Nature Genetics：杨晓旭等揭示难治性癫痫的嵌合遗传病因

癫痫在人群中的发病率约为4%，是儿童最常见的大脑疾病之一。现代医学可以控制大多数癫痫的发作，但普通抗癫痫药物对约20%的患者无效。

在这些难治性癫痫患者中，很多患者病状可能源自先天性大脑皮层发育畸形（MCD）引发的脑组织损伤或异常斑块,皮层发育畸形包括局灶性皮层发育不良（FCD）、半侧巨脑畸形 (HME)、结节性硬化症（TSC）等一系列疾病。外科手术切除病灶可以根治部分癫痫，改善患者表现，但是导致这些发育畸形具体的遗传学病因在很大程度上还不明确。

2023年1月12日，加州大学圣地亚哥分校医学院神经生物学系、Rady儿童遗传研究所Joseph Gleeson教授主导、Gleeson实验室博士后Changuk和杨晓旭为共同第一作者、全球20多家儿童医院组成的国际联盟共同合作在Nature Genetics上发表了研究长文 Comprehensive multi-omic profiling of somatic mutations in malformations of cortical development ，发现嵌合突变（即同一个人体内部具有不同遗传基因组成的突变）是儿童难治性癫痫的重要病因。

局灶性皮层发育不良遗传学联盟（Focal Cortical Dysplasia Neurogenetics Consortium）的研究专家们在患者或监护人签署知情同意后获取了283例外科手术切除的患儿大脑皮层样本，从中检测潜在致病突变。由于这些患者中大部分脑组织是正常的，研究者们着重研究了仅存在于少数细胞中的嵌合突变。

这项研究跨越多十年的时间，为了招募到这些患者，研究人员把来自北美、南美、中欧、西欧、东亚的二十多个儿童医院的专家聚集在一起，直到最近，大多数医院都没有尝试过直接在大脑样本中检测突变。Gleeson教授发起并建立了一个生物样本样本库用于储存和高通量分析脑组织样本中的嵌合突变。

Gleeson教授团队之前的研究最早报道mTOR信号通路中的嵌合突变是HME的重要病因【1】，但是只能解释MCD中的一部分，很多患者样本仍然缺乏遗传学诊断。研究者因此耗费十年的时间投入大量时间和精力扩大入组患者人数、改进研究方法，以期找到真正的遗传学病因。

与癌症类似，MCD中仅有少部分致病细胞，但因为神经细胞的传导特性，导致局灶性癫痫的致病细胞比例更低而难以检测。作为网络的重要结点，Gleeson团队的研究人员在美国国卫生研究院资助的大脑体细胞嵌合突变研究网络（Brain Somatic Mosaicism Network）中合作应用并开发了一系列嵌合突变检测方法，包括源于肿瘤突变检测的方法MuTect2和Strelka2、基于统计模型和过滤器的检测方法MosaicHunter和深度学习的突变检测方法DeepMosaic等【2-6】。研究团队系统性研究了正常大脑的嵌合突变分布【7】，将嵌合突变检测极限发展至1%以下，为研究疾病大脑打下了坚实的基础。

图1：本文的主要研究策略。

研究者最终在这些脑样本中确定了69个致病基因，除团队十多年前已报导的mTOR通路外，其中大多数从未在MCD中被报导过。这些突变包含突触功能通路、钙离子信号通路、基因转录调控通路等。

图2：电穿孔技术发现新报道的基因突变影响大脑发育中神经元的迁移。

为了证明新发现的基因通路在致病过程中的作用，研究者将野生型和突变型基因通过孕鼠子宫内电穿孔技术转入胚胎小鼠大脑，并且发现突变后的基因影响神经细胞迁移和皮层发育，与患者病理切片表现相似。

图3：在已发表的人类胚胎大脑单细胞转录组数据中，本文发现的致病基因高度富集在分裂中的放射状胶质细胞中。

研究人员同时利用人脑胚发育的单细胞转录组测序公共数据，分析发现这些基因在胚胎期大脑分裂中的放射状胶质细胞中富集。这些结果表明本文发现的突变在大脑皮层发育中有重要作用。

研究人员进一步在对照样本和MCD手术切除的脑样本中利用单细胞核转录组测序技术发现即使患者不携带这些新发现基因的突变，在单细胞水平上疾病表型相关的细胞仍会过表达这些基因，证明这些基因与MCD发病机理有重要关联。本文对皮层发育畸形导致的局灶性癫痫的诊断和治疗有重要的提示作用，找到了揭示致病机理的新基因和新通路，为未来相关领域的机理和临床研究打下了坚实的基础。

Joseph Gleeson，加州大学圣地亚哥分校、Rady儿童遗传医学研究所讲席教授。Gleeson教授实验室招聘遗传学、神经科学、生物信息学博士后和实习生，主要研究方向是疾病和正常神经发育的遗传学和机制研究。投递简历：jogleeson@health.ucsd.edu

杨晓旭，加州大学圣地亚哥分校Joseph Gleeson实验室博士后，长期致力于嵌合突变研究，主要研究方向为嵌合突变对疾病的影响、利用嵌合突变研究人类早期胚胎发育、嵌合突变检测和验证方法开发、以及相关遗传学和生物信息学模型。投递简历：xiy010@health.ucsd.edu

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41588-022-01276-9

参考文献

1. Lee, J.H. et al. De novo somatic mutations in components of the PI3K-AKT3-mTOR pathway cause hemimegalencephaly. Nat Genet 44, 941-5 (2012).

2. Yang, X. et al. Control-independent mosaic single nucleotide variant detection with DeepMosaic. Nature Biotechnology (2023).

3. Wang, Y. et al. Comprehensive identification of somatic nucleotide variants in human brain tissue. bioRxiv (2020).

4. Huang, A.Y. et al. MosaicHunter: accurate detection of postzygotic single-nucleotide mosaicism through next-generation sequencing of unpaired, trio, and paired samples. Nucleic Acids Res 45, e76 (2017).

5. Benjamin, D. et al. Calling Somatic SNVs and Indels with Mutect2. bioRxiv (2019).

6. Kim, S. et al. Strelka2: fast and accurate calling of germline and somatic variants. Nat Methods 15, 591-594 (2018).

7. Breuss, M.W. et al. Somatic mosaicism reveals clonal distributions of neocortical development. Nature 604, 689-696 (2022).

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