先天性心脏病(CHD)是最常见的出生缺陷，由于产前超声和产前诊断的不断发展，产前诊断出的CHD越来越多，到目前为止绝大多数CHD的病因尚不清楚。基因组技术的迅猛发展得以发现一部分CHD的遗传学病因，但是同时也发现了CHD遗传原因的复杂性。本综述将重点阐述CHD遗传病因的研究进展。

1、CHD的流行病情况

先天性心脏病是一种心脏和/或大血管的结构畸形[1]，它是目前最常见的、发病率最高的出生缺陷，CHD发病率大约为活产儿的1%[2],CHD主要是由于正常心脏发育程序被打乱后的结果。一般情况下，CHD的类型根据组织解剖和生理学来分的，例如室间隔缺损、法洛氏四联症、左心发育不良等类型，约三分之一的类型为严重型，出生后需外科干预[3]。尽管医疗水平在不断进展，CHD目前仍然是发达国家和发展中国家婴幼儿的主要死亡原因。

尽管CHD的发病一直以来被认为是遗传和环境共同作用的结果，CHD的具体发病机制仍不清楚，流行病学调查研究显示遗传因素是CHD的主要致病原因。CHD总的发病率占活产婴儿的0.8%～1.1%，随着诊断方法的提高，CHD的发病率有很小的变化。仅有少量的证据表明环境在CHD的发病中也起到一定的诱因作用，例如CHD的类型在不同的人种中有轻微的变化，白人儿童中左心室流出道异常(LVO)的发病率高于中国儿童，而中国儿童中右心室(RV)异常的发病率略高于白人儿童，这些例子表明人种的遗传因素贡献不同[2]。支持遗传因素导致CHD的证据很多，虽然有证据表明孪生本身会增加CHD的风险，但同卵双生的CHD比双卵双胎的一致性更强[4]。丹麦一项队列研究表明，同胞兄弟姐妹中相关类型的CHD的复发风险升高，从房间隔缺损(ASD)的3.4倍到内脏异位(HTX)的79.1倍不等;对于不同类型的CHD，仍存在较小但仍然有显著增加的复发风险[5]。此外，所有病例中有一小部分属于罕见的孟德尔遗传的CHD，这些包括ASD、HTX、严重的二尖瓣脱垂和二尖瓣主动脉瓣。在高血缘水平的人群中CHD发病率增加，表明隐性遗传所发挥的作用[6]。然而大部分CHD特别是严重型的患者发生在没有CHD家族史的家庭中。这种现象说明很大一部分可能是新发的变异，包括染色体异常、拷贝数变异和点突变。在这些情况下，CHD的严重程度往往可能损害了生殖能力，从而限制了这些突变效应向下一代传递。

总的来说，这些发现表明遗传因素是CHD的原因，除此以外，基因和环境相互作用也是重要的因素。

2、CHD的遗传病因

2.1非整倍体

非整倍体是最早被发现的CHD遗传因素，与细胞遗传学异常相关的CHD比例约为9%～18%。在非整倍体导致的大量基因异常往往导致多发性及严重的发育问题，并且98%有细胞遗传异常的CHD胎儿至少有一个心血管外的异常表型[7]。在存活的21三体患者中有35%～50%合并CHD，而存活的13三体和18三体患者中合并CHD的比例达60%～80%,X单体患者中33%合并CHD。而且，非整倍体对个体生存能力影响很大，例如在产前诊断为CHD的胎儿中非整倍体的发生率为33%～42%，而在新生儿CHD中这个比例仅为9%～18%[7]。尽管存在与特定染色体非整倍体相关的CHD表型，例如21三体综合征主要表现为房室间隔缺损，但实际上非整倍体相关的CHD类型涵盖了广泛的表型。在非整倍体中，大量的基因由于剂量效应使得精确定位潜在的遗传和发育机制更具挑战性。然而，通过观察部分21三体患者的研究资料了解到DSCAM和COL6A与唐氏综合征相关的CHD相关，值得注意的是，小鼠中DSCAM和COL6A基因共同过表达可导致心脏异常，而单独任一基因过表达都不会影响心脏发育[8]。

