摘要
背景/目标
先天性膈疝（CDH）是一种严重的发育异常，其病因具有高度异质性。尽管已经发现了许多易感基因，但仅凭遗传因素无法解释全部的疾病风险。流行病学数据强调了环境暴露的贡献。表观遗传调控在遗传易感性和环境影响之间提供了关键的联系。本综述旨在总结最近的多组学证据，阐明表观遗传机制如何介导CDH中的基因-环境相互作用。
方法
本叙述性综述总结了过去十年发表的关于先天性膈疝（CDH）中表观遗传机制的研究，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA以及在人类样本、动物模型和iPSC衍生的类器官中的整合基因组和转录组分析。相关文献是通过定向搜索生物医学文献和筛选关键文章的参考列表来确定的。根据这些研究在表观遗传调控、基因-环境相互作用以及CDH中的转化应用方面的相关性进行选择。
结果
异常的DNA甲基化、组蛋白乙酰化失衡和失调的miRNA都集中在关键的发育路径上，包括视黄酸、TGF-β和NF-κB信号通路。实验证据表明，补充miR-200b或药物恢复组蛋白乙酰化可以在硝基苯诱导的CDH模型中部分挽救肺发育不良。iPSC和类器官系统进一步证明了遗传易感性和机械应力之间的协同效应，支持表观遗传调控作为机制桥梁的作用。
结论
表观遗传机制在CDH发病机制中起着核心中介作用，连接遗传因素和环境因素。未来的研究方向包括大规模的EWAS/WGBS和多组学整合、建立标准化的表观遗传数据库，以及基于伦理的产前表观遗传诊断和针对性干预的发展。
1 引言
先天性膈疝（CDH）是一种严重的先天性畸形，估计发病率约为每2500-3000例活产中有1例（Schreiner等人2021；Zani等人2022）。尽管围产期护理和新生儿重症监护的进步提高了某些受影响婴儿的生存率，但CDH仍然与显著的呼吸系统发病率和长期并发症相关（Chen, Tao等人2024b；Qiao等人2024），给受影响的家庭和医疗系统带来了重大负担。临床上，CDH表现出的明显异质性表明其病因不能仅归因于单一的遗传或环境因素（Qiao等人2021）。虽然之前的研究已经确定了几个易感基因（Buczynska等人2025；Burns和Kardon 2023；Stokes等人2024），但总的来说，已知的基因变异只占总疾病风险的一部分（Benincasa等人2021）。同时，流行病学证据将母亲因素（如营养状况、药物暴露和环境污染物）与CDH风险增加联系起来（Aubert等人2025；Guan等人2022；Sharma等人2020）；然而，这些关联背后的因果机制仍不明确（Maia等人2022）。在这种背景下，表观遗传学为理解基因-环境相互作用提供了一个关键切入点（Holden等人2025；Petit等人2023）。诸如DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA等调控机制可以在不改变DNA序列的情况下影响基因表达（Abdelaziz等人2023；Chen, Wang等人2024a），并可能在胚胎发育的关键窗口期间介导环境暴露的影响（Xie等人2021）。近年来，高通量表观基因组测序技术的进步使得越来越多的研究能够在胎盘组织、脐带血和实验模型中识别出CDH特异性的甲基化改变（Dylong等人2023；Jurkowska 2024；Maghin等人2022；Meng等人2025）。这些发现表明，表观遗传修饰可能作为连接环境风险因素和发育异常的关键桥梁，并为潜在的早期诊断和干预提供新的线索（Nolan等人2024）。然而，现有证据仍存在一些局限性：大多数研究样本量较小（Dai等人2024），研究人群和组织来源异质（Wang等人2022），以及发现的可重复性不足（Kunisaki等人2021）；不同研究之间缺乏标准的质量控制和统计分析流程（Ullrich等人2023）；功能验证也相对较少（Bahado-Singh等人2023）。因此，对现有证据进行批判性综合，并总结共同发现、当前局限性和未来的方法学优先事项对于推进CDH领域的表观遗传学研究具有重要意义。本叙述性综述旨在总结过去十年关于表观遗传学在CDH发病机制和发展中的作用的最新进展，重点关注遗传易感性和环境暴露如何通过表观遗传修饰共同影响疾病风险。我们批判性地评估了当前证据链的优势和局限性，并提出了未来研究的战略框架。
2 方法
