房颤相关转录因子的研究进展

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　　【摘要】心房颤动（AF）是临床上最常见心律失常之一。近几年来，全基因组关联分析技术（GWAS）快速发展，在非家族性房颤患者和普通人群中确定了许多与房颤风险增加的遗传变异。这些基因变异在不同程度上对心血管系统的发育和正常心脏电活动产生影响，并最终导致房颤的发生。虽然目前心房颤动的发生和维持机制尚未完全阐明，但已有大量研究证实转录因子PITX2、ZFHX3、PRRX1、TBX5在其中发挥重要作用。通过对房颤相关转录因子的研究，可以明确房颤的遗传学基础，可以提供房颤治疗的新
　　方向。
　　【关键词】心房颤动；转录因子；PITX2；ZFHX3；TBX5；PRRX1
　　【中图分类号】R541 【文献标识码】A 【文章编号】ISSN.2095-6681.2019.12..04
　　Research progress of transcription factors in atrial fibrillation
　　YIN Shen-han1，YUAN Xiao-chen*
　　（Department of Cardiovascular Medicine， Affiliated Hospital of Yangzhou University，
　　Jiangsu Yangzhou 225000，China）
　　【Abstract】Atrial fibrillation （AF） is the most common arrhythmia encountered in clinical practice.In recent years，with the rapid development of genome-wide association study（GWAS），more genetic loci have been revealed for non-familiar or common AF.These variants exert influence on the development of cardiovascular system and normal cardiac electrical activity in different levels，and eventually contribute to the occurrence of AF.Although the mechanism of occurrence and maintenance of atrial fibrillation has not been fully elucidated，a large number of studies have proved that transcription factors -PITX2，ZFHX3，PRRX1，and TBX5 play important roles in atrial fibrillation.Through the study of transcription factors in atrial fibrillation， we can learn the genetic basis of atrial fibrillation and a new direction for atrial fibrillation treatment.
　　【Key words】Atrial Fibrillation；Transcription Factor；PITX2；ZFHX3；TBX5；PRRX1
　　心房颤动（atrial fibrillation，AF）是临床上最常见心律失常之一。据估计，2010年全球大约有3350万房颤患者[1]。至今，已有大量研究证实房颤具有遗传倾向，尤其是在没有基础心脏疾病的患者中，称为孤立性房颤。然而，大多数房颤患者拥有常见和罕见的遗传变异组合，临床上易表现为获得性心脏或全身性疾病，这被称为“典型”房颤，估计占所有房颤病例的70%～95%以上。
