扩张型心肌病基因组与表型组标记物整合管理进展

【摘要】
   扩张性心肌病(DCM)相当一部分有遗传病因,DCM也可由环境损伤(如感染、毒素或儿茶酚胺过量)引起。分子遗传检测可以发现有遗传性DCM危险因素的患者,而表观遗传和标记表型分期可以帮助发现需要干预治疗的高风险患者,表型分期包括临床和影像特征结合、转录组、更高层次的蛋白质组与代谢组的相互作用和流行病学资料。这些原理可以应用于DCM患者其他家族成员基因检测和临床表型确定。这使人们可以针对有相似危险因素的患者设计特异的干预方案,以改变DCM的自然进程,防止并发症(如HF/心律失常)的出现。本文综述了从DCM到心力衰竭(HF)的病因通路、遗传标志物和蛋白标志物的整合管理,也可为其他心血管疾病的基因和表型信息研究提供参照。
【关键词】:生物标记;心肌病; 基因组学;个体化医疗;蛋白组学

   心血管疾病是宿主的应激或损伤反应产生的不适当因素累积引起的,通常与遗传有关。典型的症状为心衰的代偿表现,常出现很晚。心血管疾病进展的中间阶段(包括炎症、生长、凋亡或自噬)直接导致了组织重塑。这一阶段在临床上没有任何症状,但是它是干预的最佳时机。一般的例子包括冠心病中的动脉粥样硬化斑块,无症状的左室收缩功能障碍或心房纤颤出现之前的心房重塑。
   本文旨在把当前的基因组学和表型组学的概念应用于扩张型心肌病及其进展到心衰的过程中,包括了遗传易感性、影像表现、DCM临床前期的蛋白组学和早期干预防止并发症的发生。
一、表型组、基因组和表观遗传组
   基因组的变异、基因的生物效应及与环境的相互作用共同决定了生物的分子、生化、生理、临床表现(表型)。在这里我们把表型组解释为整个生物多维的表型信息,不仅包括临床特征,而且还有基因组学的细胞、组织、器官、个体(包括流行病学数据)的信息,其范围涵盖了基因表达(转录组学)、基因网络(综合的基因组学)和更高次序的蛋白组学与代谢产物学的相互作用。 
   基因组学的研究是通过分析普通变异与微小变异的遗传密码和单个核苷酸或更大结构(拷贝数变异)的改变,以此分析基因变异对表型组的全部影响。表型组整合了更高次序的相互作用或系统生物学网络,因而可以更好地定义疾病的转变过程。
   表观遗传学定义为基因组在其核苷酸序列不改变的情况下与环境的交互作用引起的表型改变,表观遗传机制通常包括甲基化、乙酰化、基因功能的亚硝基化修饰。这些表观遗传变化是可以遗传的,全部的变化加到一块组成表观遗传组。一个有着完全相同脱氧核糖核苷酸(DNA)序列的同源鼠系由于表观遗传修饰差异可以显现出明显不同的表型(图一)。其他的例子包括有父系或母系遗传倾向的糖尿病或由母体子宫环境导致的出生后心血管风险。

   这六只小鼠有着完全相同的基因组DNA,它们是基因纯化家系同窝出生的,这个基因纯化老鼠家系是经过30代的同代雌雄交配形成的。毛色的差异反映了表现度的变化,这是转录活跃的反转座子影响毛色基因座上游的隐藏启动子的表现,在每只小鼠的胚胎发育过程中反转座子重设是后生的但是可变的。
二、DCM与HF的联系:表型组和基因组因素
   人们没有DCM特异病因的推断,DCM通常呈现很少的表型特点而不能区分其病因。家族史有着非常重要的价值,由于孟德尔遗传疾病有家族聚集性,所以现在指南要求把家族史作为发现遗传性DCM的一个重要方法。但是即使在已经排除缺血和其他可检测病因(除遗传病因外)的情况下,只有家族史仍不能准确地发现家族性DCM(人们通常称之为特发性扩张型心肌病IDC)。这是因为无症状收缩功能障碍、左室扩大或DCM可能在很多年里一直存在,直到晚期阶段才会出现症状(图2)。另外DCM的发病年龄变化很大,在一个群体的家族性DCM队列中,发病年龄从0到75岁不等。因此,即使在携带有DCM突变遗传高风险家族成员中,他们的DCM可能不表现,仅在未来的临床筛检中确定。靠家族史仅可以发现5%的家族性DCM,而亲属的临床筛检可以发现20%到48%的家族性DCM病例(详见Burkett 和Hershberger综述)。结合家族史与亲属的临床筛检,再应用超声心动图测定左室大小和功能对确定诊断家族性DCM是必须的。

