最新中国West综合征队列研究中的新发候选基因
2021-08-02

最新中国West综合征队列研究中的新发候选基因

儿童癫痫脑病是一组婴幼儿期或儿童期起病的以多种严重的癫痫症候群为特征的神经系统功能紊乱性疾病。癫痫脑病的特点包括:发作类型多样,脑电图频繁的痫性放电以及精神运动发育迟滞或倒退。癫痫脑病包括许多与年龄相关的、具有特定的发作形式、脑电图、神经系统功能的癫痫综合征,如Ohtahara综合征、早期肌阵挛癫痫脑病(EME)、婴儿恶性游走性部分性发作(EIMFS)、West综合征、Dravet综合征、肌阵挛-失张力癫痫、Lennox-Gastaut syndrome(LGS)综合征等。

癫痫脑病的病因有六大类,分别为遗传性、结构性、感染性、免疫性、代谢性以及未知病因。其中,遗传因素在癫痫的病因学中起重要作用,约占整体病因的30-40%。目前在OMIM数据库中已经收录的早发婴儿型癫痫性脑病(EPILEPTIC ENCEPHALOPATHY, EARLY INFANTILE,EIEE)共有65型。EIEE关联基因主要是与离子通道和神经递质相关的经典基因,比如CDKL5, ARX, KCNQ2, STXBP1, SCN1A, PCDH19等。近年来随着NGS技术的发展,新的EIEE致病基因不断的被发表出来。EIEE是一类遗传异质性极强的疾病,在经典基因之外,其它已知基因占比非常低,普遍认为仍有大量致病基因有待挖掘。国际合作组织Epi4K连续于2013、2014年在Nature、AJHG发表癫痫脑病全外显子测序数据:2013年Nature文章纳入264例癫痫脑病患者,2014年AJHG文章在上一篇的基础上增加至356个核心家系,除了检测到经典的癫痫脑病致病基因突变,在5个患者中还检测到了DNM1de novo变异,鉴定了一个新的致病基因,并提供了大量的候选基因。

中南大学湘雅医院儿科拥有国内领先的小儿癫痫诊疗平台,包括遗传诊断平台,对于已经排除全部已知病因的癫痫脑病患者,进行了详细的临床数据采集,从中挑选出一组不明原因的West综合征患者进行了候选基因的研究。West综合征是癫痫脑病的一种亚型,核心症状包括婴儿期起病、成串或孤立的痉挛发作、发作间期脑电图高度失律、常伴精神运动发育落后或者倒退,满足以上全部条件称为West综合征,不能完全满足的称为婴儿痉挛症。研究人员对56个West综合征核心家系(子父母,trios)进行了全外显子测序,寻找在家系内符合孟德尔遗传的罕见变异,研究包括nonsense, missense, frameshift, in-frame, InDel, splice site, start-loss, stop-loss等影响蛋白编码的变异,并通过Sanger测序进行了验证。

研究人员共发现了89个候选基因,33个基因为常染色体显性遗传,即在患者中检测出该类基因的de novo变异;22个基因为常染色体隐性遗传(1个基因患者为纯和变异,21个基因为复合杂合,父母为携带者);34个X连锁,均为男性(33个变异为携带者母亲遗传,1个为de novo);没有候选基因发现在不同的患者中呈现出不同的遗传方式。89个基因中,X染色体Xp11(10个基因),Xp22(10个基因),Xq13(6个基因)是热点区域。能够重现的基因仅有2个:2个患者中发现CD99L2基因相同的非框移缺失,2个患者为TAF1基因不同杂合突变。在这些基因中,查询OMIM数据库,发现5个智力障碍相关致病基因,GNB1(mentalretardation, autosomal dominant42, OMIM616973), HUWE1(mental retardation, X-linked syndromic, Turner type, OMIM300706), KMT2D(Kabukisyndrome1, OMIM147920), TAF1(mental retardation, X-linked, syndromic33, OMIM300966), GPT2(mental retardation, autosomalrecessive49, OMIM616281),其中前四个基因的变异符合OMIM报道的遗传方式,GPT2不符合OMIM报道的遗传方式(OMIM记录为常隐的智力障碍,本研究患者为de novo,智力障碍相关基因在神经发育起关键作用,可能与癫痫发病相关。

本次研究中发现的部分候选基因可以在功能上连接到已知基因,如下图:


对候选基因与已知基因进行GO分析,可见候选基因与已知致病基因有着高度的功能相关。


对候选基因进行KEGG分析显示,候选基因富集在钙信号通道上。钙信号通路在癫痫脑病及相关疾病中的重要作用早已被公认。细胞膜上的钙离子通道以及下游基因突变可以通过影响神经元钙离子浓度、电生理和下游效应导致癫痫脑病。研究发现了4个内质网上的钙离子通道基因和2个钙信号下游关键基因。内质网是细胞储存钙离子的钙库,离子浓度远远高于细胞浆,内质网上的钙离子通道功能紊乱很有可能导致和细胞膜钙通道功能紊乱相似的功能改变,引发癫痫。同时,钙离子浓度的改变直接影响下游最重要的钙调蛋白的活性,钙调蛋白下游的一些重要的激酶和一氧化氮合酶等参与神经发育调控的基因均可能有导致癫痫的效应,请看下图:


