先天性心脏病(CHD)患儿有合并神经发育障碍的风险，可表现为多个层面的神经精神发育异常。高达20%～30%的CHD患儿具有遗传学异常，遗传因素作为神经发育障碍的独立危险因子，其预示着这部分CHD患儿将拥有更差的神经系统发育结果。由于神经发育的结果与潜在的综合征或遗传异常的密切相关，早期诊断是建立神经系统发育和认知功能预后的关键，有利于指导患儿及其家长进行早期干预和治疗。现从遗传学角度简要分析遗传学异常在儿童CHD与神经发育之间的关系，以期引起儿科临床医师及患儿家长的关注，为CHD患儿提供更全面的支持。
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先天性心脏病(congenital heart diseases，CHD)是最常见的先天畸形，约占活产婴儿的1%[1]。随着外科手术、导管介入及围术期治疗水平的不断进步，CHD患儿的存活率显著提高。虽然手术使CHD患儿心脏的血流动力学得到明显改善，但许多CHD患儿存在显著的心外异常及术后并发症，这些因素影响患儿的生活质量，其中影响最大的潜在因素是神经发育障碍(neurodeve-lopmental disorders，NDD)，可表现在认知障碍、运动障碍、社交障碍、视觉空间障碍、语言障碍、注意缺陷、孤独症谱系障碍、多动症等多个层面[2]。轻症CHD患儿NDD的发生率约为10%，而严重CHD患儿NDD的发生率可达50%[3]。传统观点认为，手术打击可能是CHD患儿发生NDD的重要原因，但研究证实围术期因素(如全身麻醉或体外循环等)作用并不显著[4]。相反，更复杂的遗传生物学因素成为CHD患儿发生NDD的罪魁祸首。20%～30%的CHD患儿存在遗传学异常[2,5]。遗传因素作为NDD的独立危险因子，这部分CHD患儿神经系统发育结果更差[5,6]。近20年来随着基因技术飞速发展，学者们对CHD基因的认识从早期的染色体核型分析时代，逐渐进入到基因微阵列技术、全外显基因测序和全基因组测序时代，这可以更好地从基因方面深入认识CHD与NDD的联系。神经发育结果与潜在的综合征或遗传异常密切相关，早期诊断是建立神经系统和认知预后的关键，有利于指导患儿及其家属进行早期干预和治疗。现分析遗传异常在儿童CHD与神经发育之间的关系，以引起儿科临床医师及患儿家属的关注，为CHD患儿提供更全面的支持。
遗传综合征在CHD患儿中十分常见。一般来说，确诊遗传综合征的CHD患儿神经发育预后较非综合征患儿明显更差[2,3,5,6]。非整倍体是最早发现的CHD遗传学病因，CHD与细胞遗传异常相关的比例占9%～18%，在非整倍体环境中大量的基因失调对发育的影响具有多效性和严重性，98%患有CHD和细胞遗传学异常的胎儿至少有1个心外异常[3]。唐氏综合征(Down syndrome，DS)即21-三体综合征在CHD患儿中最为常见，多达50%的DS患儿有CHD，其临床表型主要包括房室间隔缺损、室间隔缺损、房间隔缺损和法洛四联症(tetralogy of Fallot，TOF)[7]。非CHD的DS患儿即存在认知、语言、运动、社会等多方面的NDD，而CHD和并DS的患儿可能具有更差的神经系统发育结果。一项涉及1 092例DS患儿的研究显示，DS合并CHD的婴儿和蹒跚学步的幼儿与无CHD组相比，有显著的语言能力和运动能力下降的趋势。学龄前DS合并CHD组语言能力持续较差，但差异无统计学意义。但在学龄期，2组儿童在认知、成就或神经发育测试中无明显差异[8]。
22q.11.2缺失综合征(22q11.2 deletion syndrome，22q11.2DS)是一组以CHD、腭裂、免疫缺陷、胃肠道畸形、泌尿生殖系统畸形及甲状旁腺功能减退等为主要临床特征的遗传综合征[9]，在CHD患儿中的发生率仅次于DS，约75%的22q.11.2DS患儿有CHD。22q11.2DS由低拷贝重复(LCR22)的A、B、C和D减数分裂期间发生的非等位同源重组引起，处于LCR22 A～B区域的TBX2基因与LCR22 C～D区域的Crkl基因均与22q11.2DS患儿发生CHD相关；LCR22 A～B区域的大部分基因在神经元中表达，其中COMT基因与PIK4CA基因可能与认知及行为异常相关[10]。一项对1 478例受试者的智商(IQ)得分评估显示，A～D缺损组的全量表智商、言语智商、表现智商均低于与A～B缺失组，但未发现严重CHD对IQ分值有显著影响[11]。Yi等[12]研究发现，有和无CHD的22q11.2DS的精神疾病患病率无显著差异，而无22q11.2DS的CHD组患儿精神疾病发病率较低[12]。CHD患儿虽本身有神经发育异常的风险，但在22q11.2DS患儿中染色体片段缺损所带来的显著神经精神脆弱性占主导地位。