2.2拷贝数变异

拷贝数变异(CNV)指由从1千碱基到几兆碱基的缺失或重复组成的结构畸变，并导致CNV包含的基因剂量改变。在整个基因组中发现的低拷贝重复和反转录转座子是CNV形成的基本原因。CNV可以是新发突变，也可以是遗传的。数百万个SNP(单核苷酸多态性)，每个通常具有>1%的群体等位基因频率，可以通过基于微阵列探针平台同时进行基因分型。该技术允许在基因组编码区和非编码区中鉴定基因组重复和缺失的区域。近年来，随着二代测序技术进展，还可以通过全外显子组或基因组测序数据分析到CNV。基于微阵列平台与全外显子组测序的比较显示，每种策略仅鉴定了应该检测到的约70%的CNV[9]，两种技术结合可以提供互补的信息。

比较典型的CNV研究证实了几个常见的包括CHD的CNVs。22q11缺失也称为DiGeorge综合征和Velo-cardio-facial综合征(或称心腭面综合征)，是由侧翼低拷贝重复引起的约3Mb的缺失，是最常见的人类微缺失综合征，呈现可变的表型，包括先天性心脏病、腭异常、特殊面部特征、低钙血症、免疫缺陷和神经发育异常，包括学习障碍和精神障碍。22q11缺失包含了关键基因T-Box转录因子-TBX1，且TBX1单倍体不足是心咽表型形成的原因。最近TBX1单倍体不足小鼠的研究发现了H3K4me1调节的富集，提供了TBX1与CHD中染色质重塑之间的有趣关联[10]。其他与CHD相关的CNV包括8p23缺失，此片段包括心脏转录因子GATA4，该缺失临床上表现出一系列CHD及发育延迟症状;l7q11缺失，是威廉综合征的原因，其中心脏病主要表现为主动脉和肺动脉狭窄，这些表型由弹性蛋白单倍剂量不足引起的;11q24-25缺失可引起雅各布森综合征[11]。最近对CHD患者队列分析发现了几种与CHD相关的复发性CNV，包括1q21.1,3p25.1,16p13.11,15q11.2和2p13.3等[12]。

除了与CNV相关的特定综合征之外，CNV对CHD的贡献已经在几个具有特定CHD的大的队列中进行了研究:法洛氏四联症、内脏异位和左心发育不全这几个研究都表明，与对照组相比，CHD患者中罕见CNVs和新发CNVs的发生率较高[13]。在患有轻度至中度严重CHD的非综合征患者中也检测到CNV发生增加。随着染色体微阵列检测技术在临床及实验的开展，人们提高了CNV对先天性心脏病的贡献的认识，并且临床应用和实验研究表明CNV对CHD的贡献率为10%～15%[14]。如前所述，由于目前CNV检测平台的固有局限性，CNV对疾病表型贡献可能被低估了[9]。

2.3单基因变异:孟德尔和遗传性CHD

从经典的连锁分析，定位克隆和CHD候选基因的靶向测序中已经表明了孟德尔和遗传形式的CHD有关联。许多首先发现的遗传性CHD的基因是心脏转录因子核心组的成员，包括NKX2.5，锌指蛋白的GATA家族，T-box因子包括TBX5和TBX1和MEF2因子[15]。NKX2.5突变是第一个明确被证明导致人类CHD的遗传点突变之一。NKX2.5是一种转录调节因子，与GATA4相互作用以影响心脏中胚层发育，首先在果蝇突变体中发现，这些突变体完全不能形成心脏导管[16]。对包括具有分离的ASD个体和具有ASD的个体以及传导系统异常的大家系的评估，随后鉴定了ASD和传导系统缺陷的NKX2.5突变。值得注意的是，一些受影响的患者仅有ASD，其他人仅有传导缺陷，有些患者却同时患有ASD和传导缺陷[17]。与NKX2.5突变相关的表型异质性是显著的，包括除ASD之外的广泛的CHD，包括HTX和法洛氏四联症。有趣的是，推测广谱CHD是由遗传背景的差异，还是风险基因型与环境影响之间相互作用引起的，这些影响可能包括心脏发育关键时期的子宫内血流动力学的细微变化。GATA4是心脏发育必需的锌指转录因子，与NKX2.5直接相关，GATA4突变与伴有心脏间隔缺损的CHD的两个家族有关联[18]。

