reduceret penetrans, variabel ekspressivitet og genetisk heterogenitet af familiære atriale septumdefekter

Secundum atrial septal defekt (ASD) er en almindelig medfødt hjertefejl, der tegner sig for 10% af isoleret medfødt hjertesygdom.12 ukorrigeret ASD kan forårsage pulmonal overcirkulation, overbelastning af højre hjertevolumen og for tidlig død. Modeller af hjerteembryogenese har antydet, at denne defekt er forårsaget af misdannelse af septum primum, hvilket resulterer i ufuldstændig dækning af ostium secundum (fossa ovalis).3 imidlertid kendes hverken de cellulære mekanismer eller molekylære signaler, der styrer disse processer.

nogle personer med secundum ASD har en familiehistorie med denne defekt eller andre medfødte hjertefejl, og der er observeret sameksisterende hjerteblok hos nogle familiære ASD-slægtninge.4 det genetiske grundlag for disse kliniske observationer forbliver uklart. Selvom en autosomal dominerende arvstilstand for familiær ASD er blevet beskrevet i nogle få familier,4 forekomsten af ASD i siblings15 og afkom16 af berørte individer er ofte mindre end forventet for enkeltgenfejl, og multifaktorielle arvsmodeller er også blevet postuleret.1

for at identificere det genetiske grundlag for familiær ASD evaluerede vi klinisk og genetisk studerede tre slægtninge med ASD arvet som et autosomalt dominerende træk. Vi rapporterer et sygdomslokale for familiær ASD på den telomere region af kromosom 5p og demonstrerer, at denne lidelse er genetisk heterogen. Sygdomspenetrans var ufuldstændig (fraværet af en klinisk fænotype hos personer, der bærer genmutationen), og nogle genetisk påvirkede individer udviste andre strukturelle hjertefejl. Vi foreslår, at ufuldstændig penetrering og variabel ekspressivitet af familiær ASD kan resultere i en betydelig undervurdering af denne tilstands arvelige karakter.

metoder

klinisk evaluering

informeret samtykke blev opnået fra alle deltagere i overensstemmelse med Brigham og Kvindehospitaludvalget for beskyttelse af mennesker mod Forskningsrisici. Familiemedlemmer i tre ikke-relaterede slægtninge blev evalueret af historien, gennemgang af medicinske poster, fysisk undersøgelse, 12-bly EKG og todimensionel transthoracisk ekkokardiografi med farvestrøm Doppler-forhør i fire standard-og subkostale visninger. Hjertekateterisering og transesophageal ekkokardiografi var blevet udført hos nogle individer. ASD og andre misdannelser blev diagnosticeret efter standardkriterier; atriale septale aneurismer blev diagnosticeret efter tidligere etablerede kriterier.78 kliniske studier blev udført uden kendskab til genotype.

genetisk analyse

genomisk DNA blev isoleret fra perifere lymfocytter som tidligere beskrevet.9 polymorfe korte tandem-gentagelsessekvenser med heterosygositet > 0.7 og fire eller flere alleler blev valgt fra hvert kromosom ved intervaller på 30 centimorgan (cM) og amplificeret fra genomisk DNA ved polymerasekædereaktionen. I korte træk blev 100 ng genomisk DNA amplificeret i et volumen på 10 liter indeholdende 40 ng umærket oligonukleotidprimer, 40 ng primer endemærket med 32P, 200 mmol/L hver af dATP, dctp, dgtp og dTTP og tak polymerase. Prøverne blev denatureret i 2 minutter ved 95 liter C, derefter behandlet igennem 35 cyklusser inklusive denaturering ved 95 liter C til 20 sekunder, primerglødning ved 58 liter C til 30 sekunder, og primerforlængelse ved 72 liter C til 40 sekunder. De amplificerede produkter blev elektroforeseret på 6% polyacrylamidsekventeringsgeler og visualiseret ved autoradiografi.

to-punkts koblingsanalyser blev udført ved brug af MLINK (version 5.1) med allelfrekvenser bestemt ud fra familiemedlemmer og en fænokopihastighed på 0,001. Multipoint analyse blev udført med kobling. Genetisk heterogenitet for familiær ASD i undersøgelsen kindreds blev vurderet ved brug af HOMOG-program.

