邱依聆 陳樂(lè) 江燕萍

1廣東省人民醫(yī)院（廣東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院）（廣州510080）；2汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院（廣東汕頭515063）

先天性心臟?。╟ongenital heart disease，CHD）是指胎兒胚胎發(fā)育過(guò)程中，心臟或血管出現(xiàn)結(jié)構(gòu)或功能上異常，是我國(guó)先天畸形最常見(jiàn)的疾病。CHD 的發(fā)病呈逐年上升的趨勢(shì)，全世界每年大約有100 多萬(wàn)的CHD 新生兒出生，不同地方CHD 的發(fā)生率在0.5‰ ～9‰之間［1-2］。CHD 對(duì)嬰幼兒的身體健康產(chǎn)生巨大的影響，是圍產(chǎn)兒死亡的主要原因之一，對(duì)家庭和社會(huì)造成巨大負(fù)擔(dān)。目前公認(rèn)CHD 主要是遺傳因素、環(huán)境因素或兩者相互作用的結(jié)果［3］，孕期重金屬暴露等不良刺激是CHD發(fā)生的危險(xiǎn)因素，然而CHD 的確切病因目前尚未完全明確。

1 DNA 甲基化

表觀遺傳修飾，包括DNA 甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA 調(diào)控等，是基因在不改變核苷酸序列的情況下發(fā)生基因表達(dá)的可遺傳改變［4］。DNA 甲基化是指在DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶DNMTs 的催化下由s?腺苷甲硫氨酸提供甲基基團(tuán)，以共價(jià)鍵添加到胞嘧啶·磷酸?鳥(niǎo)嘌呤（CPG）二核苷酸中胞嘧啶的5 位碳原子上，改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA 構(gòu)象及穩(wěn)定性，通過(guò)調(diào)節(jié)基因和蛋白之間的相互作用，進(jìn)而控制基因組的活動(dòng)［5］。CpG 高度聚集的區(qū)域稱為CpG 島，多數(shù)DNA 甲基化發(fā)生在富含CpG 島的啟動(dòng)子區(qū)。通常高甲基化會(huì)影響轉(zhuǎn)錄激活因子的結(jié)合并抑制基因表達(dá)，而去甲基化會(huì)導(dǎo)致基因高表達(dá)或影響基因組的穩(wěn)定性。DNA 甲基化在胚胎發(fā)育時(shí)期特定階段建立相關(guān)模式，在受精卵形成時(shí)期經(jīng)歷廣泛的去甲基化，隨后在胚胎發(fā)育過(guò)程中逐步建立甲基化［5］。目前認(rèn)為DNA 甲基化調(diào)控模式在細(xì)胞正常生長(zhǎng)和發(fā)育中發(fā)揮重要作用，而DNA 甲基化調(diào)控過(guò)程中主要受到環(huán)境因素的影響，環(huán)境因素的影響可通過(guò)這一途徑導(dǎo)致CHD的發(fā)生［5］。

2 DNA 甲基化與CHD

眾所周知，CHD 是指心臟血管形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能異常，與遺傳因素變化和環(huán)境影響息息相關(guān)。隨著研究的深入，經(jīng)典遺傳學(xué)已不足以完全解釋CHD 的病因，表觀遺傳修飾調(diào)控對(duì)疾病的影響也逐漸受到大家的關(guān)注［3］。孕早期是心臟形成正常結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵時(shí)期，心臟發(fā)育過(guò)程中，相關(guān)基因按照時(shí)間空間規(guī)律嚴(yán)格有序的激活和表達(dá)，是心臟發(fā)育的重要基礎(chǔ)，而這個(gè)過(guò)程會(huì)受到表觀遺傳修飾調(diào)控。研究表示目前孕母孕期自身DNA 甲基化情況的改變可影響子代CHD 的發(fā)生［6］，而孕期相關(guān)因素對(duì)子代甲基化情況產(chǎn)生影響也是CHD發(fā)生的相關(guān)機(jī)制。不同表觀遺傳調(diào)控的改變特別是DNA 甲基化被認(rèn)為是CHD 發(fā)病的重要機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)在法洛四聯(lián)癥患兒的LINE1 基因組甲基化水平下降，且存在多個(gè)心臟發(fā)育相關(guān)基因的啟動(dòng)子區(qū)CpG 島甲基化程度升高［7］。其他研究也認(rèn)為胚胎發(fā)育期間心臟發(fā)育相關(guān)基因如CITED2 基因、NKX2.5 基因、CX43 基因、NOX5 基因的甲基化程度與CHD 的發(fā)生相關(guān)［3，7］。