T-box蛋白TBX5的突变同样涉及两个HoltOram综合征家族，一种以上肢畸形和心脏异常(分隔和传导缺陷)为特征的疾病。TBX5在前肢芽和心脏发育中显著表达，与其他T-box蛋白类似，调节细胞命运和关键的发育过程。进一步实验证据表明杂合子Tbx5缺失小鼠出现了肢体异常，室间隔缺损，心脏变形和其他复杂的心脏畸形[19]。ZIC3是一种锌指转录因子，是形成功能性左右组织器及心脏循环方向必需的，在几个多代家系中鉴定出X连锁的ZIC3突变，具有突变的家族成员携带[20]。由于左右组织器功能的缺失导致随机心脏循环，这些家系显示出惊人的不完全外显率:一些携带的家庭成员具有正常的心脏循环并且表现出正常表型并且传递疾病等位基因，而有些家族成员具有内脏位置反转或复杂的CHD。

除了心脏转录调节因子，已经在孟德尔遗传的CHD中鉴定编码了多种信号分子和细胞结构组分的基因。在两个多代家系中首次描述了显性遗传的NOTCH1突变，其中包括仅具有血流动力学损伤的二尖瓣主动脉瓣家族成员，而其他家族成员具有复杂的CHD，包括左心发育不全综合征(HLHS)[21]。此后，也在其他CHD家系中发现了NOTCH1突变[22]，并且在具有最常见的心脏缺陷之一人群中发现了约5%的携带率，在主动脉瓣2%的成人中发现[23]。类似地JAG1中的突变被定位于具有Alagille综合征的受影响的家庭成员，Alagille综合征是具有多种心脏表型的多系统疾病，JAG1是Notch信号通路中受体的五种配体之一，导致Notch定位于细胞核并且靶基因的下游活化。

对于隐性遗传对CHD的影响知之甚少，尽管有几个证据支持隐性模型对某些类型的CHD有贡献;CHD在具有高度血亲的人群中更为普遍[6]。虽然近亲群体中所有类型的CHD都有所增加，但在近亲群体中观察到HTX和相关的复杂心脏畸形的频率更高[24]。在具有HTX的近亲家族的谱系鉴定了基因中的隐性遗传突变，包括SHROOM3(细胞骨架蛋白)、WDR16(纤毛相关的WD40重复蛋白)和MMP21(基质金属蛋白酶21)及NPHP4(肾病因子4)。

通过小鼠的无偏倚诱变筛选，了解了对严重CHD的隐性贡献的不同方法。ENU诱变小鼠的后代交配，通过胎儿超声研究任何严重先天性心脏病的妊娠，确定了61个导致隐性遗传性CHD的基因。这项具有里程碑意义的研究有几个值得注意的发现是，在鉴定的61个基因中，34个是纤毛相关基因，其中几个先前已在人类CHD中被鉴定出来。此外，纤毛相关基因有助于HTX型CHD和CHD与侧向缺陷无关。总之，在有限数量的人类谱系和模型生物中的观察结果表明，隐性遗传有助于CHD，特别是HTX型(侧向性)CHD。2.4二代测序对CHD遗传学病因研究的影响用于二代测序的技术方法和分析工具已经发展了近10年，这为理解CHD等复杂疾病的遗传学打开了大门。尤其是整个外显子组测序允许鉴定通过传统基因组方法不可确定的突变，例如新发变异，没有明确孟德尔遗传模式的变异，具有显著降低的外显率和体细胞变异等。

