​PLOS Biol︱广州实验室景乃禾团队就基因获得性突变与先天性脑积水致病机制的相关研究进行评述

撰文︱陈莹莹

责编︱王思珍，方以一

许多与疾病相关的突变会发生在DNA的蛋白编码区域，尤其是蛋白质与其他分子互作的关键结构位点，这类突变会影响蛋白质的结构和功能，最终破坏该蛋白质与其靶标的相互作用。按照基因突变所导致的蛋白质功能的变化，可将基因突变分为功能缺失型突变（Loss-of-function mutation，LoF）、功能获得型突变（Gain-of-function mutation, GoF）和显性失活突变（Dominant-negative mutation）三种主要类型[1]。大量研究表明LoF模式的突变广泛存在于各类疾病中，例如，在神经发育障碍相关疾病的研究中，研究者发现丝氨酸蛋白激酶CASK的突变会影响其与突触后骨架蛋白Sap97、突触前细胞粘附蛋白、神经素和Tbr1等多种蛋白的互作[2,3]。另外，唐珂与景乃禾课题组近期的一项研究工作发现，由NR2F1-R112K点突变引起的Hedgehog信号通路异常激活会导致兴奋性神经元和抑制性神经元分化失衡，可能是神经发育疾病，尤其是孤独症的潜在致病机制[4]。而具有显性失活突变模式的蛋白通常会与野生型蛋白产生竞争或干扰，间接影响野生型蛋白的功能。总的来说，疾病发生的原因复杂多样，存在多种不同类型的基因突变，并且多个基因的突变可能导致同一种疾病。因此，错综复杂的突变模式极大地增加了相关疾病发病机制的研究难度，深入理解不同基因突变模式对于疾病的治疗至关重要。

脑积水（Hydrocephalus）是严重的多因素神经系统疾病之一，通常被认为是由于脑脊液（cerebrospinal fluid，CSF）从其在脉络丛的产生部位，至其被吸收并进入系统循环的部位之间的液流不通畅所导致[5]。脑积水患者除了脑脊液的异常聚集之外，还通常伴有颅内压升高、头围增大和视力障碍等多项异常。据估计，每1000名婴儿中就有1例受脑积水的困扰，脑积水患者的治疗费用约占所有儿科住院费用的3%，脑积水已造成巨大的社会和经济负担[6]。脑积水的发病原因，通常被认为是脑脊液液流受损、重吸收障碍，以及脑脊液的过量产生等。临床上，脑积水患者通常通过行神经外科脑脊液分流术进行治疗，但患者术后的神经发育会仍有诸多问题，术后存在复发的风险[7]。针对脑积水的有效治疗方案的缺失，凸显了深入了解该疾病发病机制的重要性。

先前已有报道多种功能缺失型突变与脑积水的发生和发展相关，然而，像脑积水这种多因素疾病，是否存在更加复杂的致病机制，目前的研究尚不完善。不同类型的基因突变是否可归纳为单一的分子模型这一问题，仍有待进一步完善和修正。

近期，广州实验室景乃禾课题组受邀在PLOS Biology上发表了题为“Gain-of-function mutations in Trim71 linked to congenital hydrocephalus”的文章，总结和评述了同期发表的一项关于先天性脑积水的（Congenital hydrocephalus，CH）的研究工作“Different congenital hydrocephalus associated mutations in Trim71 impair stem cell differentiation via distinct gain-of-function mechanisms”，相关研究工作为先天性脑积水提出了新的理论模型，提出先天性脑积水相关基因中的功能获得型突变和Wnt-β-catenin信号通路的失调可能与先天性脑积水存在密切关联[8, 9]。

随着全外显子测序（Whole-exome sequencing，WES）数据的逐步积累，研究者可从先天性脑积水患者WES数据中获得丰富的信息。目前已发现的脑积水风险基因的数量已超过一百个，并且单个脑积水风险基因中可能存在多个位点的突变，这意味着脑积水相关突变存在极高的异质性[10]。例如，TRIM71最近被定义为脑积水风险基因，其中存在多个突变位点。位于同一基因上的不同突变产生的效应是否相同、这些突变是如何影响神经发育进程、相关的分子机制是否广泛适用于脑积水的发生过程等问题亟待解决。以Trim71基因为研究对象，研究者利用小鼠胚胎干细胞模型和体外神经分化系统，比较分析了两种不同的脑积水相关突变（R595H-Trim71和R783H-Trim71）在神经分化过程中所产生的影响。研究者发现，这两个脑积水相关突变都会导致胚胎干细胞神经发育异常。有趣的是，通过交联免疫沉淀测序（crosslinking immunoprecipitation and sequencing, CLIP-seq）的结果分析，研究者发现两种Trim71突变为GoF模式，突变蛋白产生了新的结合功能，会分别异位靶向不同的mRNA库。其中，R595H-Trim71异位结合到β-Catenin的编码基因Ctnnb1 mRNA上，其异位结合进一步抑制Ctnnb1的正常翻译，从而导致Wnt-β-Catenin信号通路的失调。重要的是，研究者发现，在R595H-Trim71细胞系中观察到的神经发育缺陷表型可通过调节Wnt-β-catenin信号通路得到一定程度的缓解。总的来说，该项工作提出了新的先天性脑积水的可能致病机制，即R595H-Trim71突变体通过靶向Wnt信号通路效应分子β-catenin来影响先天性脑积水的发病进程（图1）。

图1. 与Trim71突变相关的先天性脑积水的潜在病理机制

(图源：Yingying Chen, et al., PLOS Biology, 2023)

文章结论与讨论，启发与展望

这两篇文章为先天性脑积水的发病机制提供了新的视角，不同的基因突变可能会使相应蛋白获得不同的功能（GoF，LoF或Dominant-negative），也可能参与到相关信号通路的调控中。多种基因突变和多种致病机制之间有何内在关联？如何导致了相同的病理结果？这些问题需要今后在多个疾病模型中，针对不同突变、不同病理特征进行细致分析。然而，这些假设和分析仅能解释存在明确突变 （约20%）的先天性脑积水患者的发病机制，面对复杂疾病，仍存在诸多挑战。

由脑积水的这项研究，可以引发我们产生诸多新的思考。在其他复杂疾病，如神经退行性疾病、癌症等重大疾病中，是否也存在类似的模式？疾病中的多种基因突变是否与某几个特定的信号通路存在关联？针对某一通路的广谱性药物是否存在？我们需要在当前的研究基础上，探寻不同疾病的共性和关联性，进一步探索复杂疾病的发病机制，从而为未来的治疗和预防提供更有力的支持。面对复杂疾病，我们需要不断地开拓思维，提出新的理论模型，并结合新的实验技术手段来更好地理解疾病，定制个性化治疗方案，帮助患者减少痛苦。

原文链接：

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001993

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001947

广州实验室景乃禾研究员为论文的通讯作者，助理研究员陈莹莹和副研究员杨贤法共同完成该评述论文。

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参考文献（上下滑动查看）  
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编辑︱王思珍

本文完