其他与CHD和NDD相关的综合征包括18-三体综合征、13-三体综合征等三倍体变异，Alagille综合征、Williams综合征、Noonan综合征、CHARGE综合征(表现为眼缺损、心脏缺陷、闭锁性的颈闭锁、生长迟缓、生殖器异常和耳朵异常)和VACTERL综合征(表现为脊椎缺陷、肛门闭锁、心脏缺陷、气管食管瘘、肾异常和肢体异常)等单基因突变及拷贝数变异(copy number variants，CNV)[13,14]。
随着基因技术水平的快速发展，常规的基于阵列的技术可检测到10～20 kb的微重复或微缺失，当这些基因变异长度>1 000个碱基对称为CNV[15]。CNV在CHD患儿中约占10%[3,16]。基因剂量不平衡在发育过程中有害，而非整倍体和微缺失的发现支持这一观点。关键区域的发现和单个基因变异对连续的基因缺失综合征有重要意义，有利于在临床上建立有用的基因-表型关系。
以主动脉和肺动脉瓣上狭窄、NDD、高钙血症和小精灵面容为特征的Williams综合征由染色体7q11.23区域1.5～1.8 Mb的微缺失引起，该区域涉及28个基因，其中包括弹性蛋白基因[17,18]。尽管弹性蛋白基因在心血管发病机制中的因果关系存在争议，但现仍发现了一些与NDD机制发生机制相关的候选基因，包括LIMK1(在社会认知中具有特殊作用)、GTF2I/GTF2IRD1聚集(涉及视觉空间/运动整合)、STX1A和CYLN2(涉及脑白质结构)[17]。
染色体1q21.1区域重复出现的微缺失和微重复可导致多种临床表型，包括先天性心脏畸形、头颅畸形、发育迟缓、精神分裂及其他精神异常等[19,20]。该区域任何形式的CNV均可导致神经精神障碍，且有不完全外显的特点。1q21.1区域缺失与精神分裂症、非TOF CHD和小头畸形有关，而其重复与大头畸形、孤独症谱系障碍和TOF密切相关[21]。Brunetti-Pierri等[22]观察到巨颅畸形与1q21.1区域重复的大小相关，其可能涉及一种与巨颅畸形和纤毛运动损害相关的种内同源基因HYDIN的插入。GJA5基因是CHD患者1q21.1区域基因重复的最强候选基因，该基因编码负责细胞黏附和交流的缝隙连接蛋白connexin 40(Cx40)[23]。Cx40在心房和传导系统中选择性地表达。GJA5基因敲除的小鼠圆锥动脉干发育异常(包括TOF)和心内膜缺陷的发生率增高，且存在大脑畸形[21]。Soemedi等[21]研究发现，在1q21.1区域内仅GJA5基因重复就使TOF的风险增加了10倍，GJA5基因调节异常是TOF患者发生房性心律失常的易感因素[21,24]。
研究发现，20%的非综合征CHD患儿中可能出现以往未知的致病性CNV[5,16,25]。致病的CNV对生长发育、神经认知预后和生存均有不利影响[25]。在CHD合并心外畸形时，CNVs的检出增加，因此CNV的筛选可能对胎儿期CHD有重要的诊断价值，有望成为未来CHD诊断的重要工具[26,27]。
在CHD和NDDs中都存在一些特定的单基因紊乱和连续基因缺失综合征。这些基因清单构成了CHD和NDDs之间分子共性的功能目录。相关基因涉及转录、组蛋白修饰、信使RNA拼接及其他细胞功能等上游过程。而这些细胞功能受CHD和NDDs相关基因变异的影响。
表观遗传学通过控制基因表达在细胞功能方面起重要作用。对于基因转录，其DNA编码子或启动子必须在细胞器上可用，这种染色质结构重塑很大程度上是通过组蛋白的修饰来调节DNA骨架的形成和调控转录的。而甲基化是这个系统的关键机制，它通常发生在H3和H4(在组蛋白八聚体中包含的3个蛋白质中的2个)可变位置的赖氨酸(K)残留物上[28]。国外对CHD和NDDs患儿进行全外显基因测序研究，发现组蛋白修饰通路中大量的新发突变是重要的表观遗传组成部分[16,29,30,31]。这些异常现象主要集中在关键发育调控基因H3中赖氨酸甲基化的过程中。组蛋白H3赖氨酸4(H3K4)的甲基化是转录激活过程，其包括2个关键步骤：(1)在H2上的第120个位置的赖氨酸(H2BK120)须泛化；(2)形成MLL-2 H3K N-甲基转移酶复合体的酶须使H3K4甲基化[32,33]。研究表明，CHD患儿的各种基因突变均涉及上述2个步骤[31]。另一个受影响的途径是组蛋白H3赖氨酸27(H3K27)甲基化，是转录-去活化过程，在调节蛋白SMAD2的促进作用下，甲基去除使转录激活，这一过程在胚胎发育中非常活跃[31]。总之，H3K4甲基化/H2K27甲基化途径的基因突变会使各种发育基因转录下调。
