Cell Discovery丨CMPK2缺陷导致线粒体功能障碍和家族性脑钙化症

撰文丨程学文，赵淼

2022年11月29日，福建医科大学附属第一医院神经内科陈万金/王柠教授团队，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心熊志奇/程学文研究团队，与山东大学齐鲁医院焉传祝/赵翠萍课题组合作，于 Cell Discovery 期刊在线发表了题为 Loss of function of CMPK2 causes mitochondria deficiency and brain calcification 的研究论文。该工作在国际上首次发现CMPK2基因双突变可导致线粒体功能障碍，并引起家族性脑钙化症（Familial Brain Calcification，FBC）。

脑钙化病是一种影响广泛的神经障碍性疾病，在老年人中发生率高达20%，由于其发病机制不清楚，临床上缺乏有效的治疗手段。FBC是一种以双侧基底节、小脑和其他脑区病理性钙化灶沉积为特征的神经遗传病，主要通过颅脑CT作为检查手段，其临床症状主要包括进行性运动、精神、认知障碍和头痛等。最常见的FBC包括原发性家族性脑钙化症（PFBC）、Aicardi-Goutières综合征（AGS），假性甲状旁腺功能减退症等。FBC的遗传基因鉴定对于阐明脑钙化发生的分子细胞机理非常重要。过去十年已经发现多个FBC特别是PFBC的关联基因，然而仍有40%以上的家族性患者的遗传因素尚未明确。

福建医科大学附属第一医院陈万金教授团队通过多年积累，规范建立了117个FBC家系和365个散发脑钙化患者的临床队列。在基因诊断上，运用全外显子测序技术，发现福建和山东的两个具有类似临床表征和脑钙化影像特征的家系患者均带有双染色体CMPK2基因突变。进一步，采用Sanger测序验证了两个家系中的CMPK2基因双突变与脑钙化符合共分离特征。CMPK2 基因编码一种定位于线粒体的UMP-CMP kinase 2 (CMPK2) 蛋白，是线粒体中负责将(d)CMP/UMP转化成(d)CDP/UDP最关键的酶。

通过与脑智中心熊志奇课题组合作，构建了突变蛋白质表达质粒，发现病人的突变造成CMPK2不能定位在线粒体。进而，采集病人和家属新鲜外周血提取血细胞RNA进行转录组测序，并采用基因功能注释的GO分析发现患者群体的差异性生物学通路出现多个线粒体和能量代谢相关通路的富集。接着，采用原位杂交技术等表达分析技术发现，小鼠脑内的Cmpk2基因主要在神经元和血管内皮细胞呈现表达富集。研究者构建了Cmpk2敲除小鼠，发现Cmpk2敲除的小鼠脑组织线粒体DNA拷贝数减少。原代神经元培养分析显示，CMPK2缺失可造成线粒体关键蛋白如COX4, Cytochrome C的表达量降低，ATP合成减少以及细胞内无机磷浓度增高。电镜观察显示，对线粒体功能至关重要的线粒体嵴结构在CMPK2缺失的细胞中明显被破坏了。

在钙化表型方面，研究人员构建了Cmpk2基因敲除小鼠（Cmpk2-KO），以及带有患者突变的Cmpk2基因突变敲入 (knockin, Cmpk2-KI）小鼠，并连续追踪小鼠的脑钙化表型。结果显示，在10月龄的Cmpk2-KO小鼠，和12月龄的Cmpk2-KI小鼠的丘脑区均出现异常钙化沉积。综上，该工作通过多个层面的数据证明了CMPK2基因突变是FBC发生遗传致病因素之一。在概念创新层面，该研究拓展了此前关于脑钙化发生的细胞学机制，即：CMPK2缺失引发线粒体核苷酸合成缺陷，并可能通过影响线粒体内的无机磷酸根稳态，导致脑钙化和多种临床症状的发生。

我国拥有丰富的临床样本资源，然而将此临床宝藏转化成驱动原创科学发现的源头优势仍有较大进步空间。据WHO统计，目前世界上约有7000多种单基因遗传疾病，其中60%都有神经系统症状，然而我国科研人员在脑疾病遗传学研究方面处于国际领先地位的仍不多见。家族性脑钙化可能是其中的一个案例。2012年，华中科技大学刘静宇教授（现任中科院脑智中心研究员）与北京协和医院张学教授合作，发现原发性家族性脑钙化症 (PFBC) 的第一个致病基因SLC20A2 (Nature Genetics, 2012)，首次将脑钙化与脑内磷稳态异常关联。2018年，福建医科大学附属第一医院神经内科陈万金/王柠教授团队与中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心熊志奇/程学文研究团队合作，发现了PFBC的首个隐性致病基因MYORG (Neuron, 2018)，将脑钙化与胶质细胞功能异常关联。2020年，浙江大学附属第二医院罗巍教授发现第二个PFBC的隐性致病基因JAM2（Brain, 2020），支持了血脑屏障通透性改变与脑钙化发生之间的紧密关系。在PFBC已经发现的六个关联致病基因 (另外三个为PDGFRB, PDGFB, XPR1) 中，中国学者发现了其中的三个。按照基因关联家系占比计算，中国学者发现的三个基因 (SLC20A2/PIT2, MYORG, JAM2) 在已报道家系中占比76% (引用2021年Movement Disorder文章)。本次工作发现的CMPK2 (Cell Discovery, 2022)，是福建医科大学附属第一医院陈万金/王柠教授团队和中科院脑智中心熊志奇/程学文研究团队在家族性脑钙化合作研究方向的进一步成果。2020年，双方团队在国际知名医学杂志BMJ发表述评，探讨单基因脑疾病的研究现状和未来展望，如何促进处于老龄化进程中的中国人民的脑健康 (BMJ, 2020)。基于这些源头性的遗传发现，双方实验室通过合作深入分子细胞层面，挖掘脑钙化发生发展的重要机理，有望为相关疾病的治疗带来突破性进展。

本研究由福建医科大学附属第一医院神经内科赵淼博士、苏惠贞博士、博士研究生曾一恒、山东大学齐鲁医院孙媛医师为共同第一作者，在福建医科大学附属第一医院陈万金教授，中国科学院脑智中心程学文副研究员 (现临港实验室副研究员)，以及山东大学齐鲁医院赵翠萍主任医师作为共同通讯作者的指导下合作完成。福建医科大学附属第一医院神经内科王柠教授、中国科学院脑智中心熊志奇教授、浙江大学附属第二医院神经内科罗巍教授、山东大学齐鲁医院神经内科焉传祝教授、中国农业科学院深圳农业基因组研究所左二伟研究员对本研究给予了重要指导和帮助。神经所光学成像平台、电镜平台、小鼠动物房和非人灵长类研究平台（苏州），在小鼠制作、饲养和成像方面提供了大力协助。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41421-022-00475-2

制版人：十一

参考文献

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