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        長QT綜合征的遺傳學研究進展

        2021-01-21 04:33:50王丹穎張艷敏
        中國婦幼健康研究 2021年1期
        關(guān)鍵詞:動作電位長約亞基

        王丹穎,張艷敏

        (1.西安醫(yī)學院,陜西 西安 710068;2.西安交通大學附屬兒童醫(yī)院 西安市兒童醫(yī)院心內(nèi)科陜西省兒科疾病研究所 西安市兒童健康與疾病重點實驗室,陜西 西安 710003)

        長QT綜合征(long QT syndrome,LQTS)是以心電圖QT間期延長,可發(fā)生尖端扭轉(zhuǎn)性室性心動過速、室顫等惡性心律失常,并以發(fā)作性暈厥和心源性猝死為臨床特征的遺傳性心臟離子通道病,發(fā)病率約為1∶2 000[1],其是兒童和青少年心臟結(jié)構(gòu)正常發(fā)生心源性暈厥和猝死的重要原因之一?,F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)其有15個致病基因,主要是編碼心臟離子通道及其相關(guān)蛋白的基因,因此將這類疾病統(tǒng)稱為心臟離子通道病。LQTS的遺傳方式主要為常染色體顯性遺傳,以及常染色體隱性遺傳,即伴有耳聾的Jervell和Lange-Nielsen綜合征。在迄今發(fā)現(xiàn)的15個LQTS相關(guān)致病基因中,有超過1 400多個突變位點,包括錯義突變、移碼突變、框內(nèi)缺失、義突變和剪接突變等突變類型。LQT1、LQT2和LQT3為最常見的LQTS亞型,約占80%。LQT1和LQT2分別為編碼心臟緩慢延遲整流鉀電流(IKs)通道和快速延遲整流鉀電流(IKr)通道α亞基的KCNQ1和KCNH2基因突變,LQT3為編碼心臟電壓門控鈉通道(Nav1.5) α亞基的SCN5A基因突變,見表1。

        表1 LQTS致病基因總結(jié)

        心肌細胞靜息電位大約在-85mV,主要由內(nèi)向整流鉀電流(IK1)引起的K+平衡電位產(chǎn)生。Nav1.5激活后導致Na+內(nèi)流(INa)引起膜去極化,當膜電位大約在-40mV時,電壓門控L型鈣通道開始開放,引起Ca2+緩慢而持久地內(nèi)流。在動作電位快速去極化時,包括IKs和IKr的延遲整流鉀電流開始緩慢激活,當細胞膜電位達到+30mV時,INa完全失活。在動作電位平臺期,Ca2+內(nèi)流主要被IKs和IKr的外向鉀電流平衡,隨著鈣通道的失活和K+持續(xù)外流,心肌細胞逐漸恢復到靜息電位。在LQTS患者中,基因突變通過相應(yīng)的心臟離子通道功能獲得(gain of function)或者功能喪失(loss of function),導致心肌細胞動作電位時程(action potential durations,APDs)延長,心室肌細胞繼發(fā)早期后除極(early afterdepolarizations,EADs)或延遲后除極(delayed afterdepolarizations,DADs),從而誘發(fā)尖端扭轉(zhuǎn)型室速,進一步惡化為心室顫動和心源性猝死?,F(xiàn)就LQTS的致病基因、突變類型及發(fā)病機制進行綜述。

        1關(guān)于LQT1

        1.1 LQT1的致病基因

        LQT1的致病基因是KCNQ1,位于染色體11p15.5,包含16個外顯子,長約400kb,編碼IKs通道的α亞基,該亞基共676個氨基酸。IKs是一種具有獨特動力學(激活緩慢)和電壓依賴性的外向鉀電流,在心臟動作電位的復極化中起著關(guān)鍵作用。IKs在交感神經(jīng)興奮時受β腎上腺素刺激上調(diào),從而控制心肌動作電位時程。

        1.2 LQT1的發(fā)病機制

        目前已發(fā)現(xiàn)超過500種LQTS相關(guān)的致病突變,包括錯義突變、無義突變、剪接突變、移碼突變和片段缺失。不同突變通過:①降低IKs通道對K+的通透性[2],如T322A、T322M、G325R突變;②影響IKs門控特性,如D202H突變;③IKs通道蛋白轉(zhuǎn)運至細胞膜障礙[3],如Y111C、L114P、P117L突變;④影響IKs通道與β亞基KCNE1之間的相互作用[4],如S546L、K557E突變;⑤依賴cAMP的蛋白激酶A(cAMP-dependent protein kinase A,PKA)介導的信號通路受損,如G189R、R190Q、R243C、V254M突變;⑥降低通道與4,5-二磷酸酯酰肌醇(phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate,PIP2)的親和力,如R539W、R555C突變;⑦減弱與鈣調(diào)蛋白的結(jié)合,如S373P、W392R突變等導致IKs通道功能喪失(loss of function),在心室肌細胞復極時K+外流減慢,導致復極時間延長,心電圖表現(xiàn)為QT間期延長。

