腦性癱瘓（腦癱，CP）是由于控制肌肉運(yùn)動的腦部區(qū)域（運(yùn)動區(qū)）畸形或損傷而引起的一組癥狀。主要表現(xiàn)為中樞性運(yùn)動障礙和姿勢異常，還伴有智力障礙、癲癇、視力和聽力問題、語言障礙等。全球有2000多萬名腦癱患者，給家庭和社會帶來沉重負(fù)擔(dān)。

腦癱的病因有很多種，包括分娩期間缺氧、新生兒感染等。然而，三分之二的腦癱患者是足月出生的，分娩期間缺氧僅能解釋不到10%的腦癱病例。近八成的病例還無法確定病因。近年來，越來越多的證據(jù)表明遺傳因素與CP相關(guān)。不過，人們對腦癱的遺傳和分子機(jī)制知之甚少，這阻礙了腦癱的預(yù)防、診斷和治療。

對此，廣州市婦女兒童醫(yī)療中心的研究團(tuán)隊歷時五年，對120個特發(fā)性腦癱家庭開展深入的臨床和分子分析，鑒定出潛在的有害的遺傳變異。這項(xiàng)研究成果于6月初發(fā)表在Brain雜志上。通訊作者為兒科研究所胡昊研究員和韓丁丁副研究員、康復(fù)科徐開壽主任，以及南通大學(xué)劉東教授。

國際權(quán)威神經(jīng)病學(xué)期刊Brain創(chuàng)刊于1878年，是久負(fù)盛名的神經(jīng)病學(xué)權(quán)威期刊，一個半世紀(jì)以來報道過很多神經(jīng)病學(xué)發(fā)展的里程碑工作，在國際醫(yī)學(xué)界和學(xué)術(shù)界有很高的聲望。此次研究得到Brain主編和審稿人的高度評價，稱贊其為“an impressive piece of work, with major scientific merits and important clinical implications”。

120個腦癱家庭的遺傳分析
研究人員總共招募了120個腦癱家庭。大多數(shù)患者屬于痙攣型腦癱，其次是運(yùn)動障礙和共濟(jì)失調(diào)型腦癱。他們通過多個平臺對患者進(jìn)行了全面的遺傳評估，包括靶向PCR分析、線粒體基因組測序（6000X）、細(xì)胞遺傳學(xué)芯片分析、全外顯子組測序（600X）和全基因組測序（36X）（圖1）。
 

圖1. 腦癱隊列研究信息

他們發(fā)現(xiàn)，45%的腦癱患者攜帶了相關(guān)的致病變異。其中，生殖系錯義點(diǎn)變異（germline missense SNVs）最為常見，其他類型生殖系變異如插入缺失型變異（indels）、無義點(diǎn)變異（nonsense SNVs）和大片段拷貝數(shù)變異（CNVs）均有檢出。研究首次發(fā)現(xiàn)腦癱患者中存在合子后體細(xì)胞突變（PZM），比例大約為6.7%。此外，運(yùn)動障礙更嚴(yán)重的患者或智力障礙合并癥的患者攜帶疾病相關(guān)變異的幾率要高得多。

就遺傳模式而言，常染色體顯性和隱性各占約三分之一。研究人員在30個腦癱家庭中確認(rèn)了疾病隱性遺傳相關(guān)變異，包括21個常染色體隱性疾病家庭、8個X染色體連鎖隱性疾病家庭，還有一名男性患者X染色體上攜帶一個CNV，遺傳自其未患病的母親。

腦癱相關(guān)基因的共同特征
研究人員結(jié)合當(dāng)前和以往研究的結(jié)果，總共確定了114個腦癱相關(guān)基因，遠(yuǎn)低于智力障礙涉及到的700多個基因。這些腦癱相關(guān)基因中約有一半與智障基因重合，提示這兩種疾病有著部分共同的分子機(jī)制。與智障相關(guān)基因相比，腦癱相關(guān)基因明顯缺乏常染色體隱性基因。他們推測未來的研究很可能在這一方面有所突破。

他們在進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)，腦癱相關(guān)基因集中在與大腦發(fā)育和功能相關(guān)的多個模塊中。同時，他們也確定了富含腦癱/智障基因的病原體易感性相關(guān)模塊。盡管這些疾病可能是顱內(nèi)病原體感染的后遺癥，但這些基因的變異是否會增加疾病風(fēng)險？

通過基因表達(dá)分析，研究人員還發(fā)現(xiàn)腦癱相關(guān)基因在各個腦區(qū)中表達(dá)，主要是在小腦、初級運(yùn)動皮層和紋狀體中。此外，這些腦癱相關(guān)基因也在多種腦細(xì)胞中表達(dá)，特別是浦肯野細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞。這些特定的表達(dá)模式可以為后續(xù)的機(jī)制研究提供指引。

有意思的是，他們發(fā)現(xiàn)腦癱相關(guān)基因可大致分為兩個具有鮮明特征的亞組：前腦表達(dá)基因和后腦表達(dá)基因。前者（如TYW1）在前腦中高表達(dá)，且胚胎期表達(dá)水平最高；而后者（如GPAM）在后腦中特異性表達(dá)，且表達(dá)高峰出現(xiàn)在出生后。攜帶前腦表達(dá)基因有害變異的患者往往也是智障患者。因此，前腦表達(dá)基因可能參與出生前神經(jīng)發(fā)生，而后腦表達(dá)基因參與出生后兩年才完成的髓鞘形成。自此，他們首次提出了腦癱相關(guān)基因的二元分類系統(tǒng)，為腦癱的分子病因?qū)W研究提供新的視角。之后，他們各挑了一個代表性基因來深入分析。

