minskad penetrans, variabel expressivitet och genetisk heterogenitet hos familjära Förmaksseptumdefekter

Sekundärsseptumdefekt (ASD) är en vanlig medfödd hjärtfel som står för 10% av isolerad medfödd hjärtsjukdom.12 okorrigerad ASD kan orsaka lungcirkulation, överbelastning av höger hjärtvolym och för tidig död. Modeller av hjärtembryogenes har föreslagit att denna defekt orsakas av missbildning av septum primum, vilket resulterar i ofullständig täckning av ostium secundum (fossa ovalis).3 emellertid är varken de cellulära mekanismerna eller molekylära signaler som styr dessa processer kända.

vissa individer med secundum ASD har en familjehistoria av denna defekt eller andra medfödda hjärtmissbildningar, och samexisterande hjärtblock har observerats hos vissa familjära ASD-släkter.4 den genetiska grunden, om någon, för dessa kliniska observationer är fortfarande oklar. Även om ett autosomalt dominerande arvssätt för familjär ASD har beskrivits i några få familjer, 4 förekomsten av ASD i siblings15 och avkommor 16 av drabbade individer är ofta mindre än vad som förväntas för enstaka gendefekter, och multifaktoriella arvsmodeller har också postulerats.1

för att identifiera den genetiska grunden för familjär ASD utvärderade vi kliniskt och genetiskt studerade tre släkter med ASD ärvt som ett autosomalt dominerande drag. Vi rapporterar en sjukdomsplats för familjär ASD på den telomera regionen av kromosom 5p och visar att denna störning är genetiskt heterogen. Sjukdomspenetrance var ofullständig (frånvaron av en klinisk fenotyp hos individer som bär genmutationen), och vissa genetiskt drabbade individer uppvisade andra strukturella hjärtfel. Vi föreslår att ofullständig penetrans och variabel uttrycksförmåga hos familjär ASD kan resultera i en signifikant underskattning av den ärftliga karaktären hos detta tillstånd.

metoder

klinisk utvärdering

informerat samtycke erhölls från alla deltagare i enlighet med Brigham and Women ’ s Hospital Committee of the Protection for Human Subjects From Research Risks. Familjemedlemmar i tre orelaterade släkter utvärderades av historia, granskning av medicinska journaler, fysisk undersökning, 12-bly EKG och tvådimensionell transthoracic ekokardiografi med färgflödesdoppler-förhör i fyra standard-och subkostalvyer. Hjärtkateterisering och transesofageal ekokardiografi hade utförts hos vissa individer. ASD och andra missbildningar diagnostiserades med standardkriterier; atriella septala aneurysmer diagnostiserades med tidigare fastställda kriterier.78 kliniska studier utfördes utan kunskap om genotyp.

genetisk analys

genomiskt DNA isolerades från perifera lymfocyter som tidigare beskrivits.9 polymorfa korta tandemrepetitionssekvenser med heterozygositet >0.7 och fyra eller flera alleler valdes från varje kromosom vid intervall på 30 centimorgan (cm) i intervallet och förstärktes från genomiskt DNA genom polymeraskedjereaktionen. I korthet, 100 ng av genomiskt DNA förstärktes i en volym av 10 oc-l innehållande 40 ng av omärkt oligonukleotidprimer, 40 ng av primerändemärkt med 32P, 200 mmol/L vardera av dATP, dCTP, dGTP, och dTTP, och Taq-polymeras. Proverna denaturerades i 2 minuter vid 95 CCG, behandlades sedan genom 35 cykler inklusive denaturering vid 95 CCG i 20 sekunder, primerglödgning vid 58 CCG i 30 sekunder och primerförlängning vid 72 CCG i 40 sekunder. De förstärkta produkterna elektroforerades på 6% polyakrylamid-sekvenseringsgeler och visualiserades genom autoradiografi.

tvåpunktsanalyser utfördes med användning av MLINK (version 5.1) med allelfrekvenser bestämda från familjemedlemmar och en fenokopi-hastighet på 0,001. Multipunktsanalys utfördes med koppling. Genetisk heterogenitet för familjär ASD i studien kindreds bedömdes med användning av HOMOG-programmet.