resultater

klinisk evaluering

halvfjerds individer fra fire generationer af familie MAR blev klinisk evalueret. Hos ni individer var en secundum ASD tidligere blevet identificeret (Fig 1A og tabel). Kirurgisk lukning af en ASD var blevet udført i 7 individer: kirurgi fandt sted mellem aldre 22 og 44 år i 6 individer og i alderen 4 år i 1 person. Secundum ASD blev dokumenteret ved obduktion i individuel IV-12 (i alderen 34 år) og ved hjertekateterisering i individuel IV-10 (udført i alderen 63 år). Kliniske evalueringer hos andre familiemedlemmer viste en atrial septal aneurisme hos individer V-1 og vi-7 (Fig 3) og en vedvarende venstre overlegen vena cava i individuel V-1 (Fig 3). En ekkokardiografisk diagnose af moderat valvulær aortastenose blev stillet i individuel IV-4; etiologien af aortastenose var begrænset af omfanget af forkalkning af ventilen og tekniske vanskeligheder. I betragtning af den relativt unge alder ved diagnosen (tidligere diagnosticeret i en alder af 54 år) er det dog højst sandsynligt, at denne person har en bicuspid aortaklap.10 den kliniske status for individuel III-1 Før hans død er ukendt.atten medlemmer fra tre generationer af familie MBE blev klinisk evalueret. Seks personer havde en secundum ASD (Fig 1B og tabel). Diagnosen blev lavet før 5 år i 4 personer og resulterede i kirurgisk lukning af ASD i løbet af det første årti af livet. Personer III-2 og IV-8 blev diagnosticeret med en ASD i voksenalderen og gennemgik kirurgisk lukning i alderen 40 og 32 år, henholdsvis. Fire personer havde andre strukturelle hjertefejl. En patent ductus arteriosus blev diagnosticeret i individuel IV-2 efter 6 måneder (ligeret i alderen 3, 5 år) og i individuel V-1 (ligeret i alderen 5 år). Individuel III-3 havde en stenoseret bicuspid aortaklappe og gennemgik udskiftning af aortaklappen i en alder af 56 år. En bicuspid aortaklappe blev diagnosticeret hos hans søn (individuel IV-3) i en alder af 37 år.

treogtyve medlemmer fra fire generationer af familie MKSP blev klinisk evalueret. Otte individer (Fig 1C og tabel) blev tidligere anerkendt for at have secundum ASD og langvarig AV-ledning.1112 et individ (IV-7) havde isoleret anden grad AV-blok; transesophageal ekkokardiografi viste normale hjertestrukturer. Andre strukturelle hjerteabnormiteter fundet hos familiemedlemmer omfattede subvalvulær aortastenose (individuel III-3), ventrikulær septumdefekt (individer IV-10 og V-1), tetralogi af Fallot (individer IV-8 og IV-12) og pulmonal atresi (individuel IV-8). Berørte familiemedlemmer i generationer II og III blev diagnosticeret efter alder 30 år; imidlertid blev hjertemisdannelser i efterfølgende generationer anerkendt efter alder 4 år.

genetisk analyse

i hver familie antydede stamtavleevalueringer, at et autosomalt dominerende træk forårsagede arvelig ASD og andre strukturelle hjertefejl. Kun 9 secundum ASD ‘ er blev identificeret i MAR-slægten, og sygdomspenetrans syntes ufuldstændig. For eksempel var forekomsten af ASD hos afkom af disse 9 berørte individer 33% og var mindre end forventet for et fuldt penetrerende dominerende træk. Desuden gav individuel IV-2 et klart eksempel på nonpenetrance. Selvom denne kvinde er klinisk upåvirket, havde en søn (V-4) en secundum ASD (Fig 2) og en anden (V-1) har en atrial septal aneurisme og vedvarende venstre overlegen vena cava (Fig 3).

Koblingsundersøgelser blev udført i family MAR for at definere den kromosomale placering af en mutation, der forårsager familiær ASD. Fordi sygdomspenetrans blev anerkendt som ufuldstændig, indledende koblingsundersøgelser analyserede kun genotyperne hos individer med en ASD eller individer, hvis afkom havde en ASD. Følgelig blev sygdomspenetrans sat til 100%. I alt 125 polymorfe korte tandem-gentagelsessekvenser fordelt over genomet blev testet, og 25% af genomet blev elimineret, før binding blev påvist ved D5S208. Forbindelser til nærliggende loci på den distale arm af kromosom 5p blev derefter vurderet. En maksimal 2-punkts logaritme af odds (LOD) – score på 2,83 (Kurt=0,0) blev detekteret ved D5S406, og en maksimal multipoint LOD-score på 3,6 blev opnået (Fig 4). Det familiære ASD-locus på kromosom 5p blev betegnet ASD1.