本综述是根据结构化的文献搜索进行的叙述性综述，而不是正式的系统综述。通过PubMed/MEDLINE、Web of Science Core Collection和Scopus的搜索，识别了与CDH和表观遗传调控相关的研究，主要关注过去十年发表的文献。为了提供适当的生物学和历史背景，也纳入了一些早期具有里程碑意义的研究，当它们直接与本综述中讨论的关键概念相关时。搜索策略结合了与CDH相关的术语以及与表观遗传调控和多组学方法相关的术语，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质调控、非编码RNA、基因-环境相互作用、类器官和iPSCs。还检查了关键文章和相关综述的参考列表，以确定其他相关研究。如果文章涉及CDH中的表观遗传机制、与CDH生物学直接相关的发育通路，或与CDH中的基因-环境相互作用或转化应用相关的人类、动物或iPSC/类器官证据，则认为这些文章是相关的。我们优先考虑了最近的同行评审原始研究，同时在必要时也包括了选定的综述和方法学论文，以提供领域背景和解释新出现的证据。潜在相关的文章首先通过标题和摘要进行审查，必要时查阅全文以评估其与我们综述范围的相关性。由于现有文献在研究设计、组织来源、模型系统和分析平台方面的异质性，证据是定性地综合的，而不是定量地综合的，重点在于生物学合理性、机制支持、跨模型一致性和主要方法学限制。根据叙述性综述的范围，本节的目的在于提高文献识别和研究选择的透明度，而不是暗示正式的系统综述方法。
3 CDH的遗传框架
CDH作为一种复杂的先天性畸形，其遗传基础得到了广泛研究的支持。在综合征性和孤立性CDH病例中都发现了多种遗传变异（Aubert等人2025）（表1）。这些变异主要影响参与膈肌发育和肺形态生成的关键基因，包括转录因子如GATA4和ZFPM2，以及视黄酸（RA）信号通路中的基因（Guan等人2022）。值得注意的是，GATA6的功能丧失变异已被证明会干扰心肌细胞分化过程中的表观遗传调控，导致流出道心脏缺陷，并伴有膈肌畸形（Sharma等人2020）。此外，对827个病例-父母三联体的de novo编码变异的分析显示，CDH患者中罕见de novo突变的富集程度显著（Qiao等人2021）。这些发现共同构成了CDH的遗传基础。表1. 文献中报道的先天性膈疝（CDH）相关罕见和常见变异。基因/变异
证据水平
相关信号通路
关键表型关联
参考文献
LONP1
de novo和超罕见遗传变异的富集；候选风险基因（基于827例CDH患者的队列）
线粒体功能（涉及肽酶活性）；特定信号通路未明确定义
CDH（常伴有其他异常，如心脏或骨骼缺陷），高死亡率，需要体外膜氧合（ECMO）
Qiao等人（2021）
ALYREF
de novo变异的富集；候选基因（FDR < 0.05）
RNA输出和转录调控；特定通路未定义
CDH（孤立或复杂形式）
Qiao等人（2021）
MYRF
de novo变异；与心脏-泌尿生殖综合征（CUGS）相关
视黄酸（RA）信号通路（通过调节GATA4、WT1、NR2F2等）
复杂CDH（包括心脏和泌尿生殖异常），膈肌和肺发育缺陷
Qi等人（2018）
GATA4
罕见变异（家族性和散发性）；候选基因
转录调控；可能参与心脏和膈肌发育
CDH（左侧或右侧）
Yu等人（2013）
GATA6
de novo突变；通过全外显子测序鉴定
转录调控；胚胎模式形成
CDH（常伴有其他异常）
Yu等人（2014）
ZFPM2
突变和缺失；高渗透率
转录调控（与GATA因子相互作用）
CDH（家族性或孤立性），心血管畸形
Longoni等人（2015）
PLS3
X连锁错义变异（功能获得）；在小鼠模型中得到验证
肌动蛋白聚集和细胞骨架调控
X连锁CDH，体壁缺陷，面畸形，骨密度增加
Petit等人（2023）
NR2F2 (COUP-TFII)
罕见杂合变异（主要是de novo）；在小鼠模型中得到验证
转录调控；胚胎发育（例如，膈肌形成）
Bochdalek型CDH，心脏缺陷，发育迟缓/智力障碍，面部畸形，生殖器
High等人（2016）
SIN3A
功能丧失变异；在小鼠模型中得到验证
组蛋白乙酰化/去乙酰化（表观遗传调控）
复杂CDH，肺发育不良，肺动脉高压，膈肌发育缺陷
Stokes等人（2024）
HLX, LHX1, HNF1B
CNV关联（患者特异性或富集）；阵列CGH研究
转录调控；DNA结合和胚胎发育
CDH（常伴有其他结构异常）
Zhu等人（2018）
WT1
条件性敲除小鼠模型；与视黄酸相关
视黄酸信号通路
Bochdalek型CDH，膈肌发育缺陷
Carmona等人（2016）
常见变异：SNP rs55705711（chr3）
全基因组显著关联（GWAS）；包含在多基因风险模型中
发育基因的调控区域（例如，模式基因）
CDH风险增加（在欧洲和拉丁裔人群中）
Qiao等人（2024）
尽管在识别CDH相关变异方面取得了显著进展，但目前的遗传框架仍然不完整，这突显了需要整合表观遗传和环境维度来解释疾病的异质性。
4 表观遗传机制在发育中的作用
