母親心臟功能健全，三個孩子均發生遺傳性心臟病，為什麼？

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撰文 | 黃宇翔

責編 | 夏志堅

Deepak Srivastava醫生是一位任職於加州大學舊金山分校Gladstone研究所的心血管學家。當他最初接診那位患有先天性心臟病的2個月大的孩子時，他可能不會想到，這位患童和其家庭成員的遺傳密碼將幫助科學家對複雜疾病的遺傳學機制產生更加深刻的認識。

加州大學舊金山分校Gladstone研究所心血管學家Deepak Srivastava

在過去的研究中，研究者曾發現一些會導致疾病的基因突變，例如血紅蛋白β鏈單基因突變會導致鐮刀型紅細胞貧血症。而對於心臟病、糖尿病、神經退行性疾病為代表的複雜疾病，研究者推測是多個基因突變共同導致的。基於此假設，以前的研究者做過大量的全基因組關聯分析（GWAS分析），試圖尋找到與複雜疾病相關的單核苷酸多態性（SNP）。然而，大部分GWAS分析研究都僅僅表明一些SNP與疾病存在較強的相關性，卻無法論證其因果性。[1]

研究中原患家庭的家族心臟病史記錄。

來源：Gifford et al., Science, 2019

Deepak 所接診的這位患童患有左心室緻密化不全（left ventricular noncompaction, LVNC），是一類由於左心室心肌細胞發育不成熟導致的遺傳性心肌病。在對患童的家族病史進行調查時，Deepak驚訝地發現，患童兄弟三人都患有LVNC，而他們的母親則心臟功能健全，只有父親具有輕微的 LVNC癥狀。[2]

如何解釋這一遺傳現象呢？在Gladstone 研究所的新聞稿中，Deepak 說：「考慮到孩子們全部在很早期就患上LVNC，而父親僅僅具有輕微的癥狀，我們推測孩子身上表現出嚴重癥狀是父親和母親一些基因突變疊加的結果 [3]。」

為了驗證這一假設，研究者對患童和其父母的全外顯子組進行了基因測序，結果發現孩子的父親是與心臟病有關的兩個基因MKL2和MYH7的SNP雜合體攜帶者，而孩子的母親一條染色體上的NKX2-5基因則具有一個罕見的SNP。基於此，研究者推測同時具有三種基因突變是導致這個家庭的三個孩子都在非常早期不幸罹患心肌病的幕後兇手 [3]。

為了檢驗這一推測，研究者利用CRISPR/Cas9基因編輯工具，構建了同時具有MKL2、MYH7和NKX2-5三個基因雜合突變的轉基因小鼠。研究者驚奇地發現，當三個基因全部突變時，小鼠的心臟發育受到了嚴重的損害，表現出類似於 LVNC 患者的病理學特徵。此外，研究者利用多能幹細胞培養技術，從患童和其父母的細胞中誘導產生心肌細胞，結果觀察到患童的細胞出現了聚集的異常表型，而其雙親誘導出的心肌細胞則形態正常。

綜上，研究者得出結論，認為MKL2、MYH7和NKX2-5三個基因同時突變很可能是誘發LVNC的原因。

「這項工作利用基因編輯的技術構建了三基因雜合突變小鼠，觀察到了與突變患者心肌改變一致（的癥狀），部分模擬了人類疾病，為以後的研究提供了新的模型。」 從事心臟發育研究、目前任職於南京大學醫學院/模式動物研究所教授楊中州告訴《知識分子》，「但三基因雜合突變小鼠的病理特徵不夠顯著，提示這三個基因的突變對於 LVNC 產生是否具有充分性仍然需要推敲。」

本研究的一大亮點是利用多能幹細胞技術，基於體外的實驗證據，論證了攜帶三種突變的患童的心肌細胞具有疾病相關的表型。「 但遺憾的是，研究者沒有進一步利用基因編輯技術對相關突變進行修正，進而回答突變的修復是否可以糾正心肌細胞異常表型。」北京大學分子醫學研究所的羅金才教授評論道。

「這項工作為我們最終提供了多個基因的突變共同作用導致人類疾病的實驗證據，」 Deepak在總結本研究的意義時說，「此研究為尋找複雜疾病中更多像NKX2-5這樣的遺傳修飾基因（genetic modifier）打開了一扇全新的大門。」 [2]

遺傳修飾基因功能單獨改變可能不會有明顯的表型，但是當與一些其他突變同時存在時由於基因之間存在的複雜作用，會誘發一些疾病的產生。這項研究表明只攜帶NKX2-5單個SNP突變的患童母親心臟功能正常，但當這個突變在遺傳給子代時，由於孩子還攜帶了來自父親的MKL2和MYH7突變，導致孩子遭受心臟病困擾。

MKL2、MYH7和NKX2-5三個基因雜合突變的轉基因小鼠表現出類似於LNVC心肌病特徵。來源：Gifford et al., Science, 2019

值得注意的是，遺傳修飾基因的概念在這項研究以前就已經被提出。此前人類遺傳學的研究也在如先天性脊柱側凸的疾病中觀察到了支持該模型的證據 [4]。但是，在這項研究以前，還從未有證據表明三個基因條件下修飾基因的存在。「這項研究很好地填補了領域內的這一空白」，復旦大學醫學院教授馬端介紹說。

不過，這項研究沒有直接回答NKX2-5的雜合突變在MKL2和MYH7雙雜合突變的遺傳背景下影響心肌細胞發育的詳細機制。NKX2-5是調控心臟發育的必需基因，此前的動物實驗表明心室中NKX2-5基因條件敲除的小鼠會表現出心肌肥厚的癥狀 [5]。

令人疑惑的是，三雜合突變的細胞內依然存在功能正常的NKX2-5，而且該研究的體外實驗表明，發生該SNP突變對於NKX2-5結合DNA的能力影響不大。NKX2-5功能的輕微減弱如何在三雜合體突變的心肌細胞中造成嚴重的功能損傷，是該研究尚未解決的問題。

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