感觉性周围神经病

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动态突变疾病的30年我们已知的和仍待解决 [复制链接]

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白驳风 http://www.qfl168.com/
动态突变疾病的30年:我们已知的和仍待解决的(上)最近发现的动态突变疾病概述尽管存在技术和计算上的困难,在过去的几年中仍旧出现了第二个动态突变疾病的发现浪潮。在-年间没有新的动态突变被发现,但自年以来发现了20多个动态突变疾病的遗传基础,其中17个是在过去的3年中被发现的。几乎所有的研究中都花了数年才鉴定出致病的动态突变,而且只在大家系中才能通过连锁分析将候选区间缩小到只包含一个或很少基因的区域。这提示还有更多的罕见动态突变疾病有待被发现。在以下章节中作者综合描述了年以来新发现的动态突变疾病和研究进展。显性遗传动态突变脊髓小脑共济失调37型(SCA37)SCAs是一组临床和遗传异质性的常染色体显性遗传病,其特征是小脑神经元进行性丢失导致步态失衡。SCA37首先在一个西班牙大家系中被定位到1p32,之后通过3个葡萄牙家系进一步证实并将区间缩小到2.8Mb。在这个区间对动态突变进行系统性研究,发现了一个DAB1基因内含子区的ATTTT重复,中间插入了一些ATTTC。致病的动态突变都含有ATTTC插入,大小在31-75个拷贝,侧翼是可变的ATTTT重复延伸。健康个体中可以观察到较大的纯粹ATTTT重复(可多达个拷贝)。此外,在血液中检测到的ATTTC拷贝数和发病年龄呈负相关。DAB1编码reelin信号通路的下游效应器,参与发育大脑的神经元正确定位,在小脑中表达最高。一项对SCA37扩增的动态突变携带者死后脑组织的研究显示,扩增增加了DAB1的表达并触发了可变剪接,导致两个通常不出现于正常脑组织的外显子表达增高。在体外实验中,ATTTC重复过表达导致RNAfoci形成(重复扩增的RNA留存在细胞核内,并形成异常的二级结构,隔离各种RNA结合蛋白,产生细胞毒性)。发育中的斑马鱼体内实验证明了注射ATTTC重复与畸形和致死率相关,提示含有AUUUC重复的RNA具有毒性效果。家族性成年肌阵挛癫痫(Familialadultmyoclonicepilepsy,FAME)FAME是一种常染色体显性遗传病,特征是肌阵挛(皮质肌阵挛震颤)和癫痫。这种家族性疾病最初在日本被描述为良性成年家族性肌阵挛癫痫(benignadultfamilialmyoclonicepilepsy,BAFME),还被独立称为常染色体显性遗传性皮质肌阵挛和癫痫(autosomal-dominantcorticalmyoclonusandepilepsy,ADCME)和家族性皮质肌阵挛震颤伴癫痫(familialcorticalmyoclonictremorwithepilepsy,FCMTE)。肌阵挛震颤通常是出现的第一个症状,在不同年龄出现,从10岁到60岁不等,平均30岁。至少有一半的受累者发生癫痫,主要是全身强直阵挛发作,伴随震颤或晚年出现震颤。肌阵挛和癫痫发作因光刺激、酒精、睡眠剥夺或情绪紧张而加重。震颤往往会在老年恶化,并伴随步态不稳和行走困难。在年到年位于chr2,3,5和8的4个基因座被找出,但是20年来对候选区域进行拓展测序仍旧没有找到FAME的致病基因。在年,chr8的候选区域被缩减至1个基因,从而确定SAMD12基因内含子中的动态突变是BAFME(FAME1)的病因。和SCA37动态突变相似,SAMD12的动态突变也是由ATTTT和ATTTC组成。