　　房颤是一种由遗传因素和环境因素相互作用引起的复杂疾病。早期通过连锁基因分析及候选基因方法在家族性房颤中鉴定了罕见房颤易感基因，主要包括钾离子通道基因（比如KCNQ1，KCNE2，KCNH2，KCNJ2，KCNA5）和钠离子通道基因（比如SCN5A，SCN4B）。此外，一些非离子通道基因突变也与房颤有关，包括编码connexin40蛋白的GJA5基因，编码核孔蛋白复合体的NUP155基因，编码心钠肽的NPPA基因等，但这只占房颤患者的很小一部分。
　　近几年，全基因组关联分析技术（genome-wide association study，GWAS）快速发展。GWAS是应用基因组中数以百万计的单核苷酸多态性（single nucleotide ploymorphism，SNP）为分子遗传标记，进行全基因组水平上的对照分析或相关性分析，通过比较发现影响复杂性状的基因变异的一种新策略。目前通过GWAS，研究者们在非家族性房颤患者和普通人群中确定了许多与房颤风险增加的遺传变异，它们中的一些位于编码序列中，介导编码的蛋白质，一些在非编码区域中并影响相邻基因的表达。这些变异对心血管系统的发育和正常心脏电活动产生影响，并最终导致房颤的发生。其中，转录因子在房颤的发病机制中发挥重要作用，本文将重点介绍GWAS鉴定的房颤相关转录因子的研究进展。
　　1 PITX2
　　2007年，Gudbjartsson[2]等人第一次通过GWAS在冰岛人群的4q25染色体区域上发现了2个SNP与房颤强相关：rs2200733和rs10033464，二次重复试验在冰岛人群以及瑞典人群、美国人群中得到验证，并且发现，rs2200733比rs10033464关联更显著。随后在中国香港人群的重复试验中也发现rs2200733与房颤的强相关性，但rs10033464的相关性不显著。2010年，Steven A[3]等人通过大规模的荟萃分析在欧洲人群4q25染色体上鉴定出两个新的房颤易感基因位点：rs17570669 和rs3853445。此后，研究者在4q25染色体上陆续鉴定出不同SNP位点，但在不同人群的重复试验中其与房颤相关性存在差异，其中，rs2200733被认为与房颤关联最强。此外，Simon C[4]等人在2个独立的队列中发现rs2200733和rs10033464也与冠脉搭桥手术后的术后房颤独立相关。而Husser[5]和M. Benjamin[6]先后在孤立性房颤和典型房颤患者群体中证明了rs2200733可独立预测导管消融后房颤的复发，可用作选择房颤消融患者的临床工具，并在中国汉族人群中得到验证[7]。Matthew J[8]发现rs2200733与房颤患者的PR间期延长相关，而PR间期延长是房颤的危险因素。 　　4q25是房颤风险研究中被研究的最全面的基因座。虽然该基因座与房颤之间的关联机制尚不清楚，但这些研究为该关联的潜在机制提供了有价值的见解，并为调查其他房颤风险基因座提供了框架。研究者们已在4q25上鉴定出至少4个与房颤相关的独立基因座。通常情况下，4q25基因座中的主要SNP位于非编码区，所在的连锁不平衡区域内无功能性基因的表达，其最近的PITX2基因可能是潜在的房颤候选基因。PITX2是同源结构域转录因子，是一种在胚胎发生过程中至关重要的转录因子。PITX2的表达在出生后显著降低，目前，导致PITX2产后失活的机制尚不明确，可能与随年龄增长而引起的压力和体积超负荷以及氧化应激等各种危险因素的调解有关[9]。Tao[10]等人研究发现，出生后PITX2的失活导致R-R间期异常，并参与包括闰盘，离子通道和细胞膜穴样内陷等细胞连接组织基因的差异表达。
　　在脊椎动物的胚胎发育期间，PITX2是左侧信号传导途径的最后一步，其建立了身体左右不对称发育。PITX2功能的完全丧失导致多种心脏畸形，包括左心耳，房室间隔和室间隔缺损的异构，以及包括前主动脉在内的流出道缺陷[11]。在人和小鼠中，PITX2通过选择性剪接编码3种不同的蛋白质亚型：PITX2a、PITX2b和PITX2c。只有PITX2c在发育中的心脏和胚胎中不对称表达，并且该亚型的特异性缺失可以导致先前描述的先天性畸形[11]。人类PITX2c基因由3个外显子组成，编码324个氨基酸的蛋白质[12]。
