我院王红艳课题组神经管畸形研究屡结硕果,论文相继发表于Cell Research和PNAS

发布时间:2018-07-05 

      出生缺陷是全球共同关注的影响人口素质的重大疾病。神经管畸形,包括无脑儿、脑膨出、颅脊柱裂和脊柱裂,是致死、致残率极高的一类出生缺陷,目前世界平均发病率约为0.05%-0.1% (1)。曾经,在我国山西省吕梁山区,神经管畸形的发病率高达1%以上,是世界平均水平的10多倍。

      神经管畸形的病因复杂,是遗传因素、环境因素及其相互作用共同影响的结果。人类绝大多数神经管畸形是非综合征型,不完全外显,具有高度的遗传复杂性。过去几十年间,人们基于神经管畸形小鼠模型研究发现400多个基因敲除的小鼠都表现出神经管畸形的表型(2),但外显率不一,从百分之几到百分之百不等。加拿大医学遗传学之父克拉克(F. Clarke Fraser )教授曾于47年前提出神经管畸形的多因素阈值假说(3)。但是,由于神经管畸形发生的影响因素太多,半个世纪以来,寻找及确定其遗传风险因素阈值的工作犹如大海捞针,始终未有突破。

      金沙娱樂城下载长江学者王红艳课题组与首都儿科研究所张霆课题组合作,对100多例神经管畸形样本进行全基因组测序发现,个体携带“单例功能丧失性变异”(Singleton Loss of Function Variant, SLoV)的总数目与神经管畸形显著相关。正常对照人群的SLoV中位数是5个。当个体携带的SLoV大于9个时,发生神经管畸形的风险将显著大于正常对照人群,且个体患神经管畸形的风险度随SLoV数目的增加呈指数级增长。通过与美国贝勒医学院Richard H. Finnell教授和康奈尔大学的M. Elizabeth Ross教授合作,该现象被证实在美国白人以及中东阿拉伯人群中也成立。由此,近半个世纪前克拉克教授提出的阈值假说第一次被实验证实并且量化。王红艳课题组的进一步分析发现,神经管畸形患者的SLoV散布在整个人类基因组中,这也恰巧印证了去年斯坦福大学Jonathan K. Pritchard教授基于身高、精神分裂等复杂性状的全基因组关联分析研究提出的复杂性状的全基因组遗传模式假说(4)。

      上述研究成果已于7月5日以“Threshold for neural tube defect risk by accumulated singleton loss-of-function variants” 为题在线发表于Cell Research杂志,王红艳、张霆和Richard H. Finnell教授为共同通讯作者。

图1. “单例功能丧失性变异”(SLoV)在神经管畸形患者中富集。当个体累积的SLoV总数超过9个时,患神经管畸形的风险显著高于正常人群。随着SLoV位点总数增加,个体患神经管畸形的风险呈指数增长

      神经管畸形研究的另一难题是如何预防叶酸拮抗神经管畸形。自1991年英国医学研究委员会于柳叶刀(Lancet)杂志发表文章表明孕前补充叶酸可以显著降低神经管畸形以来,世界各国科研人员相继在新英格兰医学杂志(NEJM),柳叶刀(Lancet),美国医学会杂志(JAMA)等杂志发表数千篇文章,证明补充叶酸可以预防30%~70%的神经管畸形。以我国为例,孕前补充叶酸使得我国整体的神经管畸形发病率从1996年的0.136%大幅下降到2012年的0.045%,降幅达67%。山西省则从干预前的 0.48%下降到0.10% (5)。

      但是,仍然有30%以上的神经管畸形不能被叶酸预防,这一人群被称为叶酸拮抗或者叶酸抗性神经管畸形。按照神经管畸形发生率0.1%计算,2017年我国出生人口1723万人,即仍有约1.7万神经管畸形新生儿。叶酸抗性神经管畸形的形成机制以及预防措施长期以来一直是全球科学家关注的重点和难点。

王红艳教授与美国贝勒医学院Richard H. Finnell教授合作,提出细胞内叶酸的受体或者转运蛋白的缺陷可能会阻断叶酸的代谢途径从而使补充的叶酸不能发挥其应有的作用。利用基因打靶技术,他们构建了线粒体叶酸转运蛋白编码基因敲除小鼠Slc25a32gt/gt。表型分析发现Slc25a32基因敲除小鼠全部表现出神经管畸形表型,补充叶酸并不能促进神经管的闭合,而线粒体叶酸代谢的底物甲酸盐的补充却可以预防78%的小鼠神经管畸形表型。进一步通过对上千例神经管畸形患者测序分析,在一例无脑儿胎儿中检测到SLC25A32基因的双等位功能丧失性突变,证实SLC25A32基因缺陷会导致人类的神经管畸形。Slc25a32基因敲除小鼠模型的建立为叶酸抗性神经管畸形的机制研究和新型干预措施的研发提供了很好的模型。更重要的,上述工作初步表明,甲酸盐可能成为叶酸抗性神经管畸形的预防新选择。该研究以Formate rescues neural tube defects caused by mutations in Slc25a32为题发表于美国科学院院报(PNAS, 2018;115:4690-4695),王红艳和Richard H. Finnell教授为共同通讯作者。

图2. 未补充甲酸的Slc25a32gt/gt小鼠胚胎表现出神经管畸形表型


参考文献:
1.Wallingford JB, Niswander LA, Shaw GM, & Finnell RH (2013) The continuing challenge of understanding, preventing, and treating neural tube defects. Science 339(6123):1222002.

2.Wilde JJ, Petersen JR, & Niswander L (2014) Genetic, epigenetic, and environmental contributions to neural tube closure. Annu Rev Genet 48:583-611.

3.Fraser FC (1971) Developmental thresholds and teratogenetics. Fed Proc 30(1):100-101.

4.Boyle EA, Li YI, & Pritchard JK (2017) An Expanded View of Complex Traits: From Polygenic to Omnigenic. Cell 169(7):1177-1186.

5.Berry RJ, et al. (1999) Prevention of neural-tube defects with folic acid in China. China-U.S. Collaborative Project for Neural Tube Defect Prevention. N Engl J Med 341(20):1485-1490.
 

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