动脉性肺动脉高压(PAH)是一种发病机制复杂、预后不良的进展性疾病。尽管靶向治疗改善了患者预后，但中位生存期依然较短。探讨PAH发病机制、寻找新的治疗靶点是目前PAH的研究热点。基因突变是PAH发生、发展的重要机制，与PAH临床表型、治疗、预后密切相关。针对基因突变的精准治疗可能是未来PAH治疗的发展方向。研究PAH相关突变基因有助于开发PAH治疗的新靶标。筛查携带突变基因的高危人群，对其进行随访管理，有助于实现PAH的优生优育及早期防治。本文就基因突变在PAH发生、发展中的机制及靶向基因的PAH精准治疗进行综述。
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动脉性肺动脉高压(pulmonary arterial hypertension，PAH)是一类发病机制复杂、肺血管阻力和肺动脉压力进行性升高的疾病，最终导致右心衰竭或死亡。目前，PAH靶向药物机制主要为促进血管舒张，降低肺血管阻力，减缓血管重塑。虽然靶向药物的使用改善了患者生活质量及长期生存率，但依然无法治愈该疾病，患者的中位生存期仅为6年[1]。因此，阐明PAH发生、发展机制，研发新的治疗药物，优化目前治疗方案，对于改善患者预后有重要意义。基因突变与PAH发生、发展密切相关，目前已发现多个PAH易感基因，如骨形态发生蛋白受体2(bone morphogenetic protein receptor 2，BMPR2)、内皮糖蛋白(endoglin，ENG)、SMAD8、钾通道亚家族K成员(potassium channel subfamily K member 3，KCNK3)等。针对突变基因的筛查有助于早期发现及治疗PAH，甚至可预防PAH发生。靶向突变基因的治疗可改善患者预后，是未来PAH治疗的重要发展方向。
TGF-β超家族包括TGF-β、骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)、激活素、生长分化因子、抑制素等，TGF-β的Ⅰ型膜受体即为激活素受体样激酶(activin receptor-like kinases，ALKs)。当配体与Ⅰ型、Ⅱ型受体结合后，Ⅱ型受体磷酸化并激活Ⅰ型受体，激活的Ⅰ型受体磷酸化并活化受体激活型SMADs(SMAD1/2/3/5/8)，受体激活型SMADs与SMAD4形成复合物，将信号转导至细胞核，调节靶基因转录[2]。BMPR2、ALK1、ENG、SMAD8等多个TGF-β超家族信号通路基因与PAH相关[3]。
BMPR2是TGF-β的Ⅱ型受体，BMP与Ⅰ型受体(如ALK1)及BMPR2结合后，可激活SMAD1/5/8，调控纤溶酶原激活物抑制因子1、DNA结合抑制因子等基因的转录[4]。除SMAD通路外，BMPR2还可通过非SMAD途径调节其他信号分子，如细胞外信号调节激酶(extracellular signal regulated kinase，ERK)、丝裂原活化蛋白激酶、Notch信号通路、蛋白激酶C等[5]。BMPR2突变增加个体PAH发生风险，70%~80%遗传性PAH(heritable pulmonary arterial hypertension，HPAH)与15%~25%特发性PAH(idiopathic pulmonary arterial hypertension，IPAH)携带BMPR2突变[1]。研究发现，BMPR2突变类型包括错义突变、无义突变、移码突变、基因重排、剪接位点突变，分别占BMPR2突变类型的27%、25%、23%、14%及10%[6]。携带BMPR2突变的PAH患者死亡及需要肺移植的风险增加，发病年龄提早，肺动脉压力及肺血管阻力更高，心输出量及心脏指数更低[7]。基因突变、炎症、药物与毒物、缺氧等多种因素可抑制BMPR2通路的信号传导。BMPR2通路的信号缺陷可增加内皮细胞增殖与迁移，破坏细胞骨架，抑制一氧化氮合酶活性，干扰线粒体功能，诱导肺血管内皮间充质转化，促进肺动脉平滑肌细胞(pulmonary artery smooth muscle cells，PASMCs)及成纤维细胞的增殖及迁移[8]。内皮细胞凋亡在PAH起始阶段发挥重要作用，有研究发现BMPR2信号沉默可使内皮细胞凋亡增加近3倍[9]。BMPR2信号缺陷对内皮细胞的促凋亡及促增殖作用可能提示PAH早期阶段BMPR2信号缺陷促进内皮细胞凋亡，破坏血管内皮完整性。随着病情发展，内皮细胞向过度增殖表型转化，导致血管重塑。BMPR2突变导致PAH的具体机制仍待研究，其在PAH发生发展中可能通过多种通路发挥不同作用，寻找关键靶点有助于PAH精准治疗。