        2關(guān)于LQT2

        2.1 LQT2的致病基因

        LQT2的致病基因是KCNH2,位于染色體7q35~36,包含16個外顯子,長約19kb,編碼IKr通道的α亞基,該亞基共1 159個氨基酸。IKr通道是心肌細胞動作電位復極的主要離子通道。IKr通道的獨特動力學在于其相對緩慢的激活和滅活,快速失活及從失活中快速恢復。

        2.2 LQT2的發(fā)病機制

        目前已發(fā)現(xiàn)超過700個LQTS相關(guān)致病突變,包括錯義突變、無義突變、剪接突變、移碼突變和片段缺失。突變導致IKr通道功能喪失,包括:①減少IKr通道蛋白的合成,如R1014X突變;②通道蛋白轉(zhuǎn)運障礙,如Y611H和V822M突變;③影響門控特性,如T613A突變;④對K+的通透性降低[5],如G628S突變等導致IKr通道功能喪失,在心室肌細胞復極時K+外流減慢,導致復極時間延長,心電圖表現(xiàn)為QT間期延長。

        3關(guān)于LQT3

        3.1 LQT3的致病基因

        LQT3的致病基因是SCN5A,位于染色體3p21~24,包含28個外顯子,長約80kb,編碼心肌細胞膜Navl.5的α亞基并產(chǎn)生除極電流,該亞基共2 016個氨基酸。Nav1.5主要參與心肌動作電位0期除極和傳導,是維持心肌細胞正常興奮性和傳導性的重要離子通道。

        3.2 LQT3的發(fā)病機制

        目前發(fā)現(xiàn)200多種LQT3相關(guān)致病突變,包括錯義突變、框內(nèi)缺失突變和插入突變等。主要發(fā)病機制為產(chǎn)生持續(xù)的晚鈉電流(INa.L):①通過增加Navl.5通道INa.L導致心肌細胞復極延長,如ΔKPQ(1 505~1 507)缺失突變導致Navl.5通道失活減慢,表現(xiàn)為持續(xù)開放,INa.L增加;②通道延遲再開放,如R1623Q突變;③依賴cAMP的PKA介導的磷酸化致INa.L增加[6],如D1790G突變等,或者在沒有持續(xù)INa.L產(chǎn)生的情況下發(fā)生的異常Na+傳導,如G1631D突變增大“窗口電流”和I1768V突變引起的非平衡門控受損,導致鈉通道(Navl.5)功能增加(gain of function)。持續(xù)的INa.L導致心肌細胞動作電位平臺期延長,使APD延長,心電圖則表現(xiàn)為T波延遲,QT間期延長。

        4關(guān)于LQT4

        4.1 LQT4的致病基因

        LQT4的致病基因是ANK2,位于染色體4q25~27,包含46個外顯子,長約350kb,編碼錨蛋白B,共3 957個氨基酸。ANK2基因突變不僅表現(xiàn)為LQTS,還引起其它臨床表型,包括竇房結(jié)病變、心房顫動、多形室性心律失常、暈厥甚至猝死等,稱為錨蛋白B綜合征。

        4.2 LQT4的發(fā)病機制

        錨蛋白B作為銜接蛋白與Na+/K+-ATP酶(Na+/K+-ATPase)、Na+/Ca+交換器(Na+/Ca2+exchanger,NCX)及1、4、5-三磷酸肌醇受體(IP3receptor,IP3R)相結(jié)合,形成膜蛋白復合物,調(diào)節(jié)細胞內(nèi)鈣釋放。另外,研究證明錨蛋白B在心臟組織中參與調(diào)節(jié)Nav1.5、ATP門控鉀通道及Ryanodine受體[7]。目前已發(fā)現(xiàn)超過20種ANK2基因突變引起LQT4,不同基因突變通過影響多種離子通道功能,導致APD延長,心電圖QT間期延長。

