GABRA4基因突变与神经性表型相关研究

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GABRA4 神经性表型 发育延迟 行为异常 癫痫

新科学研究揭示GABRA4基因与神经系统表型的关联

研究背景

近年来，对单基因突变相关的癫痫与发育障碍综合症的研究取得了显著进展。GABAA受体（γ-氨基丁酸A受体，gamma-aminobutyric acid sub-type A receptors，GABAARs）是异质的配体门控阴离子通道，负责抑制性神经传递。GABAARs由19种基因编码的不同亚单位组合而成，形成功能多样的受体亚型。这些受体中的α4亚单位在神经元和胶质细胞中表达，在齿状回及丘脑中表达最为丰富，并且主要存在于突触外，执行基于音调抑制的作用。然而，GABRA4（编码GABAARα4亚单位的基因）在神经发育过程中具体作用的分子机制尚未完全阐明。

早先的研究发现，GABRA4基因的去新突变（de novo variant）p.(Thr300Ile)于一名患有癫痫及神经发育异常的患者中异常表现，该研究提出了GABRA4可能是潜在单基因病因子。然而，自那之后未有新的病例报导。因此，通过国际合作，我们收集了携带GABRA4去新突变的个体的分子和表型数据，旨在进一步验证这一基因与神经系统表型的关联。

研究来源与作者信息

这篇科学论文由Samin A. Sajan, Ralph Gradisch, Florian D. Vogel等多位研究者联合撰写，主要来自University of Wisconsin School of Medicine and Public Health, Medical University of Vienna, Illumina Inc., Nicklaus Children’s Hospital等多家研究机构。该论文发表于2024年4月2日的European Journal of Human Genetics。

研究流程

研究对象及基因分析

本研究对象包括4名携带GABRA4去新突变的个体及其父母。使用的基因分析方法包括全外显子测序（exome sequencing）、全基因组测序（genome sequencing），并在部分案例中辅以Sanger测序确认。研究重点关注GABRA4基因内跨膜结构域的突变，并通过分子动力学（molecular dynamics，MD）模拟进行功能性分析。

实验步骤详述

  1. 患者及其家属基因测序：

    • 患者1（8岁女性）：使用SureSelect Human All Exon Kit（Agilent）进行全外显子测序，并在血液及口腔细胞中通过Sanger测序确认了c.899 C > T, p.(Thr300Ile)突变。该突变位于GABRA4第二跨膜结构域（TMD）。
    • 患者2（9岁女性）：采用Twist Enrichment Workflow（Twist Bioscience）进行全外显子测序，并发现c.797 C > T, p.(Pro266Leu) 突变，该基因位于GABRA4第一跨膜结构域。
    • 患者3（4岁男性）：通过全基因组测序发现c.899 C > A, p.(Thr300Asn)突变，亦位于GABRA4第二跨膜结构域，并通过Sanger测序确认该突变。
    • 患者4（10岁男性）：进行临床外显子测序，发现c.634 G > A, p.(Val212Ile)突变，位于GABRA4外细胞域（ECD）。

  2. 分子动力学模拟：

    • 模拟中使用了基于PDB ID: 7QN9的α4β3δ受体预开态结构，并插入了复杂的脂膜环境。
    • 进行了每种突变条件下3次独立的复制实验，总时间为0.5微秒。
    • 分子动力学模拟揭示了野生型与突变型受体在跨膜结构域行为上的显著差异。

研究对象表型及基因表现

  1. 患者1：该患者表现为发育迟缓、癫痫、不眠。分子动力学模拟显示，p.(Thr300Ile)突变导致跨膜结构域（TMD）动态性降低，验证了之前的实验数据。
  2. 患者2：表现为全球性发育迟缓和注意力缺陷，分子动力学模拟揭示p.(Pro266Leu)突变引起TMD的动态行为增强，表明该突变可能产生功能增益效应。
  3. 患者3：表现为严重的发育迟缓、癫痫及脑结构异常，该病例的p.(Thr300Asn)突变导致TMD的稳定性增加，类似于患者1的表现。
  4. 患者4：显示为复杂的发育和行为问题，但未见癫痫及脑电图异常。p.(Val212Ile)突变位于外细胞域，分子动力学模拟未能识别此突变中的显著功能变化。

研究结果

研究揭示了持有GABRA4去新突变的4名个体中，存在普遍的神经发育迟缓、智力障碍、行为异常及癫痫现象。尤其是跨膜结构域（TMD）突变与癫痫相关的关联得到较强验证，所有在TMD突变的患者都表现出不同程度的癫痫。而唯一没有表现出癫痫的患者，其突变位于外细胞域，这表明不同领域的突变可能对表型特征产生不同影响。

研究意义

通过结合大规模基因测序和分子动力学模拟，本研究进一步确认了GABRA4基因与神经系统异常之间的单基因病因论述。该研究不仅揭示了TMD突变对GABAAR结构和功能的影响，同时也指出了GABRA4表达在神经发育阶段潜在的重要作用。

结论与展望

本研究强调了GABRA4去新突变在神经发育、行为和癫痫中的病理学角色，呼吁进一步的生化和电生理研究以及更多患者数据的收集，帮助全面理解GABRA4相关的临床光谱。此外，阐明GABRA4在胚胎发育阶段的表达模式对揭示其在人类神经发育中的确切作用具有重要意义。