表观遗传修饰构成了细胞内的程序性调控系统，在胚胎发育过程中起着关键作用。这些修饰主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰（如甲基化和乙酰化）以及非编码RNA介导的调控（Chen, Wang等人2024a）。在整个胚胎发生过程中，这些表观遗传机制通过精确控制基因的时空表达模式来协调复杂的形态发生过程。例如，DNA甲基化沉默特定的发育基因以维持细胞命运决定，而组蛋白修饰动态调节染色质的可及性，使关键发育基因在精确的时间和位置被激活（Abdelaziz等人2023）。非编码RNA——如微小RNA和长链非编码RNA——通过转录后调控机制进一步微调发育信号（Xie等人2021）（图1）。图1展示了调节基因表达的核心表观遗传机制。改编自Xie等人（2021）。(a) DNA甲基化：DNA甲基转移酶（DNMTs）催化CpG甲基化，通常与转录抑制（“基因关闭”）相关。DNMT活性的抑制（DNMTi）可以降低甲基化水平，并与转录激活（“基因开启”）相关。(b) 组蛋白修饰：组蛋白乙酰转移酶（HAT）和组蛋白去乙酰化酶（HDAC）通过可逆的组蛋白乙酰化动态调节染色质的可及性，促进（“基因开启”）或抑制（“基因关闭”）转录。(c) 微小RNA调控：初级miRNA（pri-miRNA）由Drosha–DGCR8复合体处理生成前体miRNA（pre-miRNA），然后由Dicer切割形成成熟的miRNA。miRNA通过结合目标mRNA来抑制基因表达，导致翻译抑制和/或mRNA不稳定。中心示意图中的“XX”代表细胞基因组/染色体内容，说明了这些表观遗传层次在发育过程中汇聚于基因调控程序。
4.1 常见研究方法
表观遗传学研究采用了多种高通量技术来全面表征表观基因组。全表观基因组关联研究（EWAS）是识别与疾病相关的表观遗传变异的关键方法，特别是用于研究DNA甲基化与疾病之间的关系（Jurkowska 2024）。全基因组bisulfite测序（WGBS）提供了整个基因组中DNA甲基化的单碱基分辨率图谱，而450 K/EPIC甲基化阵列提供了一种经济高效且高通量的大规模甲基化分析方案（Jurkowska 2024）。染色质免疫沉淀后测序（ChIP-seq）用于绘制特定组蛋白修饰的全基因组分布图谱，而使用测序评估转座酶可及染色质的试验（ATAC-seq）揭示了调控元件的活性（Nolan等人2024）。对于非编码RNA研究，高通量RNA测序能够全面分析微小RNA和长链非编码RNA的表达，以及识别它们的目标基因（Guan等人2022）。这些技术的综合应用为阐明表观遗传调控在发育和疾病中的作用提供了多维度的视角（表2）。表2. 表观遗传技术的比较。技术
主要检测对象
分辨率
成本
批处理效应
样本要求
优势
局限性/缺点
EWAS（基于芯片或测序）
全基因组DNA甲基化关联
位点级别（取决于平台）
中等（芯片较低，测序较高）
需要严格的质量控制
中等至大样本量（数百到数千）
适用于大规模流行病学研究，易于与临床数据整合
分辨率受平台探针限制；需要严格控制混杂因素
WGBS（全基因组亚硫酸氢盐测序）
全基因组DNA甲基化
单碱基分辨率
高
低（但受文库制备影响）
需要大量DNA（通常>1–2微克），成本较高
最高分辨率，覆盖所有CpG位点
成本高，数据量大，分析复杂，不适合非常大的队列
450 K/EPIC Array
DNA甲基化（特定CpG位点）
约450,000/850,000个CpG探针
低，成本效益高
中等（芯片间存在显著差异）
中等至大样本量（100–1000+）
成本可控，适用于大规模流行病学研究
仅覆盖部分基因组，难以发现新区域
ChIP-seq
特定组蛋白修饰/转录因子结合
峰值级别（几百个碱基对）
中等至高
高（许多实验步骤，容易受到批处理效应影响）
需要大量的DNA/细胞（10^6–10^7个细胞）
可以揭示整个基因组中特定修饰/转录因子的结合图谱
依赖于抗体质量，重复性和定量有限
ATAC-seq
染色质可及性
峰值级别（几十到几百个碱基对）
中等
文库容易受条件影响
样本需求低，适用于小样本或甚至单个细胞
分析仅提供开放区域，不直接指示修饰类型
高通量RNA-seq（miRNA/lncRNA/mRNA）
转录产物（miRNA, lncRNA, mRNA）
单转录本级别
中等
中等（文库制备/批处理差异显著）
纳克级RNA
全面覆盖转录组，包括新转录本的鉴定
仅间接反映表观遗传调控，需要与其他技术整合
4.2 分析挑战
