Smith-Kingsmore综合征(SKS)是一种罕见的常染色体显性遗传病,由
MTOR基因突变导致,其主要临床表现包括智力障碍、巨脑畸形、癫痫、特征面容以及运动和语言发育迟缓
[1,2]。Smith等
[3]在2013年首次报道
MTOR基因变异会导致一种大脑过度生长伴智力障碍综合征,并将其命名SKS。
MTOR基因编码哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR),该蛋白在PI3K/Akt/mTOR信号通路中起关键作用,调控细胞生长、代谢、自噬和蛋白合成。既往研究发现,SKS相关
MTOR突变主要集中在激酶结构域和FAT结构域
[2,4]。本研究采用WES技术,对1例SKS患儿进行致病基因筛查,并通过Sanger测序验证突变。结合生物信息学分析,探讨
MTOR基因c.4445G>C (p.R1482P)新发突变致SKS患儿的遗传学病因,以期提高临床医师对SKS的认识,为临床诊断和遗传咨询提供新的理论依据。
1 对象与方法
1.1 研究对象
患儿,4岁5个月,男,因其癫痫,智力低下,大头畸形,睡眠障碍和吐字不清于2024年5月来运城妇幼保健院儿保科就诊。患者的父母和其姐姐无临床表型,父母非近亲结婚且双方家族成员内无类似表型。该研究经运城市妇幼保健医院伦理委员会批准(YC⁃FYBJ2024035),患者和家属均签署知情同意书。
1.2 实验室检查和治疗
1.2.1 一般资料
患儿有癫痫症状,患儿抽搐发作形式为意识丧失、双眼向右侧凝视、四肢松软、双手握拳持续30s后自行缓解,每月发作2~3次。患儿运动、认知及语言均落后,患儿8月龄会坐,13月龄会爬,1岁6月龄会走。患儿系母亲第2胎第2产,足月剖宫产出生,出生体质量3.1 kg,头围39.1 cm,否认缺氧病史、生后窒息。患儿父母体健,非近亲婚配,否认有类似疾病家族史。父母否认接触有毒有害物质及放射线、母亲怀孕期间没有感冒咳嗽等原因而服用药物,孕中后期多次产检胎儿彩色超声均提示头围大于胎龄。
1.2.2 体格检查
患儿,4岁5个月,身高107 cm,体质量17.9 kg,头围50.5 cm,特殊面容(前额略突出、双眼眼距宽、鼻梁凹陷、人中平滑),营养中等,四肢肌力正常,肌张力稍低,未见异常姿势,生理反射存在,病理反射未引出。可独走,不会跑,仅能说几个简单字汇,仅能听从简单指令,复杂指令理解差。
1.2.3 辅助检查
颅脑MRI平扫示:松果体区异常信号,囊肿;双侧额顶叶白质少许异常信号,考虑为局部髓鞘化不良;双侧脑室旁及半卵圆中心多发血管周围间隙;双侧脑室形态欠规则,考虑为先天发育不全;左侧颞部脑外间隙增宽;垂体柄右偏;蝶窦少许炎症,双侧下鼻甲黏膜增厚;腺样体增厚。患儿睁闭眼试验:α抑制不完全。婴幼儿智能发育测试示:中度落后,发育商68。脑电图示:异常儿童脑电图,基本节律8~9 Hz,10~70 μV脑波,波形、节律、调幅均可,两侧对称。所有记录导联可见有多量低压快活动。两侧各导联屡见有尖慢复合波爆发,时左时右,以左侧中央为著。彩超,胸部DR摄影,12导联心电图,结果无异常。实验室检查:血常规、尿常规、生化、甲状腺、肾上腺和便常规结果无异常。
1.2.4 治疗方案
住院期间静脉输注抗癫痫药物左乙拉西坦和丙戊酸钠,偶然出现惊厥,予抗惊厥治疗,口服苯巴比妥治疗下偶有惊厥发作,患儿偶有抽搐发作,经调整抗癫痫药物剂量后一般情况良好,无发热、无呕吐无抽搐,复查肝功能等指标正常,予以出院。
1.3 分子遗传学检查
1.3.1 样本收集及DNA抽提
根据患儿临床特征及辅助检查高度怀疑遗传学疾病可能,经患儿监护人知情同意后抽取患儿及父母EDTA抗凝外周血各两管,每管各2~3 mL。采用外周血基因组DNA提取试剂盒(北京天根生化科技有限公司)提取DNA,按说明书操作。DNA的浓度及纯度质控标准为DNA浓度>30 ng/μL,总量>5 μg,A260/A280比值范围在1.8~2.0之间,-20 ℃冰箱保存备用。