        5關(guān)于LQT5

        5.1 LQT5的致病基因

        LQT5的致病基因是KCNE1,位于染色體21q22.12,包含3個外顯子,長約40kb,編碼Mink蛋白,共129個氨基酸,作為輔助性β亞基與KCNQ1編碼IKs通道的α亞基共同組成IKs通道。

        5.2 LQT5的發(fā)病機制

        目前已發(fā)現(xiàn)超過30多個致病突變,包括錯義突變、無義突變和移碼突變等類型。不同突變通過:①影響IKs門控特性[8],如D76N突變;②IKs通道蛋白轉(zhuǎn)運至心肌細胞膜受損[3],如L51H突變;③PKA介導的信號通路障礙,如D76N、P127T突變;④β亞基與α亞基之間的結(jié)合作用受損[4]等不同機制導致IKs通道功能喪失,在心室肌細胞復極時K+外流減慢,導致復極時間延長,心電圖表現(xiàn)為QT間期延長。

        6關(guān)于LQT6

        6.1 LQT6的致病基因

        LQT6的致病基因是KCNE2,位于染色體21q22.12,包含3個外顯子,長約40kb,編碼Mink相關(guān)蛋白1(MiRP1),共123個氨基酸,作為輔助性β亞基與KCNH2編碼的IKr通道α亞基共同組成IKr通道。此外,KCNE2也參與調(diào)控IKs、起搏電流(If)、瞬時外向鉀電流(Ito)。

        6.2 LQT6的發(fā)病機制

        目前至少發(fā)現(xiàn)有20個LQTS相關(guān)致病突變,包括錯義突變和移碼突變。目前研究發(fā)現(xiàn),如V65M突變加速通道失活及T10M突變減緩通道從失活中恢復,通過影響IKr通道的門控特性導致IKr通道功能喪失,在心室肌細胞復極時K+外流減慢,導致復極時間延長,心電圖表現(xiàn)為QT間期延長[9]。

        7關(guān)于LQT7

        LQT7又稱Andersen-Tawil綜合征(andersen-tawil syndrome,ATS),主要的臨床特征包括發(fā)育異常(低位耳、眼距過寬、下頜骨發(fā)育不全)、心律失常和周期性麻痹。

        7.1 LQT7的致病基因

        LQT7的致病基因是KCNJ2,位于染色體17q23,包含2個外顯子,長約15kb,編碼內(nèi)向整流鉀通道2蛋白(Kir2.1),共428個氨基酸,是介導內(nèi)向整流鉀電流IK1的主要鉀通道。IK1的內(nèi)向整流特性是心肌細胞動作電位平臺期持續(xù)時間較長的重要原因。

        7.2 LQT7的發(fā)病機制

        目前已發(fā)現(xiàn)超過70種致病突變導致Kir2.1通道功能喪失。KCNJ2突變導致ATS,幾乎所有突變具有負顯性抑制效應(yīng)。不同突變通過:①降低通道與PIP2的親和力,如R218W突變、G300D突變;②減少通道向細胞表面轉(zhuǎn)運,如Δ312~314突變等不同機制導致Kir2.1通道功能喪失,心肌細胞動作電位平臺期延長,使APD延長,心電圖則表現(xiàn)為QT間期延長。然而,至少發(fā)現(xiàn)6種致病突變沒有典型的ATS臨床表現(xiàn),僅表現(xiàn)為LQTS[10]。

        8關(guān)于LQT8

        LQT8又稱Timothy綜合征(timothysyndrome,TS),臨床表現(xiàn)為多器官異常,心電圖QT間期延長是TS必有的特征,其他常見的臨床表現(xiàn)有并指/趾,孤獨癥譜系障礙、面容異常、動脈導管未閉、竇緩、房室阻滯、室速等。

        8.1 LQT8的致病基因

        LQT8的致病基因是CACNA1C,位于染色體12p13.3,包含47個外顯子,長約650kb,編碼L型電壓門控鈣通道α1C亞基(Cav1.2),該亞基共2 138個氨基酸。L型鈣電流是心肌細胞動作電位平臺期的主要去極化電流。Ca2+緩慢而持久地內(nèi)流,引起細胞內(nèi)連接肌質(zhì)網(wǎng)釋放Ca2+,從而觸發(fā)心肌細胞的興奮-收縮耦聯(lián)。