表观遗传学研究面临多种方法学挑战。批处理效应是表观遗传数据分析中的主要技术混杂源，尤其是在使用基于芯片的平台时；实验批次之间的技术差异可能会掩盖真实的生物学信号（Jurkowska 2024）。细胞异质性是另一个关键问题，因为组织样本通常由具有不同表观遗传特征的多种细胞类型组成，需要通过去卷积算法或细胞类型特异性建模进行校正（Nolan等人2024）。在统计校正方面，多重假设检验产生的假阳性问题需要严格控制，通常使用假发现率（FDR）等方法来解决（Jurkowska 2024）。此外，表观遗传标记的动态性质和组织特异性为数据解释和整合增加了复杂性（Dai等人2024）。在发育研究中，分析时间序列样本中的表观遗传变化引入了与建模时间依赖性和发育轨迹相关的额外挑战（Wang等人2022）。解决这些方法学问题对于产生稳健且生物学上有意义的表观遗传学发现至关重要。
5 CDH中的表观遗传证据
来自不同样本来源的表观遗传证据表明，表观遗传修饰在CDH的发病机制和表型异质性中起着重要作用，尽管不同研究中的证据强度差异很大。首先，临床样本研究表明，循环中的microRNAs（miRNAs）与CDH患者的肺动脉高压和慢性肺病有关——例如，Herrera-Rivero等人报告的发现。这些人类关联研究表明，miRNAs可能作为潜在的生物标志物。然而，大多数研究基于小样本量，并且缺乏独立队列的验证，因此难以仅凭这些证据得出因果结论（Herrera-Rivero等人2018）。其次，来自干预研究的强有力临床前功能证据表明，miRNAs具有治疗潜力。多项动物实验表明，产前给予miR-200b——无论是直接给予还是通过体内输送系统——可以抑制TGF-β信号通路，并部分恢复尼罗酚引起的肺发育缺陷，表明miRNAs不仅是相关的生物标志物，还具有可操作的治疗潜力（Khoshgoo等人2019）。最近的子宫内输送研究进一步表明，miRNA给药可以同时诱导表观遗传修饰并改善肺表型，从而建立了“表观遗传改变→功能恢复”的因果证据链（Ullrich等人2023）。第三，专注于染色质和组蛋白修饰的机制研究提供了将遗传变异与表观遗传状态以及最终表型结果直接联系起来的证据。以SIN3A为例，CDH患者中的基因测序变异和小鼠中的组织特异性敲除都表明，SIN3A对于维持肺和膈肌发育期间的组蛋白乙酰化稳态至关重要。关键的是，用组蛋白乙酰转移酶（HAT）抑制剂——特别是阿纳卡迪克酸——治疗SIN3A突变小鼠，部分恢复了肺发育并缓解了肺动脉高压，从而建立了从“基因→表观遗传失调→药物救援”的完整证据链（Stokes等人2024）。这些研究为将表观遗传调控作为CDH的治疗策略提供了直接的机制支持。此外，炎症相关通路——特别是NF-κB——在人类CDH肺组织和动物模型以及离体肺组织实验中都已被一致证实被激活（Dylong等人2023）。使用地塞米松或特定的NF-κB抑制剂等药物抑制这一通路已被证明可以恢复肺组织的分支形态发生，表明炎症与表观遗传调控之间的相互作用是一个可处理的、可的药物干预轴（Stokes等人2024）。总体而言，基于miRNA的干预、恢复组蛋白乙酰化平衡和抑制炎症信号是目前由功能证据支持的三种最可靠的转化途径。然而，这些研究路线仍缺乏在大规模人类队列中的验证，这是在将这些发现推向临床应用方面的一个关键缺口（表3）。表3. CDH中的表观遗传证据。证据编号（通路/生物标志物）| 关键研究 | 样本/模型（n）| 关键方法 | 主要发现（重点）| 功能验证/复制 | 限制 | 评估的证据强度 |
1 | 循环/局部microRNAs（临床样本：新生儿血液、气管吸出液、羊水） | Herrera-Rivero等人（2018） | 人类：直接肺静脉/外周血/新生儿样本（小队列，约18例） | miRNA测序/表达谱分析（qPCR验证） | 与CDH相关的特定循环miRNAs，并与肺动脉高压和慢性肺病相关；提示作为预后/表型生物标志物的潜力 | 统计关联+小规模验证（无独立的大规模队列复制） | 样本量小；仅相关性（缺乏因果关系）；受组织异质性影响 | 中等——具有明确的临床相关性，但需要大规模复制 |
2 | miR-200b（动物中的治疗干预/功能验证） | Khoshgoo等人（2019） | 尼罗酚诱导的大鼠/兔子CDH模型（多个体内/体外实验） | miRNA模拟物输送（胎盘内/子宫内），肺组织切片，通路分析 | miR-200b上调抑制TGF-β/SMAD信号通路，改善肺发育，减少CDH发生率或缓解肺发育不良（在体内和体外一致） | 明确的功能恢复（在模型中一致）；可逆的治疗效果 | 仅限于动物模型——需要进一步评估剂量、安全性和输送途径 | 强烈——具有稳健的临床前证据和机制及治疗支持 |