   这幅图把DCM和HF分成两部分来描述。致病因素(粗蓝箭头描述)包括遗传病因,遗传病因在这里被描述为高频的孟德尔式突变,尽管也有其它可能的基因组模型。从正常心脏到DCM的因果通路和从DCM到HF的因果通路用另外两个蓝箭头表示。正常心脏进展为DCM的因果通路可能要数年时间,在此期间无症状出现直到晚期阶段出现HF、心律失常、栓塞(来自心室壁的血栓)。由于HF的生物学复杂性和流行病学的影响,我们把从DCM到HF的因果通路表示出来,尽管它与DCM发展成心律失常和栓塞的过程也相关。促进这些因果通路DCM(A)和HF(B)的因素用绿色箭头表示出来,环境因素包括高血压和酗酒,遗传因素包括有害基因型(危险的等位基因)。其他延缓或阻止DCM到HF过程的因素在图中用红色箭头表示(C,D),这些因素包括有利的环境因素(如营养良好、低盐饮食、低血压、应用血管紧张素转化酶抑制剂的药物治疗、B受体阻滞剂,遗传因素如保护性基因型)。急性HF(如大片前壁心梗引起的)用虚线(E)表示,在这种条件下,急性HF的启动可引起亚急性的DCM,尽管基因组在急性HF导致DCM过程中作用程度还不确定。大部分的研究集中在慢性HF。慢性HF能否调节或恶化DCM因果通路(F)仍不能确定。混乱的HF生理过程也能反馈给自身,所谓的HF恶性循环(G)。

三、DCM的基因组学:微小编码变异和一般编码变异
   绝大部分经典的孟德尔遗传疾病以一种可辨别的继承模式家族性聚集表型为特征,通常源自编码链的微小变异(如<0.1%等位基因频率),微小变异引起氨基酸序列改变(非同义突变),激活终止密码子,改变剪接过程或使阅读框架改变。然而,遗传性DCM的测序表明多种微小变异的共存也可能导致了DCM。
   人们根据家族性研究,报道了大于30个基因的微小的非同义突变引起了非综合征的DCM(如孤立的不伴有其他心脏疾病的DCM;多个基因变异可引起综合征的DCM或混合表型[如致心律失常的右室心肌病]),即使他们只占了遗传性DCM的45%到50%。虽然大多数DCM基因有更低的频率(如LMNA6%,MYH7 4%,MYBPC34%,TNNT23%,MYH63%,SCN5A3%),但是每个基因在DCM的作用明显不同:编码肌联蛋白的TTN truncating变异引起了超过25%家族性DCM。大多数的突变是新出现的变异或微小变异,通常在一个个体或家族中有特异性(私人突变)。这使得诊断和发现遗传性DCM变得很有挑战性,人们很难断定一个新发现的变异对疾病准确影响。
   DCM的基因已在表1表示出来,包括编码肌节、Z膜或细胞骨架蛋白的许多基因。然而除了一些基因如LMNA(编码核纤层蛋白)外,人们在编码多种功能蛋白的基因中也发现了微小DCM突变。这些资料共同表明不同的DCM病因级联活化引起了多种基因组或表型组损伤,这些损伤最终导致了DCM(最终表型)的产生。

