房颤的分子遗传学机制进展

1、房颤的分子遗传学机制进展一、概述心房纤颤（简称“房颤”），作为一种最常见的心律失常，越来越受到医学界的关注。来自北美、英国及爱尔兰的慢性房颤病人聚集资料分析表明，房颤的总人群发病率为0.5-1%1。Framingham研究发现，即使在调整了年龄、性别及其他疾病因素以后，房颤的发生率仍呈逐年上升趋势，且此趋势随时间的推移愈加明显2。房颤可引起血栓栓塞、心力衰竭等严重并发症，并增加患者的死亡率。房颤可使中风危险性升高4-5倍，还可加重心衰患者的左室功能异常。房颤患者的死亡率为一般人群的2倍。尽管房颤为人们所发现已有2000余年的历史，因未从根本上了解其发生发展的病生理基础，目前对此病的控制仍不满意

2、。分子生物学及分子遗传学技术的发展及其在心血管领域的逐渐应用，为进一步深入了解房颤发生的分子及遗传学机制提供了可能。目前房颤的分子生物学研究主要集中在两个领域：1)家族形式房颤的致病基因的确定。2)疾病状态中改变了的基因表达。关于房颤发生相关的基因表达改变的研究很多，但均不能确定这些改变与房颤发生间的因果关系。因此，相关致病基因的确立对于揭示房颤发生的根本原因具有重要意义。二、房颤的遗传易感性人们很早就意识到遗传因素在房颤发生中的作用。早在1928年Wolff和White就观察到房颤发病呈家族聚集倾向【3】，国内从1979年来亦见有家族性房颤的报道。到目前为止，国内报道的家族性房颤家系共有10

3、余个。国外有人通过因特网调查发现美国50岁以下的家族性房颤的先证者100多位，另外在其他国家亦发现15个先证者【4】，表明家族性房颤的发病率远比人们预想的要多。比较世界不同地区及不同种族房颤流行病学的异同，有助于了解除环境因素以外，遗传因素对房颤发病及其并发症的影响。对来自欧洲与美国的资料粗略对比发现，二者房颤患病率相似。而亚洲与美国相比，房颤患病率则低得多【5】。在英格兰，占大部分人口的白种人房颤患病率为2.4%【6】，而同一地区南亚裔人群的房颤患病率仅0.6%【7】。在易患因素方面，黑人及非洲哥伦比亚人以高血压病为主要的危险因素，而南亚人则以缺血性心脏病为主要因素【8】。风心病在美国已不是

4、房颤的常见原因；而在埃塞俄比亚，则是最常见的引起房颤的疾病【3】。当然因各研究人群的年龄构成及房颤诊断手段的差异，以上比较结果仅供参考。家族性房颤无疑是一种遗传性疾病，根据国内外的系谱分析认为，这些家族性房颤符合一种常染色体显性遗传模式。当然，遗传模式的最后确定只能在致病基因被克隆之后。家族性房颤的一个重要特点是：受累者多属孤立性房颤（LAF）。这不难使人联想到散发性的孤立性房颤发生的遗传决定性问题。孤立性房颤，即指无任何器质性心脏病或全身性疾病证据的一类房颤。这与那些有明显疾病基础（如高血压病、风心病、缺血性心脏病、慢性阻塞性肺病、瓣膜病、先天性心脏病、甲状腺功能异常）及继发因素（电解质紊乱

5、及心胸外科手术等）的房颤存在显著不同，后者可能主要是由环境因素（包括高血压、急性炎症、缺血、缺氧、心房扩大、内分泌异常、电解质紊乱及机械刺激等）决定易患性变异和发病，遗传因素不起主导作用。而在孤立性房颤，却没有这些环境因素存在的证据，这提示遗传因素可能在这类房颤的发病中具有更重要的意义。但目前尚无法确定散发性孤立性房颤的遗传模式：即它究竟是属于呈家族聚集倾向发病的多基因遗传病，还是属于多呈散发或隔代不连续传递的常染色体隐性遗传病（至于性连锁遗传，孤立性房颤发病虽有性别差异，但远不能符合此种遗传模式的特点）。因为孤立性房颤本身发病率较低，仅占房颤总发病率的15-30；而且，这类房颤患者又常常无症

