NKX2.5和TBX5與先天性心臟病的研究進展

胡易池(綜述)，楊毅寧(審校)

(新疆醫科大學第一臨床醫學院，烏魯木齊 830054)

NKX2.5和TBX5與先天性心臟病的研究進展

胡易池△(綜述)，楊毅寧※(審校)

(新疆醫科大學第一臨床醫學院，烏魯木齊 830054)

心臟特異轉錄因子是指主要在心肌細胞中表達的關鍵的轉錄活化因子，調控編碼心肌細胞結構蛋白或調節心臟基因蛋白的表達。目前研究較多的心臟特異轉錄因子有Nkx2.5、MEF2C、Irx4以及TBX5。心臟特異轉錄因子的突變是先天性心臟病遺傳學方面的主要病因。研究顯示其中Nkx2.5和TBX5為單純性心臟病中2個主要的致病基因，它們協同作用，調控許多下游基因的正確表達?，F對它們的結構、功能、相互關系及其變異引發先天性心臟病的可能機制進行綜述。

先天性心臟病;易感基因;心臟發育

先天性心臟病(congenital heart disease，CHD)是指胚胎時期心血管異常發育對心功能產生了實際或潛在影響的一種先天畸形，在新生兒中發病率為1%～2%，嚴重危害嬰幼兒健康。CHD發病的內在因素主要與遺傳有關。最近十幾年來遺傳學研究的顯著成果之一是基因定位，即確定某致病基因在染色體上的特定位置。根據致病的遺傳物質及遺傳方式的不同，分為單基因遺傳缺陷、多基因遺傳缺陷、先天性代謝紊亂和染色體畸變。實驗和臨床資料顯示，15%的CHD與單基因致病有關，85%仍由多基因所致病，但易感基因尚未確定［1-2］。

參與心臟發育及CHD形成的分子主要有4類，即轉錄因子、信號分子、細胞黏附分子、離子通道分子。其中，各種轉錄因子之間通過相互作用形成精確的調控機制，參與心臟發育，發揮著中樞性作用，近期人們研究較多的轉錄因子主要有TBX5和NKX25等。

1 NKX2.5

1.1 NKX2.5基因的結構 NKX2.5基因屬于Hombox基因家族，定位于5q3511，cDNA全長1632 bp，2個外顯子，編碼324個氨基酸，是心臟前體細胞分化的最早期標志之一，許多功能重要的啟動子、增強子、自動調節因子和抑制因子存在于該基因的側翼序列及外顯子之間，這些元件在不同時間和空間全方位調控NKX2.5基因，使其在心臟發育過程中發揮復雜的作用。

1.2 NKX2.5 基因在正常發育及成熟心臟中的功能

人類心臟的正常發育過程異常復雜。NKX2.5是參與各個發育過程的心臟前體細胞最早的標志物之一。它由特定信號誘導，通過自身的啟動子、增強子、自動調控因子及抑制子的協調作用，按心臟發育的特定時空順序進行表達。它于心肌分化前開始表達，在心房及心室的發育、心臟環化、房室瓣的形成、房室傳導的維持及動脈干分隔等一系列功能上起著舉足輕重的作用。同時它又以轉錄因子的形式直接或間接地參與與心臟發育密切相關的其他基因的表達調控。Sultana等［3］通過救援實驗展示 NKX2.5 是 Ecx調停信號的下游中介。隨著心臟的發育成熟，該基因的表達范圍趨向局限，僅在房室肌細胞中表達，盡管如此，它對成熟心臟發揮其正常功能是必需的。Pashmforoush等［4］研究證實，NKX2.5 參與出生后心肌細胞的功能調控和增殖調節，心臟房室結的形成和功能維持依賴于心肌細胞中NKX2.5的正常表達。但Jay等［5］認為，任何依賴Nkx2.5劑量的基因表達是針對個體基因和生理環境而言的。