   与家族性DCM不同,没有大型的系统性资料来研究散发的特发性扩张型心肌病(IDC)的基因组组成。我们对散发或家族性DCM的312位先证者的11个已知DCM基因进行测序,观察到可能与疾病相关的微小变异基因出现相似的频率。人们认为家族性DCM的发病有遗传依据,但是IDC的发病是否主要与遗传有关仍是待确定。
   与微小变异引起的疾病不同,普通或复杂的疾病被认为是由一般人群(例如>5%等位基因频率)中常出现的低外显率变异的累积效应引起的。第一份1,179DCM病人的一般变异全基因组关联研究(GWAS)发现两个单核苷酸多态性,一个在BAG3基因中,BAG3基因之前被证明含有引起DCM的微小非同义变体。BAG3,作为心衰蛋白的辅因子,通过自噬清除未折叠的细胞蛋白重复利用,因而可能是一条引起疾病风险的通路,因为如果蛋白质质量控制系统受损,就会导致心肌病的出现。早期6个重排序基因的关联研究表明一般变异方式可能是有益的,另有一个围产期心肌病全基因组关联研究(GWAS)报道了一个在12号染色体上与DCM相关的位点,但是仍没有其它关于DCM 全基因组关联研究(GWAS)被报道。最近人们又报道了关于HF的全基因组关联研究(GWAS)。
   除了GWAS外,关于DCM大规模的全基因组基因变异检索也没有被报道。三项单基因研究表明结构变异(包括EYA4,LMNA,和 BAG3)可以引起DCM,但是在大的DCM队列中,至今仍没有其结构变异的全基因组鉴定的报道。此外,还有很多DCM的研究没有被报道,如5’—和 3’—非转录区的系统评估,启动子变异,非编码核糖核苷酸(RNAs),表观遗传影响或DCM大规模研究中的其他基因组变异。
四、DCM的基因组形式及获得性形式
   DCM在临床通常被分为缺血性和非缺血性,IDC包括在非缺血性DCM中,其诊断要排除其他易检测的病因。非缺血性DCM的获得性形式包括毒素(如蒽环类)、浸润过程、瓣膜疾病或先天性疾病引起的长期压力负荷、病毒感染(如柯萨奇病毒和细小病毒)、非病毒感染(如克鲁斯氏锥体虫引起的卡格氏病)、营养不良和和许多炎症过程。不管这些环境因素是否增加了遗传性DCM的风险(反之亦然),遗传背景适应环境危险因素的程度仍是一个活跃的研究领域。然而,诸如缺血、线粒体功能障碍和慢性快速性心律失常等疾病进程都可以直接影响到基因组,增加DCM的风险并最终导致HF(图3)。

   DCM和HF的疾病谱是基因和环境相互作用的产物。大多数疾病不是环境或基因的单独作用引起的,而是它们的共同影响决定的。某些疾病如常染色体显性遗传DCM主要受遗传因素影响,但是一个携带DCM突变的个体是否表现出全部的疾病表型还依赖于环境因素的影响,如高血压、感染或其他危险因素。反过来,环境因素诱导的DCM(如化学疗法诱导的心肌病)心功能障碍有不同的阈值,部分可能是由遗传因素决定的。 
   特别需要说明的例子是柯萨奇病毒,它是人类心肌炎的病因,柯萨奇病毒在宿主体内可以产生肠病毒蛋白酶2A,它在心肌细胞中可剪切肌营养不良蛋白复合体,因而类似于遗传性肌营养不良缺乏的患者的表型。此外,鼠类肌营养不良蛋白功能障碍促进病毒从感染细胞的释放,预先存在的心肌病细胞上调柯萨奇病毒—腺病毒受体,促进病毒进入细胞。这阐明了一个促进DCM的进展的协同反馈系统。
五、DCM到HF的发展
   不管是基因组病因、环境病因还是两种病因相互影响,从DCM到HF的根本机制包括多种阶段的过程(图2)。从DCM到HF的进程始于细胞骨架—肌节稳定性的较大改变,随着时间推移,累积效应造成了收缩效率下降,然后细胞代谢失调,细胞逐步死亡,心脏重塑,炎症过程激活和出现纤维化。这些过程通常引起包括左右心腔的进行性肥大,最后出现进行性HF或心律失常导致死亡。尽管我们把DCM看做HF的主要原因,但是大量临床和基础资料表明多种病因引起的复合重叠反馈环路导致了HF(图2)。HF级联反应一旦活化,多种因素可促进这些因果通路。尽管DCM有潜在的基因组病因,它的进展过程和对治疗的反应根据激活分子网络通路的不同而有所差异。这强调了将遗传危险因素评估与通路活化的特异性生物标记结合的可能性,用来整合分析危险因素分层、通路分类和治疗措施的选择。
   另外,不管由基因组病因、获得性病因还是两者的结合引起的DCM,其都包含了危险的等位基因(不同外显率的微小变异或一般变异),这些等位基因的联合使患者更容易心脏重塑。
六、系统性生物标记和影像表现反映的环境印迹的测量
   虽然个体基因组的核苷酸序列一般是稳定的,但是基因表达依赖于其与环境和表观遗传影响的相互作用,这些表观遗传影响包括DNA甲基化水平、乙酰化水平和micro—RNAs的影响,都是表观基因组的一部分。转录组是在特定条件下基因表达或转录产物的独特集合。实际上,最近的资料显示转录标记物可以应用于预测患者早期HF的起始。细胞或器官表达的多样性蛋白质可以用高通量凝胶电泳和质谱分析描述为蛋白质组,用质谱分析测定代谢过程产物,组成代谢组。最后基因的最终产物与环境相互作用决定了蛋白质—蛋白质相互作用,构成了表型组,蛋白质—蛋白质的相互作用指导着正确的结构、信号、功能和重塑参数。当环境影响到基因库产生了更多的应激,这些参数迅速改变,异常蛋白质开始合成和蓄积,最终导致了心脏结构不稳定和功能障碍(图4)。这些进程通常在症状出现前发生。

