煙堿型乙酰膽堿受體基因與癲癇的研究進展

李靜文綜述， 張黎明審校

癲癇是一種由腦部異常同步或過度的神經(jīng)元電活動導(dǎo)致的慢性腦部疾病，影響著全球約6500萬人[1]。其發(fā)病機制較為復(fù)雜，在目前已發(fā)現(xiàn)的癲癇致病基因中，電壓門控離子通道相關(guān)基因和配體門控離子通道相關(guān)基因分別占17%、10%[2]。國內(nèi)外研究表明，癲癇發(fā)生發(fā)展與煙堿型乙酰膽堿受體(nicotinic acetylcholine receptor，nAChR)基因突變相關(guān)，目前已證實，CHRNA2、CHRNA3、CHRNA4、CHRNA5、CHRNA7、CHRNB2及CHRNB4的基因突變在癲癇的疾病進程中扮演著重要作用。我們查閱了近年來國內(nèi)外發(fā)表的相關(guān)文獻，對煙堿型乙酰膽堿受體基因與癲癇的研究進展綜述如下。

1 nAChR的結(jié)構(gòu)及功能

乙酰膽堿(acetylcholine，ACh)是重要的神經(jīng)遞質(zhì)，根據(jù)傳遞信號的受體對毒蕈堿或尼古丁的敏感性不同可分為：毒蕈堿型乙酰膽堿受體(muscarinic acetylcholine receptor，mAChR)和nAChR，nAChR是配體門控離子通道，傳遞信號的速度相對較快，可在ms內(nèi)介導(dǎo)快速的突觸傳遞。根據(jù)所處的位置不同可以分為：突觸前nAChR、突觸后nAChR和非突觸性nAChR，突觸前nAChR的激活可導(dǎo)致神經(jīng)遞質(zhì)釋放增強，突觸后nAChR可快速傳遞細胞興奮性，而非突觸性nAChR在神經(jīng)元興奮性以及各種神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用[3]。

nAChR是一種由α、β、γ、δ和ε五個亞基圍成的五聚體配體門控陽離子通道，分子量約為300 kDa。nAChR的亞基功能也不同，目前已發(fā)現(xiàn)17種亞基(α1-α10，β1-β4，δ，ε和γ)，除了α-8亞基僅在鳥類中發(fā)現(xiàn)，其余亞基均在人類和其他哺乳動物中被發(fā)現(xiàn)[4]。編碼nAChRα亞基的基因稱為CHRNA(1-10)，編碼β亞基的基因稱為CHRNB(1-4)，γ、δ和ε亞基是肌肉受體，相應(yīng)的編碼基因分別為CHRNG、CHRND和CHRNE[5]。這些亞基都由四個疏水跨膜結(jié)構(gòu)域(transmembrane domain，TM)(TM1-TM4)、胞內(nèi)域、胞外氨基末端和胞外羧基末端結(jié)構(gòu)組成。其中，相對親水的胞外氨基末端攜帶ACh的結(jié)合位點，TM2疏水區(qū)構(gòu)成離子通道內(nèi)壁，圍成孔道，在受體的離子選擇性、通透性及通道門控方面起著重要作用，TM1和TM3包裹TM2與周圍脂質(zhì)雙分子層分隔，TM4是接觸脂質(zhì)雙分子層最多的區(qū)域[6，7]。

nAChR參與神經(jīng)元興奮性和神經(jīng)遞質(zhì)釋放等多種生理功能，在機體學(xué)習認知記憶等方面發(fā)揮著重要作用，與癲癇、阿爾茨海默癥、帕金森病、精神分裂癥等一系列中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病有密切聯(lián)系[8]。nAChR在大腦中分布廣泛且不均勻，對鈉、鉀、鈣等多種離子具有通透性，同時調(diào)節(jié)興奮性和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，具體的調(diào)節(jié)作用取決于nAChR在興奮性和抑制性神經(jīng)元上的表達差異。大量研究表明[9，10]，nAChR相關(guān)編碼基因突變與癲癇的發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切。當編碼nAChR的基因發(fā)生改變時，可能會引起nAChR相關(guān)結(jié)構(gòu)功能變化，導(dǎo)致大腦局部電位改變，從而引起癲癇。