1.3.2 WES测序及基因突变分析
将患儿的EDTA抗凝2 mL外周血送至深圳安吉康尔科技有限公司,使用Qiagen公司 QIAamp DNA Mini试剂盒,从全血中提取基因组DNA并构建DNA文库,用捕获芯片将目标区域的DNA片段进行富集后再借助高通量WES测序平台进行测序。然后运用Burrows-Wheeler Aligner(BWA)软件与hg19比对得到所有变异位点,再用SOAPsnp和Genome Analysis Toolkit(GATK)软件对其中的SNP、InDel位点进行鉴别。再通过ANNOVAR 软件对所有的SNV和INDEL进行注释,同时参考dbSNP147、HapMap、ESP6500和千人基因组数据库对变异位点行进一步筛选。测序结果与基因组GRCh37标准序列进行比对分析获得基因突变情况。查询ClinVar和HGMD数据库有无该突变的致病性报道。采用PROVEAN、PolyPhen2、Mutation Taster和SIFT在线预测工具对错义变异进行致病性预测、保守性预测和蛋白功能预测。利用PCR和Sanger测序验证对患儿及其父母的相应致病基因位点进行共分离验证。测序平均深度为116×,大于20×的reads达到97%以上。
1.3.3 Sanger测序验证
引物序列使用Primer Premier 6.0软件设计,并由上海生工生物工程股份有限公司合成。序列覆盖MTOR基因外显子上的突变位点及其侧翼序列(上游引物:5′-GTGAAGGCCT-TCCTACTTAGCA-3′,下游引物:5′-ATGGACACCAACAAGGACGAC-3′),使用Hot Start DNA polymerdse对目标区域进行PCR扩增。PCR反应体系为:2×Mix 20 μL,基因组DNA(20 ng/μL)1 μL,上下引物(10 pmol/μL)各1 μL,补水至40 μL。PCR扩增条件:95 ℃预变性4 min,然后95 ℃变性30 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,35个循环后于72 ℃延伸4 min,产物长度为274 bp。PCR产物纯化后采用ABI BigDye3.1测序试剂盒,在ABI3130基因测序仪(美国ABI)上对产物直接进行测序,测序结果与标准序列进行比对分析。
1.3.4 分子对接及蛋白保守性预测
使用PyMol进行分子对接的可视化,该工具不仅能够渲染高质量的三维分子结构,还能通过多种视图和展示方式深入分析分子间的相互作用;运用UGENE软件对目标蛋白质的保守性进行预测,涉及到对多序列比对的分析,以识别在不同物种中保守的氨基酸残基。
2 结果
2.1 患儿及其父母的基因突变结果
WES发现患儿基因
MTOR在第30号外显子处存在c.4445G>C杂合突变,即在基因编码区第4445位核苷酸处的鸟嘌呤(G)突变为胞嘧啶(C),但患者父亲(Ⅱ-1)、母亲(Ⅱ-2)和姐姐(Ⅲ-1)均未发生该突变(见
图2)。该位点可能为患儿自发体细胞突变。
2.2 突变位点致病性分析预测结果
先证者存在
MTOR:c.4445G>C(p.R1482P)杂合突变,突变分析其基因为错义突变,使
MTOR基因cDNA的外显子4445位点G核苷酸突变为C核苷酸,即由精氨酸变成脯氨酸,可能影响蛋白功能(见
图3);ClinVar和OMIM数据库均仅见1例该位点报道。经dbSNV_ADA、dbSNV_RF、mmsplice以及Spidex-Zscore软件的预测分值提示
MTOR基因c.4445G>C变异为致病变异(PS2+PM2_Supporting+PS4_Supporting+PP3_Moderate)。该位点在国内未见相关报道。
2.3 蛋白结构域结果
MTOR的结构域主要包括F594S和C606R两个人类核心区域,此外还涵盖FAT和FATC结构域(见