在一个没有SAMD12动态突变的家系和一个没有SAMD12动态突变的散发病例中,TNRC6A和RAPGEF2基因发现了同样的动态突变。这个发现迅速解锁了其它FAME位点。在chr2的STARD7,chr3的YEATS2和chr5的MARCHF6也发现了相似的ATTTT/ATTTC动态突变。在这6个基因中,FAME动态突变出现于一个多态的STR位点,初始由ATTTT重复构成,通常在重复的3’端含有ATTTC插入。如同先前在SCA37中观察到的那样,SAMD12动态突变在健康人群中由纯粹的ATTTT重复构成,从而确认了插入的ATTTC重复同样是FAME动态突变的致病成分。SAMD12动态突变的平均大小在2.2-18.4kb(-个拷贝),而MARCHF6动态突变的平均大小在3.3-14kb(-拷贝)。然而,通过分子梳对MARCHF6基因座进行测序和染色发现,在血细胞中动态突变在长度和结构上都有重要的体细胞嵌合现象。有趣的是,在有非常多拷贝(10kb)个体中超过20%的细胞可以观察到动态突变的微重排,提示扩增容易导致染色体断裂,并可能形成脆性位点。动态突变的平均大小与癫痫发作年龄成反比,这种效应主要是由ATTTC重复序列的拷贝数驱动的。但是也存在并非ATTTC重复的致病模体,在一个中国的FAME大家系中,致病的SAMD12动态突变中的重复序列不是ATTTC而是ATTTG。SAMD12动态突变主要在日本,中国,印度和斯里兰卡被报道,而STARD7和MARCHF6的动态突变似乎只局限于欧洲血统的家庭。这种地理分布分别源于亚洲和欧洲的奠基者效应,可能有助于选择开始基因检测的优先级。和SCA37动态突变改变了在小脑发育和功能中起作用的DAB1基因的表达和剪接相反,包含FAME动态突变的6个基因有着完全不同的功能和表达谱。MARCHF6编码一种广泛存在的E3泛素连接酶,介导内质网中错误折叠或受损蛋白质的降解。RAPGEF2编码一种神经元特异性GTPase,激活RAS信号通路以响应细胞膜受体(如多巴胺能受体)的激活。STARD7编码一种广泛存在的参与脂质运输和代谢的蛋白质。TNRC6A编码细胞质核糖核蛋白复合物的一个亚单位,调节mRNA沉默、稳定性和翻译,在小脑高度表达。YEATS2编码含ADA2A的组蛋白乙酰转移酶复合物的的亚单位。SAMD12的功能未知。这强烈提示ATTTC动态突变的致病性独立于包含它的基因及其功能,并且这个基因只是重复表达的模框。日本的动态突变携带者的死后脑组织中发现了充斥AUUUU/AUUUC的读长和SAMD12动态突变后的转录失败产物相关的RNAfoci,提示含有AUUUC重复序列的RNA可以形成螯合特定RNA结合蛋白的聚集体。另一方面,尽管MARCHF6和STARD7普遍表达,在MARCHF6或STARD7动态突变个体的淋巴母细胞和成纤维细胞中并未检测到充斥AUUUU或AUUUC重复序列的读长,并且在这些组织中MARCHF6和STARD7的表达和剪接未发生改变,这些发现可能表明,在SAMD12动态突变携带者中观察到的AUUUC重复序列的异常转录和积累可能仅限于神经组织,或者在其他FAME亚型中不存在,并且需要进一步的研究来确定动态突变是否以神经元特异性的方式产生RNA毒性。神经元核内包涵体病(Neuronalintranuclearinclusiondisease,NIID)NIID,也被称为神经元核内透明质包涵体病或核内包涵体病,是年首次描述的常染色体显性遗传、缓慢进展的神经退行性疾病。正如它的名字所示,这种疾病的诊断最初是基于尸检的神经病理学研究发现了神经元内嗜酸性核内包涵体,其它细胞中也会出现,如胶质细胞、成纤维细胞和肌细胞。NIID可出现多种临床表现,包括锥体系和锥体外系症状、小脑共济失调、认知功能下降、周围神经病和自主神经功能障碍。