1.3 NKX2.5 基因突變與 CHD Wang 等［6］在 136例室間隔缺損患者中把整個NKX2.5基因的編碼域按順序排好，一個已鑒定有突變的遺傳病家族中的親屬和200個無親緣關系的個體予以基因分型。在一個常染色體顯性遺傳的室間隔缺損家系中鑒定出一種雜合的NKX2.5p.P59A突變。分析結果顯示，NKX2.5P.P59A突變與轉錄活性降低有關。這些發現擴展了與室間隔缺損有關的NKX2.5突變頻譜并提供了一個與室間隔缺損有關的分子機制新視野。Pabst等［7］對一個家族三代受房間隔缺損(atrial septal defect，ASD)和其他先天性心血管疾病所致房室傳導阻滯影響的5例女性成員的研究，認為突變引起NKX2.5單倍體不足以致功能缺陷是這個家族發生這種疾病的病理生理學機制。有研究發現，CHD患者NKX2.5基因突變類型很多，某些類型在VSD和ASD患者中具有特異性。Granados-Riveron等［8］研究多個突變在CHD中的可能作用，在同一組患者中進行NKX2.5、GATA4、TBX5聯合突變篩查。鑒定出兩個多重雜合的突變案例。其中一例患者L122P NKX2.5新奇突變與MYH6A1443D普通突變相關，另一例患者D425N GATA雜合子突變也伴隨基因MYH6(V700M)普通突變。Reamon-Buettner等［9］發現，檢測到散發性CHD的頻率為2%左右，而且以前NKX2.5突變檢測僅針對患者或普通家庭，同時也缺乏相關的基因表現型，不同的NKX2.5突變展現出同樣的心臟畸形或相同NKX2.5突變顯示出不同的畸形?？偨Y已公布的NKX2.5突變，探索不同疾病的發病機制，贊成CHD可能由幾個基因和相關途徑所引起的觀念。Peng等［10］對135例中國非家族性先天性心臟缺陷的兒童NKX2.5和GATA4的聯合突變進行評估，發現GATA4和NKX2.5錯義突變可能導致中國兒童先天性心臟缺陷。這需要進一步大樣本的臨床研究進行佐證。Zhang等［11］采用聚合酶鏈反應、變性高效液相色譜法和測序調查中國漢族230非綜合征CHD患者NKX2.5基因編碼域的突變，在患者中沒有發現致病突變。收集的數據表明，NKX2.5突變在中國漢族CHD高度罕見的。因此，NKX2.5突變調查應限于大量家族性的和特殊表型的漢族CHD患者。Terada等［12］采用他莫西芬誘導消融NKX2.5為靶基因的大鼠進行研究表明，在胚胎發育到12.5 d時開始消融NKX2.5，胚胎在發育到17.5 d時死亡。在發育到16.5 d時突變胚胎可出現心律失常，心臟收縮缺陷，心臟畸形，包括ASD。應用組織結構連續切片及三維重建定量測量證明消融NKX2.5會導致胚胎房間隔和擴大的卵圓孔生長停滯。很顯然，NKX2.5對于哺乳動物心臟的正常發育十分關鍵。Joziasse等［13］在4個患有CHD和房室傳導阻滯的家族中發現了NKX2.5基因的突變。Takeda等［14］研究表明，NKX2.5對2周大的嬰兒的心臟傳導和收縮是必要的，但是較之圍生期有實質性的不同。

2 TBX5

2.1 TBX5基因的結構 TBX5基因定位于12q2411，屬于 T-box轉錄因子基因家族。TBX5 cD2NA全長2133 bp，8個外顯子，編碼518個氨基酸。T-box基因家族的功能是作為轉錄因子調控胚胎的生長發育過程，其家族基因均具有保守片段，該片段在進化過程中具有很強的保守性。

