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遗传性心律失常的分子机制研究

作　者: 王蓉蓉
导　师: 浦介麟；王红月；方丕华
学　校: 北京协和医学院
专　业: 病理与病理生理学
关键词: 早期复极心室颤动心源性猝死遗传学 SCN5A基因 KCNQ1基因离子通道
分类号: R541.7
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

背景早期复极是一种常见的心电图现象,主要表现为J点抬高或J波增大,QRS-ST间切迹、顿挫,常伴ST段抬高和T波直立。在年轻男性、运动员以及黑人中多见。半世纪以来,人们一直将其视为一种良性的生理性变异。然而,近期研究表明,早期复极可能与恶性心律失常以及猝死相关,且存在早期复极者发生猝死的危险与J波与ST段抬高出现的导联及其抬高的幅度有关。在此基础上,Antzelevitch和Yan提出了一个新的概念用来描述这一心电现象,即遗传性J波综合征。根据心电图上J波出现的导联和患者的临床预后,进一步将遗传性J波综合征分为四个亚型：(1)Ⅰ型早期复极综合征(early repolarization syndrome, ERS):早期复极J波定位于前侧壁V4-V6导联,一般为良性变异；(2)Ⅱ型ERS：早期复极J波定位于下壁Ⅱ、Ⅲ、aVF导联,易发生室速或室颤；(3)Ⅲ型ERS：早期复极J波定位于全心室,包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、aVL、aVF以及V1-V6导联,极易发生室速或室颤：(4)Brugada综合征：右侧胸前区V1-V3导联出现典型的Brugada波,易发生室速或室颤。研究表明,CACNA1C.CACNB2和CACNA2D1基因突变或KCNJ8基因突变导致的“功能增强”(gain-of-function)可能与ERS的发病相关。目的定位一个ERS家系的致病基因；识别基因突变位点；在细胞和分子水平上研究该突变对其编码的蛋白质的功能的影响并探讨基因突变致ERS的发病机制。方法收集ERS家系及500例无血源关系的健康对照者的外周静脉血。采用候选基因策略对先证者SCN5A、KCND3, CACNA1C, CACNB2, KCNE3, SCN1B和KCNJ8基因的全部外显子和外显子-内含子结合部位进行筛查,以期发现致病基因。然后,分别在ERS家系和健康对照者中筛查所发现的基因突变,评估该突变在人群中出现的频率。在野生型质粒的基础上,利用定点突变技术构建突变体质粒。采用全细胞膜片钳技术在转染野生型或突变体质粒的HEK293细胞上记录通道电流,研究相应通道的电生理功能。采用实时定量PCR方法研究野生型或突变体通道蛋白mRNA的表达情况。应用免疫荧光共聚焦显微镜定性检测野生型或突变体通道蛋白在细胞膜和细胞浆内的分布情况。结果先证者,女,19岁。反复性晕厥4年。晕厥前心电图检查显示在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、aVF和V2～V6导联上出现广泛的大J波以及ST段弓背向下型抬高,随即室颤发作。基线心电图检查显示在下壁Ⅱ、Ⅲ、aVF导联上可见到驼峰样的小J波。基因型分析发现,先证者SCN5A基因上存在两个新的基因变异,即G4297C和T5457C。前者为错义突变,该突变导致位于钠通道α亚基第三结构域的孔形成区和S6跨膜区之间细胞外环处的第1433位氨基酸残基由甘氨酸变为精氨酸。而后者为一同义多态性,该多态性并未引起氨基酸序列的改变。采用全细胞膜片钳技术在瞬时转染野生型和突变体钠通道的HEK293细胞上记录钠电流(sodium current,INA发现与野生型通道相比,G4297C突变不仅导致钠通道的电流密度明显下降,而且改变了钠通道的动力学特性,使其稳态激活曲线右移、半激活电压变大、激活速度变慢以及稳态失活后恢复时间延长。实时定量PCR结果表明,野生型和G4297C突变体钠通道的mRNA的表达水平相当。然而,免疫荧光共聚焦实验发现,与野生型钠通道不同,G4297C突变体通道在细胞膜上的荧光表达量显著降低。进一步,在细胞浆中也未测到可见荧光,说明G4297C突变并未引起钠通道转运缺陷,而是可能通过影响钠通道转录后的翻译过程或者加速钠通道蛋白的降解,从而引起细胞膜上的钠通道蛋白数量减少。此外,研究表明,当G4297C突变和T5457C多态性位于同条链上时,T5457C多态性对G4297C突变具有部分拯救作用,可使突变体钠通道的电流密度部分得到恢复,但对其通道动力学特性无影响。