resultat

klinisk utvärdering

sjuttio individer från fyra generationer av familjen MAR utvärderades kliniskt. Hos nio individer hade en sekund ASD tidigare identifierats (Fig 1A och tabell). Kirurgisk stängning av en ASD hade utförts hos 7 individer: kirurgi inträffade mellan åldrarna 22 och 44 år hos 6 individer och vid 4 års ålder hos 1 individ. Secundum ASD dokumenterades vid obduktion i individ IV-12 (vid 34 års ålder) och vid hjärtkateterisering i individ IV-10 (utförd vid 63 års ålder). Kliniska utvärderingar hos andra familjemedlemmar visade en atriell septal aneurysm hos individer V-1 och VI-7 (Fig 3) och en ihållande vänster överlägsen vena cava i individuell V-1 (Fig 3). En ekokardiografisk diagnos av måttlig valvulär aortastenos gjordes i individuell IV-4; etiologin för aortastenos begränsades av omfattningen av ventilförkalkning och tekniska svårigheter. Men med tanke på den relativt unga åldern vid diagnos (tidigare diagnostiserad vid 54 års ålder) är det troligt att denna individ har en bicuspid aortaklaff.10 den kliniska statusen för individ III – 1 Före hans död är okänd.

arton medlemmar från tre generationer av familjen MBE utvärderades kliniskt. Sex individer hade en sekund ASD (Fig 1B och tabell). Diagnos gjordes före 5 års ålder hos 4 individer och resulterade i kirurgisk stängning av ASD under det första decenniet av livet. Individer III-2 och IV-8 diagnostiserades med en ASD i vuxen ålder och genomgick kirurgisk stängning i åldrarna 40 respektive 32 år. Fyra personer hade andra strukturella hjärtfel. En patent ductus arteriosus diagnostiserades i individuell IV-2 vid 6 månader (ligerad vid 3, 5 års ålder) och i individuell V-1 (ligerad vid 5 års ålder). Individuell III – 3 hade en stenoserad bicuspid aortaklaff och genomgick aortaklaffbyte vid 56 års ålder. En bicuspid aortaklaff diagnostiserades i sin son (individuell IV-3) vid 37 års ålder.

tjugotre medlemmar från fyra generationer av familjen MXP utvärderades kliniskt. Åtta individer (Fig 1C och tabell) erkändes tidigare för att ha secundum ASD och långvarig av-ledning.1112 en individ (IV-7) hade isolerat AV-block i andra graden; transesofageal ekokardiografi visade normala hjärtstrukturer. Andra strukturella hjärtavvikelser som hittades hos familjemedlemmar inkluderade subvalvulär aortastenos (individuell III-3), ventrikulär septaldefekt (individer IV-10 och V-1), Fallots tetrad (individer IV-8 och IV-12) och lungatresi (individuell IV-8). Berörda familjemedlemmar i generationer II och III diagnostiserades efter 30 års ålder; emellertid erkändes hjärtmissbildningar i efterföljande generationer efter 4 års ålder.

genetisk analys

i varje familj föreslog stamtavleutvärderingar att ett autosomalt dominerande drag orsakade ärftlig ASD och andra strukturella hjärtfel. Endast 9 sekundum ASDs identifierades i Mar kindred, och sjukdomspenetrance verkade ofullständig. Till exempel var förekomsten av ASD hos avkomman till dessa 9 drabbade individer 33% av 6 och var mindre än väntat för ett fullständigt penetrerande dominerande drag. Vidare gav individuell IV-2 ett tydligt exempel på nonpenetrance. Även om denna kvinna är kliniskt opåverkad, hade en son (V-4) en sekund ASD (Fig 2) och en annan (V-1) har en atriell septal aneurysm och ihållande vänster överlägsen vena cava (Fig 3).

Länkstudier utfördes i family MAR för att definiera kromosomal plats för en mutation som orsakar familjär ASD. Eftersom sjukdomspenetrance erkändes vara ofullständig, analyserade initiala kopplingsstudier endast genotyperna hos individer med en ASD eller individer vars avkomma hade en ASD. Följaktligen sattes sjukdomspenetrance till 100%. Totalt 125 polymorfa korta tandemrepetitionssekvenser fördelade över genomet testades,och 25% av genomet för 25% av genomet eliminerades innan koppling detekterades vid D5S208. Kopplingar till närliggande loci på den distala armen av kromosom 5p bedömdes sedan. En maximal 2-punkts logaritm av odds (LOD) – poängen på 2,83 (0,0) detekterades vid D5S406 och en maximal multipoint LOD-poäng på 3,6 erhölls (Fig 4). Den familjära ASD-platsen på kromosom 5p betecknades ASD1.