        8.2 LQT8的發(fā)病機制

        研究發(fā)現(xiàn)G406R突變和G402S突變通過減慢L型鈣電流電壓依賴性失活,導致通道功能增加,I1166T突變雖然對通道失活影響甚微,但是會增加“窗口電流”導致通道功能增加[11]。Ca2+緩慢而持久地內(nèi)流,導致心肌細胞動作電位平臺期延長,心肌細胞APD延長,心電圖則表現(xiàn)為QT間期延長。目前還發(fā)現(xiàn)至少有10多種致病突變,盡管無典型的TS臨床表現(xiàn),但仍表現(xiàn)為QT間期延長及可能伴發(fā)的致命性心律失常[10]。

        9關(guān)于LQT9

        9.1 LQT9的致病基因

        LQT9的致病基因是CAV3,位于染色體3p25,包含2個外顯子,長約12kb,編碼小凹蛋白3,共151個氨基酸。小凹是細胞膜上一種富含膽固醇和鞘脂類的內(nèi)陷結(jié)構(gòu),小凹蛋白是小凹重要的功能蛋白。目前發(fā)現(xiàn)有3種小凹蛋白,其中在心臟組織中表達最豐富的是小凹蛋白3。小凹蛋白3調(diào)節(jié)暫時聚集在小凹的多種信號分子及其轉(zhuǎn)導,維持心臟組織的正常功能[12]。

        9.2 LQT9的發(fā)病機制

        目前已發(fā)現(xiàn)至少6種致病突變,研究表明這些突變可產(chǎn)生持續(xù)的INa.L[13]。然而,F(xiàn)97C和S141R突變對L型Ca2+電流(ICaL)和Ito產(chǎn)生影響,從而延長動作電位。

        10關(guān)于LQT10

        10.1 LQT10的致病基因

        LQT10的致病基因是SCN4B,位于染色體11q23.3,包含5個外顯子,長約20kb,編碼Nav1.5β4亞基。目前已發(fā)現(xiàn)Nav1.5的β亞基有5種亞型,分別為β1、β2、β3、β4及β1B,且都在心臟表達。這些β亞基均參與調(diào)控Nav1.5通道α亞基的生物電學特性,調(diào)節(jié)Nav1.5通道與其他相關(guān)蛋白的相互作用[14]。

        10.2 LQT10的發(fā)病機制

        研究發(fā)現(xiàn)L179F突變可引起INa.L和“窗口電流”明顯增加[15]。另外,SCN4B的突變也與嬰兒猝死綜合征(sudden infant death syndrome,SIDS)有關(guān)。研究表明與SIDS相關(guān)的S206L突變引起INa.L明顯增加[16]。持續(xù)的INa.L導致心肌細胞動作電位平臺期延長,使APD延長,心電圖則表現(xiàn)為T波延遲,QT間期延長。

        11關(guān)于LQT11

        11.1 LQT11的致病基因

        LQT11的致病基因是AKAP9,位于染色體7q21~22,包含50個外顯子,長約170kb,編碼A型激酶錨定蛋白9,共3 907個氨基酸。目前已發(fā)現(xiàn)AKAP9有4種不同剪接體亞型,其中Yotiao蛋白作為支架蛋白在心臟與IKs通道相連,同時與依賴cAMP的PKA、腺苷酸環(huán)化酶等蛋白激酶,共同形成了IKs通道復合物。

        11.2 LQT11的發(fā)病機制

        有研究證實,AKAP9位點突變使IKs通道磷酸化障礙[17],IKs功能喪失導致心室肌細胞復極時K+外流減慢,導致復極時間延長,心電圖表現(xiàn)為QT間期延長。目前至少發(fā)現(xiàn)5種致病錯義突變。

        12關(guān)于LQT12

        12.1 LQT12的致病基因

        LQT12的致病基因是SNTA1,位于染色體20q11.2,包含8個外顯子,長約35kb,編碼α1-互生蛋白(syntrophin-α1,SNTA1),共505個氨基酸。SNTA1屬于抗肌萎縮蛋白相關(guān)蛋白家族成員,是骨骼肌和心肌細胞表達的主要亞型。SNTA1直接與Nav1.5通道相互作用,作為支架蛋白,同時又與神經(jīng)性一氧化氮合酶(nNOS)、細胞膜鈣ATP酶(PMCA4b)相互結(jié)合,構(gòu)成Nav1.5通道復合體。

