肺动脉高压基因遗传突变研究进展

崔宇菲，张磊综述 叶岚审校

肺动脉高压(PAH)是一种罕见的血管疾病，可表现为运动无力或晕厥、呼吸困难和右心室肥大。普通人群中肺动脉高压患病率约1%。在我国排除左心疾病和肺部疾病后，肺动脉高压以先天性心脏病相关肺动脉高压、特发性肺动脉高压(IPAH)和结缔组织病相关肺动脉高压(CTD-PAH)较常见；既往临床上将PAH定义为静息时肺动脉平均压力≥25 mmHg，左心房压正常。在2019年，该定义已修改为平均肺动脉压力>20 mmHg，左心房压力正常，肺血管阻力≥3 Wood单位[1]。PAH的病理生理机制复杂，环境和遗传因素影响其发生发展；肺动脉高压是遗传基因突变、表观遗传因素及环境因素共同作用的结果；多种血管活性分子、多种离子通道、多条信号通路在肺血管重构中发挥重要调节作用[2]。PAH包括IPAH、遗传性肺动脉高压(HPAH)和相关性肺动脉高压(APAH)。本文将着重综述基因(BMPR2、BMP9、ACVRL1、SMAD1、SMAD3、SMAD4、SMAD9、CAV1、KCNK3、ATP13A3、SOX17、AQP1、EIF2AK4、ABCC8、TBX4、GDF2等)突变在遗传性肺动脉高压中的作用机制研究进展，旨在探讨PAH的遗传病因及对今后基因筛查和基因相关治疗策略的影响。

1 BMPR2突变

骨形成蛋白Ⅱ型受体(BMPR2)是转化生长因子-β(TGF-β)受体超家族成员骨成型蛋白(BMP)的受体蛋白,基因位于2q33.1-33.2(2号染色体长臂3区3带),含13个外显子。BMPR2突变占所有PAH患者的25%[3]，成为肺动脉高压最重要的基因突变之一。BMP信号转导是通过质膜上配体结合BMPR2和激酶1样激活素受体(ACVRL1，也称为ALK1)，激活下游蛋白实现的[4]。研究确定BMPR2突变占有PAH家族病史患者的53%～86%。PAH的BMPR2特异性变异是导致氨基酸置换的错义突变,错义突变广泛分布在BMPR2外显子上，但大多数位于关键的功能域内，特别是外显子2～3编码的配体结合域和功能上由外显子6～9和11编码的高度保守催化激酶区域[5]。BMPR2单倍计量不足是遗传性PAH的主要分子机制。在BMPR2下游，他克莫司(FK506)通过结合BMP信号抑制剂FK结合蛋白，逆转了PAH肺动脉内皮细胞功能失调的BMPR2信号转导[6]；有临床试验证实，低剂量FK506对PAH的安全性和耐受性较好[7]。

2 BMP9突变

对一项独立的病例对照研究进行外显子组基因负荷分析，总纳入331例IPAH患者和10 508例对照者。研究人员进行功能评估以分析基因突变对蛋白质生物合成和功能的影响。编码人骨形态蛋白9(BMP9)基因被确定为一个新的遗传基因位点。BMP9中罕见编码突变发生在6.7%的病例中，功能研究表明，BMP9突变导致肺动脉内皮细胞中BMP9分泌减少和抗凋亡能力受损[8]。我国也有研究显示，BMP9的罕见有害变异与IPAH的发病呈强相关性,BMP9突变携带者体内活性BMP9减少,BMP9突变可以影响BMP9的合成、分泌、转录后加工及对ACVRL1通道的活化能力。BMP9可能是IPAH新的致病基因[9]。

3 ACVRL1突变

遗传性出血性毛细血管扩张(HHT)是一种遗传性血管疾病，激酶1样激活素受体(ACVRL1)是TGF-β1型受体的一种。HHT为常染色体显性遗传，对伴有PAH的HHT患者基因进行研究， ACVRL1基因和内皮素(ENG)基因变异可能与PAH的发生存在关联。ENG基因突变可导致HHT1型，ACVRL1基因突变可导致HHT2型。对HHT合并IPAH家系进行研究发现，ACVRL1突变可导致HHT患者合并IPAH。目前已经发现54种可导致2型HHT的ACVRL1突变,其中13种突变(占24%)可导致PAH的发生[10]。HHT的ACVRL1突变可以发生在基因全区域内,但是致PAH发病的基因突变基本局限于激酶活性区域。绝大多数ACVRL1突变是错义突变，其中大约89%包含在重要的催化域内，提示致病性高[5]。

