Reduzierte Penetranz, variable Expressivität und genetische Heterogenität familiärer Vorhofseptumdefekte

Der Secundum-Vorhofseptumdefekt (ASD) ist eine häufige angeborene Herzfehlbildung, die 10% der isolierten angeborenen Herzfehler ausmacht.12 Unkorrigierte ASD kann zu Lungenüberzirkulation, Überlastung des rechten Herzvolumens und vorzeitigem Tod führen. Modelle der Herzembryogenese haben vorgeschlagen, dass dieser Defekt durch eine Fehlbildung des Septum primum verursacht wird, was zu einer unvollständigen Abdeckung des Ostium secundum (Fossa ovalis) führt.3 Jedoch sind weder die zellulären Mechanismen noch die molekularen Signale bekannt, die diese Prozesse steuern.Einige Personen mit Secundum ASD haben eine Familienanamnese dieses Defekts oder anderer angeborener Herzfehlbildungen, und bei einigen familiären ASD-Arten wurde ein koexistierender Herzblock beobachtet.4 Die genetische Grundlage, falls vorhanden, für diese klinischen Beobachtungen bleibt unklar. Obwohl in einigen Familien ein autosomal dominanter Vererbungsmodus für familiäre ASD beschrieben wurde4, ist die Inzidenz von ASD bei Geschwister15 und Nachkommen betroffener personen16 häufig geringer als bei einzelnen Gendefekten erwartet, und es wurden auch multifaktorielle Vererbungsmodelle postuliert.1

Um die genetische Grundlage für familiäre ASD zu identifizieren, haben wir drei Arten mit ASD, die autosomal-dominant vererbt wurden, klinisch untersucht und genetisch untersucht. Wir berichten über einen Krankheitsort für familiäre ASD in der Telomerregion von Chromosom 5p und zeigen, dass diese Störung genetisch heterogen ist. Die Penetranz der Krankheit war unvollständig (das Fehlen eines klinischen Phänotyps bei Personen, die die Genmutation trugen), und einige genetisch betroffene Personen zeigten andere strukturelle Herzfehler. Wir schlagen vor, dass unvollständige Penetranz und variable Expressivität der familiären ASD zu einer signifikanten Unterschätzung der Vererbbarkeit dieser Erkrankung führen können.

Methoden

Klinische Bewertung

Die Einverständniserklärung wurde von allen Teilnehmern in Übereinstimmung mit dem Brigham and Women’s Hospital Committee zum Schutz des Menschen vor Forschungsrisiken eingeholt. Familienmitglieder in drei nicht verwandten Arten wurden durch Anamnese, Überprüfung der Krankenakten, körperliche Untersuchung, 12-Kanal-EKG und zweidimensionale transthorakale Echokardiographie mit Farbfluss-Doppler-Abfrage in vier Standard- und Subkostalansichten bewertet. Herzkatheterisierung und transösophageale Echokardiographie wurden bei einigen Personen durchgeführt. ASD und andere Fehlbildungen wurden nach Standardkriterien diagnostiziert; Vorhofseptumaneurysmen wurden nach zuvor festgelegten Kriterien diagnostiziert.78 Klinische Studien wurden ohne Kenntnis des Genotyps durchgeführt.

Genetische Analyse

Genomische DNA wurde wie zuvor beschrieben aus peripheren Lymphozyten isoliert.9 Polymorphe kurze Tandem-Repeat-Sequenzen mit Heterozygotie >0.7 und vier oder mehr Allele wurden aus jedem Chromosom in ≈30-centimorgan (cM) -Intervallen ausgewählt und aus genomischer DNA durch die Polymerase-Kettenreaktion amplifiziert. Kurz gesagt, 100 ng genomische DNA wurden in einem Volumen von 10 µL amplifiziert, das 40 ng unmarkierten Oligonukleotidprimer, 40 ng mit 32P endmarkierten Primer, jeweils 200 mmol / L dATP, dCTP, dGTP und dTTP und Taq-Polymerase enthielt. Die Proben wurden für 2 Minuten bei 95 ° C denaturiert, dann durch 35 Zyklen einschließlich Denaturierung bei 95 ° C für 20 Sekunden, Primer-Annealing bei 58 ° C für 30 Sekunden und Primer-Verlängerung bei 72 ° C für 40 Sekunden verarbeitet. Die amplifizierten Produkte wurden auf 6% Polyacrylamid-Sequenziergelen elektrophoresiert und durch Autoradiographie visualisiert.