en sjukdomshaplotyp i familjen MAR konstruerades från genotyperna hos individer med ASD vid 13 loci nära ASD1 och jämfördes med genotyperna hos alla familjemedlemmar (Fig 1A). Haplotyperna hos individerna III-1, IV-3, IV-10 och IV-12 rekonstruerades från alleler av avkommor och makar. Tjugoen individer uppvisade sjukdomen haplotyp, inklusive alla familjemedlemmar MAR med strukturell hjärtsjukdom (9 individer med sekundum ASD, 1 med atriell septal aneurysm, 1 med atriell septal aneurysm och ihållande vänster överlägsen vena cava och 1 med valvulär aortastenos). Sjukdomen haplotyp hittades också hos 1 avliden individ (klinisk status före okänd död) och 8 kliniskt opåverkade individer. Baserat på denna sjukdomshaplotyp var penetrationen av secundum ASD 45%; penetrationen för secundum ASD eller atrial septal aneurysm var 55%.

sjukdomsintervallet definierat av haplotyperna hos individer med sekund ASD spänner över en 11 cM region mellan D5S2088 och D5S807 (Fig 4). Men eftersom sjukdomen haplotypen identifierades hos två individer (VI-7 och V-1) med atriella septala aneurysmer, antog vi att detta patologiska tillstånd kan representera en form fruste eller spontan stängning av en okänd ASD. Haplotypen för individuell V – 1 uppvisar en rekombinationshändelse som förfinar sjukdomsintervallet till en 4 cM region mellan D5S635 och D5S807. LOD-poäng beräknades också inklusive individer med förmaksseptala aneurysmer som drabbade. Denna maximala 2-punkts LOD-poäng var 2,83 (GHz = 0) vid d5s208 och den maximala multipoint LOD-poängen 3,9, vilket indikerar oddsen för 8000:1 att sjukdomsgenen i familjen MAR är genetiskt kopplad till loci på kromosom 5p.

för att avgöra om sjukdomsgenen i familjen MAR också var ansvarig för ärftliga kardiovaskulära störningar i familjerna MBE och MXP, bedömdes kopplingen vid ASD1-locus endast hos individer med ASD eller individer vars avkomma hade en ASD. Tvåpunkts LOD-poäng som uppnåddes i familjen MBE och familjen MXP var mindre än -2.0 över intervallet mellan D5S2088 och D5S630 (Fig 4), vilket indikerar att ASD-genen i dessa familjer inte mappade till ASD1-lokusen. HOMOG-programmet gav ytterligare bevis på heterogenitet, eftersom hjärtfel i familjerna MBE och MXP sannolikt inte beror på mutationer i ASD1 på kromosom 5p (P<.001, data som inte visas).

diskussion

vi visar att familjär ASD kan orsakas av en genmutation på kromosom 5p. Denna störning är genetiskt heterogen och kan också orsakas av defekter i andra odefinierade gener. Förutom secundum ASD inkluderar kliniska manifestationer av ASD1-genen andra ofta förekommande kardiovaskulära missbildningar; förmaksseptala aneurysmer, venösa anomalier (ihållande vänster överlägsen vena cava) och aortaklaffsjukdom (bicuspid aortaklaff) förekommer i 0,5% till 1% av befolkningen i 0,5% av befolkningen och kunde ha inträffat av en slump hos vissa familjemedlemmar.781314 risken för att tre hjärtanomalier uppstår samtidigt hos tre familjemedlemmar med ASD1-genen av en slump är dock mycket liten. Vi föreslår att mutationer i familjära ASD-gener orsakar ett brett spektrum av ärftliga medfödda hjärt-kärlsjukdomar.

mångfald av klinisk fenotyp i kombination med generationshopp har lett till hypotesen att etiologin för medfödd hjärtsjukdom är multifaktoriell och på grund av interaktion mellan komplexa (polygena) egenskaper och miljöfaktorer.1 de tre familjerna som studeras här typiserar svårigheterna att bedöma den ärftliga naturen hos medfödd hjärtsjukdom. Även om stamtavla analyser (Fig 1) föreslog att ett autosomalt dominerande drag segregerat i varje familj, kräver denna modell också ofullständig penetrans och variabel uttrycksförmåga för att redogöra för den kliniska statusen för alla familjemedlemmar. Sjukdomen haplotyp (Fig 1A) definierad av kopplingsstudier av drabbade medlemmar i familjen MAR bekräftade denna modell. Ofullständig penetrans, felaktig diagnos eller åldersberoende fenotyp antas stå för åtta kliniskt opåverkade individer som bar sjukdomen haplotyp.