3 | 羊水/气管吸出液中的细胞外囊泡（EV）相关miRNAs（产前生物标志物） | Fabietti等人（2021） | 人类：接受FETO的严重CDH胎儿（样本量有限） | 纳米颗粒追踪分析（NTA），OpenArray miRNA筛选，qPCR验证 | 较高的EV计数和特定的EV封装miRNAs（如miR-223-3p, miR-503-5p）与不良结果相关；提示EV-miRNAs作为严重程度/预后标志物 | 技术验证+与临床结果相关（单一队列） | 样本罕见；仅限于FETO病例；生物学起源和机制尚未完全阐明 | 中等——直接的人类证据具有生物学合理性，但需要多中心验证 |
4 | 组蛋白乙酰化/染色质调控（SIN3A→HAT平衡）：基因–表观遗传相互作用 | Stokes等人（2024） | 条件性Sin3a敲除小鼠+药物干预（阿纳卡迪克酸） | 转基因模型，组织学，分子标记，HAT抑制剂救援 | Sin3a缺失干扰肺/膈肌发育和组蛋白乙酰化稳态；HAT抑制部分恢复肺形态和肺动脉高压 | 明确的基因→表观遗传→表型→药物救援链（体内） | 小鼠模型——需要确认其与人类的相关性；长期/跨代效应未评估 | 强烈——具有可药物成功的完整机制链 |
5 | 炎症相关转录因子NF-κB的过度激活（表观遗传–炎症相互作用） | Dylong等人（2023） | 尼罗酚大鼠模型+人类胎儿肺组织切片 | 免疫组化，磷酸化NF-κB检测，肺组织切片分支测定，药物干预（地塞米松/姜黄酚） | NF-κB在CDH肺上皮中过度激活；NF-κB抑制恢复分支形态发生和分子标记 | 在人类组织和动物模型中结果一致；药理可逆性（体外/体内） | 炎症网络的复杂性；直接表观遗传标记（甲基化/组蛋白）与NF-κB未完全映射 | 中等到强烈——表观遗传–炎症轴的功能证据 |
6 | iPSC衍生的肺类器官（LO）：基因–机械–表观遗传相互作用 | Kunisaki等人（2021） | 来自Bochdalek CDH患者/胎儿的人类iPSCs→LO（多个克隆，约10个实验） | iPSC分化，LO建模，机械压缩，转录组分析 | CDH衍生的LOs显示NKX2.1+前体细胞、AT2和PDGFRα+细胞减少；机械应力改变基因表达——支持“内在易感性+外在机械损伤”模型 | 人类衍生的模型+体外机械模拟；用于基因–表观遗传研究的平台 | 主要是转录组学；直接表观基因组数据有限 | 中等——高保真度的人类模型支持转录/表观遗传失调；需要更深入的表观基因组分析 |
7 | CDH中的遗传变异涉及表观遗传调节因子（如EP300, SIN3A） | Scott等人（2022） | 大型三联队列/荟萃分析 | WES/WGS，基因富集，功能注释 | 新生/罕见变异在染色质/表观遗传调节因子中富集；像LONP1, ALYREF这样的基因被涉及；表观遗传因素在CDH基因集中反复出现 | 遗传证据表明参与；大多数变异缺乏功能验证 | 遗传发现与直接表观遗传读数之间存在差距；需要多组学整合 | 中等——强烈的遗传信号指向表观遗传机制，但机制桥梁不完整 |
8 | （空白）专门针对CDH的大规模人类EWAS/WGBS | —（迄今为止尚未发表主要研究） | — | — | 尚无针对CDH的稳健、可重复的大规模EWAS或WGBS研究；仅存在间接或小规模的甲基化研究 | — | 关键的证据缺口——迫切需要大规模、标准化的多中心EWAS/WGBS |
6 表观遗传学作为基因–环境相互作用的中介
6.1 流行病学证据
流行病学研究一致发现，多种母体暴露与CDH风险增加有关。其中，母体维生素A缺乏及其活性代谢物RA的失调与CDH的关联最强且生物学上最合理（Beurskens等人2013；Michikawa等人2019）。动物模型表明，RA信号通路的中断会导致膈肌发育缺陷，强调了该通路在胚胎发生中的关键作用（Burns和Kardon 2023；Clugston等人2010；Montedonico等人2006）。烟草暴露——无论是在受精前还是怀孕的任何阶段——也与CDH风险增加密切相关，报告的比值比（OR）在1.5到2.0之间，并且有剂量-反应关系的证据（Yang等人2022）。虽然直接将烟草诱导的表观遗传改变与CDH联系起来的证据仍在出现中，但怀孕期间母亲吸烟已被反复证实会导致后代的持久表观遗传变化（例如，DNA甲基化的差异），为发育毒性提供了合理的机制框架（Rogers 2019）。此外，母亲哮喘（MA）在呼吸系统疾病研究中已被证明通过表观遗传机制改变胎儿的发育程序，如免疫和肺发育基因中的DNA甲基化变化（Magnaye等人2022）。鉴于肺和膈肌形成之间的共同发育通路，类似的表观遗传介导机制可能有助于CDH的发病机制。值得注意的是，环境污染物——包括氮氧化物——在实验模型中被证明可以诱导类似CDH的表型（Aubert等人2025）。临床上，母亲代谢状况如肥胖也与CDH越来越相关，新的证据表明这种联系可能是通过胎儿代谢和发育基因的表观遗传重编程介导的（Buczynska等人2025）。这些流行病学发现支持了一个模型，即环境暴露通过表观遗传修饰与遗传易感性相互作用，从而影响CDH的风险。