Zwei-Punkt-Verknüpfungsanalysen wurden unter Verwendung von MLINK (Version 5.1) mit Allelfrequenzen von Familienmitgliedern und einer Phänokopierrate von 0,001 durchgeführt. Multipoint-Analyse wurde mit Verknüpfung durchgeführt. Genetische Heterogenität für familiäre ASD in der Studie kindreds wurde durch die Verwendung von Homogenität bewertet.

Ergebnisse

Klinische Bewertung

Siebzig Personen aus vier Generationen von Familienmitgliedern wurden klinisch bewertet. Bei neun Personen war zuvor eine Secundum-ASD identifiziert worden (Abbildung 1A und Tabelle). Der chirurgische Verschluss einer ASD wurde bei 7 Personen durchgeführt: Die Operation erfolgte im Alter zwischen 22 und 44 Jahren bei 6 Personen und im Alter von 4 Jahren bei 1 Person. Secundum ASD wurde bei der Autopsie in Individuum IV-12 (im Alter von 34 Jahren) und bei der Herzkatheterisierung in Individuum IV-10 (durchgeführt im Alter von 63 Jahren) dokumentiert. Klinische Untersuchungen bei anderen Familienmitgliedern zeigten ein Vorhofseptumaneurysma bei den Individuen V-1 und VI-7 (Abb. 3) und eine persistierende linke obere Hohlvene bei einzelnen V-1 (Abb. 3). Eine echokardiographische Diagnose einer mäßigen Klappenaortenstenose wurde in Einzelfällen IV-4 gestellt; Die Ätiologie der Aortenstenose war durch das Ausmaß der Klappenverkalkung und technische Schwierigkeiten begrenzt. Angesichts des relativ jungen Alters bei der Diagnose (zuvor im Alter von 54 Jahren diagnostiziert) ist es jedoch höchstwahrscheinlich, dass diese Person eine bikuspidale Aortenklappe hat.10 Der klinische Status des Individuums III-1 vor seinem Tod ist unbekannt.Achtzehn Mitglieder aus drei Generationen der Familie MBE wurden klinisch untersucht. Sechs Personen hatten eine Secundum-ASD (Abb. 1B und Tabelle). Die Diagnose wurde vor dem Alter von 5 Jahren bei 4 Personen gestellt und führte im ersten Lebensjahrzehnt zum chirurgischen Verschluss der ASD. Bei den Personen III-2 und IV-8 wurde im Erwachsenenalter eine ASD diagnostiziert und im Alter von 40 bzw. 32 Jahren operiert. Vier Personen hatten andere strukturelle Herzfehler. Ein patentierter Ductus arteriosus wurde in Individuum IV-2 nach 6 Monaten (ligiert im Alter von 3,5 Jahren) und in Individuum V-1 (ligiert im Alter von 5 Jahren) diagnostiziert. Individuum III-3 hatte eine stenosierte bikuspidale Aortenklappe und wurde im Alter von 56 Jahren einem Aortenklappenersatz unterzogen. Bei seinem Sohn (Individuum IV-3) wurde im Alter von 37 Jahren eine bikuspide Aortenklappe diagnostiziert.

Dreiundzwanzig Mitglieder aus vier Generationen der Familie MXP wurden klinisch untersucht. 1C und Tabelle) wurden zuvor erkannt Secundum ASD und verlängerte AV-Leitung zu haben.1112 Eine Person (IV-7) hatte einen isolierten AV-Block zweiten Grades; Die transösophageale Echokardiographie zeigte normale Herzstrukturen. Andere strukturelle Herzanomalien, die bei Familienmitgliedern gefunden wurden, waren subvalvuläre Aortenstenose (Individuum III-3), ventrikulärer Septumdefekt (Individuen IV-10 und V-1), Fallot-Tetralogie (Individuen IV-8 und IV-12) und Lungenatresie (Individuum IV-8). Betroffene Familienmitglieder in den Generationen II und III wurden nach dem Alter von 30 Jahren diagnostiziert; Herzfehlbildungen in nachfolgenden Generationen wurden jedoch im Alter von 4 Jahren erkannt.