绿色:婴儿痉挛相关致病基因,包括

receptor-operatedchannel(ROC):GRIN2DandGRIN1

CaV2:voltage-gated calcium channel: CACNA1A

PhospholipaseC-beta : PLCB1

蓝色:候选基因,包括

sarco(endo)plasmicreticulum Ca2+ ATPase2 (SERCA2): ATP2A2

theryanodine receptor: RYR1, RYR2,and RYR3

nitricoxide synthase: NOS3

phosphorylasekinase: PHKA1

其它通路相关分子

Calmodulin(CALM) is the most important calcium-binding protein

GPCR: Gprotein-coupled receptor

Gq: guaninenucleotide-binding protein

IP3R:inositol 1,4,5-triphosphate receptor

 

研究人员还通过其合作者提供的胚胎期和小于2岁的人类大脑表达数据,研究了候选基因与致病基因的共表达关系。下图中绿色为已知EIEE致病基因,蓝色为候选致病基因,部分候选基因与致病基因存在关系较强的共表达模式。候选基因与致病基因编码蛋白也存在直接的物理性相互作用。


候选基因与致病基因编码蛋白有直接物理相互作用,如上图绿色为已知EIEE致病基因,蓝色为候选致病基因。


以上可见候选基因与已知EIEE基因有着高度的关联,很可能是新的致病基因,研究人员对全部候选基因进行多方面评估,包括以下几点:

  1. 多名患者中重复发现

  2. 软件预测变异对基因功能影响相对更大(CADD

  3. 人类对该基因缺陷的耐受程度相对更差(RVIS

  4. 基因在神经系统中表达

  5. EIEE致病基因共同表达

  6. EIEE致病基因编码蛋白有物理相互作用

  7. 离子通道相关编码基因

  8. X蛋白调控相关基因

  9. 老鼠模型中发现有癫痫表现(Mouse GenomeInformatics database


最终研究认为ATP2A2,CD99L2,CLCN6,CYFIP1,CYFIP2,GNB1,GPT2,HUWE1,KMT2D,MYO18A,NOS3,RYR1,RYR2,RYR3,TAF1,TECTAUBA1等17个基因在诸多方面有相对较强的证据支持其与West综合征的关联,作为此次研究的highlight West综合征候选基因。与之前研究相比,此次研究纳入的患者已排除全部已知病因,表型均为West综合征,入组质量极高,研究人员不仅关注de novo变异,更发现了很多常隐和X连锁模式的候选基因。作为国内第一个相关研究,湘雅队列I期患者数量还较少,希望湘雅队列II期能够给大家带来更好的数据,敬请期待!

 

PS:难治性的癫痫脑病和很多遗传病一样,虽然目前没有根治的方法,可选的治疗手段有限,效果不好,但是研究人员强调长程管理的概念,强调要在专业医疗团队的指导下,为患儿争取最好的生存质量,在正规的科室就诊,合理用药,定期复诊!


中南大学湘雅医院儿科团队

尹飞  教授

教授,博士生导师,中南大学湘雅医院儿科教研室、儿科研究室主任,儿科学教授、主任医师。湖南省儿科学会主任委员,中华医学会儿科学分会委员,全国小儿神经学组委员,中国小儿脑性瘫痪康复专业委员会理事,湖南省小儿神经康复协会副理事长。从事儿科临床、教学和科研20多年,并一直工作在儿科临床第一线。对儿科领域疾病的诊治积累了丰富的经验,尤其对小儿神经系统和呼吸系统疾病有较深的造诣。先后获省部级课题6项,省级科研成果奖2项。在国内外期刊发表论文50多篇,主编专著2本,参编著作10多本。

彭镜  教授

教授,博士生导师,湘雅医院儿科副主任,湘雅医院小儿神经专科主任,湖南省儿童智力障碍研究中心副主任。中华医学会小儿神经学组委员,湖南省抗癫痫协会侯任会长,湖南省医师协会脑发育与行为学组组长,湖南省医学会儿科专业委员会委员兼秘书,湖南省医学会小儿神经学组副组长兼秘书。长期工作在临床一线,致力于儿童药物难治性癫痫、儿童代谢病及儿童神经遗传病的诊治。主持国家自然科学基金3项,省部级课题4项,以第一作者或通信作者发表文章50篇(SCI收录20篇),主编专著2部、参编8部。获得湖南省科学技术进步一等奖1项、二等奖1项和湖南医学科技一等奖2项。

庞楠  助理研究员

湘雅医院儿科助理研究员


尹飞-彭镜课题组


素材来源:Peng et al.(2018) Novel West syndrome candidate genes in a Chinese cohort. CNS Neurosci Ther.Epub.



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