实时定量PCR结果显示,G4297C-T5457C-SCN5A突变体通道mRNA的表达水平约为G4297C突变体通道的6倍。此外,免疫荧光共聚焦实验结果也发现,与单独转染G4297C突变体质粒相比,在转染了G4297C-T5457C突变体质粒的HEK293细胞上,绿色荧光的表达量显著增高,并且主要分布在细胞膜上。结合实时定量PCR结果,我们推测T5457C多态性对G4297C突变体钠通道的拯救作用可能是通过增加突变体通道的mRNA水平,进而增加其在细胞膜上的表达量实现的。结论1、SCN5A基因的G4297C突变通过多种机制导致钠通道出现“功能减弱”,从而引起ERS的发生。2、G4297C突变可能通过影响钠通道转录后的翻译过程或者加速钠通道蛋白的降解引起细胞膜上的钠通道蛋白数量降低,进而导致钠通道电流密度的降低。3、T5457C多态性对G4297C突变体钠通道具有部分拯救作用,并且这种拯救作用可能是通过增加突变体通道的mRNA水平,进而增加其在细胞膜上的表达量实现的。背景Jervell-Lange.Nielsen综合征(JLNS)是一种以先天性双侧感觉神经性耳聋、校正QT间期(correct QT interval,QTc)明显延长、儿童期高发的多形性室性心律失常(如尖端扭转型室性心动过速)以及心源性猝死为主要临床表现的家族性常染色体隐性遗传病。JLNS的发病率约为1.6-6/100万。而多数心律失常事件(95%)是由情绪激动或运动而触发的。遗传学研究显示,JLNS是由于编码缓慢延迟整流钾电流(IKs)α亚基和p亚基的基因(KCNO1和KCNE1)发生纯合突变或复合型杂合突变引起的,其中大约90%的患者为KCNQl基因突变所致。这些突变往往直接或间接的改变了其所编码的IKs通道蛋白的功能,使IKs电流下降,通过“功能减弱”(loss-of-function)机制导致JLNS的发生。目的定位一个JLNS家系的致病基因；识别基因突变位点；在细胞和分子水平上研究该突变对其所编码的蛋白质功能的影响并探讨基因突变致JLNS的发病机制。方法收集JLNS家系及200例无血源关系的健康对照者的外周静脉血。采用候选基因策略对先证者的KCNQ1基因进行筛查,以期发现致病突变。然后,分别在JLNS家系和健康对照者中筛查所发现的突变位点,评估该突变在人群中出现的频率。在野生型质粒的基础上,利用定点突变技术构建突变体质粒。采用全细胞膜片钳技术在转染野生型或突变体质粒的CHO细胞上记录IKs电流,进而研究其电生理功能。采用免疫荧光共聚焦显微镜定性检测野生型或突变体通道蛋白在细胞膜和细胞浆内的分布情况。采用Western blot方法研究野生型或突变体通道蛋白的表达情况。结果先证者,女,六岁,先天性耳聋伴反复发作性心悸2年,晕厥6次。晕厥发作时ECG可记录到多形性室速和室颤。基线ECG检查显示QTc显著延长,为524ms。基因型分析显示,在先证者的KCNO1基因上存在两个新的突变,即T2C和1149insT。T2C错义突变导致其编码的KCNQ1通道蛋白的起始密码子变为苏氨酸；而1149insT移码突变,不仅使KCNQ1通道蛋白第384位丙氨酸及其后的氨基酸序列发生改变,还导致肽链合成在第462位氨基酸处提前终止(A384fs/79)。采用全细胞膜片钳技术在瞬时转染野生型和突变体通道的CHO细胞上记录IKs电流,发现与野生型通道相比,T2C突变可使IKs通道的最大尾电流密度明显下降。进一步,Western blot分析和免疫荧光共聚焦结果提示T2C突变可能导致KCNQ1 mRNA的下游起始密码子被激活,从而使翻译从这一激活的下游起始密码子开始,最终产生一个N端截短的KCNQ1蛋白。相比之下,在转染1149insT突变体的细胞上未测得任何电流,表明1149insT突变完全抑制了IKs电流的产生。同时,Western blot分析和免疫荧光共聚焦结果提示1149insT移码突变完全抑制了KCNQ1通道蛋白的表达。此外,通过杂合表达系统发现,共转染T2C和1149insT突变体所产生的最大尾电流密度仅为WT-KCNQ1通道的8.27%。另外,共转染WT-KCNQ1和T2C-KCNQ1或1149insT-KCNQ1所产生的IKs的最大尾电流密度和激活动力学特性与野生型通道相比较,均无显著性差异。这一结果表明,T2C和1149insT突变体对野生型通道均无负显性抑制作用。结论1、KCNQ1基因T2C和1149insT复合型杂合突变通过“功能减弱”机制导致JLNS的发生。2、多种机制参与了IKs通道“功能减弱”的病理生理过程。