4 SMAD家族基因突变

SMAD家族是TGF-β受体激酶的重要效应分子，有实验证实SMAD9基因突变明显影响了SMAD转录活性；相比之下，SMAD1和SMAD4基因缺陷引起的转录激活抑制作用较轻[11]。最近研究显示，SMAD3缺失在PAH中表现出一种新的病理机制，可促进血管细胞增殖，并通过心肌蛋白相关转录因子(myocardin-related transcription factor，MRTF)解除抑制人类肺血管平滑肌细胞(huPASMCs)的肥大[12]。

5 CAV1突变

小窝蛋白(caveolin 1，CAV1)首次被发现是通过对三代家族中4例PAH患者的外显子组测序，因此认为CAV1的变异与PAH发病有关。目前发现的突变都隐藏在CAV1的末端外显子中。已有研究表明，由于突变蛋白在内质网中，导致腔内合成作用明显受损[13]。CAV1基因在肺动脉高压中的作用机制逐渐被发现，有试验提示内皮细胞中富含CAV-1的细胞外泡脱落进入循环中引起CAV1减少,导致TGF-β信号异常,引起血管重构及肺动脉高压。此外,CAV1突变(c.474delA)导致SMAD1、SMAD5和SMAD8过度磷酸化，因此导致CAV1的抗增殖功能降低[14]。有试验证实了骨髓间充质干细胞(rBMSCs)突变的CAV-1(Cav1F92A)基因对PAH平滑肌细胞表型转换的影响。Cav1F92A增加NO浓度,提高细胞黏附、细胞生存能力,增加了抗炎细胞因子白介素-4(IL-4)、IL-10，但降低炎性细胞因子IL-1α、干扰素-γ(IFN-γ)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)表达。Cav1F92A基因修饰的rBMSCs(Cav1F92Agene modified rBMSCs，rBMSCs/Cav1F92A)激活NO/cGMP通路,恢复细胞形态,抑制细胞迁移。试验认为rBMSCs/Cav1F92A可抑制细胞的迁移，促进细胞的形态恢复。rBMSCs/Cav1F92A可用于肺动脉高压的治疗[15]。rBMSC/Cav1F92A细胞可以激活eNOS/NO/sGC/cGMP/PKG-1 信号通路,上调Mst1表达，改善肺组织内的氧化应激状态并抑制自噬激活,从而缓解PAH大鼠肺部血管重构[16]。

6 KCNK3突变

PH敏感性钾离子通道蛋白基因(KCNK3基因)突变与PAH相关。相关研究显示，KCNK3突变导致钾离子通道蛋白功能丧失，引起细胞膜去极化导致肺血管收缩，通过抑制凋亡导致肺血管重构和肺血管增殖，与肺动脉高压发病相关。Ma等[17]在2013年发现6种KCNK3突变，并证实了均为有害突变且与PAH发病相关。试验表明突变导致通道功能丧失，可能导致静息膜电位去极化。磷脂酶抑制剂处理后逆转了细胞内外钾通道的电流减少。研究表明，细胞中cAMP浓度升高可以提高KCNK3的活性，从而达到治疗肺动脉高压的作用。在临床研究中，曲前列环素可以提高细胞cAMP浓度从而激活KCNK3活性。内皮素1抑制KCNK3的活性，使用Rho激酶(Rho associated kinase，ROCK)抑制剂可以减弱这一抑制作用。

7 ATP13A3突变

与阳离子运输通道相关的ATP酶13A3(ATP13A3)是参与离子通道运输的ATPases亚家族P5B的成员，在血管细胞中高度表达，并且参与PAH的发生[18]。在PAH中鉴定出的多个ATP13A3突变都聚集在催化磷酸化结构域内，这表明可能对蛋白质功能产生重要影响。在一项干扰素β(IFN-β)治疗PAH的研究中显示，ATP13A3的变异可能引起肺动脉高压易感性[19]。

