系统生物学与心律失常

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1、32 专家论坛 中国医学前沿杂志（电子版） 2013 年第 5 卷第 6 期系统生物学与心律失常李翠兰，高元丰（北京大学人民医院 心脏中心，北京 100044）基金项目：国家自然科学基金项目（81170089）；教育部博士点基金项目（20110001110046） 通讯作者：李翠兰 Email：1 系统生物学的定义及作用尽管有关系统生物学的精确定义还存在一些争议，不过从实用的角度讲可将其定义为一种分析框架，其特征为基于系统参数对多个生物学过程进行的一种整合性描述。运用到医学上来说，首要的条件是要有一个足够大的高质量数据集，它应该囊括疾病表型和自然病史，具体到本篇涉及的当然是关于心律失常这类疾病

2、。 数据集的内容整合了遗传学、基因组学或其他分子水平的分析，辅之以实验室的研究工作。理想的情形还应对来源于人体的数据进行模型功能验证，然后在这些模型上可以考察其潜在的有害变化或对于纠正疾病表型干预措施（如药物）的反应。如此大量的数据产生的逻辑问题又需要计算机模型来阐明其对应机制，这就形成了一个网络架构体系。这些知识的积累与综合必然会带来临床研究水平的进步与对疾病进行危险分层能力的提高，亦可以找到更多的药物靶点（如图 1）1。2 心房颤动（房颤） 、心脏性猝死（SCD）的群体风险房颤是最常见的持续性心律失常，与年龄相关。对一个 40 岁的个体而言房颤的患病风险约为25%。房颤最严重的后遗症包括脑

3、卒中、心力衰竭和痴呆，可对个体健康造成致命影响，同时也会给家庭和社会增加巨大的经济负担。少部分患者在年轻时候就发病，通常有家族史 ； 但绝大部分患者是到了一定年龄才发病。在美国，房颤的患病人数图 1 研究心律失常易感性的系统生物学方法示意图注 ： 探讨研究心律失常易感性方法的主要目标是建立一种适用于临床的、并且能整合多种参数数据的新方法。该方法能同时应用临床数据、 基因学研究结果以及在各种模型系统上得到的机制研究结果 , 并利用这种整合的框架结构来改进疾病的防治措施（精准靶向用药） 。精确用药 改良的分类法 预防 靶向治疗系统构建（计算）临床表现 房颤 心源性猝死 尖端扭转性心动过速（TdP）

4、家庭或人群基因学 ： 连锁分析 基因组范围的关联研究 基因组测序实验模型 分子水平 细胞水平 完整心脏（动物来源或临床上） 模拟中国医学前沿杂志（电子版） 2013 年第 5 卷第 6 期33 专家论坛 约有 270 万至 610 万，预计到 2050 年患病人数将达 1600 万。中国 30 岁以上人群房颤的年龄标化患病率是 0.65%2，那么 13 亿人口中会有房颤患者 845 万。房颤发病率的增加部分是缘于人口老龄化，其他因素还有高血压、代谢因素等。比如，Framingham 心脏研究就提示肥胖使房颤的患病风险增加了 50%。糖尿病也和房颤独立相关。另外，不同遗传背景可能也起作用，如黑人

5、与同龄白种人相比，高血压和代谢疾病的患病率要高，但房颤的患病率却低。另一个影响健康的心律失常问题是 SCD，不过要确定其原因及确切的发病人数却很困难。在美国，SCD 的发病率每年在 18 万至 45 万，全球约为 450 万。其中有些呈现家族聚集或遗传的特点，我们称之为遗传性猝死综合征。在欧美国家，40岁以下人群 SCD 发发生率是每年 3/100 000，一半以上病因是遗传性心律失常综合征 ；其中约 70%是原发性心电疾病，30% 是致心律失常性结构性心脏疾病3。北京阜外心血管病医院的研究数据表明，在全部人群的 SCD 发生率约为 4/100 0004，但没有 40 岁以下人群的精确发病数字