3、全外显子测序技术的意义

全外显子组测序(WES)的迅猛发展为基因组发现创造了新机会。人类基因组中约20000个基因的完整编码区加上其侧翼剪接位点仅包含约33Mb的DNA，约1%的人类基因组序列。通过人类，小鼠和果蝇中的定位克隆进行的无偏倚的遗传发现已经证明，由大效突变引起的绝大多数表型是由编码序列突变引起的。这已经确定了已知孟德尔表型的约3500个基因的突变。认识到20000个人类基因在脊椎动物系统发育中基本保守，强烈表明大多数突变会导致表型后果，尽管这些表型中有多少会表现为疾病仍然未知。这些观察结果推动了对这1%基因组进行选择性测序方法的开发，现在可以以完成基因组测序成本的约20%费用完成，提供了非常显著的成本优势，并允许大量不明原因表型的患者用测序方法寻找变异。测序方法的改善使得在所有编码区域中可以检测到点突变;尽管如此，仍然存在检测特定的CNV和染色体易位的挑战。在20000个基因的测序完成后，WES可用于鉴定比偶然预期更常见的突变基因。通过对遗传、新发和体细胞突变的分析，允许全外显子鉴定从自闭症到先天性畸形到癌症的一系列疾病表型的新基因。

4、全外显子测序鉴定CHD新发的突变

将二代测序用于CHD研究得出的第一个进展是发现了新发突变在CHD中的作用，大多数CHD散发，只有2.2%的CHD患者影响了一级亲属[25]。尽管生育能力低，但CHD等散发性疾病的发病率稳定，表明由于生殖适应性受损导致现有突变丢失，新突变发生，并表明新发突变是CHD发病基础。总的来说，新发突变比遗传突变更有害，因为进化选择较少。这些突变发生在约1.8×10-8/核苷酸/代结果是每个编码区(外显子组)约有1个新发突变，每个基因组约100～115个新发突变[26]。由于精子生成有更多的种系细胞除了卵子发生之外，当将父本等位基因与母本等位基因进行比较时，导致新发突变的比例为3.9∶1。新发突变发生在整个基因组中但并非完全随机分布，影响DNA突变率的因素包括高CpG密度、区域重复、父亲年龄和在精子发生过程中赋予优势的突变[27]。

由于有大量CHD患者的生殖健康受损的有力证据，因此新生突变可能会产生重大作用。该假设已经在一些研究中进行了测试，这些研究采用了对CHD影响的大群患者-亲本小家系的全外显子组测序，这些研究中的第一项分析了患有严重CHD的患者的362个家系。虽然CHD病例和对照组之间的新发突变的总体发生率没有显著差异，但在对发育中心脏中高表达的基因中蛋白质改变的新生突变进行分层时存在显著的富集(小鼠心脏基因表达的四分之一)。通过严格性分级的突变类型进一步分层，从所有蛋白质改变突变到高度保守的错义和LOF突变到单独的LOF突变，产生了比值比的显著增加，发现新发突变导致10%的严重CHD[28]。此外，在染色质重塑基因中发现了过量的新发突变，这些基因影响了两个二价标记H3K4和H3K27甲基化的读取、写入和去除，这些标记在激活的关键发育基因的启动子和增强子中发现[28]。将队列大小从362扩大至1213CHD3人组小家系，其中包括具有较少复杂CHD的患者，包括较少复杂的CHD，例如孤立性房间隔缺损以及中度和重度CHD，加强了新发突变对约10%CHD的贡献证据。该队列包括患有孤立性CHD，与已知综合征相关的CHD和具有心外畸形和/或神经发育异常的CHD患者。更广泛的表型分析加上更大的患者队列分析表明，相关综合征、心外畸形和/或神经发育异常患者的新生突变不成比例地导致CHD。值得注意的是，新发突变占CHD的至少20%，伴有心外和神经发育异常[27]。虽然这些突变与症状而不是非综合征CHD更为显著的相关性[29]，但对孤立性CHD(CHD与已知综合征无关，没有任何心外畸形或神经发育异常)的贡献很小但可测量，这可能会变得更多在分析较大的队列时明确界定[26]。