3 鉛

3.1 鉛與DNA 甲基化異常的關(guān)系目前DNA 甲基化被認(rèn)為可能是鉛暴露發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)的機(jī)制之一。體外研究表明鉛暴露可通過(guò)非競(jìng)爭(zhēng)性抑制改變甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT 的表達(dá)，降低全基因組DNA 甲基化水平［8］。同時(shí)，血鉛可通過(guò)影響同型半胱氨酸水平，進(jìn)一步影響DNA 甲基化水平的降低。多個(gè)實(shí)驗(yàn)中也證實(shí)了鉛對(duì)DNA 甲基化產(chǎn)生影響，然而不同實(shí)驗(yàn)中鉛對(duì)DNA 甲基化的影響程度不同。WU 等［9］在美國(guó)268 對(duì)母嬰中通過(guò)研究產(chǎn)前母親血液中鉛濃度及檢測(cè)臍帶血中全基因組甲基化程度，檢出臍帶血中多個(gè)基因產(chǎn)生甲基化差異位點(diǎn)，提示產(chǎn)前鉛暴露與子代的低DNA 甲基化相關(guān)。PILSNER 等［10-11］發(fā)現(xiàn)孕母骨中鉛含量與臍帶血中反轉(zhuǎn)座核元件LINE 1 和Alu1 的低甲基化狀態(tài)相關(guān)。而有動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)孕期大鼠飲用含鉛化合物的水后，子代出現(xiàn)海馬體全基因組甲基化水平升高［12］。

3.2 鉛與CHD 的關(guān)系鉛是一種在職業(yè)環(huán)境和生活環(huán)境中廣泛存在的污染物，容易通過(guò)胎盤(pán)組織由母體轉(zhuǎn)移到胎兒的重金屬，母體內(nèi)90%的鉛可通過(guò)胎盤(pán)傳輸給胎兒。鉛暴露目前已被發(fā)現(xiàn)可對(duì)胎兒造成損傷，引起胎兒早產(chǎn)、低出生體重兒等，也會(huì)引起如神經(jīng)管缺陷、肌肉骨骼系統(tǒng)畸形、唇腭裂等多種出生缺陷。其機(jī)制目前并不明確，可能原因是鉛對(duì)生殖系統(tǒng)染色體DNA 的損害影響胚胎植入和胚胎發(fā)育，也可能是鉛對(duì)胎兒基因甲基化程度的影響，而鉛影響體內(nèi)如氧化應(yīng)激等代謝途徑的機(jī)制也可能參與鉛對(duì)胚胎發(fā)育的影響過(guò)程當(dāng)中。LIU 等［13］發(fā)現(xiàn)孕期鉛暴露會(huì)引起較高的先天畸形發(fā)病率，通過(guò)檢測(cè)300 多對(duì)CHD 母嬰，發(fā)現(xiàn)子代有心臟畸形的母親頭發(fā)中鉛濃度明顯高于正常組，生活中鉛的接觸可顯著增加胎兒發(fā)生多種類型CHD 的風(fēng)險(xiǎn)如間隔缺損、圓錐干缺損及右心室流出道畸形等。其他研究［14］通過(guò)檢測(cè)孕期外周血鉛、鎘等重金屬濃度發(fā)現(xiàn)，鉛、鎘等主要引起圓錐動(dòng)脈干畸形、間隔缺損、右室流出道梗阻等先天性心臟畸形。鉛引起先天畸形的機(jī)制目前仍待探討，BAKHEET 等［15］發(fā)現(xiàn)在機(jī)體發(fā)育過(guò)程中鉛暴露可能會(huì)影響DNA 修復(fù)基因OGG1 的表達(dá)，從而造成心臟發(fā)育異常，形成心臟畸形或缺陷。PIL?SNER 等［7，10］發(fā)現(xiàn)鉛暴露會(huì)引起LINE1 的甲基化程度改變，而LINE 1 的甲基化程度被認(rèn)為與法洛四聯(lián)癥的發(fā)生相關(guān)。

4 鎘

4.1 鎘與DNA 甲基化異常關(guān)系鎘是有效的DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶的抑制劑，但隨著鎘的暴露時(shí)間增長(zhǎng)會(huì)增強(qiáng)DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶活性，影響DNA 甲基化［16］。KIPPLER 等［17］通過(guò)前瞻性隊(duì)列研究探究宮內(nèi)鎘暴露下對(duì)臍帶血全基因組DNA 甲基化的影響，發(fā)現(xiàn)宮內(nèi)鎘暴露下男嬰臍帶血DNA 的CpG 位點(diǎn)的甲基化呈現(xiàn)高水平狀態(tài)，并與暴露劑量呈正相關(guān)，而女?huà)氲哪殠а狣NA 甲基化和鎘暴露相關(guān)性程度較低，提示孕期鎘暴露與基因甲基化具有性別特異性。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)對(duì)雞胚給予鎘暴露4 h 后引起DNMT3A 和DNMT3B 的表達(dá)程度降低，同時(shí)伴隨全基因組的甲基化水平降低［18］。