TYW1變異的深入分析
研究人員從一個家庭的兩名腦癱加智障患者的基因組中鑒定出TYW1基因復(fù)合雜合型有害變異。TYW1基因編碼tRNA-懷丁苷合成蛋白。懷丁苷作為苯丙氨酸t(yī)RNA第37位鳥苷酸上的一種特殊修飾，能穩(wěn)定密碼子-反密碼子配對，避免蛋白質(zhì)翻譯出現(xiàn)移碼。TYW1的表達(dá)集中在神經(jīng)元中，主要是在胚胎發(fā)育期間。

他們構(gòu)建了斑馬魚基因敲低模型和小鼠基因敲除模型，成功模擬了患者的小頭畸形、意識和運(yùn)動障礙，以及神經(jīng)元增殖和遷移問題。之后通過回補(bǔ)實(shí)驗(yàn)證明患者基因變異的有害性。由此，他們推斷TYW1基因缺陷是造成腦癱患者臨床癥狀的原因。

通過對小鼠模型的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)Tyw1缺陷造成神經(jīng)元增殖和遷移受阻。成年期小鼠的腦切片分析表明，神經(jīng)元遷移受阻導(dǎo)致大腦皮層淺層變薄而深層加厚，這一現(xiàn)象在額葉皮層和運(yùn)動皮層均能觀察到，為患者兼具腦癱和智障兩種表型提供了機(jī)制信息（圖2）。
 

圖2. 缺陷型TYW1的功能機(jī)制

為了探索TYW1的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制，研究人員還構(gòu)建了一個模型來模擬懷丁苷水平如何影響核糖體移碼，以此來評估人、小鼠和斑馬魚胚胎發(fā)育時期腦蛋白質(zhì)組受到的影響。他們發(fā)現(xiàn)，四種蛋白質(zhì)受到了顯著影響，分別是CENPE、STIL、NCAPD2和SASS6。有意思的是，這四種蛋白質(zhì)都參與了細(xì)胞周期和有絲分裂，據(jù)報道其缺陷與原發(fā)性小頭畸形有關(guān)。

GPAM變異的深入分析
研究人員還從一名痙攣型四肢癱瘓腦癱患者的基因組中鑒定出GPAM基因復(fù)合雜合型有害變異。不過，該患者的智商高達(dá)116。她代表了一半腦癱群體，雖有運(yùn)動障礙但智力正常。GPAM基因編碼脂代謝限速酶，對脂質(zhì)合成有重要影響。

他們同樣構(gòu)建了斑馬魚基因敲低模型和小鼠基因敲除模型，成功模擬了患者運(yùn)動能力下降但沒有智力障礙這種特殊表型。他們發(fā)現(xiàn)，GPAM在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中特異性表達(dá)，主要是在星形膠質(zhì)細(xì)胞中，且在小鼠后腦中的表達(dá)在出生后14天達(dá)到最高水平（圖3）。星形膠質(zhì)細(xì)胞中的酶活性主要由GPAM維持。
 

圖3. 缺陷型GPAM的功能機(jī)制

在Gpam-/-小鼠中，他們觀察到星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量減少，尤其是在髓質(zhì)區(qū)域。有意思的是，腦切片染色顯示Gpam-/-小鼠運(yùn)動皮層的白質(zhì)厚度明顯下降。同時，小鼠大腦髓質(zhì)區(qū)域內(nèi)的髓鞘標(biāo)志物（髓鞘結(jié)合蛋白，Mbp）顯著降低。因此，他們推測Gpam基因缺陷可能導(dǎo)致皮質(zhì)脊髓束的髓鞘形成不足。該研究中的所有小鼠均由賽業(yè)生物提供，包括野生型C57BL/6J和敲除小鼠。

髓鞘是一種特殊形式的少突膠質(zhì)細(xì)胞膜，包裹在神經(jīng)突觸外，其脂質(zhì)含量遠(yuǎn)高于一般細(xì)胞膜。之前的研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠模型中，少突膠質(zhì)細(xì)胞的脂質(zhì)合成受阻會導(dǎo)致急性脫髓鞘病。不過，這種損傷在一段時間后可自行緩解。最近的研究又發(fā)現(xiàn)，大腦中的脂質(zhì)主要來源于星形膠質(zhì)細(xì)胞。

研究人員于是提出，GPAM基因在星形膠質(zhì)細(xì)胞中參與脂質(zhì)合成，并輸送給少突膠質(zhì)細(xì)胞用于髓鞘形成。GPAM基因缺陷擾亂了星形膠質(zhì)細(xì)胞的脂質(zhì)代謝，導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖受抑制，并造成少突膠質(zhì)細(xì)胞髓鞘形成所需的脂質(zhì)含量不足，導(dǎo)致持久的脫髓鞘病變。

小結(jié)
總的來說，這項(xiàng)研究根據(jù)腦癱相關(guān)基因的二元時空表達(dá)模式提出了一種新的分類系統(tǒng)。這有望作為一份有用的指南，幫助人們探索腦癱相關(guān)基因的潛在機(jī)制，并設(shè)計靶向療法。研究人員認(rèn)為，未來還需要從更大隊列中鑒定出更多的腦癱相關(guān)基因來證實(shí)這個分類系統(tǒng)。

原文檢索：
Li N, Zhou P, Tang H, et al. In-depth analysis reveals complex molecular aetiology in a cohort of idiopathic cerebral palsy. Brain. 2021 Jun 2:awab209. doi: 10.1093/brain/awab209. Epub ahead of print. PMID: 34077496.