【佳學(xué)基因檢測】明確導(dǎo)致癲癇、小頭畸形和腦萎縮的基因突變病例
基因檢測病例介紹
佳學(xué)基因檢測比較了來自六個(gè)無親緣關(guān)系家族的 11 名患病個(gè)體的臨床特征和變異。已鑒定出新的有害變異包括兩個(gè)純合錯(cuò)義變異（c.2671G>A:p.Glu891Lys 和 c.1973G>A:p.Arg685Gln）和一個(gè)純合終止增益變異（c.1975C>T:p.Arg659Ter）。發(fā)育遲緩、新生兒或嬰兒期癲癇和小頭畸形很普遍。三名患者患有下丘腦-垂體軸功能障礙，但沒有垂體結(jié)構(gòu)異常。神經(jīng)影像學(xué)顯示大多數(shù)病例有腦萎縮和髓鞘形成減退。兩個(gè)兄弟姐妹在 2 歲時(shí)都表現(xiàn)出進(jìn)行性髓鞘喪失，一個(gè)表現(xiàn)出后天性小頭畸形。五個(gè)人在兒童早期或晚期死亡。對(duì)來自六個(gè)無親屬關(guān)系的家族的 11 名個(gè)體的詳細(xì)臨床表征表明，罕見的雙等位基因GRM7致病變異可導(dǎo)致癲癇、小頭畸形和腦萎縮。這些患者存在小頭畸形、髓鞘形成低下和腦萎縮。致病基因的明確有利篩查其他未發(fā)病的個(gè)體，并為采用新的生殖技術(shù)阻斷遺傳提供了方案。
疾病的基因解碼
根據(jù)神經(jīng)、大腦與小腦異常的基因密碼，離子通道和神經(jīng)遞質(zhì)受體缺陷與發(fā)育性和癲癇性腦病 (發(fā)育性和癲癇性腦病 (DEE) ) 有關(guān)，因?yàn)樗鼈儠?huì)損害中樞神經(jīng)系統(tǒng) (CNS) 的神經(jīng)傳遞。這類重要的受體組之一是谷氨酸受體。谷氨酸是一種興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，在癲癇中得到了廣泛的致病基因鑒定基因解碼，它通過兩種主要受體組起作用：離子型谷氨酸受體 (iGluR) 和代謝型谷氨酸受體 (mGluR)。 iGluR包括N-甲基-D-天冬氨酸受體 (NMDAR)、α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體 (AMPAR) 和海人酸受體 (KAR)。編碼突觸后 iGluRs 亞基的基因中的罕見單等位基因和雙等位基因單核苷酸變異 (SNV) 和拷貝數(shù)變異 (CNV)，例如分別編碼 NMDAR 的 NR1、NR2A 、NR2B 和 NR2D 亞基的 GRIN1、GRIN2A、GRIN2B 和 GRIN2D，編碼AMPAR的GluR2-4亞基的GRIA2-4 ，以及編碼KAR的GluR6亞基的GRIK2，已被證實(shí)可導(dǎo)致多種神經(jīng)發(fā)育障礙 (NDD )和發(fā)育性和癲癇性腦病 (DEE) 。
mGluRs 由 8 個(gè)受體組成，mGluRs1-8，由GRM1-8 編碼，根據(jù)序列同源性、配體選擇性和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制分為三組。第I 組由 mGluR1 和 mGluR5 組成，第 II 組由 mGluR2 和 mGluR3 組成，第 III 組由 mGluR4、mGluR6、mGluR7 和 mGluR8 組成。第 II 組和第 III 組在突觸前發(fā)揮作用，而第 I 組在突觸后發(fā)揮作用。最近的致病基因鑒定基因解碼集中于 mGluRs 在神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)精神疾病中的作用。使用單核苷酸多態(tài)性 (SNP) 陣列的全基因組 CNV 致病基因鑒定基因解碼表明，與健康對(duì)照組相比，注意力缺陷多動(dòng)障礙患者的GRM1、5、7和8 中的 CNV 富集。 另一項(xiàng)試點(diǎn)病例對(duì)照致病基因鑒定基因解碼支持GRM7 SNP 與自閉癥譜系障礙之間的關(guān)聯(lián)。致病基因鑒定基因解碼表明 GRM1 中的雙等位基因稀有變異會(huì)導(dǎo)致小腦共濟(jì)失調(diào)。
