三種常見先天性長QT綜合征的基因突變特點及致病性評估流程

楊 英 張 萍 呂婷婷

(1.三峽大學 第一臨床醫學院[宜昌市中心人民醫院]心血管內科 &三峽大學 心血管疾病研究所,湖北 宜昌 443003;2.清華大學 醫學院,北京 100084;3.清華大學 附屬北京清華長庚醫院 心內科,北京 102218)

先天性長QT 綜合征(long QT syndrome,LQTS)是一類編碼心臟離子通道(鈉、鉀、鈣)或離子通道調節蛋白的基因突變,導致心臟復極延遲,QT間期延長,以尖端扭轉型室速、室顫、暈厥甚至猝死為主要表現的一組常染色體遺傳病。LQTS的發病率約為1:2 000,多見于青少年,是青少年猝死的主要原因[1]。根據遺傳方式不同,LQTS可分為常染色體顯性遺傳和隱性遺傳的綜合征,后者常伴有先天性耳聾。因為LQTS 的基因型與臨床表型的一致性較好,臨床中常根據致病基因不同進行分型,目前發現至少有17個亞型,以LQT1～3型最常見,占LQTS的75%～80%,其中LQT1占35%～40%,LQT2占25%～30%,LQT3 占10%～15%[2-4]。在我國,以LQT2最常見,其比例可高達52%[5]。

基因突變包括點突變、移碼突變、插入/缺失突變和剪接突變,LQTS的基因突變以點突變最常見。近年來,國內外學者在三種常見的LQTS 患者中相繼發現了近千個突變位點,其中有10%～20%的突變不影響所編碼蛋白質的功能,即“假陽性”突變,不能用于指導LQTS 的危險分層、臨床治療和預后分析[2-4]。近年來,研究者們陸續驗證了LQTS突變基因的電生理功能,尋找突變基因的致病規律,篩選出“假陽性”突變,探索LQTS突變基因的功能評估流程,為臨床快速識別致病突變提供新思路。本文就上述研究的最新進展進行綜述。

1 三種常見LQTS的基因突變特點

1.1 LQT1

心臟緩慢激活延遲整流鉀通道(slowly activated delayed rectifier potassium current,IKs)由KCNQ1基因編碼的4 個α亞單位和KCNE1 基因編碼的2個附屬β亞單位組成,α亞單位有676個氨基酸,包含N 末端、C末端及跨膜區(6次跨膜的核心區和1個成孔區),其中N 末端和C 末端均在胞漿側,LQT1是編碼α亞單位的KCNQ1基因突變所致。

LQT1患者檢測KCNQ1 基因的6 個大規模臨床研究匯總分析發現,244個突變位點中,55%位于跨膜區,39%位于C末端,6%位于N 末端,致病性風險得分從高到低依次為跨膜區、C 末端和N 末端,進一步分析發現C 末端子單元(subunits assembly domain,SAD)區(589-620氨基酸)突變的致病性強,其風險估計預測值(estimated predictive values,EPVs)為100%(95%CI: 64%,100%)[3,6]。上述研究結果提示,跨膜區和C 末端SAD 區的突變率和致病風險均最高,應高度警惕上述位置的突變。一項納入278例LQTS的研究[7]發現,LQT1男性患者在青春期后的QTc間期開始縮短,在12 歲后出現QTc間期明顯短于女性患者,提示LQT1發生心律失常的風險不僅與基因突變位置有關,還與性別、年齡相關。此外,也有研究發現,KCNQ1 的常見突變還存在地域差異,南非人群的常見突變A341V 位于KCNQ1的第6次跨膜區,致病性強,患者猝死風險高[8];日本最常見的突變為A344spl,致病性中等[9];瑞典和芬蘭的常見突變分別為Y111C和G589D,致病性較弱,心臟事件的發生率低[10-11]。然而,截至目前,我國關于LQT1突變基因的報道多為個案報道或小樣本研究,KCNQ1在亞洲人群中的突變規律、致病規律及其與地域、性別、年齡等因素的關系尚無大規模、多中心研究數據報道。