4.2 鎘與CHD 關(guān)系鎘主要存在于煙草及被污染的水源和土壤中，主要通過(guò)吸煙及飲食攝入。鎘是一種能通過(guò)胎盤(pán)并積聚在胎盤(pán)的毒性重金屬，具有致突變性，能誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和氧化應(yīng)激。鎘的半衰期長(zhǎng)達(dá)10年，在血液中難以清除，在孕期重金屬鎘暴露會(huì)不斷積蓄在胎盤(pán)中，會(huì)對(duì)先天性心臟畸形的發(fā)生造成影響。THOMPSON 等［19］發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物經(jīng)口服或胃腸外途徑暴露于鎘會(huì)引起廣泛的胚胎異常，且與暴露階段和暴露濃度相關(guān)。JIN 等［20］檢測(cè)339 例CHD 患兒母親孕期鎘和砷暴露的情況，發(fā)現(xiàn)孕母頭發(fā)中鎘水平≥26 ng/g 的子代患CHD 的風(fēng)險(xiǎn)增加，特別是圓錐動(dòng)脈干畸形。同時(shí)研究［14］也發(fā)現(xiàn)孕期鉛和鎘兩種重金屬共同暴露也會(huì)增加多種先心病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

5 砷

5.1 砷與DNA 甲基化異常關(guān)系砷與基因遺傳修飾間存在相互關(guān)系，理論上砷導(dǎo)致DNA 甲基化變化有不同種機(jī)制，其核心均是砷抑制DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶活性［21］。在孟加拉國(guó)127 名嬰兒臍帶血全基因組甲基化程度的研究中，通過(guò)檢測(cè)孕母尿液中砷代謝產(chǎn)物的濃度評(píng)估孕早期和孕晚期砷暴露情況，發(fā)現(xiàn)母親砷暴露會(huì)改變子代男嬰臍帶血中總DNA 甲基化水平并呈負(fù)相關(guān)，且妊娠早期的砷暴露較孕晚期暴露對(duì)基因甲基化影響程度更大［22］。其他研究［23］也發(fā)現(xiàn)宮內(nèi)砷暴露與臍帶血中LINE 1、p53 及p16 啟動(dòng)子區(qū)域內(nèi)的CpG 位點(diǎn)改變有關(guān)，其中LINE 1 通過(guò)反轉(zhuǎn)座作用對(duì)胚胎早期發(fā)育產(chǎn)生重要影響。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也提示宮內(nèi)砷暴露會(huì)改變后代的DNA 甲基化水平并有劑量依賴性，可以誘導(dǎo)全基因組低甲基化或超甲基化［24］。

5.2 砷與CHD 關(guān)系砷是環(huán)境中的一種致癌物，人群主要通過(guò)飲水接觸攝入，該重金屬容易通過(guò)人類和其他哺乳動(dòng)物胎盤(pán)，在臍帶血中濃度可達(dá)到母體血液的砷濃度，造成胎兒的直接暴露。砷可隨血液分布蓄積在機(jī)體各個(gè)組織器官，對(duì)胚胎發(fā)育具有致畸作用。流行病學(xué)調(diào)查［25］表明，母親砷暴露與子代CHD 的發(fā)生相關(guān)，母親妊娠期接觸的飲用水中砷超過(guò)10 μg/L 會(huì)增加子代發(fā)生先天性心臟畸形的風(fēng)險(xiǎn)，特別是動(dòng)脈導(dǎo)管未閉和房間隔缺損。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)［26］也表明，孕期砷暴露存在心臟致畸作用，孕期接觸含砷飲用水的小鼠子代會(huì)出現(xiàn)心血管系統(tǒng)的異常，房間隔缺損等心臟畸形發(fā)生率也顯著升高。有研究［25］在小鼠實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)宮內(nèi)砷暴露可引起子代心肌纖維呈現(xiàn)厚薄不均，排列紊亂。

6 鎳

6.1 鎳與DNA 甲基化異常關(guān)系鎳及其化合物是國(guó)際公認(rèn)的第一類致癌物，可引起不同表觀遺傳效應(yīng)如DNA 甲基化及組蛋白脫乙?；?7］。趙艷豐等［28］對(duì)人支氣管上皮細(xì)胞進(jìn)行結(jié)晶型硫化鎳誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示鎳暴露全基因組DNA 甲基化水平升高。同時(shí)，其他實(shí)驗(yàn)研究［27］發(fā)現(xiàn)鎳化合物可對(duì)某些特定基因的DNA 甲基化水平產(chǎn)生影響，如鎳對(duì)DNA 修復(fù)基因MGMT 基因啟動(dòng)子的CpG 島甲基化水平升高，進(jìn)而影響疾病的相關(guān)進(jìn)展。然而目前缺少孕期鎳暴露對(duì)臍帶血的DNA 甲基化水平影響相關(guān)研究，無(wú)法提示鎳暴露對(duì)子代DNA 甲基化的影響。