mGluR 也參與了癲癇的病理生理學(xué)。在癲癇模型中，突觸后 I 組 mGluR 的激動(dòng)劑具有促驚厥特性，而其拮抗劑具有抗驚厥活性，而突觸前 II 組和 III 組 mGluR 則表現(xiàn)出相反的作用。這些發(fā)現(xiàn)歸因于 I 組 mGluR 在增強(qiáng)神經(jīng)元興奮性方面的作用，以及 II 組和 III 組在抑制過度興奮性方面的作用。
mGluR7 由GRM7編碼，是保守性最高的 mGluR，僅在中樞神經(jīng)系統(tǒng) (CNS) 中表達(dá)。mGluR7 起著組成二聚體的作用，由結(jié)合域、富含半胱氨酸的結(jié)構(gòu)域、跨膜結(jié)構(gòu)域和細(xì)胞內(nèi) C 末端組成。mGluR7通過抑制興奮性神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸和抑制性神經(jīng)遞質(zhì) GABA 在突觸中達(dá)到高水平時(shí)進(jìn)一步釋放，在突觸傳遞中起著關(guān)鍵作用。mGluR7基因敲除小鼠會(huì)出現(xiàn)自發(fā)性刺激誘發(fā)的癲癇，這表明GRM7表達(dá)的中斷可能導(dǎo)致癲癇。
神經(jīng)科的致病基因鑒定基因解碼曾提出GRM7是常染色體隱性 NDD 的候選基因，致病基因鑒定基因解碼對(duì)象來自兩個(gè)無血緣關(guān)系的家族，這些家族中有四個(gè)受試者患有 NDD 和罕見的雙等位基因錯(cuò)義變異。此后又描述了一個(gè)額外的家族，其中包括兩個(gè)患有 NDD 的兄弟姐妹和一個(gè)罕見的GRM7純合終止增益等位基因。在這里，腦萎縮基因解碼基因檢測描述了來自三個(gè)無血緣關(guān)系的家族的另外五個(gè)個(gè)體，他們有GRM7的雙等位基因變異和相似的神經(jīng)系統(tǒng) 發(fā)育性和癲癇性腦病 (DEE) 表型，以及之前報(bào)告的六個(gè)臨床數(shù)據(jù)有限的個(gè)體，并提供了證據(jù)支持GRM7雙等位基因變異是導(dǎo)致 NDD、發(fā)育性和癲癇性腦病 (DEE) 和小頭畸形的原因。
基因檢測結(jié)果
外顯子組測序、連鎖分析、變異解釋和表型分析方法
通過對(duì)來自腦萎縮致病基因鑒定國際協(xié)作聯(lián)盟近親人群的 220 個(gè)家族的 NDD 隊(duì)列進(jìn)行基于家族的外顯子組測序和罕見變異過濾，并使用佳學(xué)基因腦萎縮項(xiàng)目組之前描述的變異解析和優(yōu)先級(jí)排序工作流程，佳學(xué)基因腦萎縮項(xiàng)目組從三個(gè)不相關(guān)的家族（圖1和2中的家族 1、5 和 6 ）中確定了四個(gè)攜帶罕見純合GRM7變異的個(gè)體（BAB6708、BAB6709、 BAB10502和BAB10517 ） 。對(duì)所有外顯子組測序數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面分析，以識(shí)別罕見的、具有潛在破壞性的變異。在這四個(gè)人中均未發(fā)現(xiàn)已知疾病基因的候選變異，因此無法提供其他遺傳病因。