2.2 TBX5基因在心臟正常發育中的功能 TBX5基因在心臟發育中的研究最為廣泛。研究表明，TBX5對心臟發育的作用主要表現在心室腔形成和傳導系統發育上，發揮著重要作用。TBX5轉錄因子在早期心臟發育，特別是在心房和左心室的發育中起著獨一無二的作用。研究發現在鳥類及鼠類的胚胎TBX5是從心臟的原基和后部的心管開始早期表達的。Goetz等［15］證實了 TBX5完全控制胚胎心肌細胞周期和心臟分化的時間進程，也就是說TBX5在調節心臟細胞周期的進展。Camarata等［16］研究證明，保持TBX5因子活度的平衡對房室交界和瓣膜的形成十分關鍵。在心臟分化之前TBX5于整個早期心管形成表達區，以后在明顯房室系區分時逐步限位于后部心房形成區。以上研究表明，在心臟早期發育過程中TBX5的表達方式是動態的，而對于房室腔初始分化和間隔的正確形成這種動態的表達方式十分關鍵。

2.3 TBX5基因突變與CHD TBX5基因突變會使TBX5轉錄因子表達異?；虮磉_缺陷，引起心臟發育不良和上肢畸形，已被確認為 Holt-Oram綜合征(Holt-Oram symdrome，HOS)的致病基因。HOS又稱心手綜合征，屬常染色體顯性遺傳病，患者表現為以ASD為主的心臟異常和上肢不同部位、不同程度的畸形。目前，在HOS中已發現了37種TBX5突變類型，其中包括錯義突變、染色體缺失、無義突變和重排。Vianna等［17］通過電腦斷層攝影顯示1例36歲的由TBX5基因新的突變(外顯子8受體結合位點，c.663-1G＞A)引起的HOS患者有ASD和異常的右冠狀動脈橫跨在主動脈與肺動脈之間。這是HOS體征描述的又一補充。Postma等［18］報告1例典型HOS患者，有輕度骨骼變形并出現陣發性心房纖顫，卻很少患有CHD。TBX5序列顯示了一個新穎的突變，c.373G＞A突變導致P.Gly125Arg錯義突變。推測致病機制潛存于輕微的骨骼表型及陣發性房顫，暗示致心臟功能發展為心房纖顫的TBX5的一個可能的作用是靶基因經TBX5直接或間接刺激TBX3。Mori等［19］研究表明，發育中的心臟對TBX5劑量異常敏感，TBX5劑量的輕微改變對CHD嚴重性帶來直接影響。Boogerd等［20］發現，TBX5的兩個新的錯義突變p.H220del和p.l106v突變導致TBX5單倍不足，從而致靶基因轉錄因子激活減少，這可能是HOS發病機制的中心環節。Wang等［21］證明引起人類HOS的TBX5G80R突變不能與心肌蛋白協同激活心臟基因的表達。這些資料揭示TBX5和心肌蛋白在建立心臟基因激活轉錄控制基礎方面起關鍵作用。也就是說心肌蛋白與TBX5相互作用也許參與心臟的發育和病變。Nadeau等［22］報告轉錄因子TBX5存在于心內膜亞細胞群，其消融完全導致大鼠滲透的、量依賴的心房室間隔缺損。缺乏TBX5的心內膜細胞凋亡增加，以及通過激活心內膜NOS3，使之作用于房間隔心肌細胞的TBX5，這是疾病發病的潛在機制。同時他們還發現NOS3基因受許多因素包括CHD風險因素、壓力和糖尿病的影響，與TBX5基因相互作用提供了一個用來理解人類有出生缺陷背景的遺傳-環境相互作用的分子框架。Camarata等［23］利用斑馬魚研究發現，正確控制TBX5活動的平衡對房室邊界和閥門的正常形成至關重要。Liu等［24］在192例兒科先天性室間隔缺損患者和對照組192例配對健康人進行了研究，認為TBX5與室間隔缺損的發生有關，也許是漢人一種CHD的缺陷基因。Maitra等［25］證明了GATA6基因和TBX5相互作用，形成一個不完全滲透的新生兒致死傷和薄心肌表型。對這兩類雜合子同時進行了基因表達分析，只有在GATA4/TBX5雜合子里的始端肌球蛋白重鏈展現了向下調節。結果突出了在活的機體內GATA4、GATA6和TBX5在心臟正常形態形成時的相互作用。Zhu等［26］研究表明，作為 HOS的一部分，小鼠和人類T-box轉錄因子TBX5單倍不足引起先天性心臟缺陷。由TBX5單倍不足導致小鼠心室細胞自主放松缺陷。此外，他們發現HOS患者有顯著的舒張期血液充盈異常。這些結果揭示了直接調節心臟舒張功能的遺傳途徑。

