运动皮层体细胞基因突变：揭示散发性肌萎缩侧索硬化的新发病机制

《Brain》：Somatic gene mutations in the motor cortex of patients with sporadic amyotrophic lateral sclerosis

本研究针对散发性肌萎缩侧索硬化(sALS)的病因学难题，通过深度靶向测序和单细胞RNA测序技术，首次系统揭示了运动皮层中体细胞镶嵌突变在sALS发病中的关键作用。研究发现sALS患者运动皮层中FUS基因p.E516X等体细胞突变可引起典型的蛋白错误定位和聚集，且兴奋性神经元呈现特异性突变富集，为神经元自主性发病机制提供了直接证据，对sALS的早期诊断和靶向治疗具有重要意义。

　　

当我们谈论肌萎缩侧索硬化(ALS)这种致命的神经退行性疾病时，科学家们一直面临着一个令人困惑的谜题：虽然约5-10%的病例具有明确的家族遗传性(fALS)，但超过90%的散发性病例(sALS)却找不到明确的遗传病因。这种疾病如同一个沉默的杀手，悄无声息地侵蚀着患者的运动神经元，导致肌肉萎缩、呼吸衰竭直至死亡。更令人费解的是，双胞胎研究显示遗传因素在ALS发病中的作用远超过已知的孟德尔突变所能解释的范围。

近年来，科学家们逐渐将目光投向了一个新的可能性——体细胞突变。这些发生在个体发育过程中的基因变异，如同隐藏在细胞深处的"特洛伊木马"，可能只在特定组织或细胞中存在，却足以引发连锁反应。特别是神经病理学证据显示，ALS病理往往从局部开始，像多米诺骨牌一样在神经系统中扩散。这提示我们，即使少数细胞发生病变，也可能成为疾病爆发的"导火索"。

为了解开这个谜团，来自德国癌症研究中心等机构的研究团队开展了一项创新性研究，他们将目光投向了ALS患者的运动皮层——这个控制我们肢体运动的"司令部"。研究人员猜想，如果体细胞突变确实是sALS的致病因素，那么在这些关键脑区应该能够找到蛛丝马迹。

这项发表在《Brain》杂志上的研究，采用了多管齐下的技术策略。研究人员首先收集了来自瑞典和荷兰脑库的尸检组织，包括9例sALS患者、4例fALS患者和6例对照者的运动皮层样本。通过深度靶向测序技术，他们对已知的ALS相关基因进行了深入挖掘，测序深度达到2000倍以上，确保能够捕捉到低频变异。同时，他们还利用单细胞RNA测序数据，对约72万个细胞进行了体细胞变异分析，这种大规模的单细胞水平研究为揭示细胞特异性突变提供了前所未有的分辨率。

更高体细胞变异负荷在sALS患者中通过靶向深度测序发现

研究团队首先通过靶向深度测序发现，sALS患者运动皮层中体细胞变异数量显著增加(平均83.3个)，而对照组仅为41.6个。这种差异在等位基因频率1.5%-35%的范围内尤为明显。特别值得注意的是，这种增加现象仅见于sALS患者，而在已知遗传原因的fALS患者中并未出现。进一步分析显示，VAPB、MAPT、FUS、NEFH、CCNF、NEK1和TBK1等ALS相关基因的变异数量几乎翻倍。这些变异分布在蛋白质的不同功能区域，如α螺旋链等，可能影响蛋白质的正常功能。

在sALS患者中检测到的FUS体细胞镶嵌变体的功能验证

作为概念验证，研究人员重点研究了FUS基因的体细胞突变。他们在细胞实验中证实，在sALS患者中以镶嵌模式发现的FUS p.E516X突变会导致蛋白质的异常定位——从正常的核内分布转变为胞质聚集，这种表现与已知的致病性fALS变异FUS p.R495X相似。而其他变异如FUS p.E516K、FUS p.E516E和FUS p.G515V的细胞定位影响较小，这与FUS变异即使没有明显胞质聚集也能产生致病效应的观点一致。

通过单细胞测序数据变异调用发现兴奋性神经元中增加的体细胞变异负荷

通过单细胞RNA测序数据的深入分析，研究人员发现兴奋性神经元是携带体细胞突变最多的细胞类型。特别是有两个兴奋性神经元亚群(簇5和簇9)的突变数量异常高，且这些簇主要由sALS患者的细胞组成。突变特征分析显示，sALS患者中与DNA损伤相关的特征(如SBS26)有增加趋势，这种特征通常源于DNA错配修复缺陷。基因集富集分析表明，sALS患者中与突触和细胞连接组织相关的基因具有更高的突变负荷。

这项研究的发现为我们理解sALS的发病机制提供了全新视角。研究表明，体细胞突变可能是sALS发展的重要推动因素，特别是在兴奋性神经元中。这些突变不仅包括能够引起典型FUS病理变化的截短突变，还涉及多个ALS相关基因，提示sALS可能具有多基因或寡基因的镶嵌起源特征。

尤其值得注意的是，DNA损伤修复机制的异常可能是sALS发病的重要环节。许多已知的ALS相关基因都直接或间接参与DNA损伤修复，而研究中观察到的兴奋性神经元中DNA损伤反应相关突变特征的积累，进一步支持了这一观点。这种年龄相关的突变积累和基因组不稳定性，可能是sALS发病机制的重要组成部分。

此外，体细胞突变还可能解释ALS临床表现的多样性。不同患者发病部位、年龄和疾病进展速度的差异，可能部分源于随机发生的、局限于特定中枢神经系统区域甚至单个细胞的体细胞突变。这与"少数病变细胞足以引发局部病理，随后随时间推移进行性扩散"的假说高度吻合。

这项研究不仅为sALS的病因提供了新的解释，更重要的是为未来治疗策略指明了方向。如果能够开发出敏感的诊断方法在患者生物体液中检测这些镶嵌突变，那么针对特定基因的干预措施(如已成功应用于SOD1-ALS的反义寡核苷酸疗法)就可能惠及更多sALS患者。随着精准医疗时代的到来，识别个体患者的特定突变特征将为ALS的个性化治疗开辟新的道路。