图4)。在研究中,重点关注的变异位点(标记为*)集中在激酶区域及其邻近的调控区域。其中,R1482P是本次研究的关键位点之一,位于激酶区域,可能影响蛋白的酶活性和结构稳定性。其他与SKS相关的变异还包括E1442L、R1482C、C1483Y、I1973F等,这些突变主要分布在激酶区域及调控区。
2.4 蛋白保守性分析结果
MTOR c.4445G>C在人、家鼠、沟鼠、原鸡、斑马鱼等物种中高度保守(见
图5)。
3 讨论
SKS是一种罕见的常染色体显性遗传病,由
MTOR基因的杂合突变引起。该疾病的主要临床特征包括智力发育迟滞、巨脑畸形、癫痫、特征性面容、语言和运动发育迟缓
[5]。近年来的研究表明,
MTOR基因在PI3K/Akt/mTOR信号通路中发挥核心作用,该信号通路的异常激活可能是SKS发病的关键机制
[6]。
MTOR基因位于1p36染色体区域,全长约156 kb。mTOR蛋白由2 549个氨基酸组成,分子量约为300 kDa。它主要由以下结构域组成:HEAT重复结构域(负责蛋白-蛋白相互作用)、FAT结构域(维持蛋白稳定性)、FRB结构域(雷帕霉素结合区域)、激酶结构域(负责信号转导)以及FATC结构域(调控激酶活性)
[7]。mTOR蛋白主要通过两种蛋白复合体mTORC1和mTORC2发挥生理功能,其中mTORC1主要调控细胞生长和代谢,而mTORC2则涉及细胞存活和细胞骨架动态变化
[8]。
在SKS患者中,
MTOR基因的突变大多位于FAT区、激酶结构域或FRB结构域,导致mTORC1/2复合物异常激活,进而影响神经发育、细胞增殖和代谢调控
[9]。Liu等
[10]报告73例SKS患者,有26个突变体,主要位于mTOR蛋白的FRAP、ATM、TRAP(FAT)和激酶(KD)结构域。至今已报道101例SKS患者30个致病突变位点,主要集中在
MTOR基因的特定区域,尤其是与mTOR蛋白功能相关的关键结构域,并且表现多为错义突变,部分突变位点表现出“功能获得”(gain-of-function, GOF),即增强了mTORC1/2的活性,导致过度的神经元增殖和分化异常
[11]。Besterman等
[11]通过结构分析发现,某些突变(如Q2524K)破坏了FAT和KD结构域中的α螺旋结构,确认其为致病变异。Liu等
[10]则体外构建了5种突变体,发现它们均增加了mTOR的活性,其中R1480-C1483突变表现出最高活性,G2464V最低。此外,所有突变体都通过用含有高葡萄糖、氨基酸和血清的完整培养基重新刺激而完全激活,与WT相似。研究显示,大部分致病性
MTOR突变(包括c.5395G>A/p.Glu1799Lys)会破坏脂肪结构域中的α螺旋堆积,造成蛋白功能获益
[11-14]。FAT结构域突变还可改变蛋白的空间结构,增强其与下游信号分子的结合能力,从而引发信号通路的异常激活
[15]。此外,mTOR信号通路的过度激活已被证实与神经发育障碍、癫痫和巨脑畸形密切相关
[16]。本研究发现的c.4445G>C(p.R1482P)突变位于FAT结构域α螺旋核心附近。FAT区通过与mLST8及Raptor/Rictor等结合,调控mTORC1/2的组装与空间稳定性。进一步采用PyMOL软件进行蛋白结构建模,R1482P替代将引发局部构象扰动,降低FAT区与下游TSC2或Akt间的结合亲和力。因此,该突变可能通过增强mTOR自激活或降低其负调控,造成mTORC1/2持续激活,从而扰乱皮层神经元增殖与迁移进程。
MTOR基因的c.4445G>C(p.R1482P)突变可能影响MTOR蛋白的结构和功能,从而影响其在mTORC1和mTORC2复合物中的组装、激酶活性或底物结合。其发病机制也可能涉及多基因的复杂相互作用