3 NKX2.5與TBX5在心臟發育中的生理及病理關系

NKX2.5和TBX5都是高度保守的轉錄因子，在胚胎發育過程中起著重要作用。人和小鼠的NKX2.5和TBX5基因在結構和功能上是高度同源的。NKX2.5基因表達是體細胞分化的最早標志之一，對果繩、小鼠及人類心臟的正常發育必需的。在心臟發育過程中，NKX2.5作為上游的主基因調控許多下游基因的表達，其中包括對TBX5的直接調控作用［27］。CHD患者的NKX2.5基因mRNA表達呈下降趨勢，推測單純性CHD中NKX2.5表達下調可能是TBX5基因表達下調的原因。心臟同源盒蛋白質NKX2.5是心臟發育所必需的，Csx(編碼Nkx2.5的部位)的突變造成各種各樣的先天性心臟疾病。Hiroi等［28］制造心肌和肢體畸形的HOS模型，發現NKX2.5和TBX5功能上緊密關聯。轉染NKX2.5和TBX5進入COS-7細胞的研究表明，它們在哺乳動物細胞內也彼此聯系。這些結果表明，兩種不同類型的心臟轉錄因子協同誘導心臟發育。

以上研究表明NKX2.5和TBX5是單純性CHD相關的2個重要基因，心臟特異轉錄因子在心臟發育的特定階段起著關鍵作用，依賴于它們之間的相互作用及對靶基因的調控，它們在其中任何一個環節發生變異都可能引發心臟先天畸形。其中，TBX5是引起合并CHD的人類HOS的基因，NKX2.5不僅是引起家族性孤立性心臟病即心臟間隔缺損的相關基因，而且還是散發CHD的致病基因。

4 小結

綜上所述，從基因的相互關系或分子層面等對CHD的發病機制作出了定性或量化的闡釋，認識到在心臟發育過程中多個基因參與其中，共同組成對心臟發育進行調控的網絡狀有機體系，在功能上它們既有明確分工又相互合作，對心臟的調控既有時空的不同，又有地位上的差別，共同支配心臟的正常發育。它們在心臟不同發育時期有著表達與調節的不同，在心臟發育中與機體生長發育、能量代謝、細胞周期等蛋白基因相互協調、相互影響。為CHD的基因診斷和治療提供更多的依據，增強了針對性。目前在CHD研究中已明確的易感基因或為基因缺陷或為單基因突變，它們都是重要的病因，越來越多的研究和發現已經并正在證實著絕大多數CHD是多個基因共同致病的結果，在家族性CHD或伴CHD的遺傳綜合征已找到較多的基因突變的明確證據，但在大量散發CHD它們的致病基因依然有待證實或僅作出定性鑒別，基因篩查工作任重道遠。

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Research Progress of NKX2.5，TBX5 and Congenital Heart Disease

HU Yi-chi，YANG Yi-ning.(The First Clinical Medical College of Xinjiang Medical University，Urumuqi830054，China)

Heart specific transcription factors are the key activated transcription factors expressed mainly in myocardial cells，which regulate expression of coding myocardial cell structure protein or modulate cardiac gene protein.Heart specific transcription factors in more research currently include：Nkx2.5，MEF2C，Irx4 and TBX5.Mutations of heart specific transcription factors are the main cause of congenital heart disease in genetics.Studies show that Nkx2.5 and TBX5 are two major ones of all the virulence genes in the idiopathic heart disease，which act in synergy and regulate correct expression of many downstream genes.Here is to make a review on their structure，function，relationship and the possible mechanisms of congenital heart disease triggered by their variation.

Congenital heart disease;Susceptibility genes;Heart development

R541.1

A

1006-2084(2012)13-1986-04

新疆維吾爾自治區自然科學基金面上項目(2010211A44)

2011-11-09

2012-02-18 編輯：樓立理