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脆性X综合征筛查,助力自闭症病因排查

【2019-04-02】

       自闭症又称孤独症,是一类具有生物基础的神经发育障碍类疾病,由一系列环境、生理和心理因素引起。遗传、脑神经结构、营养等是自闭症谱系障碍(Autism Spectrum Disorder,ASD)的重要生物基础。自闭症的核心症状为社交障碍,沟通困难与有限、重复和刻板的行为。来自不同国家的统计表明,自闭症在全世界总人口的患病比例达2%甚至更高[1]。2017年《中国自闭症教育康复行业发展状况报告》显示,我国自闭症患者超过1000万,儿童患者超过200万,并以每年近20万的速度增长。


       自闭症的遗传学因素主要集中在基因突变和染色体异常, 包括点突变、基因拷贝数变异、性染色体连锁区域和microRNAs等。具有特定遗传或染色体特征(如脆性X染色体综合征)的人群更容易患自闭症。



图1 致病因素示意图



 脆性X综合征筛查,助力自闭症的病因排查 


       脆性X综合征(FXS)是引起ASD最常见的单基因因素,占ASD患病率的1%-6%,且FXS为多数精神发育迟滞和孤独症患者所共有,是引起智力残疾最常见的遗传因素之一。


1.FXS的致病原因


       FXS是由于脆性X智力低下蛋白(FMRP)缺失引起的,FMRP是一种细胞内RNA结合蛋白。这种缺失使树突信号通路失调,并影响大脑海马突触可塑性。导致FMRP缺失的主要致突变机制是FMR1的5 ' UTR区CGG重复异常扩增,导致该区域异常甲基化,随后发生转录沉默。


图2 FMRP水平在前突变时正常或接近正常,在完全突变时缺失或减少[2]


2.突变类型及临床表现


       根据FRM1基因的(CGG)n重复次数不同,将突变类型分为中间突变、前突变和全突变三种类型。三者(CGG)n重复数和相关临床表型如下:


· 中间突变和前突变CpG岛均无异常甲基化,FRM1基因表达正常或基本正常,个体常无异常表型或具有轻微的行为问题,但前突变可表现为FXS原发性卵巢功能不全(FXPOI)以及共济失调综合征(FXTAS);
· 全突变常伴有CpG岛异常甲基化,使FRM1 mRNA的翻译受抑制,FMRP表达减少或丧失,患者表现为FXS。
· 此外,FRM1基因编码区发生缺失或错义点突变尽管少见(不足1%),但也能引起FMRP的表达异常或者产生功能异常的FMRP,从而形成类似脆性X综合征的临床症状,本文不再赘述。


图3 FMR1基因(CGG)n重复次数与临床表现


       临床中FX相关疾病主要指FMR1 基因全突变及前突变患者表现症状,下文将主要介绍二者的发病率及临床表现。


 全突变 


       FMR1 基因全突变导致的FXS在人群中的发病率男性约为1/3600,女性约为1/4000~1/6000。FXS患者与ASD表现出较高的合并症:FXS患者中50%的男性和20%的女性被同时诊断患有ASD[3]

 

       FXS患者的认知和情感表型取决于产生FMRP的数量,而这又间接取决于CGG重复数和FMR1 甲基化程度。当FMRP水平不是很低的情况下,症状较轻,有中度的情绪和学习困难,智商正常;如果FMRP蛋白的产生减少或停止,就会出现严重的认知缺陷和智力障碍,常见症状如下:


1. 大多数男性全突变患有轻度到重度智力低下。女性全突变携带者约30%智商正常,25%智商低于70,但他们可能会出现学习障碍(60%)和情绪困难(70%)[4],这与X染色体的随机失活有关。

2. 伴有不同程度的体型异常,长脸、大耳、突出的下颌和额头,男性青春期巨睾丸。

3. 交流和行为障碍,目光接触逃避、自我伤害行为、自闭、多动/冲动、过度兴奋、焦虑和注意力不集中。


 前突变 


       前突变在女性中发病率为1/130~1/260,在男性中的发病率为1/250~1/810。

       与FXS不同,前突变携带者的致病机制是FMR1 mRNA水平升高导致RNA毒性。

 