[17]。具体来说,这个突变可能干扰MTOR与调节蛋白(如raptor、rictor)或底物(如4E-BP1、S6K1)的相互作用,影响下游信号传导,进而调控细胞的生长和自噬过程。此外,突变也可能影响MTOR与上游调控路径(如PI3K/AKT)的关系,导致通路的紊乱。这一突变还可能扰乱其他信号通路(如MAPK、Wnt)的交叉调控。研究上,利用全外显子组测序、RNA-seq和ChIP-seq等方法,有助于识别与
MTOR互作的关键基因,如
PIK3
CA、AKT1
、TSC1/2
、RHEB和
DEPDC5,有助于深入理解SKS的遗传机制和开发新疗法。这些基因的突变或调控异常可能共同影响疾病表现,但需要进一步验证。
目前,SKS的治疗主要以对症治疗为主,针对癫痫、智力发育迟滞和运动障碍等核心症状进行干预。mTOR信号通路异常激活是SKS发病的关键机制,因此mTOR抑制剂(如雷帕霉素及其衍生物依维莫司)被认为是潜在的治疗策略
[18]。已有研究表明,雷帕霉素可通过抑制mTORC1活性,改善SKS患者的癫痫发作和神经认知功能
[19]。虽然雷帕霉素、西罗莫司和依维莫司等mTOR抑制剂已应用于临床,但其长期效果、安全性和副作用尚不明确,可能引发代谢异常
[20]、免疫抑制
[21]、生长发育问题
[22]及其他不良反应
[23]。基因治疗是一种具有巨大潜力的SKS治疗方法,旨在纠正MTOR基因的突变或引入功能正常的MTOR基因拷贝,未来有望实现治愈。作为替代或辅助治疗,基因治疗(如CRISPR-Cas9)和干细胞治疗也显示出潜在的应用前景
[24],前者旨在修正突变,后者则利用干细胞的再生能力改善症状
[25]。此外,GLP-1受体激动剂和中医药等也被探索用于相关症状的缓解。虽然基因治疗在其他遗传疾病中的应用已显示出潜力,但针对SKS的基因治疗目前仍处于早期研究阶段,尚未开展临床试验。然而,随着CRISPR-Cas9等基因编辑技术的不断进步,基因治疗未来有望为SKS患者提供一种潜在的根本性治疗方案。未来的研究应集中于开发更安全有效的基因和干细胞疗法,评估其长期效果,并结合多种治疗方式,提供更全面的治疗方案,从而改善SKS患者的生活质量。本研究中,先证者表现出典型临床特征,住院期间,给予抗癫痫药物治疗后,癫痫发作有所减少。考虑到mTOR过度激活的机制,随后尝试低剂量雷帕霉素治疗,患者的病情进一步改善。
鉴于SKS作为一种遗传疾病,其发生频率在不同地域和人群中存在差异,国外此疾病的发病率相对较高,而在国内则相对罕见。因此,建立针对该疾病的基因诊断与早期筛查策略,应以“技术与临床需求的紧密结合”为核心原则,采取“突变谱分析、技术方案优化以及临床验证”的循环流程。结合高通量测序、生物信息学分析以及POCT等先进技术,打造标准化、易于推广的筛查体系。未来,应进一步整合单细胞测序技术,用于解析不同组织中的特异性突变,同时结合人工智能辅助诊断,以提升变异解读的效率。这样将推动筛查技术朝着“高精度、快速、低成本”的方向发展,为SKS患者的早期干预提供坚实的技术基础。结合基因型-表型的关联信息指导个体化治疗,可根据突变类型的不同,预测治疗反应。例如,携带截短突变的患者通常对mTOR抑制剂表现出良好的敏感性,而错义突变患者可能需要联合药物疗法以获得更佳的治疗效果。对于具有获得性功能突变的病例,可以采用反义寡核苷酸(ASO)技术,设计靶向干预策略。同时,利用依维莫司等药物对与MTOR突变相关的通路在体外的实验数据进行分析,有助于开发更具针对性的药物,从而依据突变类型制定个性化治疗方案。
综上,本研究采用全外显子组测序(WES)结合Sanger测序,在1例SKS患儿中鉴定出MTOR基因的c.4445G>C(p.R1482P)错义突变,并通过生物信息学分析及蛋白结构预测,证实该突变具有潜在的致病作用。此外,研究表明该突变可能通过影响mTORC1/2信号通路的调控,从而引发神经发育方面的异常。这些研究结果为SKS的早期诊断和分子层面的治疗策略提供了新的思路,为遗传咨询及个体化治疗方案的制定奠定一定的理论基础。