2 nAChR相關(guān)基因突變與癲癇的關(guān)系

2.1 CHRNA2 CHRNA2位于染色體8p21.2上，主要編碼位于γ-氨基丁酸能中間神經(jīng)元的α-2亞基。Aridon等[11]首次發(fā)現(xiàn)了CHRNA2上的I279N突變，這一錯義突變導(dǎo)致TM1區(qū)域結(jié)構(gòu)改變，影響nAChR在封閉-開放之間的轉(zhuǎn)化并增加突變受體的敏感性，故攜帶突變基因的神經(jīng)元細胞受到較低的膽堿能刺激時，細胞膜電位發(fā)生變化。他們隨后將錯義突變的I279N瞬時轉(zhuǎn)染至突變型和野生型HEK293細胞，同樣也發(fā)現(xiàn)這一突變增加了受體對ACh的敏感性。與I279N不同，I297F突變會改變位于TM2結(jié)構(gòu)區(qū)域的異亮氨酸，這直接影響門控結(jié)構(gòu)。此外，I297F突變引起細胞膜電流表達的降低可能會影響突變受體的折疊運輸或者門控轉(zhuǎn)換，其原因可能有二：一是細胞表面nAChR通道表達受損，二是通道開放率的急劇下降[12]。雖然I279N和I297F都是CHRNA2基因上的突變，但它們對通道功能有相反的影響。

家族性睡眠相關(guān)的高運動性癲癇(autosomal dominant sleep-related hypermotor epilepsy，ADSHE)，又名常染色體顯性遺傳夜間額葉癲癇(autosomal dominant nocturnal frontal lobe epilepsy，ADNFLE)是一種局灶性癲癇，以夜間成串、刻板且短暫的運動發(fā)作為特征，主要發(fā)生在非快速動眼睡眠期，平均發(fā)病年齡為10歲。ADSHE的發(fā)展并不是漸進性的，隨著年齡增加，癲癇發(fā)作可能會較之前發(fā)作頻率下降和癥狀減輕[13，14]。相關(guān)研究表明CHRNA2的I279N和I297F突變與ADSHE有關(guān)[11，12]。最近Villa等[15]發(fā)現(xiàn)了位于CHRNA2上另一個與ADSHE相關(guān)的Tyr252His(c. 754T>C)錯義突變，該突變位于結(jié)合ACh的N端結(jié)構(gòu)域，這一突變沒有改變α-2亞基的轉(zhuǎn)錄和表達，其導(dǎo)致癲癇的機制可能是Martinotti細胞中膽堿能反應(yīng)下降抑制了中間神經(jīng)元，進而通過反彈興奮導(dǎo)致椎體細胞興奮。

CHRNA2基因不僅與ADSHE的遺傳性聯(lián)系緊密，還與其他類型癲癇的發(fā)生發(fā)展有著千絲萬縷的關(guān)聯(lián)。Trivisano等[16]于2015年發(fā)現(xiàn)良性家族性嬰兒癲癇(benign familial infantile seizure，BFIS)與CHRNA2基因Arg376Trp錯義突變有關(guān)，位于胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域的第376位精氨酸參與形成的氫鍵維持α-螺旋的穩(wěn)定性并與TM1和TM4結(jié)構(gòu)域跨膜螺旋密切相關(guān)。當精氨酸突變?yōu)樯彼釙r，將導(dǎo)致α-螺旋結(jié)構(gòu)分離，最終nAChR構(gòu)象發(fā)生改變。