       RNA毒性是指,在前突变携带者中可观察到2~8倍于正常水平的mRNA。过量mRNA导致CGG重复中形成的发夹结构隔离了影响神经元功能的重要蛋白。RNA毒性导致神经元在培养中过早死亡,因此携带者有可能患上包括FXTAS和FXPOI在内的晚发性疾病。

 

       前突变携带者一般不会有智力异常,13%~26%的前突变携带者会发生卵巢早衰,在46,XX的早发性卵巢功能不全(POI)患者中,4%~6%为FMR1前突变携带者。约40%男性和16%的女性前突变携带者会发生震颤/共济失调综合症。



3.FXS的遗传模式


       FXS是不完全显性X连锁遗传病。遗传过程中,涉及前突变携带者扩展为全突变后代的动态可能性。

 

· 母系特点:患有FXS的男性通常不会生育,据报道只有1%的FXS男性患者有后代。同时,由于为X染色体连锁,前突变的男性只会将前突变传递给他们的女儿,重复的次数相对稳定。因此由前突变扩展为全突变只发生在母亲向后代的传递中。
· 动态突变:前突变的携带者可以将其等位基因扩展到全突变,风险取决于重复次数、AGG插入次数和母亲年龄。AGG插入使复制过程中DNA聚合酶滑移减少,使基因稳定传输。


图4 前突变扩展为全突变的风险



4.FXS治疗现状


       目前针对FXS的靶向治疗研究,无论是FMR1基因激活还是与该疾病相关症状的治疗,所使用的一些药物作用机制集中在表观遗传调节、谷氨酸能系统和FMRP靶mRNA翻译调节。


图5 基于5-azadc甲基转移酶抑制剂的治疗途径[5]


       在一项新的研究中,研究人员首次使用他们开发的一种移除甲基化的改进型CRISPR / Cas9系统恢复了神经元中FMR1基因活性,这项研究是首个直接表明对FMR1基因的特定片段进行去甲基化能够重新激活该基因的证据,从而拯救受脆性X综合征影响的神经元。



图6 通过dCas9-Tet1 / sgRNA靶向去甲基化CGG扩增

将上游FMR1启动子的异染色质状态转换为活性染色质状态,从而恢复FXS iPSC 中FMR1的持续表达[6]



5.FXS的筛查与遗传咨询


       目前,根据ACMG(美国医学遗传学院)和ACOG(美国妇产科医师学会)指南,FMR1 检测应该提供给具有以下临床特征的个人或有家族史的人群:


1.FXS或FX相关疾病;

2.不明原因的智力障碍或发育迟缓;

3.自闭症;

4.年龄小于40岁时,原发性POI或FSH升高;

5.小脑共济失调伴震颤。




       近日,阅微基因作为研制合作单位参与完成了中国食品药品检定研究院—脆性X综合征FMR1基因核酸检测国家参考品的研制任务。阅微基因脆性X综合征检测利用ACMG推荐的三引物法,具有高灵敏度和特异性,可以准确判断女性样本纯合/杂合状态,有效避免假阴性,助力自闭症病因排查。




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参考文献:

1.段云峰,等.(2015),自闭症的病因和治疗方法研究进展[J]. 中国科学:生命科学,

DOI:10.1360/N052015-0108

2.Hagerman RJ, et al. (2009). Advances in the treatment of fragile X syndrome. Pediatrics. 

DOI:10.1542/peds.2008-0317

3.Kaufmann, W. E., et al. (2017). Autism spectrum disorder in fragile X syndrome: cooccurring conditions and current treatment. Pediatrics 139, S194–S206. 

DOI:10.1542/peds.2016-1159F

4. Hagerman RJ,  et al.(2002).Fragile X syndrome.

5.Saldarriaga W, et al.(2014).Fragile X syndrome.Colombia Medica.

DOI:10.1016/0045-9380(87)90011-9

6.Liu X S ,  et al.(2018). Rescue of Fragile X Syndrome Neurons by DNA Methylation Editing of the, FMR1, Gene[J]. Cell .

DOI:10.1016/j.cell.2018.01.012


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