圖 1：家族 1-3 中患有GRM7雙等位基因變異的患病個(gè)體的家譜、桑格測序、面部特征和腦 MRI 圖像。（A）家譜和桑格測序顯示家族 1 中GRM7變異的分離。（B）個(gè)體 II-1（家族 1）13 歲時(shí)的面部照片，顯示牙齒、下唇外翻。（C-E）個(gè)體 II-1（家族 1）3 歲時(shí)的腦 MRI。T1 加權(quán)圖像（正中矢狀圖）顯示胼胝體（CC）中度至重度變薄，大腦鐮周圍腦脊液（CSF）過多，表明腦容量嚴(yán)重減少，小腦容量減少輕微（C）。T2 加權(quán)圖像（軸向和冠狀圖）顯示髓鞘形成減退，尤其是在顳前角，第四腦室和海馬正常（D 和 E）。 (F) 個(gè)體 II-2（家庭 1）10 歲時(shí)的面部照片顯示前額高、面部張力減退 (G-I) 個(gè)體 II-2（家庭 1）2 歲時(shí)的腦 MRI。T1 加權(quán)圖像（正中矢狀圖）顯示 CC 縮短，大腦鐮周圍腦脊液過多，表明腦容量嚴(yán)重減少 (G)。T2 加權(quán)圖像（軸向和冠狀圖）顯示髓鞘內(nèi)囊正常，蛛網(wǎng)膜下腔過多，因腦容量減少而導(dǎo)致的側(cè)腦室擴(kuò)大，雙側(cè)海馬 T2 信號(hào)增高 (H 和 I)。(J) 家譜和桑格測序顯示家庭 2 中GRM7變異的分離。(K) 個(gè)體 II-1（家庭 2）15 歲時(shí)的面部照片顯示嘴巴寬。 (L–N) 個(gè)體 II-1（家庭 2）在 2 個(gè)月時(shí)的腦部 MRI。T1 加權(quán)圖像（正中矢狀圖）顯示 CC 正常（L）。T2 加權(quán)圖像（軸向和冠狀圖）顯示髓鞘形成與年齡相符（M 和 N）。（O–Q）個(gè)體 II-1（家庭 2）在 7 歲時(shí)的腦部 MRI。T1 加權(quán)圖像（正中矢狀圖）顯示 CC 嚴(yán)重變薄，小腦正常（O）。T2 加權(quán)圖像（軸向和冠狀圖）顯示整體髓鞘形成不足，海馬正常（P 和 Q）。（R）個(gè)體 II-2（家庭 2）在 10 歲時(shí)的面部照片顯示嘴巴張開。（S–U）個(gè)體 II-2（家庭 2）在第 2 天時(shí)的腦部 MRI。T1 加權(quán)圖像（正中矢狀圖）顯示 CC 正常（S）。 T2 加權(quán)圖像（軸向和冠狀圖）顯示髓鞘形成正常（T-U）。（V-X）II-2 個(gè)人（家庭 2）5 歲時(shí)的腦部 MRI。T1 加權(quán)圖像（正中矢狀圖）顯示 CC 嚴(yán)重變薄和縮短，垂體后葉和漏斗部正常，小腦蚓部和小腦正常（V）。T2 加權(quán)圖像（軸向和冠狀圖）顯示整體髓鞘形成不足，右側(cè)小腦囊腫較小，海馬正常（W 和 X）。（Y）譜系和桑格測序顯示GRM7中變異的分離在家庭 3 中。 （Z）個(gè)體 II-6（家庭 3）6 歲時(shí)的面部特征，顯示嘴唇厚，牙齒擁擠，前額發(fā)際線低，鼻子突出，鼻尖突出。
圖2：家族 4-6 中GRM7雙等位基因變異受影響個(gè)體的譜系、桑格測序、面部特征和腦 MRI 圖像。（A）譜系和桑格測序顯示家族 4 中GRM7變異的分離。（B）個(gè)體 II-1（家族 4）生命第一年的面部照片，面部特征正常。（C）個(gè)體 II-4（家族 4）1 個(gè)月時(shí)的面部照片顯示人中較長。（D 和 E）個(gè)體 II-4（家族 4）2 周時(shí)的腦 MRI。T1 加權(quán)圖像（正中矢狀圖）顯示正常大腦、CC 和小腦（D）。T2 加權(quán)圖像（軸向圖）顯示側(cè)裂蓋骨化不足（左側(cè)更明顯）（E）。 (F) 4 歲時(shí) II-6 個(gè)體（家庭 4）的面部照片，面部張力減退，嘴巴隆起。(G-I) 4 歲時(shí) II-6 個(gè)體（家庭 4）的腦部 MRI。