染色质重塑影响转录是孤独症谱系障碍的发病机制之一[30]。在CHD患儿中，相同的组蛋白甲基化基因突变的富集也与神经发育、智力缺陷、孤独症谱系障碍和精神分裂症有关[34]。与组蛋白3赖氨酸甲基转移酶(H3 KMT)功能相关的基因(如MLL、CHD4/7/8和CUL4等)突变可能是导致智力障碍、孤独症谱系障碍和CHD的单基因表型[35,36]。在大脑皮层中，H3K4的表观遗传重塑在晚期妊娠到青春期早期最活跃，CHD群体的神经发育和社交障碍可能与该阶段有关[37]。值得注意的是，高达70%的Kabuki综合征与组蛋白甲基转移酶KMT2D突变相关，其通常表现为先天心脏畸形、严重智力和发育障碍[38]。
Wnt信号转导通路是各种细胞功能的主要调节因子。Wnt分子是一种细胞外配体，其与细胞膜上的蛋白质受体结合，产生细胞内信号级联，通过多种细胞反应，包括增殖、分化、迁移和凋亡，调控多种发育过程，调节人体组织稳态[39]。根据其激活的细胞内蛋白质，Wnt信号有2条通路：经典途径涉及β-连环蛋白并导致转录激活，非经典途径影响细胞骨架及细胞极性[40]。这2种途径均与胚胎期心脏发育关系密切，包括早期心脏祖细胞的规范、心肌细胞的末端分化、细胞黏附、间隔与瓣膜发育及流出道和传导系统的成熟等[41,42]。Wnt信号通路上的基因突变，可导致房间隔缺损、室间隔缺损、TOF、房室间隔缺损、主动脉缩窄、大动脉转位等CHD临床表型[23]。
在大脑中，Wnt通路与神经板规范、神经管形成、大脑区域化、神经前体细胞增殖和迁移、轴突路径、树突形成、突触形成与活动等有关[43]。在表观遗传学上，Wnt信号通路的基因变异，通过影响神经系统发育的各个环节，导致神经和精神发育障碍。一项对2 896例CHD患者的大规模基因研究发现：CHD并NDD患儿在Wnt相关基因中存在CNVs的显著富集，在Wnt通路中共有13个CNVs基因(包括：CDH18、CDH2、CTBP1、CTNNB1、FAT1、LRP5L、NFATC1、PCDH15、PCDHB7、PCDHB8、PRKCB、PRKCQ和WNT7B)，占罕见缺失患者的12%[23]。
基因的罕见突变及新发突变(de novo mutations，DNMs)也可能导致CHD和NDD。16p13.1区域的罕见突变与自闭谱系障碍、神经发育障碍和精神分裂症等精神疾病相关[44]，其区域内MYH11突变是远期心脏疾病(包括胸主动脉瘤和主动脉二叶瓣)的预测因子[45]。16p13.11区域附近的CNV与行为异常、认知障碍和CHD有关，在该基因区域内有7个基因，其中，核分布基因E同系物1(NDE1)与神经系统发育关系密切，NDE1基因的变异可能导致小颅畸形甚至无脑畸形。8p23.1区域的CNV与房室间隔缺损、左心室发育不良综合和TOF发病有关，它可能由与心脏发育相关的GATA4基因发生突变所致，该位置的基因缺失与发育迟缓、智力缺陷、小头畸形和多动症、冲动行为等精神疾病相关[46]。
Jin等[5]对2 871例CHD患儿进行罕见突变和DNMs研究发现，DNMs占所有病例的8%，其中CHD孤立患者约占3%，NDD及心外先天性异常约占28%。CHD与NDDs患儿存在有害DNMs的基因重叠，19个新的功能缺失突变及48个有害突变在CHD组及4 778例自闭症对照组患儿中同时存在。值得注意的是，在存在神经发育表型的CHD患者中，具有功能缺失DNMs基因重叠的患者有67%存在NDDs，而在所有存在神经发育表型的患者中仅32.8%存在NDDs，提示DNMs可能是CHD患者的易感因素。此外，存在于CHD和自闭谱系障碍患者中的所有功能缺失的DNMs，有14/35是染色质修饰因子，而87%有染色质修因子的患者在入组时即存在NDDs。DNMs与罕见突变均可能使CHD患儿发生NDD的概率增高。
综上，全外显基因测序在人群中的应用确定了CHD和NDD的因果关系，也明确了CHD和神经发育表型的遗传结构，为心脏畸形和大脑发育的共性提供了分子基础。早期对CHD人群进行基因筛选有利于早期识别具有NDD风险的患儿，并在神经发育的关键早期进行治疗干预。儿童CHD是一种超越先天心脏畸形的疾病，心脏畸形类型、手术时机、围术期脑损害、遗传异常均会影响其远期预后。而遗传异常对CHD患儿的神经精神损害远超过其他危险因素，因此，在婴幼儿期对CHD高危患儿进行相关神经系统发育量表评估，染色体核型分析及基因检测，可帮助预测CHD患儿的神经系统发育预后，对存在中至重度NDD的CHD患儿，建议行相关基因检测，并尽早进行干预，从而提高患儿的生存质量。
所有作者均声明不存在利益冲突