1.2 LQT2

快速激活延遲整流鉀通道的結構與IKs相似,α亞單位由KCNH2基因編碼,含有1 159個氨基酸,LQT2是編碼α亞單位的KCNH2基因突變所致。

我國LQT2發病率為52%,高于LQT1(44%)[5]。LQT2患者檢測KCNH2基因的6 個大規模臨床研究發現了337個突變位點,跨膜區、C 末端及N 末端的突變比例分別為36%、33%及31%,致病性風險得分最高的是跨膜區。進一步分析發現,C末端環狀核苷酸結合域(cyclic nucleotide-binding domain,cNBD)區(742-842 氨基酸)和N 末端PAS/PAC 區(41-70/92-144氨基酸)突變致病性強,其EPVs分別為100%(95%CI: 58%,100%)和100%(95%CI:48%,100%)[4,6],提示KCNH2跨膜區的突變率和致病風險均較高,C 末端和N 末端突變率和致病風險相當,但應特別注意C末端cNBD 區及N 末端PAS/PAC區突變的高致病性。一項納入278例LQTS的研究發現,LQT2男性患者在青春期前QTc間期進行性延長,在青春期開始后QTc間期縮短;在5歲之前和14～26歲,LQT2男性患者的QTc間期明顯短于女性患者,而在5～14歲男性患者的QTc間期明顯長于LQT2 女性患者[7]。在另一項納入154 例QTc間期正常的LQT2 患者的研究中也發現,KCNH2成孔區突變發生心臟事件的風險高于其他區域,且成年女性發生心臟事件的風險明顯高于男性(HR=4.09,95%CI: 1.89,8.81,P<0.001)[12]。此外,對316 例LQT1 和LQT2 芬蘭兒童平均隨訪12年,未發生心臟性死亡事件,并且芬蘭兒童心臟事件的發生率明顯低于其他患者[13]。上述研究結果提示,LQT2患者發生心臟事件的風險不僅與基因突變位置、性別、年齡和生長發育有關,還可能與地域和人種有關,應特別重視青春期后女性患者的管理。

1.3 LQT3

電壓門控鈉通道由孔道蛋白α亞單位和調節蛋白β亞單位組成,α 亞單位由SCN5A 基因編碼的2016個氨基酸組成,其結構較鉀通道更復雜,除胞漿側的N 末端和C 末端外,還有四個跨膜區和三個區間連接器,LQT3是編碼α亞單位的SCN5A 基因突變所致。

Kapplinger等[2]對2 888例LQT3患者的基因檢測結果分析發現,SCN5A 最常見的突變位點位于Ⅲ～Ⅳ區間連接器(DⅢ/DⅣ),其次是跨膜區的第三至第六次跨膜及第五至第六次跨膜間連接(S3-5+S6)。致病風險分析發現,DⅢ/DⅣ突變的致病風險最高,其EPVs為95%(95%CI: 78%,99%),其次為跨膜區的S3-5+S6,其EPVs 為90%(95%CI:79%,95%),該區常見突變為V411M(DⅠ-S6)、R1623Q(DⅣ-S4)和I1768V(DⅣ-S6),剩余區域的致病風險較低,EPVs為47%(95%CI: 26%,62%)。日本一項納入116例LQT3患者的多中心回顧性分析發現,SCN5A 跨膜區的S5+S6發生突變,最易發生惡性心律失常事件(HR=4.2,95%CI: 2.09,8.36,P<0.001),且未發現明顯的性別差異[7]。此外,SCN5A 突變還可表現為其他類型的心律失常,如Brugada綜合征、心臟傳導阻滯和竇房結功能不全等。E1784K 為SCN5A 的最常見突變,在SCN5AE1784K 突變陽性患者中發現LQT3、Brugada綜合征、心臟傳導阻滯及竇房結功能不全[14],這提示當QTc延長、Brugada綜合征、心臟傳導阻滯和竇房結功能不全等出現家族聚集現象時,應高度警惕SCN5A 突變可能。

2 三種常見LQTS的“假陽性”突變

2011年美國心律學會和歐洲心律學會在《心臟離子通道病與心肌病基因檢測專家共識》中指出,經心臟病專家診斷或高度懷疑的LQTS患者均應進行KCNQ1、KCNH2 和SCN5A 基因檢測[15]。隨著基因檢測技術的發展,LQTS基因檢測數據的完善,研究者發現,既往報道的LQTS突變基因中,有10%～20%為非致病性突變,即“假陽性”突變[2-4]。主要原因在于,既往研究中,對照組樣本量過小,人群數據庫更新不及時,錯誤地把人群中不影響蛋白質結構和功能的背景突變當作LQTS 的致病突變。因此,篩選出LQTS的“假陽性”突變,對疾病的診斷、治療及預后評估具有重要意義。Ackerman等[15]通過匯總分析LQTS的大規?；驒z測數據,以基因組聚合數據庫中人群序列為對照組,利用突變基因所出現的頻率及8個生信預測軟件進行初篩,意義不明確的突變用全細胞膜片鉗技術進一步行電生理功能驗證,結果發現,LQT1 中有32 個“假陽性”突變,LQT2 中22個,LQT3中8個,詳見表1。