此外,发病年龄也极为多变,从婴儿期到成年晚期均可发病,大多数受累患者在30岁后出现症状。脑MRI表现为特征性白质异常,包括小脑中段T2加权高信号和弥散加权成像中皮质-垂体-垂体交界处的高信号。皮肤活检结合脑成像有助于建立尸检前诊断。在NIID中观察到的白质异常可以使人联想起脆性X相关的震颤共济失调综合征中偶然观察到的异常,这种综合征由FMR1基因的CGG动态突变(50-拷贝)导致。结合神经元内包涵体的存在,提示这是一种动态突变疾病。TRhist(基于短读长测序)和SMRT(基于长读长测序)结合分析在NOTCH2NLC基因的5`UTR和1号外显子区发现了CGG动态突变。在两个平行研究中,基因组范围的连锁分析首先定位了chr1上1p22.1–q21.3和1p13.3–23.1的重叠区间,长读长测序发现了同样的位于NOTCH2NLC基因的动态突变。在其它神经系统疾病中筛选这个动态突变,将相关表型扩展到家族遗传性震颤,额颞叶痴呆,Azheimer样痴呆和多系统萎缩。许多携带NOTCH2NLC基因动态突变的家庭来自日本和中国,提示在这些人群中存在奠基者效应。但是这个动态突变在散发病例中也可能是新发的,可能出现于其它地理来源的个体,尽管在欧洲的频率似乎低于亚洲。NOTCH2NLC是5个5`区域DNA高度同源(99%)的基因中的一个(NOTCH2,NOTCH2NLA,NOTCH2NLB,NOTCH2NLC和NOTCH2NLR)。NOTCH2NL的各个拷贝在chr1着丝粒的两侧以串联重复的形式分布,并且是人类特有的。它们产生于NOTCH2最近的进化复制,NOTCH2可能通过增加神经元产生和皮质大小对人类大脑进化做出了重大贡献。NOTCH2NL的几个基因只能通过hg38参考基因组被正确注释,这些复数且几乎完全相同的拷贝使得NIID的分子诊断复杂化,况且这些动态突变的高GC含量本身对检测就是一个挑战。病理性CGG拷贝的数量估计为61-,而在对照组中为6-60,并且CGG重复可以被AGG打断。与NIID相关的CGG扩增并不总是与DNA超甲基化相关,它们不会改变NOTCH2NLC的表达,但在受累个体中特异性地产生反义转录物。这表明其病理生理机制可能类似于脆性X相关的震颤共济失调综合征,在RNA水平获得毒性功能,最终出现重复相关的非AUG翻译(RepeatAssociatedNon-AUGtranslation,RAN)。眼咽肌型肌营养不良和眼咽远端型肌病(Oculopharyngealandoculopharyngodistalmyopathies)在一个家系中出现了4名患者表现出眼咽肌型肌营养不良,四肢无力,共济失调,上睑下垂和与NIID相似的白质异常。Ishiura等使用TRhist发现了一个长非编码RNA基因LOC上的CGG重复,它在chr10q22.3上与反义转录本NUTM2B-AS1重叠。这个动态突变与症状在家系内共分离,且高度不稳定,但是尚需要更多与这个动态突变相关的相似表型家系来确认这个动态突变的致病性。同样的策略也发现了一个眼咽远端型肌病1型家系的LRP12基因5`UTR区的CGG重复。眼咽远端型肌病是一种成人发病的神经肌肉疾病,其特征是进行性的腿和手臂无力,并伴有外眼睑麻痹、吞咽困难和上睑下垂。LRP12基因的CGG重复又在眼咽远端型肌病或更轻症状(包括上睑下垂和眼外肌、咽部肌肉无力)的8个家系和13个散发病例中发现。在另一个研究中,Deng等采用结合全基因组测序和长读长测序的方法在4个中国的眼咽远端型肌病2型家系和3个散发病例中发现了GIPC基因5`UTR区的CGG重复。在另外15个来自中国或日本的眼咽远端型肌病2型家系和散发病例中也通过repeat-primedPCR检测到了这个动态突变。