Genetische Analyse

In jeder Familie deuteten Stammbaumbewertungen darauf hin, dass ein autosomal dominantes Merkmal vererbte ASD und andere strukturelle Herzfehler verursachte. In der MAR-Verwandtschaft wurden nur 9 Secundum-ASDs identifiziert, und die Penetranz der Krankheit schien unvollständig zu sein. Beispielsweise betrug die Inzidenz von ASD bei den Nachkommen dieser 9 betroffenen Personen ≈33% und war für ein vollständig penetriertes dominantes Merkmal geringer als erwartet. Darüber hinaus lieferte einzelne IV-2 ein klares Beispiel für die Nichteindringung. Obwohl diese Frau klinisch nicht betroffen ist, hatte ein Sohn (V-4) eine Secundum-ASD (Abb. 2) und ein anderer (V-1) ein Vorhofseptumaneurysma und eine persistierende linke obere Hohlvene (Abb. 3).

Verknüpfungsstudien wurden an Familienmitgliedern durchgeführt, um den chromosomalen Ort einer Mutation zu definieren, die familiäre ASD verursacht. Da die Krankheitspenetranz als unvollständig erkannt wurde, analysierten erste Verknüpfungsstudien nur die Genotypen von Personen mit ASD oder Personen, deren Nachkommen eine ASD hatten. Dementsprechend wurde die Penetranz der Krankheit auf 100% eingestellt. Insgesamt wurden 125 polymorphe kurze Tandem-Repeat-Sequenzen getestet, die über das Genom verteilt waren, und ≈25% des Genoms wurden eliminiert, bevor die Verknüpfung an D5S208 nachgewiesen wurde. Verknüpfungen zu nahe gelegenen Loci auf dem distalen Arm von Chromosom 5p wurden dann bewertet. Ein maximaler 2-Punkt-Logarithmus des Odds (LOD) -Scores von 2,83 (θ = 0,0) wurde bei D5S406 detektiert, und ein maximaler Multipoint-LOD-Score von 3,6 wurde erhalten (Figur 4). Der familiäre ASD-Locus auf Chromosom 5p wurde als ASD1 bezeichnet.

Ein Krankheitshaplotyp in Familienmitgliedern wurde aus den Genotypen von Individuen mit ASD an 13 Loci in der Nähe von ASD1 konstruiert und mit den Genotypen aller Familienmitglieder verglichen (Abbildung 1A). Die Haplotypen der Individuen III-1, IV-3, IV-10 und IV-12 wurden aus den Allelen von Nachkommen und Ehepartnern rekonstruiert. Einundzwanzig Personen zeigten den Krankheitshaplotyp, einschließlich aller Familienmitglieder mit struktureller Herzkrankheit (9 Personen mit Secundum ASD, 1 mit Vorhofseptumaneurysma, 1 mit Vorhofseptumaneurysma und persistierender linker oberer Hohlvene und 1 mit Klappenaortenstenose). Der Krankheitshaplotyp wurde auch bei 1 verstorbenen Person (klinischer Status vor dem Tod unbekannt) und 8 klinisch nicht betroffenen Personen gefunden. Basierend auf diesem Krankheitshaplotyp betrug die Penetranz von Secundum ASD 45%; Die Penetranz für Secundum ASD oder Vorhofseptumaneurysma betrug 55%.

Das durch die Haplotypen von Individuen mit Secundum-ASD definierte Krankheitsintervall erstreckt sich über eine 11-cm-Region zwischen D5S2088 und D5S807 (Abb. 4). Da der Krankheitshaplotyp jedoch bei zwei Personen (VI-7 und V-1) mit Vorhofseptumaneurysmen identifiziert wurde, stellten wir die Hypothese auf, dass dieser pathologische Zustand eine Form darstellen könnte fruste oder spontaner Verschluss einer nicht erkannten ASD. Der Haplotyp einzelner V-1 zeigt ein Rekombinationsereignis, das das Krankheitsintervall auf eine 4-cm-Region zwischen D5S635 und D5S807 verfeinert. LOD-Scores wurden auch berechnet, einschließlich Personen mit Vorhofseptumaneurysmen als betroffen. Dieser maximale 2-Punkt-LOD-Score betrug 2,83 (θ = 0) bei D5S208 und der maximale Multipoint-LOD-Score 3,9, was auf eine Wahrscheinlichkeit von ≈8000: 1 hinweist, dass das Krankheitsgen in der Familie MAR genetisch mit Loci auf Chromosom 5p verknüpft ist.