6.2 表观遗传证据如何将环境暴露与基因联系起来
表观遗传机制提供了一个可测试的中介模型：母体或产前的环境暴露（营养缺乏、吸烟、污染或机械压迫）→胚胎或胎盘中的表观遗传标记改变（DNA甲基化、组蛋白修饰、ncRNA表达）→关键发育基因的时空表达异常→最终导致膈肌和肺的解剖和功能异常。多组学和模型系统研究部分支持了这一级联反应：一方面，来自人类的液体生物标志物（EVs、羊水或羊水膜液中的miRNAs）反映了胎儿的压力状态，并与临床结果相关（Fabietti等人2021）；另一方面，iPSC衍生的肺类器官（LOs）显示遗传易感性和机械压缩协同影响细胞谱系的决定，表明环境压力可以在转录和翻译水平上放大遗传倾向（Kunisaki等人2021）。具体的机制研究表明，母体维生素A缺乏通过降低其 promoter区域中的DNA甲基化水平，导致关键膈肌发育基因GATA4和ZFPM2的表达异常（Sharma等人2020）。在吸烟暴露模型中，全基因组甲基化分析揭示了CDH胎儿肺组织中TGF-β通路相关基因（如miR-200b）的甲基化模式改变，从而损害了肺泡分支形态发生（Zhu等人2025）。机械应力研究进一步表明，CDH胎儿衍生的LOs中NKX2.1前体细胞的生成受损与异常的组蛋白修饰有关，这干扰了PDGFRα+肌成纤维细胞的分化（Kunisaki等人2021）。值得注意的是，在CDH患者的膈肌组织中发现了PRC2介导的H3K27me3和H3K9me3的异常共定位，这表明这种独特的染色质状态可能解释了某些携带致病基因变异的个体中观察到的不完全外显率（Giuffrida等人，2023年）。在因果推断中，仅凭观察性全基因组关联研究（EWAS）是不够的，必须将遗传工具——如甲基化数量性状位点（meQTLs）或GWAS衍生的工具变量——与中介分析或孟德尔随机化相结合，以减少混杂因素和反向因果关系的影响。同时，功能验证——例如使用dCas9-TET/DNMT系统进行的位点特异性表观基因组编辑，或在iPSCs、类器官和动物模型中的跨物种验证——是将关联信号提升为可操作治疗目标的关键步骤。事实上，已经有几项针对miRNA和组蛋白修饰因子的功能干预研究展示了从关联到因果关系和治疗效果验证的可行路径（Stokes等人，2024年；Ullrich等人，2023年）。
7 功能验证和研究模型
7.1 动物模型
动物模型在CDH研究中扮演着关键角色，特别是维生素A（RA）缺乏模型和药理学暴露模型。证据表明，母亲缺乏维生素A及其衍生物胚胎RA与CDH的发病机制密切相关（Petit等人，2023年）。在小鼠模型中，特异性敲除表观遗传调控基因会导致CDH的特征，包括膈肌缺陷、肺发育不良和肺动脉高压（Stokes等人，2024年）。此外，RA信号传导的紊乱会深刻改变对膈肌发育至关重要的基因的表达（Khalaj等人，2022年）。硝基酚诱导的大鼠模型也被广泛用于研究CDH的机制，揭示了肺形态发生过程中特定的细胞表型和信号传导通路缺陷（Aubert等人，2025年；Dedeloudi等人，2025年）。这些动物模型不仅再现了人类CDH的病理特征，还为探索基因-环境相互作用提供了重要平台。
7.2 iPSCs和类器官
诱导多能干细胞（iPSCs）和类器官技术为研究CDH提供了新的机会。使用来自Bochdalek型CDH胎儿和婴儿的LOs的研究表明，这些模型可以再现与疾病相关的细胞缺陷，包括NKX2.1+前体细胞、II型肺泡上皮细胞和PDGFRα+肌成纤维细胞的生成受损（Kunisaki等人，2021年）。这些类器官模型还可以模拟与疾病相关的机械应力，为研究环境因素如何影响基因表达提供了独特平台（Kunisaki等人，2021年）。单细胞RNA测序已应用于大鼠模型中的胎儿CDH肺组织，揭示了不同肺细胞区室对治疗的差异反应（Antounians等人，2024年）。这些创新模型在弥合基因发现和功能验证之间的关键差距方面具有潜力。尽管取得了显著进展，但CDH研究领域在功能验证方面仍面临重大挑战。目前缺乏一个从基因组发现到功能确认的标准流程（De Bie等人，2022年）。大多数报告的CDH相关基因变异尚未经过彻底的机制研究（Aubert等人，2025年；Qiao等人，2024年）。建立多层次的验证框架——整合iPSCs、类器官和动物模型——对于阐明CDH的发病机制至关重要（Stokes等人，2024年）。此外，不同实验室之间的动物模型和实验方案不一致性阻碍了发现的直接比较（Aubert等人，2025年；Dedeloudi等人，2025年）。未来的工作必须集中在开发标准化的功能验证工作流程上，包括统一的表型评估标准、可重复的实验条件以及跨模型验证策略，以加速对CDH的机制理解和治疗开发。