T1 加權(quán)圖像（正中矢狀圖）顯示嚴(yán)重的大腦萎縮、CC 嚴(yán)重變薄和小腦輕度萎縮 (G)。T2 加權(quán)圖像（軸向和冠狀圖）顯示嚴(yán)重的大腦萎縮、CC 嚴(yán)重變薄和雙側(cè)海馬萎縮，右側(cè)海馬高信號(hào) (H 和 I)。(J) 家譜和桑格測序顯示家庭 5 中GRM7變異的分離。(K) 7 個(gè)月時(shí) II-1 個(gè)體（家庭 5）的面部照片顯示面部特征正常。請(qǐng)注意，個(gè)體 II-1（家族 5）攜帶克氏綜合征的第二個(gè)分子診斷，因?yàn)樗娜旧w分析顯示 47,XXY。（L-N）個(gè)體 II-1（家族 5）6 個(gè)月時(shí)的腦 MRI。T1 加權(quán)圖像（正中矢狀圖）顯示薄 CC（L）。T1 加權(quán)和 T2 加權(quán)圖像（軸向圖）顯示簡化的腦回模式（M-N）。（O）從外顯子組變異數(shù)據(jù)計(jì)算出的個(gè)體 II-1（家族 5）的 B 等位基因頻率顯示 3 號(hào)染色體上有一個(gè) 2.6 Mb 的 AOH 塊，以灰色區(qū)域標(biāo)記，并顯示GRM7位于 AOH 塊內(nèi)。 (P) 家譜和桑格測序顯示家族 6 中GRM7變異的分離。(Q) 個(gè)體 II-1（家族 6）20 個(gè)月大時(shí)的面部照片顯示瞼裂上傾。(R-T) 個(gè)體 II-1（家族 6）18 個(gè)月時(shí)的腦 MRI。T1 加權(quán)圖像（正中矢狀圖）顯示 CC 嚴(yán)重變薄、中度腦萎縮和輕度小腦萎縮（R）。T2 加權(quán)圖像（軸向和冠狀圖）顯示中度腦萎縮、與年齡不符的整體髓鞘形成減退以及側(cè)裂蓋骨化不足（S 和 T）。(U) 個(gè)體 II-1（家族 6）的 B 等位基因頻率表明GRM7位于 3 號(hào)染色體上一個(gè)大的 AOH 塊（7.3Mb）內(nèi)，以灰色區(qū)域標(biāo)記。
對(duì)貝勒遺傳學(xué)診斷實(shí)驗(yàn)室的基因查詢發(fā)現(xiàn)了另外五個(gè)個(gè)體（BAB8506，BAB8506 的兄弟，BAB13620，BAB13620的兩個(gè)兄弟），來自兩個(gè)不相關(guān)的家族（圖1和2中的家族 2 和 4 ），具有相似的神經(jīng)系統(tǒng)表型和在先證者外顯子組測序上檢測到的有害雙等位基因GRM7變異。作為一項(xiàng)隊(duì)列神經(jīng)學(xué)研究的一部分，之前已發(fā)表了來自兩個(gè)家族（家族 1 和家族 2）的其中四個(gè)個(gè)體（BAB6708、BAB6709、BAB8506 和 BAB8506 的兄弟）的基本臨床數(shù)據(jù)。通過文獻(xiàn)檢索，還確定了來自一個(gè)家族（MR005，家族 3）的另外兩個(gè)受試者，他們也在基因發(fā)現(xiàn)隊(duì)列中發(fā)表了有限的表型數(shù)據(jù)?；蛱峤唤o GeneMatcher 重新捕獲家族 3 (MR005) 。
在家庭 3 (MR005) 中，使用 HumanCytoSNP‐12 BeadChip 對(duì)所有可用的家庭成員（先證者、父母雙方和五個(gè)未受影響的兄弟姐妹）進(jìn)行了連鎖分析和純合性定位，總共確定了五個(gè) 1Mb 或更大的區(qū)域（2.6 至 9.8 Mb 之間，總長度為 24.6 Mb），其中有純合性 (ROH) 運(yùn)行，導(dǎo)致自合性。對(duì)變異的評(píng)估是基于之前描述的接合性和位點(diǎn)（在連鎖區(qū)域中）進(jìn)行的，結(jié)合公共和私人數(shù)據(jù)庫中的變異流行率以及如下例中所述的預(yù)測模型。