80%的遗传性出血性毛细血管扩张症患者携带ENG或ALK1基因突变，少数携带BMP9、SMAD4突变等，遗传性出血性毛细血管扩张症患者可合并PAH[10]。ENG是TGF-β超家族的辅助受体，参与TGF-β/ALK1通路的信号传导。内皮细胞中，TGF-β激活两种不同的Ⅰ型膜受体：激活ALK1诱导内皮细胞增殖及迁移，激活ALK5则相反[11]。ENG及ALK1可抑制TGF-β/ALK5信号通路[10]。ALK1受体可结合其他配体，如BMP9，抑制内皮细胞增殖、迁移[12]。ENG过表达可诱导肺动脉内皮细胞分泌内皮素1、表皮生长因子等，促进PASMCs增殖、迁移，ENG突变干扰细胞内信号传导[12]。ALK1突变导致内皮细胞过度增殖。上述改变均引起肺血管结构及功能改变，促进PAH发生。
小窝是细胞膜表面特异性的内陷区，小窝蛋白1(caveolin-1，CAV-1)是其结构蛋白，CAV-1参与调节BMP的Ⅰ型及Ⅱ型受体激活和信号传导[14]。CAV-1 c．474delA与HPAH相关，CAV-1 c．474delA突变患者皮肤成纤维细胞SMAD1/5/8过度磷酸化，引起成纤维细胞增殖，这可能为CAV-1突变促进PAH的机制之一[15]。钙离子通过瞬时受体电位香草酸4(transient receptor potential vanilloid type 4，TRPV4)通道流入内皮细胞后可激活一氧化氮合酶，降低肺动脉压力。CAV-1与蛋白激酶C相互作用可增强TRPV4通道的活性。研究发现，PAH患者及小鼠肺动脉内皮细胞的TRPV4活性降低，内皮细胞中过氧亚硝酸水平升高，CAV-1半胱氨酸发生亚硝酰化，导致其功能障碍，引起TRPV4功能受损，肺动脉压力升高[16]。
KCNK3是一种pH敏感的双孔钾离子通道，参与调节细胞膜静息电位，在PASMCs、肺动脉内皮细胞、心肌细胞等多种细胞中表达。KCNK3表达下降或缺失导致PASMCs膜电位去极化，激活钙离子通道，引起肺血管收缩[17]。KCNK3突变可引起缺氧诱导因子1表达水平增加、ERK1/2过度磷酸化，PASMCs过度增殖[17]。KCNK3基因突变不仅与PAH相关，还参与左心疾病相关性肺动脉高压(pulmonary hypertension due to left heart disease，PH-LHD)。Lambert等[18]发现，在左心室压力超负荷(升主动脉缩窄术后)背景下，相较于野生型大鼠，携带KCNK3突变基因的大鼠更易发生PH-LHD。KCNK3基因突变促使大鼠左心室舒张功能障碍，左心房重构及功能障碍，内皮细胞完整性受损，IL-6表达水平升高，PASMCs等细胞增殖，心脏纤维化，引起肺血管及血管外膜重塑、右心室肥大，最终导致右心室功能障碍及肺动脉压力升高。
PAH具有家族聚集倾向，Loyd等[19]发现HPAH是一种常染色体显性遗传疾病，突变基因不完全外显。携带突变基因的个体需经环境、年龄、药物、性激素、表观基因修饰等因素的"二次打击"，才会发展为PAH。体细胞基因突变可作为"二次打击"因素，出生后体细胞发生SMAD突变可促进生殖细胞BMPR2突变的基因外显[20]。突变基因的外显率有性别差异，女性BMPR2突变的外显率为42%，男性为14%[21]。雌酮(estrone，E1)、雌二醇(estradiol，E2)在细胞色素P450超家族(cytochrome P450，CYP)成员CYP1A1、1A2、1B1等代谢酶作用下发生2、4、16α羟基化，生成2-OHE1、2-OHE2、16α-OHE1等。代谢产物的羟基可在酶催化下发生甲氧基化，产生2-甲氧基雌酮(2-methoxyestrone，2-ME1)、2-甲氧基雌二醇(2-methoxyestradiol，2-ME2)等。CYP1B1的单核苷酸多态性影响突变基因外显，携带CYP1B1 Asn453Ser纯合子(N/N)的女性受试者BMPR2突变外显率是NS杂合子、SS纯合子的4倍[22]。
PAH女性发病率约为男性的4倍[1]，但女性患者有更好的右心室功能及生存率，前列环素类似物、内皮素受体拮抗剂对女性更有效[23]。低硫酸脱氢表雄酮、高E2水平是男性及绝经后女性发生PAH的危险因素[24]。与未发生PAH的BMPR2携带者相比，发生PAH者有更低的2-OHE/16α-OHE1比值[22]。女性BMPR2的表达及下游信号传导低于男性。E2可通过雌激素受体(estrogen receptor，ER)α促进PASMCs增殖，抑制ERα可引起BMPR2的表达增加[25]。但有研究发现E2可通过ERα增加右心室心肌细胞的BMPR2表达，保护右心室功能及结构[26]。这两个研究中E2的不同作用可能与剂量、细胞类型、环境相关。16α-OHE1可与PASMCs上的ERα相互作用，引起PASMCs增殖[27]。而2-OHE2与2-ME2对PAH有保护作用，发挥抗炎、抑制PASMCs增殖、抗血管生成作用[28]。