6、状（阵发性房颤病人，无症状发作与症状性发作的比例达12：1【9】，有30-45%的病人其房颤是在进行与心律失常无关的检查时发现的）【10】，因此，不像高血压、糖尿病等常见病一样，散发性孤立性房颤缺乏大样本的人群流行病学和遗传流行病学研究资料。 三、家族性房颤致病基因的确定定位并最后确定一种家族性遗传病的致病基因,一般遵循下列步骤：1)收集疾病的家系资料；2)临床评估，准确诊断正常、受累及不确定个体；3)收集血样以进行DNA分析；4)构建家系系谱；5)用大量散布于基因组的.染色体座位已知的DNA标记进行基因组扫描；6)用计算机软件进行遗传连锁分析，以确定哪个（些）标记与致病基因位点紧密相连；7)

7、进一步筛选包含致病基因的染色体区域两侧的标记，将此区域缩小在1-2cM(1-2百万个碱基对)以内；8)通过候选基因的策略或必要时对包含致病基因的区域的DNA进行分离和克隆，确定致病基因；9)确定致病基因及其特异突变；10)证实突变仅发生于受累个体而不发生于正常个体；11)证实缺陷蛋白和疾病之间的因果关系；12)建立筛选致病基因突变的便利方法。关于家族性房颤的致病基因,现在主要的研究成果来自于1997年Brugada等人的报道。他们共选用300个DNA标记物，对一个现有26位家庭成员、10位房颤患者的西班牙家系进行了全基因扫描，并在另外4个家系中进行验证，将房颤的致病基因定位于染色体10q22-

8、24区域。进一步连锁分析已使此区域缩小在0.5CM以内，但真正的致病基因尚未分离出来【11】。Brugada等人在定位了房颤的致病基因位点后，选取了此区域可能和房颤发生机理有关的几个候选基因进行了测序，包括-、-肾上腺素能受体、G-蛋白耦联受体及一种钾离子通道基因，均未发现有意义的突变，故而排除了这些基因和家族性房颤的相关性，并不得不转入了定位克隆的工作中。【11】四、房颤的遗传异质性与其他常见的遗传性心血管疾病如肥厚型心肌病、扩张型心肌病及长QT综合征（LQTs）一样，家族性房颤也被发现存在遗传异质性。遗传异质性是指一种遗传性疾病由不同的基因突变引起，这种异质性可以是不同座位上的突变基因，或

9、不同突变发生在同一座位上。Brugada等人对世界上其他地区的家族性房颤用10号染色体的遗传标记进行连锁分析，结果排除了此区域与新的房颤家系的连锁，说明引起房颤的致病基因可能不止一个。进一步确定新的致病基因位点的工作正在进行中。【12】另外，一些其他家族性遗传病有时伴有房颤发生，也从另一方面提示房颤致病基因的异质性。因为10q21-23同时又是DCM的相关基因位点，而室上性心律失常与DCM常常在同一家族的成员中呈分离现象，故不排除房颤与DCM是由同一种基因的不同等位基因引起的可能【13】。五、孤立性房颤的候选基因随着基因组计划的推进，大量的人类基因定位测序，候选基因策略已开始在人类疾病基因的研

10、究中起主导作用。而房颤遗传异质性的存在，又使房颤的致病基因可能具有不同的染色体定位。下面根据目前关于房颤发病机制的了解，将与房颤病生理机制密切相关的几类候选基因做一简要介绍。1)自主神经功能调节相关基因 现认为，房颤发作与交感和副交感神经作用不平衡、自主神经支配不均一导致心房不应期离散度增高有关。常将房颤分为交感神经型和迷走神经型房颤。迷走神经作用于心房肌表现为不应期缩短，传导速度下降，使心房肌激动波长减小，房颤易于诱发；同时又具有抑制心房肌自律性和后除极作用，减少心房异位活动的产生，使房颤不易诱发。迷走神经可能主要是通过影响乙酰胆碱敏感的钾电流（IK，Ach）来发挥作用的。IK，Ach主要存