en sygdomshaplotype i familie MAR blev konstrueret ud fra genotyperne hos individer med ASD ved 13 loci nær ASD1 og sammenlignet med genotyperne hos alle familiemedlemmer (Fig 1A). Haplotyperne af individer III-1, IV-3, IV-10 og IV-12 blev rekonstrueret fra alleler af afkom og ægtefæller. Enogtyve individer udviste sygdommen haplotype, inklusive alle familiemedlemmer MAR med strukturel hjertesygdom (9 personer med secundum ASD, 1 med atrial septal aneurisme, 1 med atrial septal aneurisme og vedvarende venstre overlegen vena cava og 1 med valvulær aortastenose). Sygdommen haplotype blev også fundet i 1 afdød person (klinisk status før død ukendt) og 8 klinisk upåvirket individer. Baseret på denne sygdom haplotype var penetrationen af secundum ASD 45%; penetrationen for secundum ASD eller atrial septal aneurisme var 55%.

sygdomsintervallet defineret af haplotyperne hos personer med secundum ASD spænder over en 11 cM region mellem D5S2088 og D5S807 (Fig 4). Men fordi sygdommen haplotype blev identificeret i to individer (VI-7 og V-1) med atrial septal aneurismer, vi antog, at denne patologiske tilstand kan repræsentere en form fruste eller spontan lukning af en ukendt ASD. Haplotypen af individuel V-1 udviser en rekombinationshændelse, der forfiner sygdomsintervallet til en 4 cM region mellem D5S635 og D5S807. LOD-score blev også beregnet inklusive personer med atriale septale aneurismer som påvirket. Denne maksimale 2-punkts LOD-score var 2,83 (kr=0) ved D5S208 og den maksimale multipoint LOD-score 3,9, hvilket indikerer odds for kr 8000:1, at sygdomsgenet i familien MAR er genetisk knyttet til loci på kromosom 5p.

for at afgøre, om sygdomsgenet i familien MAR også var ansvarlig for de arvelige hjerte-kar-sygdomme i familierne MBE og MKSP, blev sammenkobling kun vurderet på ASD1-locus hos personer med ASD eller personer, hvis afkom havde en ASD. To-punkts LOD-score opnået i familie MBE og familie MSP var mindre end -2,0 på tværs af intervallet mellem D5S2088 og D5S630 (Fig 4), hvilket indikerer, at ASD-genet i disse familier ikke kortlagde til ASD1-locus. HOMOG-programmet gav yderligere bevis for heterogenitet, fordi hjertefejl i familier MBE og MKSP sandsynligvis ikke skyldes mutationer i ASD1 på kromosom 5p (P<.001, data ikke vist).

Diskussion

vi demonstrerer, at familiær ASD kan være forårsaget af en genmutation på kromosom 5p. Denne lidelse er genetisk heterogen og kan også være forårsaget af defekter i andre udefinerede gener. Ud over secundum ASD inkluderer kliniske manifestationer af ASD1-genet andre hyppigt forekommende kardiovaskulære misdannelser; atriale septale aneurismer, venøse anomalier (vedvarende venstre overlegen vena cava) og aortaklappesygdom (bicuspid aortaklappe) forekommer hos 0,5% til 1% af befolkningen og kunne have forekommet tilfældigt hos nogle familiemedlemmer.781314 chancen for, at tre hjerteanomalier opstår samtidigt hos tre familiemedlemmer med ASD1-genet ved en tilfældighed alene, er imidlertid meget lille. Vi foreslår, at mutationer i familiære ASD-gener forårsager et bredt spektrum af arvelige medfødte hjerte-kar-sygdomme.

mangfoldighed af klinisk fænotype kombineret med generationsspring har ført til hypotesen om, at etiologien af medfødt hjertesygdom er multifaktoriel og på grund af interaktion mellem komplekse (polygene) træk og miljøfaktorer.1 de tre familier, der studeres her, karakteriserer vanskelighederne ved at vurdere den arvelige karakter af medfødt hjertesygdom. Selvom stamtavleanalyser (Fig 1) antydede, at et autosomalt dominerende træk adskilt i hver familie, kræver denne model også ufuldstændig penetrans og variabel ekspressivitet for at tage højde for den kliniske status for alle familiemedlemmer. Sygdommen haplotype (Fig 1a) defineret ved koblingsundersøgelser af berørte medlemmer i family MAR bekræftede denne model. Ufuldstændig penetrans, unøjagtig diagnose eller aldersafhængig fænotype antages at tegne sig for otte klinisk upåvirkede personer, der bar sygdommen haplotype.