同一突变基因可与多种类型PAH相关，可针对不同类型PAH的共同突变基因给予相同治疗方法。同一类型PAH可与多种突变基因相关，可针对一种类型PAH的不同基因突变可给予相应靶向治疗。
BMPR2信号通路的任一环节异常均可能导致PAH，调节BMPR2信号通路的受体、配体、下游信号等，增加BMPR2的表达及增强信号传导，可缓解PAH。即使PAH患者不携带BMPR2突变，其BMPR2表达也减少[1]，因此靶向BMPR2通路的治疗可能对非突变患者同样有效。
将目的基因导入靶细胞，纠正基因异常缺陷有望成为未来PAH的有效治疗方法。病毒、外泌体、纳米颗粒等可作为载体将BMPR2基因靶向肺血管内皮细胞，治疗BMPR2功能障碍导致的PAH[29]。但目前该治疗策略仅在动物模型中验证，并未进入临床研究。如上文所述，无义突变、错义突变是BMPR2的主要突变类型[6]。无义突变指终止密码子提早出现，使翻译提前终止，产生不具功能的蛋白质，导致单倍剂量不足。庆大霉素可诱导提前终止密码子通读，纠正无义突变导致的单倍剂量不足，可能有潜力治疗BMPR2无义突变导致的PAH。体外研究发现庆大霉素可提高BMPR2无义突变的PAH患者淋巴细胞BMPR2表达水平，增强下游信号传导[30]。但庆大霉素长期及高浓度给药的不良反应阻碍其用于治疗PAH。Ataluren(PTC124)也可诱导提前终止密码子通读，不良反应比庆大霉素小[31]。BMPR2错义突变会影响其蛋白的折叠、运输，导致BMPR2滞留在内质网中。4-苯基丁酸可帮助BMPR2向细胞膜运输，改善BMPR2错义突变小鼠肺部BMPR2表达水平，增强信号传导，抑制小鼠PASMCs过度增殖[32]。虽然4-苯基丁酸已被批准用于治疗其他疾病，且具有治疗PAH的潜力，但仍需体内研究进一步验证该治疗策略的可行性。此外，还可使用调节溶酶体功能及自噬的药物，如抑制溶酶体酸化的羟氯喹。体外研究发现羟氯喹可抑制自噬，减少BMPR2降解[33]。
BMP9与BMPR2启动子结合可增加内皮细胞的BMPR2表达，逆转携带BMPR2突变小鼠的PAH[34]。但另一研究发现，敲除或抑制BMP9可减弱Z-3-[(2，4-二甲基吡咯-5-烃基)亚甲基]-2-吲哚满酮(SU5416)联合缺氧诱导PAH大鼠的炎性细胞浸润及肺血管增殖[35]，这可能与不同细胞及环境下BMP9的功能不同相关。慢性缺氧条件下，BMP9可诱导肺血管重塑[36]。BMP9、激活素与激活素受体ⅡA结合可激活SMAD2/3，促细胞增殖[33]。BMPR2-SMAD1/5/8信号通路下调可导致激活素受体ⅡA-SMAD2/3信号通路上调，磷酸化的SMAD2/3进一步抑制BMPR2通路，导致平衡转向促细胞增殖，引起肺血管重塑[33,37]。Sotatercept是BMP9与激活素的配体陷阱，抑制激活素受体ⅡA-SMAD2/3通路。一项临床研究发现，sotatercept可改善PAH患者6 min步行距离，降低肺血管阻力[37]。Sotatercept可提高β-地中海贫血患者的血红蛋白水平，49.9%的PAH患者合并贫血，他们可能在sotatercept治疗中额外受益[38]。
雌激素受体拮抗剂氟维司群与芳香化酶抑制剂阿那曲唑联合应用可减少BMPR2突变小鼠的外显率、抑制BMPR2突变诱导的胰岛素抵抗等，预防和逆转PAH[43]。一个小样本临床试验发现，阿那曲唑显著降低绝经后女性及男性PAH患者E2水平，增加6分钟步行距离，但对三尖瓣环收缩期移位、WHO功能分级、严重不良事件发生率无影响[44]。芳香化酶抑制剂可能对肥胖患者更有效。PAH常合并肥胖，而脂肪组织是男性及绝经后女性雌激素产生的主要部位。研究发现，肥胖小鼠内脏脂肪组织中芳香化酶增加，雄性肥胖小鼠CYP1B1及16α-OHE1表达增加，抑制芳香化酶或CYP1B1可改善肥胖小鼠的右心室功能、肺血管重构，降低肺动脉压力[45]。
精准治疗是目前PAH研究的重要方向。基因突变是PAH发生、发展的重要基础，研究靶向突变基因的治疗策略有助于实现PAH精准治疗。目前已发现BMPR2、ENG、ALK1、SMAD8、KCNK3等基因与PAH密切相关，随着测序技术的发展，未来将发现更多的PAH相关基因。针对突变基因，可对新生儿、婚前、孕前、产前人群进行筛查，实现优生优育，减少PAH发生。对携带PAH相关突变基因的人群进行随访管理，以实现PAH的预防及早诊断、早干预。未来随着人们对突变基因影响PAH发生、发展机制的深入研究，更多PAH精准治疗方案将被开发，有望从根本上治疗PAH并改善其预后，甚至达到完全治愈。
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