11、在于心房肌中，为G蛋白调节的钾通道，主要受M受体和腺苷受体调节，是影响心脏兴奋性和自律性的主要因素之一【14】。迷走神经兴奋释放乙酰胆碱作用于M型受体，通过G蛋白激活的外向钾离子电流，使细胞膜过度去极化。现有研究表明，迷走神经轻度兴奋时，可能主要通过超极化激活起搏电流(If)减慢心率。【16】交感神经的肾上腺素能受体通路对IK，Ach及L型钙离子通道均有调节作用，但交感神经激动后既可增加钠离子或钙离子的内向电流，又加强外向钾离子电流，故心房有效不应期有时缩短，有时延长。【15】因而交感神经是否发挥作用以及作用的结果如何，取决于钠离子、钙离子及钾离子通道在心房肌细胞的分布以及交感神经的肾上腺素能

12、受体功能状态。日常生活中，迷走神经和交感神经刺激是普遍存在的，而房颤的发生则具有显著的个体差异，有人从来不发生房颤，有人仅单次发作，有人阵发性发作（发作频率也程度不等），有人则易转为慢性持续性房颤。除了个体本身的机体状态、合并疾病及环境因素外，可能也存在着遗传决定的心房肌对自主神经调节反应的易感性不同。因而，自主神经调节过程中所涉及的各种受体（如肾上腺素能受体、M受体和腺苷受体等）、调节蛋白（如G蛋白）及离子通道蛋白（如IK，Ach、钠离子或L型钙离子通道）基因都可作为房颤的候选基因。二)心房电重构相关的基因：人们发现，房颤 “自身延续”的特点主要与房颤致“电重构”有关。电重构表现为心房动作电

13、位时程（APD）及有效不应期(EFR)缩短，心房不应性的生理性速率适应能力减低，逆转甚至消失，伴或不伴心房传导速度改变【17】。心房动作电位的这些变化反映了离子通道水平的改变。对于房颤病人及动物模型的多项研究发现：房颤可使L型钙离子通道（Ica,L）电流密度减低，其亚单位mRNA浓度及蛋白表达水平减低【18】。这可能是对心率失常致钙离子超载的一种适应性反应。瞬间外向钾离电流（Ito）是与复极早期有关的电流。多将Kv4.3作为编码Ito的基因。心脏肥大者，如心房扩大的病人，心房细胞的Ito密度减低，动作电位时程缩短。动物试验亦显示，心房快速起搏后随起搏时程增加，Ito密度及Kv4.3 mRNA以

14、及膜蛋白浓度均下降【19】。延迟整流性钾电流(Ik),是细胞去极化时激活的外向钾电流，其决定基因为Kv2.1,包括快速激活的Ik(Ikr)与慢激活的Ik(Iks)两部分，前者由HERG+ MiRP1编码，后者由KvLQT1+minK编码【30】。另外有一种在整个除极过程中不失活的电流成分,即超速延迟性整流钾电流(Ikur)，为Kv1.5所编码【31】。研究发现房颤病人及动物，其Ik及各亚型密度及mRNA均无变化，而Kv1.5表达下调【32】。Gaspo对犬行不同时间的心房起搏，结果发现，钠离子通道(INa+)密度及心房肌细胞传导速度改变与房颤进行性持续倾向有关。传导速度改变的发生总伴有INa+

15、的改变【26】【33】。超极化激活起搏电流(If)：又称奇特离子流（funny current, If）这是一种去极化Na+/K+的混合电流，控制细胞的起搏活动 ，与心脏自律性有关【34】。Lai等测量表明，双房游离壁及心耳皆有存在，左房充盈压越高，If的mRNA越丰富，同时房颤患者的IfmRNA显著高于无房颤者。提示心房颤动的发生可能和If过度活动有关【35】。由于上述多项房颤相关离子通道活性及通道蛋白表达的改变，根据“共同通道学说”，Bowles等人推测，家族性房颤可能和长QT综合征一样，亦是由一组离子通道基因突变引起的“离子通道病”。【36】三)心房的结构重构相关基因房颤所致的心房结构重