2.2 CHRNA3/CHRNA5/CHRNB4 15q25.1基因簇包含CHRNA3/CHRNA5/CHRNB4基因，分別編碼nAChR的α-3、α-5和β-4亞基，介導(dǎo)氣道膽堿能活動，與吸煙、慢性阻塞性肺疾病以及肺癌等相關(guān)[17，18]。從鳥類到哺乳動物的研究發(fā)現(xiàn)，這三類基因是共同調(diào)控的，這些特定的基因突變?yōu)槟承┘膊〉囊赘行蕴峁┝讼嚓P(guān)證據(jù)。Shi等[19]通過對兒童良性癲癇伴中央顳葉尖波(benign childhood epilepsy with centro-temporal spikes，BECTS)患者和健康人群進行全基因組關(guān)聯(lián)對照研究，發(fā)現(xiàn)BECTS與基因CHRNA3/CHRNA5/CHRNB4簇相關(guān)，通過對遺傳學(xué)和基因表達數(shù)據(jù)的綜合分析，發(fā)現(xiàn)BECTS的發(fā)生發(fā)展與單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism，SNP)rs1948以及CHRNA5的 t3603463轉(zhuǎn)錄相關(guān)聯(lián)，并且抗膽堿能療法可能在BECTS患者中有效。此外，BECTS患者中也發(fā)現(xiàn)了CHRNA4基因C. 1007G>A突變[20]。

2.3 CHRNA4 CHRNA4有六個外顯子，分布于染色體20q13.33上，大小約為17kb，主要編碼神經(jīng)元乙酰膽堿受體α-4亞基，其編碼區(qū)主要位于外顯子五上。CHRNA4是第一個被證明與ADSHE相關(guān)的致病基因[21]。散發(fā)性睡眠相關(guān)的高運動性癲癇(sleep-related hypermotor epilepsy，SHE)以前稱為散發(fā)性夜間額葉癲癇(nocturnal frontal lobe epilepsy，NFLE)，與ADSHE有著相似的臨床特征[22]。Xu等[23]發(fā)現(xiàn)散發(fā)性SHE患者CHRNA4基因外顯子五上的G923A突變可導(dǎo)致密碼子第308位氨基酸由精氨酸變?yōu)榻M氨酸，這一突變位于TM3和TM4結(jié)構(gòu)域之間的第二個胞內(nèi)環(huán)路中，可能使受體對乙酰膽堿敏感性增加，從而導(dǎo)致散發(fā)性SHE。Wang等[24]發(fā)現(xiàn)CHRNA4基因中I275F(c. 823A>T)新增突變，該突變位于nAChR的TM2結(jié)構(gòu)域中，降低了周圍氨基酸的疏水性以及對蛋白亞基的二級結(jié)構(gòu)進行了輕微的修飾，這可能損害nAChR的離子通道孔，進一步可能造成通道構(gòu)象和通透性的改變。此外，Cadieux-Dion等[25]在腦蓋-島葉起源的SHE患者中發(fā)現(xiàn)CHRNA4基因雜合錯義突變p. Arg360Gln(c. 1079G>A)。

2.4 CHRNA7 CHRNA7位于人染色體15q13.3的長臂上，有10個外顯子，這是一個位于人類基因組中的高度不穩(wěn)定區(qū)域，與精神分裂癥、自閉癥、癲癇等相關(guān)，目前在中國南方漢族SHE患者中沒有發(fā)現(xiàn)CHRNA7基因突變[26～28]。融合基因CHRFAM7A由FAM7A1、FAM7A2基因外顯子A-E和CHRNA7基因第五至十外顯子組成，編碼分子量為46.2kDa的dupα-7[29]。Rozycka等[30]發(fā)現(xiàn)CHRFAM7A基因第六外顯子2-bp的缺失與特發(fā)性全身性癲癇(idiopathic generalized epilepsy，IGE)的發(fā)生發(fā)展有密切的關(guān)系。