所有已識(shí)別的七種GRM7變異均未在純合狀態(tài)下出現(xiàn)在公共變異數(shù)據(jù)庫（包括基因組聚合數(shù)據(jù)庫 (gnomAD)、外顯子組聚合聯(lián)盟 (ExAC)、社區(qū)動(dòng)脈粥樣硬化風(fēng)險(xiǎn)研究數(shù)據(jù)庫 (ARIC) 和美國國家心肺血液研究所 (NHLBI) 大機(jī)遇外顯子組測序項(xiàng)目 (ESP)）以及佳學(xué)基因腦萎縮項(xiàng)目組的內(nèi)部控制數(shù)據(jù)庫中。在包含來自相關(guān)族群的 100 名健康個(gè)體外顯子的Iranome 數(shù)據(jù)庫 ( http://www.iranome.com ) 中，這些變異也未在雜合和純合狀態(tài)下出現(xiàn)。 在初始隊(duì)列發(fā)布后，佳學(xué)基因腦萎縮項(xiàng)目組小組將三個(gè)變體（RefSeq：NM_000844.4 ；c.461T>C、c.1972C>T 和 c.2024C>A）輸入到人類變異和表型公共檔案庫 (ClinVar) 中（ClinVar 登錄號(hào)分別為 VCV000242895、VCV000242900 和 VCV000242901）。生物信息學(xué)分析 (SIFT、PolyPhen2、MutationTaster、CADD 和 PhyloP) 用于預(yù)測變體對(duì)蛋白質(zhì)功能和進(jìn)化保守性的潛在有害或致病作用。在四名受試者（家庭 1 個(gè)體 II-1 和 II-2、家庭 5 個(gè)體 II-1 和家庭 6 個(gè)體 II-1）中，使用內(nèi)部開發(fā)的生物信息學(xué)工具 BafCalculator（https://github.com/BCM-Lupskilab/BafCalculator）根據(jù)從外顯子組數(shù)據(jù)計(jì)算出的 B 等位基因頻率確定雜合性缺失 (AOH)。在計(jì)算 AOH 的大小時(shí)使用任意截止點(diǎn)或 0.5 Mb 的值，以及變異周圍的非分階段數(shù)據(jù)或 ROH 塊以及總基因組 AOH/ROH。在一名受試者（家庭 4 個(gè)體 II-6）中，ROH 是根據(jù) SNP 陣列數(shù)據(jù)計(jì)算的。
所有患病個(gè)體、其父母以及任何未患病的兄弟姐妹的變異均通過桑格測序進(jìn)行驗(yàn)證，以進(jìn)行分離研究。在研究時(shí)活著的 11 名患病個(gè)體中，有 8 人得到了分子診斷，盡管所有 11 名受試者在患病期間都接受了臨床檢查以確定其是否具有記錄在案的特征。轉(zhuǎn)診醫(yī)生提供了所有受試者的詳細(xì)臨床信息和評(píng)估，以進(jìn)行深度表型分析。在三個(gè)之前發(fā)表的家族中，有兩個(gè)（家族 1 和 2）獲得了最新的臨床病史和臨床圖片。一名獲得委員會(huì)認(rèn)證的神經(jīng)放射科醫(yī)生 (JVH) 審查了 8 名個(gè)體的腦部磁共振圖像 (MRI)。兩名個(gè)體的腦電圖 (EEG) 由一名獲得委員會(huì)認(rèn)證的臨床神經(jīng)生理學(xué)家 (DM) 審查。
檢測結(jié)論
GRM7中的罕見雙等位基因變異會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)表型，其特征是小頭畸形、DEE、髓鞘形成不足和腦萎縮。變異水平的功能研究將更好地了解該疾病的病理機(jī)制并評(píng)估靶向治療的潛力。
(責(zé)任編輯：佳學(xué)基因)
