重磅研究：11555 例先心病患者基因组分析揭示 60 个致病基因，开启精准诊疗新篇章

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Genomic analysis of 11,555 probands identifies 60 dominant congenital heart disease genes

本文通过对 11,555 例先天性心脏病（CHD）先证者进行基因组分析，鉴定出 60 个单等位基因致病变异显著富集的基因，明确其与多种 CHD 表型及心外特征的关联，为 CHD 遗传诊断和早期干预提供关键依据，极具科研和临床价值。

　　### 先天性心脏病研究背景
先天性心脏病（Congenital Heart Disease，CHD）是常见的先天性畸形，影响 1.0 - 1.8% 的活产婴儿。约三分之一患者在出生第一年需干预，虽 90% 能存活至成年，但常伴有神经发育障碍、心律失常和心力衰竭等并发症。家族性 CHD、孟德尔遗传形式以及染色体异常等都表明遗传因素在 CHD 发生中起重要作用。此前研究发现，新发突变（de novo mutations，DNMs）对 CHD 有贡献，且 DNMs 在不耐受功能缺失（loss of function，LOF）的基因中高度富集，但传递变异的作用研究较少。由于样本量限制，已知与 CHD 相关的基因数量有限，因此需要更大的队列进行研究。

研究方法

1. MIPseq 基因 panel 设计：从先前对 1,213 个亲子三联体的全外显子测序（Whole Exome Sequencing，WES）分析及相关报道中，选取 248 个 CHD 候选基因。合成并优化 10,154 个带条形码的分子倒置探针，用于捕获、测序和注释每个基因的完整编码序列及侧翼剪接区域。
2. 队列构建：对 5,929 例儿科心脏基因组学联盟（Pediatric Cardiac Genomics Consortium，PCGC）先证者进行 MIPseq 测序，超 95% 的目标碱基有≥10 个独立读数。结合额外的 WES 数据，最终构建了包含 11,555 例 CHD 先证者的队列，同时获取了心脏、心外结构和神经发育（Neurodevelopmental Delay，NDD）等表型信息。
3. 变异检测与分析：对三联体中的 DNMs 和先证者中的未分型变异进行检测和注释，评估其对编码蛋白的影响和等位基因频率。主要分析策略是荟萃分析，结合 DNMs 负担的显著性以及非常罕见的传递或未分型致病变异（transmitted and unphased variants，TUVs）频率的显著性进行综合判断。同时进行传递不平衡检验（Transmission Disequilibrium Test，TDT），以进一步验证基因变异与疾病的关联。

研究结果

1. 致病基因鉴定：通过荟萃分析，确定了 60 个致病变异显著富集的基因，其中 13 个基因此前未被认为与 CHD 相关。这些基因的致病变异可解释 10.1% 先证者的 CHD，DNMs 占 5.2%，TUVs 占 5.4%。
2. 基因与 CHD 表型关联：33 个基因的致病变异与单一心脏表型显著相关，12 个基因与 2 - 4 种 CHD 亚型相关。例如，NOTCH1 基因与圆锥动脉干畸形（Conotruncal Defects，CTD）、法洛四联症（Tetralogy of Fallot，TOF）等多种表型相关；MYH6 基因的传递性致病变异在多种 CHD 表型中富集，约占所有先证者的 1%。
3. 基因与心外表现关联：部分基因仅与孤立性 CHD、心外结构异常或 NDD 中的一种相关，而有些基因与多种表型相关。如 MYH6 基因主要与孤立性 CHD 相关，而 CHD7 基因与 CHD、NDD 等多种心外表现相关。携带 NDD 相关基因致病变异的先证者中，74% 有 NDD；孤立性 CHD 先证者携带 DNM 的可能性最小，而 CHD 合并 NDD 和心外异常的先证者携带 DNM 的可能性最大。
4. 基因表达模式与表型关系：与孤立性 CHD 相关的基因在心血管细胞类型中表达受限，而与 NDD 合并心外异常相关的基因在大脑等组织中广泛表达。通过小鼠和人类胎儿发育的基因表达数据验证了这一结论。
5. 染色质修饰基因：染色质修饰基因中，致病变异显著富集，10 个染色质修饰基因显示出显著的突变负担，主要为 DNM 导致的 LOF。这些基因与多种 CHD 亚型和心外表现相关，其 DNMs 可解释 1.8% 三联体先证者和 8.3% 合并心外异常和 NDD 的先证者的疾病。
6. NOTCH1 基因变异特征：NOTCH1 基因的 LOF 变异分布在整个编码区域，与多种 CHD 表型及心外表现相关。其错义变异（Damaging missense，D - mis）在 TOF 和 CTD 中选择性富集，且在 EGF 结构域中引入或去除半胱氨酸的 D - mis 变异高度富集，这些变异主要集中在特定 EGF 结构域，且多为罕见变异。
7. 综合征相关基因的临床特征：对携带综合征相关基因致病变异的先证者进行临床特征分析发现，临床诊断的敏感性不高。如 CHD7 基因致病变异导致的 CHARGE 综合征，仅 72% 的先证者被临床诊断；KMT2D 基因致病变异导致的 Kabuki 综合征，72% 的先证者被临床诊断；Noonan 综合征及相关 RASopathy 基因致病变异的先证者中，38% 未被临床诊断。未诊断的主要原因是缺乏特征性表型。

研究讨论

1. 研究方法优势与局限：MIPseq 技术为 CHD 基因发现和临床遗传诊断提供了低成本平台，但随着测序成本降低，其优势可能缩小。研究存在局限性，如难以准确判断罕见错义变异的致病性，对年幼先证者 NDD 表型的评估可能低估其最终频率。
2. 基因发现与疾病机制：本研究将与单等位基因 CHD 相关的基因增加到 60 个，蒙特卡罗模拟预测还有大量 CHD 相关基因待发现。部分新发现基因与已知生物学过程相关，如 CUL3、LHX2 等基因参与特定的生物学途径，可能在 CHD 发生中起重要作用。
3. 基因变异与表型变异性：MYH6 和 NOTCH1 基因变异的传递率较高，但部分携带变异的父母无临床 CHD，体现了不完全外显。部分基因的 LOF 突变导致 CHD 表型高度可变，可能与常见变异修饰、环境因素等有关。
4. 分子诊断的临床意义：本研究强调了 CHD 分子诊断的重要性，通过基因检测可评估 NDD 等疾病风险，为早期干预提供依据，有助于改善患者临床管理和预后，支持在 CHD 评估中常规使用基因组分析。

综上所述，该研究通过大规模基因组分析，鉴定出多个 CHD 相关基因，深入揭示了基因变异与 CHD 表型及心外表现的关系，为 CHD 的遗传诊断和早期干预提供了重要依据，推动了 CHD 精准诊疗的发展。