diagnostiske teknikker anvendt i denne undersøgelse kunne have bidraget til en undervurdering af fænotype. For eksempel anerkendes transesophageal ekkokardiografi at være mere følsom og specifik end transthoracisk ekkokardiografi ved identifikation af abnormiteter i atrialseptumet, især hos store voksne.15 selvom transesophageal ekkokardiografi kan have øget det diagnostiske udbytte for subtile misdannelser såsom atrial septal aneurisme, er det usandsynligt, at det har ændret de vigtigste fund i denne undersøgelse. Alternativt kan den kliniske status for personer, der bærer mutationer ved ASD1, ændre sig. For eksempel,fordi ASD er en af flere medfødte misdannelser, der kan “spontant” løse, ville 816 evalueringer udført efter spontan lukning unøjagtigt tildele en upåvirket status og derved bidrage til indtrykket af reduceret genpenetrans. Grundlaget for nedsat penetrans er ikke blevet fastslået, men dette fænomen er forbundet med andre medfødte hjertefejl.1718

genetiske undersøgelser i family MAR viste endvidere, at ASD1-genmutationerne tegnede sig for flere andre kardiovaskulære misdannelser, der var til stede hos familiemedlemmer. Selvom secundum ASD var den mest almindelige hjertemisdannelse i familie MAR og to andre undersøgelsesarter, patent ductus arteriosus, ventrikulær septumdefekt, atrial septal aneurisme, venstre overlegen vena cava, tetralogi af Fallot, bicuspid aortaventil, valvulær eller subvalvulær aortastenose og AV-ledningsabnormiteter blev også observeret. Disse familier er repræsentative for andre slægtninge med familiær ASD192021222324, hvor så mange som 40% af individerne havde yderligere eller andre hjerteanomalier. Identifikationen af en almindelig haplotype hos familiemar-individer med forskellige medfødte hjertefejl kan indikere, at variabel ekspressivitet af en enkelt gendefekt kan redegøre for Klinisk mangfoldighed af medfødt hjertesygdom i en familie. Forskellige hjertemisdannelser genkendes ved andre monogene humane lidelser, herunder Holt-Oram syndrom25262728 og kromosom 22k11 mikrodeletioner, 29 og forekommer også hos mus med retinoisk h–receptor-mangel.30 selvom variabel ekspressivitet ikke er et træk forudsagt af klassiske embryologiske modeller for hjerteudvikling, kan arvelige monogene mutationer tydeligt forårsage pleiomorfe kardiovaskulære defekter.

selvom ASD ikke forårsager nogen åbenbar skadelig virkning under fosterudvikling, er konsekvenserne af disse defekter under postnatalt liv varierende.2 ukorrigeret ASD kan føre til symptomer på grund af pulmonal overcirkulation og overbelastning af højre hjertevolumen. Imidlertid, spontan lukning i de første par leveår er veldokumenteret, uden tilsyneladende langsigtede følger.816 foreningen af atrial septal aneurisme og secundum ASD har ført til forslaget om, at aneurismer er en medfødt misdannelse af septum7, der kan spille en rolle i postnatal ASD-lukning.8 genetiske undersøgelser i family MAR understøtter dette årsag-og-virkning-forhold, idet en sygdomshaplotype identificeret hos personer med secundum ASD også blev fundet hos to individer (V-1, V-7) med atrial septal aneurisme. Serielle undersøgelser af disse personer kan bidrage til at definere postnatale ændringer i atrial septum.embryologiske modeller af secundum ASD har understreget unormal udvikling af septum primum, men der er kun lidt kendt om det molekylære grundlag for atrial septation. Ingen åbenlyse kandidatgener er kortlagt til ASD1, men det er bemærkelsesværdigt, at store sletninger af kromosom 5p forårsager cri-du-chat-syndrom, et sammenhængende gensyndrom, der lejlighedsvis er forbundet med medfødt hjertesygdom.31 Definition af ASD1-genet kan også hjælpe med at belyse det molekylære grundlag for hjertemisdannelser i dette syndrom. Identifikation af dette og andre familiære ASD-gener skal give ny indsigt i de vigtige trin i hjertemorfogenese, der fører til atrial septation.

bidraget fra familiære ASD-gendefekter til forekomsten af medfødt hjertesygdom forbliver ukendt. I betragtning af den variable ekspression og lav penetrans af ASD-genmutationerne beskrevet her, et individ, der bærer en af disse gendefekter, kan præsentere som et isoleret tilfælde. Når familiehistorie afslører en medfødt hjertesygdom hos mere end et individ, anbefales kliniske og genetiske evalueringer af alle familiemedlemmer.

fodnoter