   一系列生物标志物(包括遗传标志物、蛋白标志物和影像标志物)可被用来描述扩张型心肌病的进程。遗传标记物可以发现个体的遗传倾向,然而基因背景下的环境印记使机体产生异常的蛋白,促进易感个体疾病的进展。随着易感个体中疾病的进一步发展,人们可以应用影像学技术发现心脏结构功能改变。所有这些标志物在症状发生前出现,揭示了早期干预的重要阶段。
   DCM患者一般应用的影像手段包括超声或核磁共振成像来评估心脏尺寸、收缩或舒张功能和变化的组织定征。与传统的放射性同位素成像相比,正电子发射成像可以在更小的范围上描述心肌的代谢活动并区分心肌的活性区和瘢痕区。
七、DCM的蛋白标志物
   现在蛋白质组分析可以在摩尔水平详细检测心脏产生的所有蛋白(如膜蛋白、胞浆蛋、微粒体蛋白或核蛋白)。这个方法可以发现DCM关键蛋白通路的变化,与其他基因组技术和系统性生物技术相互补充。人们对蛋白质翻译后修饰进行深入分析并对蛋白质细胞定位和功能进行研究,这不仅扩展了生物学认识,而且发现了可能的诊断性生物标志物和潜在的治疗靶点。例如人类受磷蛋白突变的分析,小鼠内质网应激蛋白的主要改变,钙信号通路,细胞骨架的转换和应激—炎症—凋亡通路。
   尽管在后系统生物学时代有许多可能的生物标志物蛋白,但是仅少数被验证并应于临床。到目前为止,在DCM和HF中已经被验证的蛋白标志物包括反映应激信息的蛋白(如钠尿肽和ST2),细胞死亡或转换信息蛋白(如超敏肌钙蛋白),胶原转化的蛋白(PIIINP 或CITP),基质动力学蛋白(血清基质金属蛋白酶[sMMPs]和半乳糖凝集素3)和其他蛋白。这些标志物在DCM进展成HF的自然史的不同时间点出现,对疾病的早期发现、预后和靶向治疗带来不同的益处。
   脑钠肽(BNP)和ST2蛋白的出现反映了心室应激,因而被用于预测心室失代偿的风险。钠尿肽在DCM或HF的进展过程中也有重要的作用。BNP和proBNP水平增加了急诊室诊断HF的准确性,是经济有效的蛋白标志物。另有振奋人心的结果表明,BNP可以用来预测非住院的患者,帮助估计HF治疗靶点。
   ST2是白介素—1家族的成员,它由培养的单核细胞受到机械压力时分泌,也在被拉伸的心肌细胞中被诱导和释放。在HF患者中ST2水平的增加是除BNP外,患者死亡和需要心脏移植的独立预测因子。急诊室呼吸困难患者的氨基末端proBNP调查(PRIDE)研究(Januzzi等人)表明与氨基末端proBNP相比,ST2水平对急性HF的诊断中很有帮助,能很好的预测一年死亡率,并在收缩性HF患者中显著升高。目前ST2已被美国食品药品管理局批准进入临床应用。
   血清中心肌纤维蛋白肌钙蛋白T和I的适当升高被认为是无缺血性疾病HF患者心肌损伤的敏感标记物。心脏肌钙蛋白T和I不但是不良预后的标记物,而且是死亡的独立预测因子。最近高灵敏度肌钙蛋白可在92%的HF患者中检测到的,而传统肌钙蛋白仅在10%患者中检测到。令人难忘的是,在纵向心血管健康研究队列中,人们对无症状患者进行了超过十年的随访研究,发现高灵敏度肌钙蛋白能预测早期HF的起始和死亡率增加,它对中间随访可能很重要,但是与HF的病因无关。