6.2 鎳與CHD 關(guān)系鎳存在于合金、不銹鋼、醫(yī)療器械等多種物品制造過(guò)程中，在職業(yè)環(huán)境中多經(jīng)呼吸系統(tǒng)吸入空氣中的鎳及其混合物煙塵，且其毒性作用會(huì)隨著接觸濃度升高而增強(qiáng)。鎳暴露會(huì)導(dǎo)致對(duì)生殖系統(tǒng)和胎兒發(fā)育過(guò)程產(chǎn)生毒性，可引起生育能力下降、流產(chǎn)及出生缺陷。鎳化合物可引起DNA 損傷，其誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激在鎳的毒性作用中起重要作用，可引起有絲分裂過(guò)程產(chǎn)生突變，這可能會(huì)在胎兒心臟發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期引發(fā)細(xì)胞死亡［29］。ZHANG 等［30］檢測(cè)中國(guó)399 例CHD 患兒母親頭發(fā)中鎳濃度，發(fā)現(xiàn)孕期金屬鎳暴露會(huì)增加子代多種類型CHD 的風(fēng)險(xiǎn)，包括間隔缺損、圓錐動(dòng)脈干畸形、右心室流出道梗阻及左心室流出道梗阻。

7 汞

7.1 汞與DNA 甲基化異常關(guān)系汞能有效改變DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶的活性，這提示了汞與基因組DNA 甲基化差異情況有關(guān)。孕期汞暴露與臍帶血中多個(gè)特定基因CpG 位點(diǎn)的甲基化改變相關(guān)，CARDENAS 等［31-32］的研究檢測(cè)母體產(chǎn)前血液中汞濃度與臍帶血中特定基因PON1 基因甲基化改變程度，以及該甲基化在兒童時(shí)期的持續(xù)程度，結(jié)果提示孕期汞暴露會(huì)導(dǎo)致特定基因甲基化改變，并且該改變可持續(xù)到兒童期早期。

7.2 汞與CHD 關(guān)系汞是一種強(qiáng)毒性的重金屬污染物，可對(duì)空氣、土壤及水等均造成污染，在微生物代謝作用下少數(shù)汞可轉(zhuǎn)換為毒性較大的甲基汞。汞容易通過(guò)胎盤(pán)和血腦屏障，能在胎兒組織內(nèi)積聚，胎兒血液中甲基汞濃度可超過(guò)母體中水平［31］。汞是一種神經(jīng)毒性物質(zhì)，可對(duì)發(fā)育中的胎兒造成神經(jīng)系統(tǒng)紊亂、氧化損傷等影響，然而其對(duì)心臟發(fā)育的影響相關(guān)研究較少。OU 等［14］在檢測(cè)孕期血液中有毒物質(zhì)與CHD 的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)孕期汞暴露是右室流出道梗阻的風(fēng)險(xiǎn)因素。

8 小結(jié)與展望

CHD 的發(fā)生發(fā)展經(jīng)歷復(fù)雜的過(guò)程，是遺傳和環(huán)境因素相互作用的結(jié)果。在胚胎發(fā)育過(guò)程中，CHD 的發(fā)生與胚胎發(fā)育過(guò)程中某些心臟發(fā)育相關(guān)基因的啟動(dòng)子區(qū)域或相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子異常甲基化相關(guān)，而目前研究已經(jīng)表明孕期重金屬暴露可直接對(duì)胎兒全基因組或某些特定基因的DNA 甲基化產(chǎn)生影響。流行病學(xué)研究提到了環(huán)境因素中重金屬暴露與DNA甲基化的關(guān)系、重金屬暴露與CHD的關(guān)系，以及某些特定基因的甲基化與該疾病的關(guān)系，但目前鮮有文獻(xiàn)將三者聯(lián)合進(jìn)行研究討論。為了更進(jìn)一步研究重金屬暴露在CHD 的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中所產(chǎn)生的影響，建議開(kāi)展前瞻性隊(duì)列研究，對(duì)重金屬暴露、心臟發(fā)育相關(guān)基因DNA 甲基化及CHD 之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行探究，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)環(huán)境及遺傳因素在該疾病中起到的作用，以在其預(yù)防及診斷中提供相關(guān)依據(jù)。