6、，估计与国外类似。无论是房颤还是 SCD，它们的表型都表现多样，所以对它们的流行病学研究颇有难度。尤其对于在生命后期才发病的病种，人们往往认为这是获得性疾病， 但是通过一些罕见单基因病的研究发现，如房颤和室颤这样的心律失常，遗传易感性在其中起了很大的作用。3 单基因的离子通道病像我们熟知的长 QT 综合征（LQTS）就是运用系统生物学方法分析心律失常易感性的经典。LQTS 的表型多样，有晕厥前兆、晕厥、猝死、室性心律失常、QT 间期延长等，常在幼年发病，症状及发病模式都有突变特异性。最初的突破来自于对一个大家系成员的基因连锁分析与候选基因定位研究。 至今已证明与LQTS有关的致病基因是13个，

7、不仅有编码离子通道的结构蛋白，也有通道相关蛋白如锚定蛋白、互生蛋白等，以及通道的调节亚单位蛋白。LQTS 的遗传学特点及其亚型已经为研究其他心律失常提供了一个参照框架。一个致病基因发现后可以对其进行各个水平的实验室研究，包括建立分子模型、细胞模型以及遗传修饰动物等。其中利用来源于患者的诱导多能干细胞（iPS）分化成心肌细胞模型尤其受到关注5。临床研究的数据提示不同突变外显率有差别。如在携带 KCNQ1 基因Ala314Val 突变的一个南非大家系中，携带此突变个体的心电图（ECG）显示 QTc 为 406 676 ms，充分显示个体其他的修饰基因所起的巨大作用。所以，提到单基因这一名词的时候一

8、定要意识到它的复杂性，因为其他的基因变异对临床表型也有着很大影响。对 LQTS 致病基因的明确也促进了引起家族性 SCD 的其他离子通道病的研究，这些疾病包括Brugada 综合征 （BrS） 、 儿茶酚胺敏感室速 （CPVT） 、短 QT 综合征（SQTS） 、某些早期复极综合征以及各种心肌病。它们在某些方面和 LQTS 存在类似的情况，比如，基础情况下 ECG 特点多变，家系一般很小，不可能进行连锁分析，通常是常染色体显性遗传但外显率不定。当然，候选基因的新一代测序方法及全外显子测序法可能提供某些帮助，如联合使用 SNP 基因分型和全基因测序方法就找到了病窦综合征新的心律失常易感基因 MY

9、H6。对 LQTS 分子水平的理解对患者的个体化治疗很重要，也可以促进家族成员及时进行基因筛查。比如，识别出引起 LQTS 的基因变异后不久，就发现了这种病的基因特异性的疾病特性、自然病史及特定的治疗方法。最近更是提出了用突变特异性的离子通道特点来指导选择治疗方法。关于环境因素可以触发疾病的首次发作也有广泛报道。一个最明显的例子就是药物引起的获得性 LQTS，它对药物的开发与管理都很重要。 LQTS患者中有5%15%的受累个体首次发病是由于服用了某些药物而出现的，随后的筛查发现他们携带有致病基因变异或易感基因的多态如 KCNE1/Asp85Asn。4 从主要 ECG 参数判断其遗传决定因素EC

10、G 仍然是与心跳有关疾病的重要诊断和表型分类工具。心率和节律的改变及 ECG 上各复合34 专家论坛 中国医学前沿杂志（电子版） 2013 年第 5 卷第 6 期波的形态变化都被用来描述个体的表型。波形形态的变异可能用来区分是获得性疾病还是先天存在离子通道病。ECG 的广泛应用为研究者应用基因组关联方法（GWAS）找寻心脏传导和复极异常的遗传机制提供了便利。GWAS 最初被用于评估正常范围 QT 间期和房室传导 （ECG 上表示为 PR 间期） 及室内传导 （QRS时限）的变异性。结果发现，与每个参数相关的基因位点都有好几个，有些是已知的候选基因，有些则不是。与 PR 间期变异有关的基因有 S

11、CN5A（编码心脏 Na+通道的主要亚单位） 、 TBX5 （编码 T-Box转录因子） 、CAV1（编码小凹蛋白 1） 。这些研究有可能阐明控制心脏正常电生理活动和心律失常易感性的基因网络。流行病学研究已经确定了 PR 间期可能作为房颤的潜在中间表型，而 PR 间期的候选基因决定因素改变可能也会使个体暴露于心律失常威胁之下。这些 GWAS 的结果重复性很好，对有电子病案记录的一些患者进行观察也得到类似结论。双生子和家系研究提示 QRS 时限的遗传力约为 40%，而 GWAS 研究也确定了包括 SCN10A 在内的 22 个基因位点与 QRS 时限相关联。QT 间期的 GWAS 研究也得到了几

