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元電活動導致的慢性腦部疾病，影響著全球約6500萬人[1]。其發病機制較為復雜，在目前已發現的癲癇致病基因中，電壓門控離子通道相關基因和配體門控離子通道相關基因分別占17%、10%[2]。國內外研究表明，癲癇發生發展與煙堿型乙酰膽堿受體(nicotinic acetylcholine receptor，nAChR)基因突變相關，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外發表的相關文獻，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的結構及功能

乙酰膽堿(acetylcholine，ACh)是重要的神經遞質，根據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內介導快速的突觸傳遞。根據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的激活可導致神經遞質釋放增強，突觸后nAChR可快速傳遞細胞興奮性，而非突觸性nAChR在神經元興奮性以及各種神經遞質的調節中發揮重要作用[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，目前已發現17種亞基(α1-α10，β1-β4，δ，ε和γ)，除了α-8亞基僅在鳥類中發現，其余亞基均在人類和其他哺乳動物中被發現[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構域(transmembrane domain，TM)(TM1-TM4)、胞內域、胞外氨基末端和胞外羧基末端結構組成。其中，相對親水的胞外氨基末端攜帶ACh的結合位點，TM2疏水區構成離子通道內壁，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與周圍脂質雙分子層分隔，TM4是接觸脂質雙分子層最多的區域[6，7]。

nAChR參與神經元興奮性和神經遞質釋放等多種生理功能，在機體學習認知記憶等方面發揮著重要作用，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系統疾病有密切聯系[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，同時調節興奮性和抑制性神經遞質的釋放，具體的調節作用取決于nAChR在興奮性和抑制性神經元上的表達差異。大量研究表明[9，10]，nAChR相關編碼基因突變與癲癇的發生發展關系密切。當編碼nAChR的基因發生改變時，可能會引起nAChR相關結構功能變化，導致大腦局部電位改變，從而引起癲癇。

2 nAChR相關基因突變與癲癇的關系

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元的α-2亞基。Aridon等[11]首次發現了CHRNA2上的I279N突變，這一錯義突變導致TM1區域結構改變，影響nAChR在封閉-開放之間的轉化并增加突變受體的敏感性，故攜帶突變基因的神經元細胞受到較低的膽堿能刺激時，細胞膜電位發生變化。他們隨后將錯義突變的I279N瞬時轉染至突變型和野生型HEK293細胞，同樣也發現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結構區域的異亮氨酸，這直接影響門控結構。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作為特征，主要發生在非快速動眼睡眠期，平均發病年齡為10歲。ADSHE的發展并不是漸進性的，隨著年齡增加，癲癇發作可能會較之前發作頻率下降和癥狀減輕[13，14]。相關研究表明CHRNA2的I279N和I297F突變與ADSHE有關[11，12]。最近Villa等[15]發現了位于CHRNA2上另一個與ADSHE相關的Tyr252His(c. 754T>C)錯義突變，該突變位于結合ACh的N端結構域，這一突變沒有改變α-2亞基的轉錄和表達，其導致癲癇的機制可能是Martinotti細胞中膽堿能反應下降抑制了中間神經元，進而通過反彈興奮導致椎體細胞興奮。

CHRNA2基因不僅與ADSHE的遺傳性聯系緊密，還與其他類型癲癇的發生發展有著千絲萬縷的關聯。Trivisano等[16]于2015年發現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，位于胞質結構域的第376位精氨酸參與形成的氫鍵維持α-螺旋的穩定性并與TM1和TM4結構域跨膜螺旋密切相關。當精氨酸突變為色氨酸時，將導致α-螺旋結構分離，最終nAChR構象發生改變。