15q13.3微缺失指包括CHRNA7在內(nèi)的六個基因的缺失，這可能與臨床上觀察到的癲癇表型相關(guān)。CHRNA7錯義突變與15q13.3微缺失都可導(dǎo)致遺傳性全面性癲癇發(fā)作，兩者可能在癲癇發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮著相似的作用[31]。Sharp等[32]發(fā)現(xiàn)九例15q13.3微缺失患者中有七例患者出現(xiàn)癲癇或異常腦電圖；Lacaze等[33]在West綜合征的患者身上發(fā)現(xiàn)15q13.3的微缺失。動物實驗研究表明，15q13.3相關(guān)基因調(diào)控內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)環(huán)路，興奮性和抑制性神經(jīng)回路中相關(guān)分子和形態(tài)的改變可能影響到表型[34]。與單純的遺傳性全面性癲癇相比較，15q13.3缺失導(dǎo)致的拷貝數(shù)變異在遺傳性全面癲癇伴智力缺失的患者中更為常見[35]。研究表明CHRNA7突變增加了癲癇的易感性，Rees等[36]認為雖然15q13.3微缺失的雜合型小鼠沒有神經(jīng)解剖學(xué)和神經(jīng)生理學(xué)上的異常，但是小鼠在接受6Hz角膜刺激實驗后出現(xiàn)繼發(fā)性癲癇，并且對戊四唑敏感性顯著增加；Fejgin等[37]發(fā)現(xiàn)15q13.3微缺失小鼠在急性驚厥實驗中肌陣攣發(fā)作和失神發(fā)作傾向增加，但陣攣發(fā)作和強直發(fā)作的傾向降低。

2.5 CHRNB2 CHRNB2位于染色體1q21.3上，編碼β-2亞基。CHRNB2突變主要位于5t外顯子，影響受體TM2或TM3區(qū)域。相關(guān)電生理研究表明，CHRNB2突變會導(dǎo)致受體對乙酰膽堿敏感性增加、離子通道脫敏延遲以及受體鈣依賴性降低[38]。Liu等[39]在散發(fā)性SHE患者中發(fā)現(xiàn)CHRNB2上V337G突變，該突變位于TM3和TM4之間的細胞內(nèi)環(huán)路進化保守區(qū)域，引起蛋白質(zhì)疏水性和二級結(jié)構(gòu)的改變。最近Cadieux-Dion等[25]在與睡眠相關(guān)的島葉癲癇患者CHRNB2基因上發(fā)現(xiàn)了Thr26Met(c. 77C>T)突變，導(dǎo)致全細胞煙堿電流明顯增加，且這一改變不會隨著電流逆轉(zhuǎn)電位或濃度反應(yīng)關(guān)系而發(fā)生重大的變化。

雖然ADSHE與CHRNA2、CHRNA4和CHRNB2基因突變相關(guān)聯(lián)[11，21，40]，但是CHRNA2和CHRNB2突變通常是功能獲得型，其突變結(jié)果是受體對乙酰膽堿敏感性增加或脫敏遲緩，而CHRNA4突變既可能是功能獲得型(增加對乙酰膽堿的親和力)，也可能是功能喪失型(加速脫敏和降低鈣滲透性)[3]。nAChR相關(guān)基因突變大多發(fā)生在編碼α-4和β-2的基因中[41]。盡管如此，只有10%～15%的ADSHE是由nAChR的遺傳變異造成的[42]。其他涉及的基因還包括鈉激活鉀通道(KCNT1)基因、促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素(CRH)基因、含DEP結(jié)構(gòu)域蛋白5(DEPDC5)基因[13]。

3 展 望

眾所周知，持續(xù)性的癲癇發(fā)作不僅使患者本人有癲癇猝死的風險，還會影響患者的生活質(zhì)量，給社會造成嚴重的經(jīng)濟負擔，三分之一的患者通過傳統(tǒng)抗癲癇藥物等治療不能得到較好的控制[43]。臨床上nAChR基因突變患者主要通過口服卡馬西平進行治療，約30%患者在低劑量治療下不能得到緩解，且目前尚沒有對乙酰膽堿受體突變的靶向治療藥物[2]。盡管手術(shù)可以使這一人群中部分患者的癥狀得到相對緩解，但相關(guān)手術(shù)操作以及并發(fā)癥風險可能對患者生活質(zhì)量有負面影響[44，45]。相信隨著技術(shù)的發(fā)展和對疾病認識的深入，未來人們會更充分認識到癲癇的確切遺傳機制和nAChR相關(guān)基因突變與癲癇發(fā)生發(fā)展的關(guān)系，基于nAChR開發(fā)的癲癇基因靶向治療也將逐漸步入人們的生活。