通过高通量分子诊断方法鉴定晚发性异染性脑白质营养不良的新型ARSA基因突变
遗传性白质营养不良的神经分子医学研究——一项关于发现新型arsa基因突变的研究报告
研究背景
遗传性白质营养不良（Leukodystrophies）是一类主要影响中枢神经系统白质的遗传性疾病。其范围广泛，病因主要是各种基因突变导致的酶缺陷。最常见的一种白质营养不良是亚型色性白质营养不良（Metachromatic Leukodystrophy，MLD），其是一种罕见的赖索体蓄积病，由ARSA基因的致病突变（pathogenic mutations）引起。MLD临床表现严重，包括运动障碍、精神问题，有时还包括癫痫。根据发病年龄，MLD可进一步分为三种临床类型：婴儿期晚发型、青少年期和成人期。其中，婴儿期晚发型是最常见和最严重的形式。
因其罕见性和不同的基因突变类型，MLD的诊断具有挑战性。传统上，MLD的诊断依赖于对ARSA酶活性的测定，但这种方法可能无法敏感地检测携带者或轻型患者。因此，分子遗传学诊断对于确诊MLD至关重要。
论文来源
这篇研究论文由Abolfazl Yari、Farzane Vafaeie、Zahra Miri Karam、Mahya Hosseini、Hassan Hashemzade、Maryam Sadat Rahimi、Alireza Ehsanbakhsh以及Ebrahim Miri-Moghaddam等学者共同撰写，来自于伊朗的Birjand University of Medical Sciences和Kerman University of Medical Sciences等机构。论文发表于2023年的《Neuromolecular Medicine》（神经分子医学）期刊。
研究目的
本研究的目的是在一例怀疑为MLD的伊朗家庭中，通过全外显子组测序法（Whole Exome Sequencing, WES）鉴定出致病突变，并且通过体外分析验证突变的致病性。
研究方法
病例描述及临床检查
研究对象是一名3岁的女孩，她是来自伊朗东部一个堂亲配偶家庭的第一胎儿。出生时，她的神经系统检查没有问题，但在18个月大时开始出现低肌张力的症状。在首次检查时，她表现出低肌张力、高反射性、严重步态障碍、癫痫发作、肌肉萎缩及不安等症状，但精神状态正常。接下来，研究团队从她的近亲成员中收集了血液样本，并进行了详细的家族史调查。
神经检查包括神经传导研究（Nerve Conduction Studies, NCS）和同心针肌电图（Needle Electromyography, EMG），以评估神经传导速度及运动单位动作电位的持续时间。脑部磁共振成像（MRI）由经验丰富的放射科医生进行，以评估大脑损伤。
分子遗传学分析
为了进行DNA提取，研究团队从患者及其近亲成员中收集了静脉血样本，通过商用DNA提取试剂盒提取淋巴细胞DNA。然后对患者的DNA样本进行全外显子组测序，并使用Sanger测序法确认候选变异。
生物信息学分析
通过多个体外预测工具对候选变异的功能效应进行预测。还使用分子动力学模拟（Molecular Dynamic Simulation, MDS）对突变对蛋白结构和稳定性的影响进行了深入分析。
研究结果
临床发现
三岁时，患者表现出高张力、无法行走、肌肉萎缩、无言语及不安。脑部MRI显示白质异常，在大脑四周形成了蝶形模式，此外，还在矢状面上显示出豹纹模式。
分子遗传学发现
全外显子组测序结果显示在ARSA基因存在一种新型纯合错义变异（c.938 G > C），导致第313位氨基酸从精氨酸变为脯氨酸。体外分析预测该变异具有致病性，并且Sanger测序确认该突变与家系中MLD表型共分离。
生物信息学发现
体外预测工具预测该变异对ARSA蛋白的功能及结构有影响。多序列比对显示该位氨基酸在进化中高度保守，表明其在蛋白功能中的重要性。MDS结果显示，该突变可导致蛋白结构的轻微变化，可能影响酶的功能和稳定性。
研究结论及意义
综上所述，本研究通过高通量分子诊断方法第一次鉴定并报告了ARSA基因中的新型变异，扩展了已知的ARSA突变谱。本研究强调了分子遗传学诊断在确诊罕见遗传病中的重要性，特别是全外显子组测序的应用。
科学价值和应用价值
本研究发现的新突变对理解MLD的病理生理机制具有重要意义，并为制定个性化治疗方案提供了新的机会。例如，通过研究新突变提供的功能信息，可开发基于基因的靶向治疗方法。
本研究还为MLD的早期诊断、管理、产前诊断及植入前遗传学诊断奠定了基础。此外，新变异的功能研究将有助于CRISPR等基因编辑技术在MLD治疗中的应用。
研究亮点
- 新型变异的发现：首次报道了ARSA基因中的新型纯合错义变异 (c.938 G > C)。
- 多方法验证：通过全外显子组测序、Sanger测序及体外预测工具相结合的方法，确认了突变的致病性。
- 分子动力学模拟：深入分析突变对蛋白结构和功能的影响。
进一步研究建议
将来需进一步通过功能实验验证c.938 G > C变异对ARSA蛋白功能的具体影响。这将有助于确定该变异在MLD发病机制中的具体作用，并为个性化治疗提供依据。
本研究扩展了对MLD分子基础的理解，强调了分子遗传学诊断的重要性，尤其是在罕见遗传病的诊断中。未来的研究将有助于阐明这些罕见突变的具体机制，并推动个性化治疗的应用。