　　已有许多实验证明PITX2在房颤发病中发挥重要作用。Mommersteeg[13]等研究发现，PITX2c敲除小鼠无法形成肺心肌袖。心肌袖是指缠绕于与心房相连的静脉主干根部的心肌组织，是作为异位兴奋灶引发局灶性心房颤动的关键解剖部位，也是临床上射频消融的起始位置。此外，Kirchhof[11]还发现小鼠中PITX2c表达降低会缩短心房动作电位持续时间并诱导房颤。而在成年小鼠中，PITX2特异性缺失增强与房颤相关的离子通道表达，主要包括钾通道基因KCNQ1的表达增加，这会改变心房的复极化，缩短有效不应期，促进动作电位的触发和传导。除改变心房离子通道的表达外，PITX2还可下调窦房结的特异性基因表达，例如Shox2，HCN4和Cav3.1，并上调基因程序特征性工作心肌表型，例如Nkx2.5，Cx40，Cx43，ANP和Kir2.1。因此，可推测PITX2功能丧失突变通过诱导心房和肺心肌转换为窦房结样表型而形成有利于房颤的电生理学基质，从而使患者易患房颤[12]。
　　PITX2指导心脏的不对称形态发生，参与形成肺静脉，抑制了窦房结发展，涉及可能导致房性心律失常的基因的调节，是目前最强的房颤候选致病基因。
　　2 ZFHX3
　　2009年，2个独立的GWAS荟萃分析先后在欧洲人群16q22染色体上发现了位于锌指同源异构体3（ZFHX3）基因内的房颤易感基因位点rs7193343[14]和rs2106261[15]。2011年，李[16]等人利用中国基因数据库，在中国汉族人群中证实rs2106261与房颤存在显著相关，而rs7193343与房颤无关，尽管这两个SNP位于相同的内含子——ZFHX3内含子1中。这结果强调了在不同种族群体的复制研究中分析同一基因或基因组区域中的多个SNP的重要性。2013年，Liu[17]等人研究了中国汉族人群ZFHX3基因变异体在房颤中的作用，发现rs2106261和rs6499600与房颤显著相关，而在欧洲人群中与房颤强相关的rs16971436在中国人群呈边缘显著相关。2015年，Zhai[18]等人在不同人群的荟萃分析中发现在高加索人群中，rs7193343与房颤相关，但在亚洲人群中无明显相关。以上研究再次证实了房颤易感基因位点的种族差异性。
　　ZFHX3编码一种名为AT基序结合转录因子1（Atbf1）
　　的转录因子，最初被描述为肝脏中人甲胎蛋白（AFP）基因表达的增强子[18] 在包括心脏在内的许多组织中具有可变表达，可调节骨骼肌和神经元发育。
　　ZFHX3可能通过多种机制导致房颤的发生。首先，ZFHX3可以调节PITX2活性[19]。其次，ZFHX3通过诱导血小板衍生生长因子受体（PDGFR）-β的表达和保护免受氧化应激，促进神经元的存活，并与突变相关的转录因子3（RUNX3）相关，并反应转化生长因子（TGF）-β信号转导，这是纤维化的重要介质[19]，而纤维化在房颤发生中发挥重要作用。除此以外，炎症作为房颤的独立危险因素，在房颤发生和维持的病理生理机制中起重要作用，ZFHX3可与活化STAT3蛋白抑制剂（PIAS3）的末端相互作用，通過与活化的酪氨酸磷酸化STAT3二聚体结合从而阻止DNA与复合物结合。STAT是信号转导和转录激活因子，在起搏诱导的房颤猪模型中，STAT作为不同炎症信号传导途径的主要下游介质介导炎症过程。研究者在起搏诱导的持续性房颤中观察到STAT3的表达增加，并且ZFHX3的下调可以激活STAT3，这表明ZFHX3可以调节心房电活动并且有助于房颤的发生[20]。此外，钙调节在房颤病理生理中发挥重要作用，研究发现敲除ZFHX3的心房肌细胞钙稳态失调，房性心律失常增加，这也可能是导致房颤发生的原因[21]。已有研究表明，ZFHX3还可调节内皮细胞中不同生物过程中的蛋白质酰基化。酰基化作为错误折叠和受损蛋白的第三种质量控制，是多种心脏病和心力衰竭的发病机制，ZFHX3也可能通过介导相关蛋白的酰基化在房颤中发挥作用[22]。
