AJHG：基因组罕见变异机制在先天性心脏左右轴缺陷中的双基因模型研究

先天性心脏左右轴缺陷（laterality defects）是一类罕见的发育异常，表现为器官左右不对称性的紊乱，其遗传机制复杂且多数病例的病因尚未明确。传统遗传学研究发现，仅不到40%的病例可通过临床基因检测明确病因，提示存在未被充分探索的遗传模式。近年来，双基因遗传作为一种潜在机制逐渐受到关注，尤其是在纤毛相关基因中，双基因变异的协同作用可能通过上位效应参与疾病发生。本研究通过分析三个先天性心脏病（CHD）队列的基因组数据，系统探索了双基因变异在左右轴缺陷中的作用，为这类疾病的遗传机制提供了新的见解。

研究团队整合了来自三个队列的基因组数据，包括BCM-GREGOR队列（251例先证者外显子测序）、Gabriella Miller Kids First项目（158例家系全基因组测序）以及儿科心脏基因组学联盟（PCGC，163例家系外显子测序）。这些队列中的病例均经临床诊断为左右轴缺陷，且排除了已知单基因或染色体异常导致的“已解决”病例。研究聚焦于115个已知与左右轴缺陷相关的基因，其中55个为纤毛基因，60个为非纤毛基因。通过严格的变异筛选流程，优先选择罕见（MAF < 0.01%）、功能预测有害（CADD评分≥15）的错义或蛋白质截断变异，并利用Sanger测序验证家系中的共分离模式。此外，研究采用DiGePred工具评估双基因对的致病潜力，该工具基于通路相似性、共表达网络和蛋白质相互作用等特征计算双基因评分。

图1 研究概念框架：通过三个队列分析左右轴缺陷与非左右轴缺陷个体的双基因变异，并与1000G对照组比较

分析结果显示，在左右轴缺陷队列中，双基因变异的检出率显著高于对照组（1000 Genomes Project的602例健康家系）。

图2 不同队列中跨杂合双基因变异的比例

图3 突变基因的生物学功能注释，显示纤毛相关通路的显著富集

具体而言，BCM-GREGOR、Kids First和PCGC队列中分别有2.8%、8.2%和13.5%的个体携带跨杂合双基因变异，而对照组仅为0.3%。统计学分析表明，这种差异具有高度显著性（p值分别为0.001、1.4e-07和8.9e-13）。

图4 纤毛基因与非纤毛基因中双基因变异的比例比较

值得注意的是，在非左右轴缺陷的CHD队列中，双基因变异频率（Kids First 0.4%，PCGC 1.4%）与对照组无显著差异，进一步支持双基因机制在左右轴缺陷中的特异性。纤毛基因在双基因变异中占主导地位，77%的双基因组合涉及纤毛相关基因，且这些基因显著富集于纤毛运动、轴丝组装等生物学过程。

图5 纤毛和非纤毛基因的结构与功能特征，灰色框标注左右轴缺陷中发现的基因对

例如，DNAH5（外动力臂）与DNAH6（内动力臂）的双基因变异在多个队列中重复出现，且与复杂心脏表型（如右心室双出口合并大动脉异位）相关。DiGePred预测显示，39个独特双基因对中有29个（74.3%）达到致病阈值，显著高于背景基因对的预期比例（p = 2.2e-16），其中10对位于同一纤毛结构复合体中（如DNAH11/DNAH11、DRC1/GAS8等），提示功能协同性。

图6 DiGePred预测的双基因对比例，显示左右轴缺陷队列中高评分基因对的显著富集

研究还发现，双基因变异的表型谱具有异质性。例如，异构化（heterotaxy）亚型中双基因变异频率较高（右心房异构化9.2%，左心房异构化11.3%），而单纯大动脉转位（DTGA）患者中比例较低。种族分析显示，尽管队列间种族分布存在差异（如BCM-GREGOR中西班牙裔占比更高），但双基因变异频率无显著种族偏好性。此外，部分双基因组合（如DNAH9/DNAH11）在左右轴缺陷和非左右轴缺陷个体中均有发现，可能反映不完全外显或表型扩展。

这项研究首次通过大规模队列分析证实了双基因遗传是先天性心脏左右轴缺陷的重要机制，尤其强调了纤毛基因的协同作用。双基因模型的引入有望提高临床基因诊断率，并为遗传咨询提供新依据。此外，携带双基因变异的个体可能潜在原发性纤毛运动障碍（PCD）风险，需加强呼吸系统监测。未来研究可进一步探索非编码变异和结构变异在双基因机制中的贡献，并通过功能实验验证特定基因对的相互作用机制。

原始出处
Rai, A., Klonowski, J., Yuan, B., et al. (2025). Genomic rare variant mechanisms for congenital cardiac laterality defect: A digenic model approach. The American Journal of Human Genetics, *112*(7), 1664–1680. https://doi.org/10.1016/j.ajhg.2025.05.014