diagnostiska tekniker som används i denna studie kunde ha bidragit till en underskattning av fenotyp. Till exempel är transesofageal ekokardiografi erkänt att vara mer känslig och specifik än transthorakal ekokardiografi vid identifiering av abnormiteter i förmaksseptumet, särskilt hos stora vuxna.15 även om transesofageal ekokardiografi kan ha ökat det diagnostiska utbytet för subtila missbildningar såsom atriell septal aneurysm, är det osannolikt att ha förändrat de viktigaste resultaten av denna studie. Alternativt kan den kliniska statusen hos individer som bär mutationer vid ASD1 förändras. Till exempel,eftersom ASD är en av flera medfödda missbildningar som kan ”spontant” lösa, skulle 816 utvärderingar utförda efter spontan stängning felaktigt tilldela en opåverkad status och därmed bidra till intrycket av minskad genpenetrance. Grunden för minskad penetrans har inte fastställts, men detta fenomen är förknippat med andra medfödda hjärtmissbildningar.1718

genetiska studier i family MAR indikerade vidare att ASD1-genmutationerna stod för flera andra kardiovaskulära missbildningar som finns i familjemedlemmar. Även om secundum ASD var den vanligaste hjärtmissbildningen i familjen MAR och två andra studieslag, patent ductus arteriosus, ventrikulär septaldefekt, förmaks septal aneurysm, vänster överlägsen vena cava, Fallots tetrad, bicuspid aortaklaff, valvulär eller subvalvulär aortastenos och av-ledningsavvikelser observerades också. Dessa familjer är representativa för andra släkter med familjär ASD192021222324 där så många som 40% av individerna hade ytterligare eller andra hjärtanomalier. Identifieringen av en vanlig haplotyp hos familj MAR individer med distinkta medfödda hjärtfel kan indikera att variabel uttrycksförmåga hos en enda genfel kan redogöra för klinisk mångfald av medfödd hjärtsjukdom i en familj. Olika hjärtmissbildningar känns igen i andra monogena humana störningar, inklusive Holt-Oram syndrom25262728 och kromosom 22q11 mikrodeletioner,29 och förekommer också i retinoic X–receptorbristande möss.30 även om variabel uttrycksförmåga inte är en funktion som förutses av klassiska embryologiska modeller för hjärtutveckling, kan ärftliga monogena mutationer tydligt orsaka pleiomorfa kardiovaskulära defekter.

även om ASD inte orsakar någon uppenbar skadlig effekt under fosterutveckling, är konsekvenserna av dessa defekter under postnatalt liv varierande.2 okorrigerad ASD kan leda till symtom på grund av lungcirkulation och överbelastning av höger hjärtvolym. Spontan stängning Under de första åren av livet har dock dokumenterats väl, utan uppenbara långsiktiga följder.816 föreningen av atriell septal aneurysm och secundum ASD har lett till förslaget att aneurysmer är en medfödd missbildning av septum7 som kan spela en roll vid postnatal ASD-stängning.8 genetiska studier i family MAR stöder detta orsak-och-effekt-förhållande genom att en sjukdomshaplotyp identifierad hos individer med secundum ASD hittades också hos två individer (V-1, V-7) med atriell septal aneurysm. Seriella studier av dessa individer kan bidra till att definiera postnatala förändringar i förmaks septum.

embryologiska modeller av secundum ASD har betonat onormal utveckling av septum primum, men lite är känt om den molekylära grunden för atriell septation. Inga uppenbara kandidatgener har kartlagts till ASD1, men det är anmärkningsvärt att stora borttagningar av kromosom 5p orsakar cri-du-chat-syndrom, ett sammanhängande gensyndrom som ibland förknippas med medfödd hjärtsjukdom.31 Definition av ASD1-genen kan också bidra till att belysa den molekylära grunden för hjärtmissbildningar i detta syndrom. Identifiering av denna och andra familjära ASD-gener bör ge nya insikter i de viktiga stegen i hjärtmorfogenes som leder till förmaks septation.

bidraget från familjära ASD-gendefekter till förekomsten av medfödd hjärtsjukdom är fortfarande okänd. Med tanke på det variabla uttrycket och den låga penetrationen av ASD-genmutationerna som beskrivs här kan en individ som bär en av dessa gendefekter presentera som ett isolerat fall. När familjehistoria avslöjar en medfödd hjärtsjukdom hos mer än en individ rekommenderas kliniska och genetiska utvärderingar av alla familjemedlemmar.

fotnoter