16、构宏观上表现为心房扩张及心肌纤维化。在细胞及分子水平则与细胞骨架改变以及信号传导异常密切相关。现研究较多的是缝隙连接蛋白的改变。缝隙连接是心肌相邻细胞间的连接结构，其作用为协调心肌的机械和电生理活动，控制冲动传导速度。人类心肌中的缝隙连接蛋白（CX）主要有CX40,CX43和CX45。CX在人类心肌中的分布具有选择性。CX43在各个心腔都很丰富，CX40主要分布在右心房，其次是左心房，在心室仅有少量存在。CX45主要分布在传导组织，部分分布在瓣膜组织。不同CX构成的GJ,其电导不同【37】。正常心房肌的各向异性的结构基础取决于缝隙连接的方式。房颤的动物模型研究发现，慢性房颤中CX40和CX43

17、均发生了含量、分布及结构的重构【39】，可能与房颤的发生和维持有关。心肌纤维化相关基因的研究亦有报道。有研究对开胸手术获得的心房肌标本进行蛋白质及mRNA水平的测定表明，房颤与心房血管紧张素受体AT1R的蛋白下调或AT2R的蛋白上调表达有关【40】。而同样是开胸手术获得的心房肌标本，另一项研究则发现，房颤患者中细胞外信号调节激酶（Erk）和血管紧张素转化酶（ACE）表达增加，并认为，心房间质中这种ACE依赖的激活的Erk1/ Erk2数量的增加可能为房颤患者心房纤维化发展的分子机制【41】。在日本有人观察了血管紧张素转化酶ACE基因多态与孤立性房颤的相关性，未得到阳性结果【42】。四)心房发育

18、异常相关基因电生理研究发现，部分房颤来源于一种局灶性的、快速、有序的异常电活动，并由此向四周扩散。这种异常电活动常来自于窦房结冠状静脉窦口腔静脉口、肺静脉在心房开口附近区域。这些异位病灶解剖基础的形成可能与心房的形态发生有关。目前确定的几种在心房发育中起重要作用的基因，包括：TBX5，NKX2.5，EVC，和PRKAR1基因，这些基因的突变分别可引起Holt-Oram综合症（其中要特征为心脏间隔缺损伴有上肢畸形）、家族性房间隔缺损伴房室传导阻滞、Ellis-van Creveld综合症（一种常染色体隐性遗传病，常引起先天性心脏和骨骼发育缺陷）以及Carney 综合症（遗传性心脏粘液瘤伴有皮肤色

19、素沉着及内分泌异常）【43】。尚未确定与家族性房颤有关的此类基因。五)其他家族性遗传病相关基因另外，除了单纯家族性孤立性房颤外，有些其他的家族性遗传病常伴有房颤发生，包括家族性扩张型心肌病（FACT）、家族性肥厚型心肌病（FACT）、4型Lets、家族性心脏传导障碍性疾病以及一些先天性肌营养不良肌萎缩性肌病、中线异常综合征等。这些疾病的致病基因及其蛋白质产物、相关功能的确定，可对房颤发生的分子机制具有有意义的提示作用，从而有助于房颤致病基因的确定。特别是发现家族性扩张型心肌病的一个致病基因位点与房颤在同一条染色体的较小区域（10q21-24）内，表明二者存在重要联系【44】。确定家族性房颤的致

20、病基因，并揭示相应的蛋白表达、分子结构及功能改变，不但有助于该类患者的基因诊断和治疗，还可促进对非家族性发生的此病分子本质和病生理基础的理解。目前问题主要在于，基因缺陷究竟在多大程度上决定获得性房颤的发生。问题的解决需要有人群流行病学和遗传流行病学资料做依据（现在国内外这方面的研究和资料极为有限，并没有像冠心病、糖尿病、高血压等现代流行病一样形成一个广泛全面而系统有序的研究体系），加以分子生物学家、遗传学家及临床学家的广泛交流和通力合作才可能最后完成。参考文献1. Chugh SS, Blackshear JL, et al. Epidemiology and nature history o

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