动态突变增加了GIPC1的mRNA表达而不改变蛋白质水平。就像FAME的ATTTC重复一样,CGG重复似乎也导致眼咽远端型肌病而不受出现在哪些基因的影响。隐性遗传动态突变伴神经病变和前庭反射消失的小脑性共济失调综合征(Cerebellarataxia,neuropathy,andvestibularareflexiasyndrome,CANVAS)CANVAS是一种以小脑共济失调、感觉神经病变、双侧前庭病变和自主神经功能障碍为特征的成人起病、缓慢进展的进行性疾病,于年首次被描述,但在年被确认为一种特殊疾病。其发病年龄在39至71岁之间,通常出现在60岁左右。此外,CANVAS可能是一种相对常见的疾病,尽管其确切患病率仍有待确定。对受累同胞兄弟姐妹和其他家系的描述表明它是一种隐性遗传病。CANVAS的动态突变是在多个小家系中进行全基因组连锁分析找到的,在chr4p14发现了一个单一的基因座。在这个候选区间发现了RFC1基因2号内含子双等位基因AAGGG重复,在参考基因组中是11个AAAAG重复。对照组中这个位点动态突变的模体和拷贝数都有显著的变异性。未扩增AAAAG重复对应于祖先和最常见的等位基因,但是在健康个体中不致病的AAAAG重复扩增很常见。这个位点出现的其它模体还有AAAGG,AAGAG和AGAGG。这些模体与人类病理学的关联尚不清楚,但在受累个体中观察到双等位基因ACAGG动态突变提示AAGGG之外的模体也可能致病。AAGGG动态突变在欧洲人群中频率更高,与奠基者效应相关,在其他人群中也有出现。携带RFC1动态突变的患者近%存在感觉神经病,干性痉挛性咳嗽往往是第一表现,早在行走困难之前出现。RFC1双等位基因动态突变的患者出现多系统衰竭则更罕见。值得注意的是,尽管AAGGG动态突变是隐性遗传的,提示存在某种功能丧失,在外周组织或死后脑组织(包括皮层和小脑)中均未观察到RCF1基因表达或可变剪切受到影响。此外,在这些组织中也均未检测到与RFC1前mRNA对应的AAGGG或CCCUU重复扩增的RNA分子或RNAfoci。RFC1编码复制因子C的大亚基,复制因子C是DNA复制和DNA修复所需的广泛存在的DNA聚合酶辅助蛋白。然而这种复合物的功能没有因动态突变而改变,因为受累个体的成纤维细胞对DNA损伤表现出正常反应。因此,AAGGG动态突变导致CANVAS的机制到目前为止仍然是个谜。隐性遗传动态突变导致基因沉默Baratela-Scott综合征(BSS)是一种隐性遗传的骨骼发育不良,与发育迟缓、身材矮小和面部畸形相关,临床上与Desbuqois发育不良2(DBQD2)重叠,这是另一种由XYLT1双等位基因功能缺失变异引起的骨骼发育不良。通过基因组测序、微阵列分析和Sanger测序,Lacroix等在一些BSS患者中发现了XYLT1的纯合或复合杂合致病性变异或缺失,而其他受累个体只有1个杂合或没有XYLT1变异。基于可能存在等位基因缺失,他们检测是否存在DNA甲基化缺陷,结果表明没有发现变异或缺失的等位基因是高甲基化的。这种高甲基化继发于XYLT1的5′UTR中发生的CGG扩增,并与相应等位基因的沉默有关。这些结果表明,BBS和DBQD2是等位基因疾病[注:相同基因突变导致的不同疾病],XYLT1中最常见的功能缺失变异是其5`UTR中的CGG动态突变。隐性遗传的动态突变导致GLS功能丧失的发现归功于与其相关的生化缺陷。这一发现首先是在3个无血缘关系的个体中的2个发现了GLS基因的杂合变异(1个错义变异和1个无义变异)。这3个患者均有全面发育迟缓,进行性共济失调和血谷氨酰胺升高(globaldevelopmentaldelay,progressiveataxia,andelevatedplasmaglutamine,GDPAG)。