   进行性心脏扩大也与基质重塑和胶原转化增加有关。HF患者血浆III型前胶原水平是不良预后的独立预测因素。在血浆I型胶原前肽水平和高血压患者心肌(活检)的纤维化程度之间也有相关性。同样,可溶性MMPs如sMMP9也与心脏扩大和射血分数下降相关。同健康对照相比,小儿DCM患者血浆MMP-2, -7,-8,和-9水平升高。
   催乳素3(galactin-3)是由巨噬细胞被应激活化后,产生的一种蛋白质,最近有报道证实galactin-3血浆水平可以预测HF患者的不良预后,并能为收缩性HF和非收缩性HF提供预后分层。这篇报道也说明galactin-3与氨基末端proBNP结合是急性HF受试者最佳的预后预测因子。一些新的生物标志物可以用于为急性HF患者设计个体化治疗方案。例如,早期资料表明内皮因子可以用于非侵袭性测量左室舒张末压,在利尿后内皮因子的水平下降,可能成为测量容量减少的方法。中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白(NGAL)是肾功能恶化的早期标志物,也有助于判断利尿的时间和程度。
   心肌细胞的Fc(gamma) 受体IIa可能对DCM患者有重要影响,可以促进自身抗体的负性收缩效应。
八、DCM管理中基因标志物和蛋白标志物的整合
   基因标志物和蛋白标志物的结合可以有助于我们更深入地理解人类DCM,并重视早期有风险的无症状阶段,在这一阶段对疾病更好的分类和危险程度分层有助于个体化风险管理。遗传标志物、蛋白标志物和影像表现的结合有助于人们根据遗传分类和宿主反应类型设计个体化干预方案。人们曾尝试描述不同类型心肌病的早期特点,但这被证明极具挑战性的,因为不同类型心肌病在早期有更多的相似性,而差异性较少。晚期的缺血和非缺血心肌病有着共同的分子通路和细胞通路,仅在转录组中略有差异。因此,早期干预对疾病的自然进程有更大影响,长远来看被证明是经济有效的。
   对DCM先证者的其他家族成员来说,这项方法非常有价值,通过影像和蛋白标志物分析,人们对有遗传危险因素的患者可以更好地进行危险程度分层,以便在早期确定合适的干预手段和干预强度。
九、小结
   目前人们对DCM基因组和表型组有着更广泛的认识,对DCM到HF的进程也有深入的了解,由于这些疾病的巨大公共健康影响,这些疾病的机理受到了广泛关注。目前我们认识的主要空白领域包括DCM的其他基因组病因和表观遗传病因,这些病因的发现不仅让我们更加深刻的认识引发后期DCM表型的通路,也有助于发现诊断早期DCM和HF的遗传标志物、蛋白标志物和代谢标志物,预测疾病的后果,指导新疗法的发展。

    2013/2/21 9:19:28     访问数:1032
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2013/3/6 16:54:18
梁治中:verygood
2013/2/28 21:57:55
卫娇娜:收益很大,谢谢
2013/2/26 18:34:09
袁丕业:拜读 很好  科学发展令人振奋。
2013/2/26 12:28:56
周义:好资料
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