Um festzustellen, ob das Krankheitsgen in der Familie MAR auch für die vererbbaren kardiovaskulären Störungen in den Familien MBE und MXP verantwortlich war, wurde die Verknüpfung am ASD1-Locus nur bei Personen mit ASD oder Personen, deren Nachkommen eine ASD hatten, bewertet. Zwei-Punkt-LOD-Scores, die in Familie MBE und Familie MXP erreicht wurden, lagen im Intervall zwischen D5S2088 und D5S630 unter -2,0 (Abb. 4), was darauf hinweist, dass das ASD-Gen in diesen Familien nicht auf den ASD1-Locus abgebildet wurde. Das HOMOG-Programm lieferte weitere Hinweise auf Heterogenität, da Herzfehler in den Familien MBE und MXP wahrscheinlich nicht auf Mutationen in ASD1 auf Chromosom 5p zurückzuführen sind (P<.001, Daten nicht dargestellt).

Diskussion

Wir zeigen, dass familiäre ASD durch eine Genmutation auf Chromosom 5p verursacht werden kann. Diese Störung ist genetisch heterogen und kann auch durch Defekte in anderen undefinierten Genen verursacht werden. Zusätzlich zu Secundum ASD umfassen klinische Manifestationen des ASD1-Gens andere häufig auftretende kardiovaskuläre Missbildungen; Vorhofseptumaneurysmen, venöse Anomalien (persistierende linke obere Hohlvene) und Aortenklappenerkrankungen (bikuspide Aortenklappe) treten bei ≈ 0,5% bis 1% der Bevölkerung auf und könnten bei einigen Familienmitgliedern zufällig aufgetreten sein.781314 Die Wahrscheinlichkeit, dass drei Herzanomalien gleichzeitig bei drei Familienmitgliedern mit dem ASD1-Gen zufällig auftreten, ist jedoch sehr gering. Wir schlagen vor, dass Mutationen in familiären ASD-Genen ein breites Spektrum erblicher angeborener Herz-Kreislauf-Erkrankungen verursachen.

Die Vielfalt des klinischen Phänotyps in Kombination mit Generationssprüngen hat zu der Hypothese geführt, dass die Ätiologie der angeborenen Herzkrankheit multifaktoriell ist und auf die Interaktion komplexer (polygener) Merkmale und Umweltfaktoren zurückzuführen ist.1 Die drei hier untersuchten Familien kennzeichnen die Schwierigkeiten bei der Beurteilung der Vererbbarkeit angeborener Herzfehler. Obwohl Stammbaumanalysen (Abbildung 1) darauf hindeuteten, dass ein autosomal dominantes Merkmal in jeder Familie getrennt ist, erfordert dieses Modell auch unvollständige Penetranz und variable Expressivität, um den klinischen Status aller Familienmitglieder zu berücksichtigen. Der Krankheitshaplotyp (Bild 1A), der durch Verknüpfungsstudien betroffener Mitglieder in Familiengruppen definiert wurde, bestätigte dieses Modell. Es wird angenommen, dass unvollständige Penetranz, ungenaue Diagnose oder altersabhängiger Phänotyp für acht klinisch nicht betroffene Personen verantwortlich sind, die den Krankheitshaplotyp trugen.