全文目录

缩略语表  6-8
第一部分:SCN5A基因突变与早期复极综合征的相关性研究  8-53
  中文摘要  8-11
  ABSTRACT  11-14
  前言  14-16
  材料与方法  16-37
    1 实验试剂  16-17
    2 溶液配制  17-20
    3 主要仪器设备  20-22
    4 研究对象  22-23
    5 实验方法与步骤  23-37
      5.1 DNA提取  23
      5.2 基因型分析与鉴定  23-27
      5.3 突变体的构建  27-28
      5.4 质粒扩增  28-29
      5.5 质粒纯化  29
      5.6 HEK293细胞培养、传代、冻存与复苏  29-30
      5.7 HEK293细胞瞬时转染  30-32
      5.8 全细胞膜片钳记录  32-33
      5.9 总RNA提取  33-34
      5.10 逆转录反应与实时定量PCR  34-35
      5.11 细胞免疫荧光检测  35-36
      5.12 数据分析  36
      5.13 统计学分析  36-37
  结果  37-45
    1 临床资料分析  37
    2 基因型分析  37-39
    3 G4297C和T5457C通道蛋白的电生理功能  39-40
    4 T5457C多态性对G4297C突变体通道的拯救作用  40-43
    5 野生型和突变体通道mRNA的表达水平  43
    6 野生型和突变体通道的免疫荧光共聚焦检测  43-45
  讨论  45-48
  结论  48-49
  参考文献  49-53
第二部分:KCNQ1基因T2C和1149insT复合突变导致Jervell-Lange-Nielsen综合征  53-84
  中文摘要  53-55
  英文摘要  55-57
  前言  57-59
  材料与方法  59-71
    1 实验试剂  59-60
    2 溶液配制  60-62
    3 主要仪器设备  62
    4 研究对象  62-63
    5 实验方法与步骤  63-71
      5.1 DNA提取  63
      5.2 基因型分析与鉴定  63-65
      5.3 突变体的构建  65-66
      5.4 质粒扩增  66
      5.5 质粒纯化  66
      5.6 CHO细胞培养、传代、冻存与复苏  66
      5.7 CHO细胞瞬时转染  66-67
      5.8 全细胞膜片钳记录  67
      5.9 细胞总蛋白提取及蛋白浓度测定  67-68
      5.10 Western blot分析  68-69
      5.11 细胞免疫荧光检测  69-70
      5.12 数据分析  70
      5.13 统计学分析  70-71
  结果  71-77
    1 临床资料分析  71-72
    2 基因型分析  72-73
    3 T2C和1149insT突变体通道的电生理功能  73-74
    4 T2C和1149insT突变体通道在细胞内的分布  74
    5 T2C和1149insT突变体通道的表达  74-75
    6 突变体通道的负显性抑制作用  75-77
  讨论  77-80
  结论  80-81
  参考文献  81-84
综述一:早期复极综合征  84-90
  参考文献  87-90
综述二:药物性长QT综合征  90-95
  参考文献  93-95
论著:芍药苷对心脏钾通道电生理功能的影响  95-99
个人简历  99-101
致谢  101-103

遗传性心律失常的分子机制研究

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