eLife：一种罕见癫痫的基因突变

　　

一项研究发现了一种罕见癫痫的基因突变，并揭示了这种疾病在患者身上表现出来的新的分子和细胞机制。

该研究今天以预印本的形式发表在《eLife》杂志上，被编辑描述为具有基础性意义，因为它极大地推进了我们对KCNQ2脑病的理解。他们将所使用的方法描述为最先进的，提供了令人信服的证据。

“KCNQ2脑病是一种罕见的神经发育障碍，由KCNQ2基因的变异引起，KCNQ2基因提供了一种脑钾通道的处方，”主要作者Timothy Abreo解释说，他是美国德克萨斯州休斯顿贝勒医学院遗传学和基因组学研究生项目的学生。“这种疾病通常表现为在出生后几天内开始发作，以及终身发育迟缓，而且目前没有有效的治疗方法。”

新发现的KCNQ2基因变异很难评估，因为并不是所有的变异都会致病，而且人们对某些变异导致疾病的原因也知之甚少。

Abreo等人的研究开始于一名出生在美国的女婴，她在出生后的第一个月经历了反复发作的癫痫发作。基因检测显示，在KCNQ2基因的一个拷贝上出现了一个单一的氨基酸变化——甘氨酸256变成了色氨酸(G256W)，这在以前是未知的，被归类为不确定的临床意义。该小组的研究仔细地描述了这位年轻患者的临床和发育历史。在婴儿期，发育迟缓变得明显，随后她被诊断为皮质视觉障碍和自闭症谱系障碍。现在她已经12岁了，能够使用一种自适应交流设备提出要求，并使用改进的手语。研究人员根据科学文献，后来在亚洲和欧盟发现了另外三个具有相同G256W变异的个体，症状与美国患者相似。这种观察性研究的组成部分允许团队指定在实验室中建模的特征。

该团队使用分子、细胞和体内方法检查了G256W变异的结构和致病性。他们基于报道的KCNQ2通道和其他类似通道蛋白的低温电子显微镜结构，模拟了G256W变异的结构后果。

与其他钾离子通道一样，KCNQ2包含三个关键区域:转塔、孔螺旋和选择性过滤器。引起疾病的变异往往位于选择性过滤器附近的残基中，因为它具有使离子流动的关键作用。然而，G256氨基酸距离选择性过滤器相对较远，这通常表明一种变体不太可能引起疾病。研究小组发现的证据表明，G256有助于形成氢键网络，从而稳定孔隙形成区域的结构。这提供了一个新的假设，为什么氨基酸突变如此遥远的选择过滤器可能是致病的。

接下来，Abreo和他的同事们进行了一系列实验，他们将G256W变异基因与正常的KCNQ2和KCNQ3基因一起引入细胞。他们测量了细胞中的电活动，观察到G256W变体的存在抑制了正常基因的功能，并减少了细胞产生的离子电流。

最后，他们使用Crispr/Cas9基因编辑技术，产生了携带相同G256W变体的小鼠。G256W小鼠的大脑中KCNQ2和KCNQ3蛋白的分布发生了变化，特别是在海马区，该区域在学习和记忆中起着至关重要的作用。他们发现，在小鼠模型中，KCNQ2和KCNQ3蛋白从轴突初始段的通常位置转移到神经元体细胞。其他实验表明，KCNQ2蛋白水平下降了大约50%，海马CA1区的神经元表现出更高的兴奋性，可能表明更容易发作。事实上，新生和年老的G256W小鼠出现了导致过早死亡的自发性癫痫发作，这在对照组小鼠中没有出现。

“总的来说，我们的研究表明，KCNQ2 G256W变异的存在影响KCNQ通道活性的分子和细胞方面，包括它们的离子携带能力、表达和细胞内的位置，”资深作者、贝勒医学院神经学、神经科学、分子和人类遗传学副教授爱德华·库珀解释说。“这些变化可能共同推动了这种变异的致病性及其临床症状。”

“我们的结果可能广泛适用，因为大多数KCNQ2脑病患者在选择性过滤器附近共享变异，”Abreo补充道。

这名美国儿童的父母也是该论文的共同作者，他们在这项研究中发挥了长达10年的关键作用，分享了他们的历史，促进了临床医生和实验室科学家之间的联系，并帮助库珀博士建立了多机构实验室团队，该团队产生并分析了这些小鼠。

“作为代表KCNQ2全球影响的家长和家长领导的基金会的领导者，我们很高兴看到这些研究揭开了这种疾病的新奥秘。这种进展是通往更好的患者治疗结果和精准医学治疗的道路，”受影响美国儿童的父亲、KCNQ2治愈联盟*主席Jim Johnson说。

作者鼓励对这一领域进行进一步的研究，以扩展他们的发现。他们特别强调，尽管携带G256W变异的小鼠表现出自发性惊厥发作和癫痫相关死亡，但它们没有表现出在携带相同变异的人类中出现的非常早的发作和高频率。

“这种差异值得进一步研究，”他们写道。此外，Cooper博士说:“我们的研究表明，选择性KCNQ2开启剂在体外对抗G256W的作用，应该在突变动物中进行测试，如果有效，则在具有KCNQ2致病变异的人类中进行测试。”