8 挑战和方法学考虑
8.1 样本稀缺和统计功效有限
CDH是一种相对罕见但临床严重的先天畸形，在表观遗传学研究中面临重大挑战，因为难以获得足够的人类样本。当前的研究主要依赖于手术修复期间获得的胎儿组织或动物模型的样本（Aubert等人，2025年；Kunisaki等人，2021年），这些样本的数量有限，且常常表现出明显的批次效应。例如，在一项涉及827个病例-父母三联体的大型外显子组测序研究中，只有少数疾病相关基因达到了统计学上的显著关联（Dylong等人，2023年），这突显了统计功效有限的问题。此外，CDH患者经常伴有其他结构异常或神经行为特征（Antounians等人，2024年），这种临床异质性进一步增加了研究设计的复杂性。迄今为止，大多数CDH病例仍缺乏明确的遗传诊断（Dedeloudi等人，2025年），这强调了需要大规模、多中心合作以提高统计功效和加速发现的必要性。
8.2 多组学整合和跨队列标准化需求
研究CDH中的表观遗传机制需要整合基因组、表观基因组和转录组数据。现有研究已经确定了H3K27ac这种组蛋白修饰标记在肺发育过程中的性别特异性调控模式（Chater-Diehl等人，2021年），并证明了microRNA-200b通过TGF-β通路调节肺分支形态发生的关键作用（Sugar等人，2021年）。然而，多组学整合面临重大挑战，因为分析方法不一致：一项评估12种整合方法的基准研究显示，不同算法在可视化质量和定量性能指标上存在显著差异（Suraweera等人，2025年）。在CDH特异性研究中，硝基酚大鼠模型和手术绵羊模型显示出肺泡上皮发育信号通路的异质性改变（Aubert等人，2025年），但缺乏统一框架来标准化跨模型数据的解释。尽管新兴的单细胞多组学技术具有解决细胞异质性的潜力（Cardenas等人，2023年），但将其应用于CDH——尤其是在样本数量有限的情况下——仍然存在技术挑战。需要国际联盟来建立标准化的实验方案和数据标准，特别是对于胎盘和脐带血等替代生物样本的表观遗传分析（Chen等人，2023年）。
8.3 伦理挑战：产前检测和干预
产前诊断技术的进步现在能够在胎儿期检测到CDH（Didier等人，2021年；Shinar等人，2024年），这引发了不同的伦理考量。一方面，基于表观遗传生物标志物的风险预测可能会引发关于终止妊娠的伦理辩论（Khalaj等人，2022年）；另一方面，如胎儿内窥镜气管阻塞（FETO）等干预措施需要谨慎权衡操作风险与潜在益处，正如北美多中心试验中的疗效评估所显示的（Bergh等人，2024年）。潜在的基于表观遗传学的干预措施——如维生素A补充——涉及复杂的风险-收益评估，因为动物模型表明失调的RA信号传导会直接影响膈肌发育（Sharma等人，2020年）。一个国际指导小组建议制定包括患者代表在内的核心结果集（Vergote等人，2023年）；然而，将表观遗传发现转化为伦理上合理的临床实践仍然需要跨学科的讨论。此外，关于人类发育期间表观遗传修饰剂的安全数据的缺乏对产前干预策略构成了重大挑战（Loukogeorgakis等人，2025年）。
9 转化和临床前景
从转化角度来看，表观遗传生物标志物和表观遗传靶向干预措施都充满希望，但也面临重大挑战。基于母体无细胞DNA（cfDNA）或细胞外囊泡（EV）衍生的miRNAs的产前无创检测在疾病分层和预测严重后果方面具有理论潜力；然而，现有的人类研究主要是单中心进行的，且样本量不足，未能达到临床验证所需的标准（Stokes等人，2024年）。同时，临床前数据——如miR-200b的治疗性递送或通过Sin3a/HAT抑制的救援——为开发产前或围产期小分子或核酸基干预措施提供了概念验证。在进入临床试验之前，需要在大型动物模型中进行全面的安全评估、长期随访研究和生殖毒理学评价（Khoshgoo等人，2019年）。从伦理和监管角度来看，产前表观遗传干预引发了关于胎儿和母亲之间风险-收益平衡、跨代表观遗传继承的可能性以及解释产前决策中预测信息的复杂性的担忧。因此，任何推进到临床应用的策略都必须在严格的伦理框架下实施，并伴随长期随访计划。短期可行的路径包括：（1）使用iPSC/类器官系统和大型动物模型定义治疗窗口并评估安全性；（2）同时建立多中心产前-产后队列以验证液体生物标志物的预测性能；（3）最终追求分阶段的临床开发路径——从初步的安全研究到早期疗效试验和长期结果监测——以实现成功的转化（Fabietti等人，2021年；Kunisaki等人，2021年）。
10 未来方向