GLS编码谷氨酰胺酶,谷氨酰胺分解代谢第一反应的催化酶。所有3个受试者的谷氨酰胺酶活性都严重受损,表明存在外显子组检测难以发现的其它变异。利用ExpansionHunter和repeat-primedPCR,作者在GLS的5`UTR中发现一个GCA动态突变,该动态突变为纯合或与先前发现的变异构成复合杂合。重复的拷贝数在-1之间,而对照组的正常范围是8-16。没有证据表明DNA甲基化与这个动态突变相关,但是与转录活性区(H3ac和H3K4m3)相关的组蛋白修饰减少,而转录沉默区的组蛋白标记增加。这些发现提示GLS中的动态突变导致染色质结构的改变,从而导致转录减少。X连锁动态突变与逆转座子插入有关X-连锁肌张力障碍-帕金森综合征(XDP或“Lubag”综合征)是一种神经退行性疾病,其特征是严重和进行性扭转痉挛和锥体外系症状,包括震颤、运动迟缓和强直(帕金森病)。XDP主要影响男性,很少影响女性,而且几乎只出现于来自菲律宾帕奈岛的菲律宾裔,其患病率在十万分之五以上。发病年龄从12岁到79岁不等。XDP患者大脑的尸检显示纹状体的病变与亨廷顿舞蹈病患者相似。XDP家系中的基因组范围连锁分析定位到了位于Xq13.1的DYT3基因座。Makino等对XDP受试者的BAC克隆进行鸟枪法测序,发现了TAF1内含子中的SINE-VNTR-Alu(SVA)逆转座子插入。TAF1编码转录因子IID复合物的最大组成部分。一位XDP患者死后大脑组织的基因表达分析显示,神经元特异性TAF1亚型的减少与SVA插入部位DNA甲基化的增加有关。插入的SVA和一个跨越kb的奠基者效应单倍型相关,包括5个单核苷酸替换和一个48bp的缺失。对SVA序列的进一步分析发现了位于SVA5′端的多态性六核苷酸(CCCTCT)串联重复序列。有趣的是,这个重复插入的拷贝数与发病年龄呈负相关,其序列能够调节基因的表达,表明这个动态突变参与了XDP的发病机制。小卫星序列的动态突变PLIN4中一个99bp的编码蛋白的动态突变是一种罕见肌病的病因在一个常染色体显性遗传的进行性肌病伴边缘阳性自噬空泡形成(myopathywithrimmedubiquitin-positiveautophagicvacuolation,MRUPAV)大家系中,Ruggieri等通过连锁分析在chr19p13.3上发现了一个5.12Mb的区域。作者对骨骼肌活检组织进行了外显子组、基因组和RNA测序,但没有结果。然后他们对微切除的空泡进行了蛋白质组分析,结果显示periculin-4蛋白增加了20倍,其编码基因PLIN4也在连锁分析定位的区间之内。PLIN4和其它periculin一样,包含一个由27到31个重复的33氨基酸(99bp)组成的结构域。在PLIN4中,这些33氨基酸重复由不完美的11-mer束组成,每个11-mer都形成3个两亲螺旋,能够将蛋白质锚定在脂肪小滴的磷脂单层上。对基因组和转录组数据的再分析显示编码重复的第3外显子的覆盖度异常的高。Long-rangePCR发现了一个0bp的高条带,nanopore测序(长读长测序)显示这个条带对应于一个40x33mer,而不是正常的27-31重复。这个动态突变与periculin-4的聚集和自噬相关。这个例子说明了发现涉及小卫星序列的动态突变的复杂性,因为这是对定位和准确调用几十个核苷酸重复的计算挑战。CACNA1C中30bp重复序列与精神分裂症和双相情感障碍相关精神分裂症和双相情感障碍是高度遗传的精神疾病,并且是同一临床症状谱系的一部分。在数千名受累患者和对照之间进行的GWAS(Genome-wideassociationstudies)已经发现了多个与疾病相关的基因座。