǒng)相關(guān),常合并其他疾病,且診斷金標(biāo)準(zhǔn)(右心導(dǎo)管測壓)嚴(yán)格,造成其研究常常受入選標(biāo)準(zhǔn)限制,且單中心研究效力欠佳,最好開展多中心研究;②機(jī)制尚不清楚:目前發(fā)現(xiàn)的眾多易感基因,僅表現(xiàn)出相關(guān)性,但其具體的信號通路及分子機(jī)制尚不完全清楚,同時(shí)新的潛在易感基因有待發(fā)現(xiàn);③表觀遺傳學(xué)研究不足:新生突變、基因座異質(zhì)性以及包括 BMPR2 在內(nèi)的多個(gè)突變基因的不完全外顯現(xiàn)象均提示 PAH 基因型與表型并非一一對應(yīng)關(guān)系,基因修飾與環(huán)境因素如何在 PAH 發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮作用,仍需深入探索。PAH 遺傳學(xué)研究挑戰(zhàn)巨大,但其前景廣闊,進(jìn)一步深化該領(lǐng)域研究,對于理解 PAH 發(fā)生發(fā)展、開發(fā)新的靶向藥物、提高臨床診治和指導(dǎo)生育等方面具有重要意義。
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西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目重大研究項(xiàng)目(2017123SF/YX017(2));西安市局級科研項(xiàng)目(J201601002)
王壘,Email:1148007012@qq.com
2021-02-20
10.3969/j.issn.1673-713X.2021.03.013