当前关于CDH的研究由于样本量有限和统计功效不足而面临重大挑战。为解决这一问题，未来需要大规模、多中心的EWAS来整合来自不同地理区域的临床资源。先前的研究表明，对827个病例-父母三联体的全外显子组测序显著提高了基因变异的检测率（Qiao等人，2021年）。此外，将转录组和代谢组数据整合到多组学分析框架中至关重要。例如，最近对CDH肺组织的蛋白质组学分析发现了NF-κB信号通路的失调（Dylong等人，2023年），说明多组学方法可以阐明CDH的分子机制。此外，建立跨种族队列也非常重要，因为在中国等地区的CDH流行病学数据仍然稀缺（Chen, Tao等人，2024b）。国际多中心合作将在识别人群特定风险因素方面发挥重要作用。功能验证仍然是CDH研究中的关键瓶颈（Kunisaki等人，2021年）。因此，建议建立一个标准化的多层次验证框架。首先，应使用患者衍生的iPSCs来模拟疾病表型；现有研究表明CDH类器官可以再现异常的肺发育（Kunisaki等人，2021年）。其次，这些类器官平台可以用于筛选潜在的治疗靶点——例如，针对TGF-β通路的小分子干预（Ullrich等人，2023年）。最后，候选机制和干预措施应在动物模型中进行验证，包括维生素A缺乏模型（Burns和Kardon，2023年）和转基因小鼠（Stokes等人，2024年）。值得注意的是，最近使用组织特异性敲除小鼠的研究成功再现了CDH的三个特征：膈肌畸形、肺发育不良和肺动脉高压（Stokes等人，2024年）。这些基因-环境相互作用模型为机制研究提供了强大的新工具。推进CDH研究需要全球数据共享（Vergote等人，2023年）。我们建议建立国际CDH登记处，系统收集标准化的临床数据和生物样本。一项涉及49家美国儿科医院的多中心研究已经强调了种族差异对CDH结果的影响（Sferra等人，2023年），这种协作模型应扩展到基础研究。此外，必须开发一个标准化的核心结果集（Vergote等人，2023年），以便在不同研究之间进行有意义的比较。在数据共享方面，应特别关注低收入和中等收入地区——尤其是中国（Chen, Tao等人，2024b）和拉丁美洲（Maia等人，2022年）的流行病学数据，因为在这些地区CDH可能表现出不同的特征。此外，我们建议创建一个开放访问的表观遗传数据库，存档来自EWAS、WGBS及相关检测的数据（Petit等人，2023年；Sharma等人，2020年），从而加速CDH中基因-环境相互作用机制的发现。
11 结论
CDH的病因学表现出遗传易感性和环境影响因素之间的复杂相互作用。表观遗传学通过调节基因表达，为理解这种基因-环境相互作用提供了关键的联系。越来越多的证据表明，DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA在CDH的发病机制中起着核心作用，与已建立的遗传途径（如RA、TGF-β和NF-κB信号传导）相互作用，形成了一个多层次的调控网络。实验模型，包括动物研究和类器官系统，现在能够验证一个可测试的因果链：“基因突变→表观遗传失调→发育缺陷→药理救援”，标志着从观察性关联向机制干预的重大转变。然而，该领域仍面临重大挑战，包括人类样本的稀缺、缺乏标准的数据收集协议以及对伦理和安全考虑的不足评估——特别是关于产前应用。为解决这些差距，未来的研究应优先考虑以下方向：
- 使用胎盘和脐带血等可获取的产前组织进行的大规模EWAS和WGBS。
- 整合多组学数据，并结合跨模型的功能验证（例如，iPSC衍生的类器官、转基因动物）。
- 建立国际性的、开放访问的表观遗传数据库和标准化研究框架，以促进数据协调和复现性。
- 在严格的监督下，伦理指导下探索产前表观遗传干预的安全性和可行性。
通过这些协调努力，该领域有望将表观遗传学见解转化为精确的风险预测和个性化的CDH治疗策略，从而推进表观遗传学在发育障碍研究中的临床应用。
作者贡献
Yunshan Gao：概念化、撰写——原始稿件、撰写——审查和编辑。
Xian Zhu：文献搜索和筛选、撰写——审查和编辑。
Rutao Dai：文献搜索和筛选、撰写——审查和编辑。
Xichen Zhang：证据合成、撰写——审查和编辑。
Yongyu Ma：证据合成、撰写——审查和编辑。
Ya Dao：可视化和表格/图表制作、撰写——审查和编辑。
Junru Chen：撰写——审查和编辑。
Shiwu Yang：监督、撰写——审查和编辑。
Jun Wu：监督、项目管理、撰写——审查和编辑。
这项工作得到了昆明健康科学技术人才培养计划——医疗技术中心建设项目（项目编号：2023-SW(Tech)-00）的支持。
利益冲突
作者声明没有利益冲突。数据可用性声明
由于在本研究中未生成或分析任何数据集，因此本文不适用数据共享规定。