　　ZFHX3可能通过调节PITX2活性，介导炎症及纤维化，调节钙稳态，介导相关蛋白的酰基化等多种途径导致房颤的发生。
　　3 TBX5
　　2010年，Hilma Holm[23]在欧洲人群中通过GWAS确定了一个与PR间期、QRS持续时间延长相关的变异位点：rs3825214。该位点位于TBX5基因的最后一个内含子中，并在冰岛和挪威病例对照研究中证实了TBX5与房颤的相关性。2013年，TBX5中的rs3825214被证明与中国汉族人群中的孤立性房颤相关[24]。另一项整合GWAS，顺式-eQTL和功能评估等多种技术的大规模研究复制了欧洲人和日本人中TBX5和房颤之间的关联[25]。 　　TBX5屬于进化上保守的T-box转录因子家族，是参与心脏传导系统发育的转录因子。TBX5显性突变是
　　Holt-Oram综合征的基础，其特征之一包括房颤风险增加[26]。研究发现，在没有其他心脏病变的成年性小鼠中，特异性敲除TBX5可以导致心房基因调控网络功能障碍和房颤[27]。此外，TBX5可以调节许多基因的表达，包括ANP和CX40。其中，ANP调节多种离子通道的表达，缩短心房动作电位持续时间。而CX40的表达改变可能会增加传导异质性，从而为房颤创造基质[28]。最后，TBX5还可以与TBX3相互作用，TBX3控制窦房结基因程序，诱导起搏器活动并改变心房肌的异位自动性[20]。
　　4 PRRX1
　　2012年，Ellinor PT[29]通过meta分析发现PRRX1基因上的单核苷酸多态性位点rs3903239与房颤的风险相适应，但最近在中国汉族人群和希腊人群的重复试验中并未发现该位点与房颤相关[30，31]。
　　PRRX1位于染色体1q24，编码同源转录因子，在发育心脏中的结缔组织中高度表达[29]。PRRX1对于形成肺静脉至关重要，在PRRX1敲除小鼠模型中肺血管发育不全。肺静脉起源的异常电活动可以在许多病理条件下触发和维持房颤，肺静脉中心肌的分布和结构也会影响房颤的射频消融[20]。PRRX1调节变异是否与发展过程中肺静脉结构或功能的先天性改变相关，或者与生命后期改变的活动相关联尚不清楚，需要进一步研究。
　　最近，Tucker[32]发现在人胚胎干细胞衍生的心肌细胞和胚胎斑马鱼中，抑制PRRX1可导致心房动作电位持续时间的缩短，这种电生理的改变可能促进房颤的发生。PITX2和PRRX1的功能研究共同表明通过调节肺心肌发育或功能可能增加房颤风险。虽然PITX2位于多个房颤 GWAS相关基因的上游，并且可以改变这些基因的功能，但PRRX1未被PITX2修饰，PITX2和PRRX1之间未发现遗传相互作用[30]。虽然PRRX1可能与房颤相关，但具体机制仍需进一步研究。
　　5 总结与展望
　　在过去几年中，与房颤遗传学相关的研究数据迅速增加。其中，GWAS已经确定了许多与房颤相关的常见遗传变异，并且相关研究仍在继续发展，以更好地了解各种基因和房颤之间的关联。但这些变异增加房颤易感性的直接机制仍然知之甚少。其中，转录因子在房颤的发病机制中发挥重要作用，这些突变和SNP及其潜在的致病机制将有助于制定房颤的靶向治疗策略。房颤相关转录因子调控模型的建立可以进一步了解房颤遗传学意义，调控的确切靶点可能成为房颤治疗的新方向。
　　此外，通过进一步研究已发现的基因并发现新基因，可以更好地了解房颤发展的遗传模式和遗传基础。最终的目标是以某种方式将遗传风险因素的知识整合到临床实践中，比如利用基因技术诊断房颤尤其是隐匿性房颤进行早期干预，降低房颤并发症例如卒中等栓塞事件的发生，改善预后，节约医疗成本，这也更符合精准医学的发展需求。尽管基因检测前景巨大，但目前还没有建立可用于临床实践的统一遗传风险分层方法。为此，我们仍需要在该领域继续进行研究，以确定基因与房颤的更强关联，并且需要更好地了解房颤病理生理特征，从而更好的服务于临床。
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　　本文編辑：赵小龙
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