5、对CHD基因组学的理解及展望

现在已经在约三分之一患病的病例中建立了CHD的遗传基础，这些包括大的异质基因组中的广泛的遗传改变，最早的理解来自CHD的非整倍体。同样，有一个不断增长CHD中的CNV数量，以特征明确的片段缺失为代表，例如del22q11。鉴于参与非整倍体和CNV的基因数量，特定疾病的相关基因鉴定具有挑战性。此外，已经确定了遗传形式的CHD通过传统的遗传工具如连锁分析，这些连锁研究的范围很广包括心脏转录因子(如NKX2.5)和GATA4突变为信号传导分子和细胞结构组分，如NOTCH1和JAG1。通过二代测序发展取得了进展，我们对CHD生物学的理解已经在过去10年得到迅速发展。精液研究发现10%的CHD是新发突变，当对CHD合并神经发育障碍进行分层相关分析时增加到20%以上。实际上，某些生物信号途径，包括染色质修饰基因、纤毛基因和Notch信号通路，已被证明参与CHD的发病，提高了基因环境相互作用可能会对这些基因突变对表型影响的可能性。尽管取得了这些重大进展，但超过50%的CHD遗传机制仍未知。完全了解CHD遗传学的障碍包括极端遗传异质性加上有限的基因型-表型相关性，某些“原因不明的CHD病例”可能是由于突变影响了尚未探索到的非编码DNA，体细胞突变和基因-环境相互作用。此外，由于双等位基因突变引起的CHD尚未得到充分研究，而且迄今为止已有很多专注于候选基因分析和家族性CHD[30]。正如新的统计方法一样加上更大的CHD队列，无偏倚分析中的固有挑战、散发性CHD的隐性突变有可能被克服。

大多数CHD散发，没有其他患病的家庭成员。由新生CNV和SNV引起的散发性CHD超过20%，一些CHD可能是复杂遗传突变的二次打击，其中例如杂合突变需要修饰突变，或缺乏保护性变体，最终导致疾病的发生，这得到了包含ZIC3和NOTCH1[31]的良好特征性CHD基因突变的扩展家族的不完全外显率的支持。动物模型提供了在更受控制的遗传环境中测试复杂性状假设的途径，例如易感性通过小鼠染色体6,8和10上的基因座修饰对于心脏转录因子Nkx2.5中的突变杂合的小鼠中的室间隔缺失(VSD)[32]。

另一个例子是，研究观察到将VEGF-A途径基因CRELD1的无效等位基因导入唐氏综合征小鼠模型提高了AVSDs[33]的发生率，支持对人类唐氏综合征队列先前的观察。相应地，CHD患者的几项大型GWAS(全基因组关联分析研究)研究也确定了影响CHD易感性的可能位点[34]。此外，由于心脏发育似乎是高度剂量敏感的，因此一些CHD也可能是由于同形突变的趋同所致。在单个途径的若干组分中超过阈值并表现为疾病，该模型先前已在先天性心脏病的小鼠模型中显示，其中CHD表型的外显率在Zic3(+/-);Nodal(+/-)复合杂合的小鼠中增加[35]。随着可用的基因和蛋白质水平的相互作用组数据库变得更加强大和全面，很可能将CHD基因组学数据与遗传相互作用组数据库联系起来以更好地探索多基因CHD。

李素萍,金玉霞,杨静,蔡玉娟,林丽萍,周琴琴.先天性心脏病的遗传学病因研究进展[J].中国妇幼保健,2021,36(09):2187-2191.