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[17，18]。從鳥類到哺乳動物的研究發現，這三類基因是共同調控的，這些特定的基因突變為某些疾病的易感性提供了相關證據。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聯對照研究，發現BECTS與基因CHRNA3/CHRNA5/CHRNB4簇相關，通過對遺傳學和基因表達數據的綜合分析，發現BECTS的發生發展與單核苷酸多態性(single nucleotide polymorphism，SNP)rs1948以及CHRNA5的 t3603463轉錄相關聯，并且抗膽堿能療法可能在BECTS患者中有效。此外，BECTS患者中也發現了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，主要編碼神經元乙酰膽堿受體α-4亞基，其編碼區主要位于外顯子五上。CHRNA4是第一個被證明與ADSHE相關的致病基因[21]。散發性睡眠相關的高運動性癲癇(sleep-related hypermotor epilepsy，SHE)以前稱為散發性夜間額葉癲癇(nocturnal frontal lobe epilepsy，NFLE)，與ADSHE有著相似的臨床特征[22]。Xu等[23]發現散發性SHE患者CHRNA4基因外顯子五上的G923A突變可導致密碼子第308位氨基酸由精氨酸變為組氨酸，這一突變位于TM3和TM4結構域之間的第二個胞內環路中，可能使受體對乙酰膽堿敏感性增加，從而導致散發性SHE。Wang等[24]發現CHRNA4基因中I275F(c. 823A>T)新增突變，該突變位于nAChR的TM2結構域中，降低了周圍氨基酸的疏水性以及對蛋白亞基的二級結構進行了輕微的修飾，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患者中發現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定區域，與精神分裂癥、自閉癥、癲癇等相關，目前在中國南方漢族SHE患者中沒有發現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]發現CHRFAM7A基因第六外顯子2-bp的缺失與特發性全身性癲癇(idiopathic generalized epilepsy，IGE)的發生發展有密切的關系。

15q13.3微缺失指包括CHRNA7在內的六個基因的缺失，這可能與臨床上觀察到的癲癇表型相關。CHRNA7錯義突變與15q13.3微缺失都可導致遺傳性全面性癲癇發作，兩者可能在癲癇發生發展過程中發揮著相似的作用[31]。Sharp等[32]發現九例15q13.3微缺失患者中有七例患者出現癲癇或異常腦電圖；Lacaze等[33]在West綜合征的患者身上發現15q13.3的微缺失。動物實驗研究表明，15q13.3相關基因調控內側前額葉皮質環路，興奮性和抑制性神經回路中相關分子和形態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缺失導致的拷貝數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解剖學和神經生理學上的異常，但是小鼠在接受6Hz角膜刺激實驗后出現繼發性癲癇，并且對戊四唑敏感性顯著增加；Fejgin等[37]發現15q13.3微缺失小鼠在急性驚厥實驗中肌陣攣發作和失神發作傾向增加，但陣攣發作和強直發作的傾向降低。

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區域。相關電生理研究表明，CHRNB2突變會導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]在散發性SHE患者中發現CHRNB2上V337G突變，該突變位于TM3和TM4之間的細胞內環路進化保守區域，引起蛋白質疏水性和二級結構的改變。最近Cadieux-Dion等[25]在與睡眠相關的島葉癲癇患者CHRNB2基因上發現了Thr26Met(c. 77C>T)突變，導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電位或濃度反應關系而發生重大的變化。

雖然ADSHE與CHRNA2、CHRNA4和CHRNB2基因突變相關聯[11，21，40]，但是CHRNA2和CHRNB2突變通常是功能獲得型，其突變結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相關基因突變大多發生在編碼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、促腎上腺皮質激素釋放激素(CRH)基因、含DEP結構域蛋白5(DEPDC5)基因[13]。

3 展 望

眾所周知，持續性的癲癇發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量，給社會造成嚴重的經濟負擔，三分之一的患者通過傳統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]。盡管手術可以使這一人群中部分患者的癥狀得到相對緩解，但相關手術操作以及并發癥風險可能對患者生活質量有負面影響[44，45]。相信隨著技術的發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相關基因突變與癲癇發生發展的關系，基于nAChR開發的癲癇基因靶向治療也將逐漸步入人們的生活。