先前未知的钠通道蛋白突变可能导致严重的癫痫形式

先前未知的钠通道蛋白突变可能导致严重的癫痫形式。GENE'TYPO'解释了严重的癫痫症

亚利桑那大学的迈克尔·哈默(Michael Hammer)领导的一个小组应用下一代基因组测序法来解释患有突然无法解释的癫痫死亡的患者的整个DNA。

他们发现了可能的罪魁祸首 - 在中枢神经系统中编码钠通道蛋白的基因中一个先前未知的突变 - 他们的研究结果为患者的家庭提供了一些情绪缓解和解释,因为没有医学诊断和任何家族病史。类似的疾病。

“如果你有一个患有严重癫痫症的小孩,不知道是什么原因造成癫痫,这对家庭来说是一个很大的负担,”生态学和进化生物学系副教授Michael Hammer说。“它留下了许多悬而未决的问题,甚至有些内疚感。”

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由于患者病情的严重程度,父母和兄弟姐妹都没有患病,也没有癫痫家族史,Hammer和第一作者Krishna Veeramah排除了遗传性遗传缺陷的原因。

相反,他们怀疑所谓的从头突变,这是由纯粹偶然事件产生的遗传字母表中的“错字”,很可能是在父系种系中。

“我们的任务是在大海捞针中寻找众所周知的针头,”Hammer实验室博士后研究员Veeramah说。“为了找到从头突变,我们必须梳理整个基因组。在过去,我们可以生成一个候选基因列表,并一次对它们进行一次基因测序。

“不幸的是,这需要做很多工作,特别是在大脑中,你有数以千计的基因可能参与导致神经系统疾病的过程。近年来,下一代测序技术的发展提供了一种更强大的方法来同时实际分析所有基因。这就是我们想要做的。

“我们正在研究整个基因组的水平,”Hammer补充道,“直到最近才出现这种情况。对于像这样的神经系统疾病,原因可能是特定基因的突变; 它可能是一个重新排列的特定序列; 或者它可以是删除或重复的序列,改变基因拷贝的数量。

“我们所有基因的拷贝数都有所不同,但它们并不一定都不好,”他解释道。“但有时这种变异会导致疾病。例如,一些以前无法解释的智力残疾被发现与基因组重排有关。“

避免错误

在这种情况下,研究人员没有发现吸烟枪的副本数量变化,这使得点突变或DNA字母的小插入或缺失成为可能的原因。

利用Complete Genomics,Inc。的测序技术功能,患者DNA序列的96%至97%,以及其父母和兄弟姐妹的基因组,在几周内被破译。

Veeramah指出,构成人类DNA字母表的大约30亿个碱基对中的每一个都被至少50个读数覆盖。

“这很重要,因为全基因组测序仍会产生很多错误,所以你必须加倍努力才能获得所需的准确性。”

该家族的DNA序列在大约500万个地方偏离了人类参考基因组。这可能听起来很多,但鉴于只有约2%的人类DNA序列含有实际基因,大多数这些变异属于遗传物质的非编码区。

在下一步中,Hammer的团队必须弄清楚这些变化意味着什么。使用已知基因的数据库,他们检查了哪些位于实际基因序列中并且哪些将改变它们编码的相应蛋白质的氨基酸序列。最后,他们留下了大约13,000个突变。

他们希望那个候选人群中的某个地方是一个导致女孩癫痫并可能导致她死亡的突变。

为了减少可能性的数量,该团队随后筛选了似乎违反孟德尔遗传规律的突变。

Veeramah解释说:“从头突变看起来就像他们不遵守我们所知道遗传物质遗传的规则。” “患者将有一个在父母或兄弟姐妹身上找不到的变种。我们发现有34个网站符合这种模式。“

平均而言,在一个个体中,只有一个自发突变在基因的编码区内出现。因此,发现34告诉团队,大多数这些突变很可能是测序错误。

Veeramah说:“其中10个已被列入公共数据库,这意味着它们出现在正常人身上,不应该引起疾病。它们可能只是测序过程的系统工件,所以我们可以消除它们。“

该团队通过标准方法对剩余的24种变异进行了测序,正如预期的那样,只有一种变异才是真正的变异。该变异体先前未与任何人类癫痫症相关,它由基因中的错误字母组成,该基因用作蛋白质的蓝图,在神经细胞如何相互通信中起重要作用。

“这些通道具有非常关键的功能,”Veeramah说,“这一事实说明了它们的结构非常相似,从果蝇到鱼类,蜥蜴到人类。仅仅通过观察这些蛋白质在数百万年的进化中保持多么高度保守,很明显我们发现的突变是一种特别具有破坏性的蛋白质,它不应该真正发生。“

突变的后果

在患有严重和原因不明的癫痫的患者中识别神经系统关键组分中的突变将足以阻止该研究并宣布案件结束。

“我们决定更进一步,实际看看我们是否能找出这种突变的确切后果,”Veeramah说。

为此,该团队对这一特定突变进行了电生理学研究。研究人员与密歇根大学的遗传学家Miriam Meisler合作,将有缺陷的基因插入到培养的神经细胞中,研究当它们使细胞受到轻微电流时所发生的事情,正如它们在受到另一个神经细胞刺激时所经历的那样。中枢神经系统。

“当电压升高时,钠通道突然开启,”Veeramah说。“不久之后,它们很快关闭,电压恢复正常。而这正是神经元正常通信的方式,电子信号如何在大脑和身体周围发出。“

“相比之下,突变体通道蛋白质尽可能快地打开,但其中一些未能快速关闭,有些根本没有关闭,”Veeramah解释说。“所有这些都会导致电信号无法正常关闭。这些变化预示着神经元兴奋性和癫痫发作的增加。“

“最重要的是,我们可以使用全基因组测序来发现构成癫痫严重病例的突变,并通过功能研究确认我们找到了正确的突变,使其超越现在的文献基准,”Hammer说。

Hammer实验室计划建立一个诊断设施,为临床社区提供全基因组测序,以期帮助患有早发性癫痫和其他罕见未确诊疾病的儿童。

“我们希望与更多患者重复这项实验,”Hammer说。“我们已准备好接受患者的DNA并进行此类研究。”

Veeramah补充说:“现在我们正在进行基础研究,以确定所涉及的所有突变。目标是设计专门针对受影响途径的药物。“

Hammer表示,目前每个完全测序的基因组成本约为5,000美元,或者对所有已知人类基因进行测序需要1000美元,新方法也可以证明具有成本效益。

“这些患者在其一生中会经常进行的常规测试将大大超过全基因组测序实验的成本。”

他补充说:“一旦你知道导致这种情况的原因,你就可以开始了解管理。找到治疗肯定是长期的,尽管此时不是一种选择。

“在此之前,家庭受苦是因为他们只是坐在黑暗中并且在想。怀孕期间出了什么事吗?我做了什么导致婴儿紊乱的事吗?找到有缺陷的基因可以为家庭提供大量的救济。“