12、个遗传位点，某些跟 PR间期、QRS 时限还有重叠（如 SCN5A） ，某些则是独立的（如 NOS1AP，一氧化氮合酶的亚单位） 。NOS1AP 的变异已证明是先天性 LQTS 的一个致病基因和人群中 SCD 危险因素的修饰因子。更广泛的来讲，PR、QRS、QT 的变异性和人群中的心律失常危险性相关。因此，调节这些性状的基因变异很可能也会调节心律失常及 SCD 的危险性。5 房颤和 SCD 的遗传学房颤的家族性已为大家熟知。拥有一个受累的双亲会使得个体患房颤的风险加倍，某些家庭还能发现致病基因。然而房颤的临床表现的异质性却使得寻找其致病机制非常困难，因为某些患者房颤是持续的，很容易观察到 ；

13、但另外一些可能只是短暂出现，只有在急性触发因素存在时才出现。正因为此，在一个家系或群体中要定义受累者与非受累者就很难。尽管有这样的实际困难，易感等位基因还是不断被发现。第一个报道是在 4q25 位点，其上的遗传变异在几个群体都提示与房颤强烈相关，其中主要的候选基因是 PITX2（同源框转录因子） 。已知 SCD 有家族易感性，甚至有冠心病的患者也如此。如，Paris Prospective Study 对 1746 名无症状中年男性跟踪 23 年的研究结果就发现，有父母双方猝死史的个体其发生 SCD 的风险增加了9 倍。已发现 21q21 位点和 9q21 可能和 SCD 的风险有关。但至今常

14、见的遗传变异似乎都还不能预测那些安装植入型心律转复除颤器（ICD）的患者哪些何时会发生室颤。GWAS 研究确定的一些变异只能说明与小部分患者的房颤和 SCD 风险有关。所谓的丧失遗传力（missing heritability）可以是由更大效应规模的更罕见变异或者几种遗传变异和环境因素相互作用引起。在大的群体，外显子或全基因高通量测序法是潜在的观察方法。6 常规生理法则与模型要评估这些新兴的遗传学数据就必须将它们和生理学的模型结合起来建立一种系统性的方法。传统概念中心律失常的发生是一个触发搏动与易感心肌（基质）相互作用的结果。兴奋性和不应性的不均一是大多数基质的基本特征。触发因素和机制之间的相

15、互作用引起心律失常的启动和维持。通常心脏有自我保护机制，即使在一个有病的心脏，心脏基质对兴奋顺序的崩溃也是能抵抗的。所以在连续记录的 ECG 上只有很少一部分逸搏（潜在的触发因素）能引起持续性心律失常。实验模型也有强有力证据显示，在耦联良好的心肌组织可以免受一些可能导致持续心律失常的零星除极的影响。患有冠心病、炎性疾病或者特发性扩张型心肌病的患者可以具备获得性易发心律失常的基质，但遗传因素几乎总会起作用。尽管已有各种研究方法如影像、 生理学以及组学的技术用于分析这种基质，但一个重要的缺陷是无法得到人类心脏组织，因此我们目前对心律失常发生机制的理解还是很局限的，多数的实验生理学也是依赖在动物上完

16、成的工作。动作电位期间由膜电位震荡（后除极化）引起的触发活动，许多情况下为启动心律失常提供了触发条件（图 2A） ；延迟后除极化（DAD）发生在心肌细胞完全复极之后，细胞钙超载可促进 DAD中国医学前沿杂志（电子版） 2013 年第 5 卷第 6 期35 专家论坛 的发生。在膜去极化（以及 DAD 的发生）中一个关键的分子是生电性的钠钙交换器，它负责舒张期的钙离子从肌浆网渗漏出去。DAD 是儿茶酚胺敏感性多形性室性心动过速（CPVT）以及缺血性或者肾上腺能应激引起的局灶性心律失常的重要机制，而早期后除极化（EAD）发生在心脏完全复极完成之前，它的可能机制是通过 L 型钙电流介导的钙窗电流。EAD 似乎多发生在动作电位时程（APD）延长时，可见于 LQTS 或心力衰竭患者。波长通过可兴奋组织中大的环路传播时引起的折返性心动过速是房扑和许多室速的原因。能够引起解剖学上折返的固定折返环可能也是先天遗传的（如预激综合征） ，这些大折返环的功能特性允许单向传导阻滞，