        12.2 LQT12的發(fā)病機制

        目前已發(fā)現(xiàn)的錯義突變A257G,通過增加峰鈉電流密度,使Nav1.5功能增加。研究發(fā)現(xiàn)多態(tài)性SNTA1-P74L使SNTA1-A257G突變發(fā)生的峰鈉電流密度增加,結(jié)果產(chǎn)生相反改變,解釋了A257G與多態(tài)性P74L共表達并無LQTS的臨床特征[18]。研究表明SCN5A-R800L和SNTA1-A261V共表達使INa.L增加[19]。

        13關(guān)于LQT13

        13.1 LQT13的致病機制

        LQT13的致病基因是KCNJ5,位于染色體11q24,包含3個外顯子,長約30kb,編碼乙酰膽堿敏感性鉀通道(IKACh)的Kir3.4亞基,該亞基共419個氨基酸。當副交感神經(jīng)興奮時,IKACh通過G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptor,GPCR)介導,從而減慢心律,IKACh不僅存在于竇房結(jié)、房室結(jié)及心房,也在心室表達。

        13.2 LQT13的發(fā)病機制

        目前已發(fā)現(xiàn)KCNJ5的錯義突變G387R,降低IKACh通道蛋白亞基向細胞膜的轉(zhuǎn)運,導致電流波幅降低,延長心室肌動作電位,心電圖表現(xiàn)為QT間期延長。

        14關(guān)于LQT14和LQT15

        14.1 LQT14和LQT15的致病基因

        LQT14的致病基因是CALM1,位于染色體14q32.11,包含6個外顯子,長約11kb,編碼鈣調(diào)蛋白,共149個氨基酸。LQT15的致病基因是CALM2,位于染色體2p21,包含6個外顯子,長約16kb,編碼鈣調(diào)蛋白,共149個氨基酸。

        14.2 LQT14和LQT15的發(fā)病機制

        目前已發(fā)現(xiàn)有3種基因CALM1、CALM2、CALM13編碼同一鈣調(diào)蛋白。鈣調(diào)蛋白為介導細胞鈣信號傳導的鈣結(jié)合蛋白,在L型鈣通道的鈣依賴性失活[20]和Nav1.5通道失活[21],以及KCNQ1的轉(zhuǎn)運和組裝中發(fā)揮重要作用[22]。LQTS相關(guān)突變降低了鈣調(diào)蛋白對Ca2+的親和力,導致心臟L型鈣通道的失活障礙[23],平臺期內(nèi)向電流增加,使APD延長,心電圖則表現(xiàn)為QT間期延長。

        15關(guān)于Jervell和Lange-Nielsen綜合征

        不同于其他常染色體顯性遺傳,Jervell和Lange-Nielsen綜合征(Jervell and Lange-Nielsen syndrome,JLNS)屬于常染色體隱性遺傳病,主要臨床表現(xiàn)是雙耳先天性重度感音神經(jīng)性耳聾及以QT間期延長為主的心律失常,可導致暈厥甚至猝死[24]。

        15.1 JLNS的致病基因

        JLNS1的致病基因是KCNQ1,并且在已發(fā)現(xiàn)的500多種KCNQ1致病突變中,有將近30種與JLNS1有關(guān);JLNS2的致病基因是KCNE1,并且已發(fā)現(xiàn)至少有4種致病突變與JLNS2有關(guān)。張文娟等(2019年)研究認為大多數(shù)病例的突變類型為缺失突變。

        15.2 JLNS的發(fā)病機制

        KCNQ1和KCNE1編碼心臟和耳蝸中IKs通道的α和β亞基。正常聽力需要維持內(nèi)耳淋巴液中的高鉀濃度,而富含K+的內(nèi)淋巴液正是由IKs通道產(chǎn)生的。突變使耳蝸中的IKs通道異常導致耳聾。心臟中IKs通道功能喪失導致心室復極化延長,表現(xiàn)為心電圖上QT間期延長。

        綜上所述,LQTS作為單基因疾病,是遺傳與基因組學指導的危險分層、精準治療、精準預(yù)防的典范。隨著遺傳學研究的不斷發(fā)展,LQTS的基因診斷和發(fā)病機制研究取得了重大進步,除已發(fā)現(xiàn)的15個LQTS及JLNS的致病基因,新的LQTS亞型、致病機制將會不斷被發(fā)現(xiàn)。對離子通道病和其他致心律失常突變病理、生理機制的深入研究有助于闡明LQTS的分子基礎(chǔ)和LQTS基因型與表型的相關(guān)性,為進一步深入對LQTS發(fā)病機制的研究,以及對LQTS患者的基因特異性精準治療策略提供新的思路。

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