最可靠的关联信号之一位于chr12p13.33的CACNA1C,编码神经元钙通道Cav1.2的主要亚单位,连锁不平衡的SNP组成了一个kb的区间。为了发现这个关联区间内的变异,Song等重新检测了相应的区域,并发现了一个内含子区的30-mer重复,这个重复序列只在人类中有扩增。黑猩猩的这个30-mer只有1个拷贝,而人类有-个拷贝。他们证明了人类参考基因组中这个位置包含10个拷贝是错误的,因为最初用于人类基因组测序的BCA克隆法产生的重复收缩被错误注释。通过长读长测序,他们证明了这些30-mer不仅拷贝数高度可变,其序列也是高度可变的,一些位置几乎不变而另一些则表现出显著的变化。有趣的是,特定的序列变异与发展为精神疾病的高风险相关,而其它的则与之相反。此外,这些重复序列能够调节神经祖细胞系中荧光素酶报告基因的表达,这表明,这些重复序列具有可变的增强子活性,可能有助于在大脑发育过程中CACNA1C的差异表达。这项研究表明,数量可变的串联重复序列(variablenumberoftandemrepeats,VNTRs)的多态性远远高于参考基因组所显示的多态性,并且破译它们对基因表达和人类病理学的影响有重要性,但只能使用长读长测序技术。ABCA7中的25bp重复与阿尔茨海默病(AD)相关AD是一种常见的神经退行性疾病,以进行性痴呆为特征,影响记忆、思维和行为,在大多数情况下是多因素影响的。GWAS发现ABCA7与AD相关,这个基因中的截短变异在AD患者中比对照高5倍(患者中4%有这类变异)。为了发现GWAS信号中的潜在变异,DeRoeck等检测了ABCA7中NGS覆盖不良的重复区,并利用Southern印迹在18号外显子的剪接供体位点临近发现了一个25bp的串联重复。他们观察到的拷贝数高度变异,从12到不等。动态突变的长度(个拷贝)与AD显著相关,OR值为4.5。此外,数量可变的串联重复序列(variablenumberoftandemrepeats,VNTRs)长度和ABCA7基因的表达量降低相关,这是外显子18和19可变剪接受影响的结果。WDR7中69bp重复调节肌萎缩侧索硬化(ALS)的风险ALS是一种以运动神经元快速退行性变为特征的进行性、致死性疾病。基于观察到的C9ORF72动态突变在ALS病因中占很大比例,以及SCA2中CAG的拷贝数能够调节ALS的进展,Course等在内含子中寻找人类特有的多态性数量可变的串联重复序列(variablenumberoftandemrepeats,VNTRs),发现了一个独特的单元长度25-mer的20拷贝重复区域。其中一个是位于chr18q21的WDR7基因中的69bp重复,这个基因位于ALS3基因座内,编码rabconnectin-3,一种富集于突触小泡的蛋白质。如同之前在CACNA1C重复中展示的那样,WRD7中的动态突变是人类特异性的,且大小具有高度多态性。此外,这些重复是互补的,并且预测能够形成独特的对应发夹的二级结构。通过比较名ALS患者、名帕金森患者和名对照中的重复拷贝数,作者提出高拷贝数与ALS有显著相关性,尽管在三组中拷贝数的分布变化都很大,范围在51-86拷贝。此外,重复序列也是可变的,单人的等位基因是由可重复的模体组成的。作者提出WRD7中的动态突变可以在体外转录成microRNA,并可能异位表达形成聚集体,尽管它们没有出现在神经元RNA-seq数据库中。预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇
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