Die in dieser Studie verwendeten Diagnosetechniken könnten zu einer Unterschätzung des Phänotyps beigetragen haben. Beispielsweise ist die transösophageale Echokardiographie bei der Identifizierung von Anomalien des Vorhofseptums, insbesondere bei großen Erwachsenen, empfindlicher und spezifischer als die transthorakale Echokardiographie.15 Obwohl die transösophageale Echokardiographie die diagnostische Ausbeute für subtile Fehlbildungen wie erhöht haben kann Vorhofseptumaneurysma, Es ist unwahrscheinlich, dass sich die Hauptergebnisse dieser Studie geändert haben. Alternativ kann sich der klinische Status von Personen, die Mutationen bei ASD1 tragen, ändern. Da ASD beispielsweise eine von mehreren angeborenen Fehlbildungen ist, die sich „spontan“ auflösen können, würden 816 nach spontanem Verschluss durchgeführte Auswertungen ungenau einen nicht betroffenen Status zuordnen und dadurch zum Eindruck einer verringerten Genpenetranz beitragen. Die Grundlage für eine verringerte Penetranz ist nicht erwiesen, aber dieses Phänomen ist mit anderen angeborenen Herzfehlbildungen verbunden.1718 Genetische Studien an Familienmitgliedern zeigten weiter, dass die ASD1-Genmutationen für mehrere andere kardiovaskuläre Missbildungen bei Familienmitgliedern verantwortlich waren. Obwohl Secundum ASD die häufigste Herzfehlbildung in der Familie MAR und zwei anderen Studienklassen war, wurden auch Ductus arteriosus, ventrikulärer Septumdefekt, Vorhofseptumaneurysma, linke obere Hohlvene, Fallot-Tetralogie, bikuspidale Aortenklappe, Klappen- oder subvalvuläre Aortenstenose und AV-Leitungsstörungen beobachtet. Diese Familien sind repräsentativ für andere Arten mit familiärer ASD192021222324, bei denen bis zu 40% der Personen zusätzliche oder andere Herzanomalien aufwiesen. Die Identifizierung eines gemeinsamen Haplotyps bei Familienmitgliedern mit unterschiedlichen angeborenen Herzfehlern kann darauf hindeuten, dass die variable Expressivität eines einzelnen Gendefekts die klinische Vielfalt angeborener Herzfehler in einer Familie erklären kann. Diverse Herzfehlbildungen werden bei anderen monogenen menschlichen Erkrankungen, einschließlich des Holt-Oram-Syndroms, erkannt25262728 und Chromosom 22q11 Mikrodeletionen,29 und treten auch bei Retinoic X–Rezeptor-defizienten Mäusen auf.30 Obwohl variable Expressivität kein Merkmal ist, das von klassischen embryologischen Modellen der Herzentwicklung vorhergesagt wird, können vererbbare monogene Mutationen eindeutig pleiomorphe kardiovaskuläre Defekte verursachen.Obwohl ASD während der fetalen Entwicklung keine offensichtlichen schädlichen Auswirkungen hat, sind die Folgen dieser Defekte während des postnatalen Lebens variabel.2 Unkorrigierte ASD kann zu Symptomen aufgrund einer pulmonalen Überzirkulation und einer Überlastung des rechten Herzvolumens führen. Der spontane Verschluss in den ersten Lebensjahren ist jedoch gut dokumentiert, ohne offensichtliche Langzeitfolgen.816 Die Assoziation von Vorhofseptumaneurysma und Secundum-ASD hat zu der Annahme geführt, dass Aneurysmen eine angeborene Fehlbildung des Septums sind7, die beim postnatalen ASD-Verschluss eine Rolle spielen kann.8 Genetische Studien an Familienmitgliedern unterstützen diese Ursache-Wirkungs-Beziehung, da ein bei Personen mit Secundum-ASD identifizierter Krankheitshaplotyp auch bei zwei Personen (V-1, V-7) mit Vorhofseptumaneurysma gefunden wurde. Serielle Studien dieser Personen können helfen, postnatale Veränderungen im Vorhofseptum zu definieren.Embryologische Modelle von Secundum ASD haben eine abnormale Entwicklung des Septum primum betont, aber über die molekularen Grundlagen der Vorhofseptation ist wenig bekannt. Es wurden keine offensichtlichen Kandidatengene auf ASD1 abgebildet, aber es ist bemerkenswert, dass große Deletionen von Chromosom 5p das Cri-du-chat-Syndrom verursachen, ein zusammenhängendes Gensyndrom, das gelegentlich mit angeborenen Herzfehlern assoziiert ist.31 Die Definition des ASD1-Gens kann auch dazu beitragen, die molekularen Grundlagen für Herzfehlbildungen bei diesem Syndrom aufzuklären. Die Identifizierung dieses und anderer familiärer ASD-Gene sollte neue Einblicke in die wichtigen Schritte der kardialen Morphogenese liefern, die zur Vorhofseptation führen.

Der Beitrag familiärer ASD-Gendefekte zur Inzidenz angeborener Herzfehler bleibt unbekannt. Angesichts der variablen Expression und der geringen Penetranz der hier beschriebenen ASD-Genmutationen könnte ein Individuum mit einem dieser Gendefekte als Einzelfall auftreten. Wenn die Familienanamnese bei mehr als einer Person eine angeborene Herzerkrankung aufdeckt, werden klinische und genetische Bewertungen aller Familienmitglieder empfohlen.

Fußnoten