表1 三種常見LQTS中已明確的“假陽性”突變

對不明原因猝死的嬰兒進行SCN5A 基因檢測發現了31個突變,經預測有23個為“假陽性”突變,但未進行功能驗證[16]。此外,在7 244 例LQT1-17的全外顯子測序中也發現,LQTS相關基因突變為背景突變的比例可能會更高[17]。綜上所述,LQTS 基因突變為“假陽性”突變的比例可能高于10%～20%,目前篩選驗證的“假陽性”突變只是冰山一角,具體到不同年齡、性別及不同種族的患者是否適用,尚需進一步驗證。

3 三種常見LQTS突變基因的致病性評估流程

鑒于LQTS相關基因突變存在“假陽性”突變可能,尤其是錯義突變可能漏判或誤判,而對每一個新發現的突變基因進行電生理功能驗證,耗時長、成本高、技術條件受限,不利于疾病的快速診斷。因此,探索LQTS突變基因的致病性評估流程,對突變基因的功能評估及疾病的快速診斷具有重要意義。Kapplinger等[2]通過總結LQTS基因檢測數據,結合實驗室經驗,探索出SCN5A 陽性突變的診斷流程,如圖1所示。

圖1 SCN5A 突變的致病性評估流程[2]

該流程中SCN5A 突變基因的致病性風險評估主要包括四步:首先,確定突變是否為激進突變;其次,確定該突變在正常人中是否表達及在LQTS 患者中是否過表達;若前兩步無法確定其致病性,則進一步行SCN5A 蛋白的拓撲學分析;最后,對于蛋白拓撲學分析尚無法確定其致病性者,使用生信分析預測軟件進行評分;經上述四步仍然無法確定該突變是否致病時,應再次結合患者病史、家族史、心電圖等資料評估LQTS的診斷是否成立。

Kapplinger等[2-4,18-21]使用的生信分析預測軟件包括Ortholog、Paralog、Grantham、SIFT、Mutation Assesor、PolyPhen2、Condel和KvSNP,每個工具評分為0分或1分,1分提示該突變可能致病,多個評估工具得分相加,根據總分預測致病風險。SCN5A突變風險評估使用前7種評估工具,以4分為界值,若總分≥4 分提示致病可能性大[2]。在Clemens等[3]和Mattivi等[4]關于KCNQ1和KCNH2突變基因致病風險預測中,運用前述8種預測工具,以總分為6～8分提示KCNQ1突變可能致病,而總分為8分提示KCNH2 突變可能致病,如圖2、圖3 所示。且在Giudicessi等[22]對KCNQ1和KCNH2突變基因進行鑒定時,使用UCSC Conservation、Grantham、SIFT、PolyPhen2四種評估工具,若總分≥3分提示致病可能性大。綜上所述,目前,LQTS突變基因的致病性評估流程尚不完善,不同實驗室和不同疾病使用預測軟件的種類和數量不同,評分標準也不統一,且敏感性和特異性未知,尚無法很好地用于指導臨床。

圖2 KCNQ1突變的致病性評估流程[3]

圖3 KCNH2突變的致病性評估流程[4]

4 結語

隨著基因檢測技術的發展,越來越多的LQTS突變基因被發現,促進了LQTS基因診斷的快速發展。目前已發現,LQTS 的不良心臟事件不僅與LQTS分型、基因突變位置有關,還與性別、年齡、種族、地域等因素有關,也明確了LQTS三種常見亞型的高致病性突變區。大數據匯總分析也發現,LQTS基因突變有部分為“假陽性”突變,無致病性,不能作為LQTS 的分型和預后評估的參考標準。目前,LQTS突變基因的致病性評估流程也初見雛形,但不同實驗室和不同疾病使用預測軟件的種類和數量不同,評分標準也不統一,且敏感性和特異性未知,還無法很好地用于指導臨床,尚需大數據進一步驗證和完善。此外,由于LQTS 發病率低,漏診和誤診率高,目前研究進展緩慢,且我國關于LQTS 基因診斷的研究多為小樣本研究或個案報道,其突變特點和致病特點如何,現有致病性評估流程是否適用,尚需進一步驗證。