8 SOX17突变

SOX17在血管生成过程(包括动静脉分化和肺微脉管系统的发育)中是至关重要的,PAH存在SOX17靶基因中罕见有害变异的过度表达，表明该途径在PAH病因学中的关键作用[20]。SOX17依赖于β联蛋白的结合来激活靶基因的转录。一项全外显子测序研究表明，SOX17突变是PAH相关性先天性心脏病的主要危险因素[21]。在0.7%的IPAH患者和3.2%的PAH相关性先天性心脏病患者中检测到可能的致病变异。一项对日本HPAH或IPAH患者进行的类似研究确定了另外3个SOX17变异体[22]。

9 AQP1突变

肺动脉平滑肌细胞(PASMCs)的迁移和增殖是肺动脉重塑进而造成肺动脉高压的主要病理基础。水通道蛋白1(AQP1)具有促进上皮细胞、内皮细胞迁移的作用。有试验表明,缺氧可促进AQP1在肺动脉内的表达[23],AQP1可通过β联蛋白对PASMCs的增殖和迁移进行调节。AQP1水平的升高通过上调β联蛋白，导致MYC原癌基因蛋白和cyclinD1的表达而促进PASMC的增殖和迁移[24]。全基因组基因负荷测试通过比较PAH患者和对照个体之间的变异频率来鉴定新的基因变异，检测出ATP13A3、AQP1和SOX17中罕见有害变异的统计学显著富集, AQP1和SOX17突变携带者在诊断时年龄较小，推测PAH发病较早，为定向治疗发展提供了新的靶点[25]。

10 常染色体隐性PAH的突变

目前肺动脉高压临床分类中，肺静脉闭塞性疾病(PVOD)和肺毛细血管瘤病(PCH)属于PAH亚组，PVOD和PCH均为常染色体隐性遗传病。在对POVD进行的外显子序列测定中，致病基因EIF2AK4在所有分析的家系(n=5)和25%散发性疾病(n=20)中均被检出[26]。同时，Best等[27]在遗传性和散发性PCH中独立检测到双等位基因EIF2AK4突变。EIF2AK4的发现有助于PAH、PVOD和PCH的鉴别诊断。一项研究进一步证实了EIF2AK4突变在临床PAH患者中的致病作用，该研究发现了9例具有双等位基因的EIF2AK4变异。而且，携带有EIF2AK4突变的PAH患者年龄较小且其生存率降低。我国也报道了2例EIF2AK4基因检测阳性并且诊断为肺静脉闭塞病的案例[28]。

11 ABCC8/TBX4/GDF2突变

对BMPR2或ACVRL1基因突变阴性的PAH患者中发现了一个新的ABCC8基因变异[29]。在成纤维细胞样细胞系中鉴定出ABCC8变体的表达降低了ATP敏感性钾通道的功能，进一步表明ABCC可能是PAH的有害突变。用选择性ABCC8激活剂二氮嗪对这些细胞的处理可使通道功能恢复到正常水平。在155例儿童期PAH和257例成人期PAH患者中进行了全外显子组测序分析表明，与成年发作的IPAH队列相比，儿童期发作的IPAH样本组中发现TBX4(编码T-box转录因子)的可能致病等位基因[30]。血浆生长分化因子2(GDF2)编码BMP9，它是BMPR2的主要配体ACVRL1受体复合物和内皮细胞迁移及生长的有效抑制剂。研究表明，GDF2突变会导致BMP9功能丧失， 这些突变导致BMP9和BMP10水平降低。 这些发现支持增强PAH中BMP9或BMP10信号传导的治疗策略[31]。

综上所述，自从引入大规模并行测序技术以来，PAH的遗传学已得到迅速发展，该技术支持同时评估多个基因的基因组变异。BMP信号的失调仍然是PAH发展的主要危险因素，而BMPR2单倍体剂量功能不足作为疾病的主要分子机制，正在发展为靶向治疗方案。持续的基因发现及对新发现基因的突变筛选在未来将有可能实现分子检测PAH。目前研究强调了在将基础遗传学研究转化为潜在治疗模式方面取得的巨大进展。虽然目前直接纠正潜在突变仍然具有挑战性，但基因编辑技术的快速发展使肺血管内的靶向突变纠正成为可能。