目前較明確的單純性肌張力障礙相關基因包括TOR1A、THAP1、ANO3、GNAL、TUBB4A基因,均呈常染色體顯性遺傳。除此之外還包括2015年新發(fā)現(xiàn)的HPCA、COL6A3基因,后兩者呈常染色體隱性遺傳。
(一)TOR1A基因
TOR1A基因相關的肌張力障礙即DYT1型肌張力障礙,是最常見的遺傳性單純性肌張力障礙。典型表現(xiàn)為早發(fā)全身性肌張力障礙,大部分患者兒童時期起病,少數(shù)在青少年時期或成年期起病,通常從單一肢體發(fā)病(多為下肢),數(shù)年內(nèi)逐漸進展至軀干及其他肢體,面部和頸部受累少見[2]。隨著人們對其認識的增多,表現(xiàn)為局灶性、節(jié)段性肌張力障礙者也有報道。
該病致病基因為位于9q34.11的TOR1A基因,編碼TorsinA蛋白,突變形式較為單一,主要為第5外顯子鳥嘌呤-腺嘌呤-鳥嘌呤(GAG)三核苷酸缺失(c.904_906delGAG,p.302delGlu),外顯率約為30%。除GAG缺失外,也有少數(shù)其他類型的突變(框內(nèi)缺失、錯義突變)被報道,但致病性不肯定[3,4]。此外,Risch等[5]在TOR1A基因4號外顯子發(fā)現(xiàn)1個多態(tài)性位點(rs1801968;c.646G>C),可使TorsinA蛋白第216位氨基酸天冬氨酸替代為組氨酸(D216H)。該多態(tài)性作為TorsinA蛋白的修飾體發(fā)揮作用:在攜帶GAG缺失突變的個體中,無癥狀者H216等位基因的頻率升高,而有肌張力障礙表現(xiàn)者該頻率則降低。細胞模型研究結果顯示,H216等位基因可減弱GAG三核苷酸缺失導致的臨床表現(xiàn),降低表現(xiàn)肌張力障礙癥狀的風險,因此在一定程度上可解釋TOR1A基因GAG缺失突變的外顯率不足[5,6]。TOR1A基因編碼的TorsinA蛋白由332個氨基酸組成,屬于ATP酶AAA+超家族的成員,位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜和核周間隙,被認為是一種分子伴侶蛋白[7]。最近有研究表明,TorsinA與內(nèi)層核膜上的膜擴張和細胞脂質(zhì)含量升高有關,表明torsin蛋白是細胞脂質(zhì)代謝的必需調(diào)節(jié)物。因此,推測TOR1A突變所導致的脂質(zhì)生物學紊亂可能是肌張力障礙發(fā)生的主要原因[8]。
(二)THAP1基因
THAP1基因相關的肌張力障礙即DYT6型肌張力障礙,患者于兒童期、青少年期或成年時期均可發(fā)?。?~62歲),以兒童和青少年起病多見。近半數(shù)患者首發(fā)癥狀為上肢肌張力障礙,如書寫痙攣,其余患者多以顱頸段肌張力障礙起病,可緩慢進展至其他部位,亦可在相當長時間內(nèi)病情穩(wěn)定。最常受累部位為顱頸段,痙攣性構音障礙為其特征性表現(xiàn)[9,10]。2009年,F(xiàn)uchs等[11]將其致病基因定位于8p11.21的THAP1基因,呈常染色體顯性遺傳,外顯率約為60%。迄今為止,該基因有100余種突變被報道,突變形式多樣,包括錯義突變、無義突變、移碼突變和剪接突變等[12]。
THAP1基因編碼的THAP1蛋白包括213個氨基酸殘基,分為THAP結構域和非結構域,前者位于N端,具有非典型的鋅指結構,可與特異性DNA結合;后者包括低復雜性富含脯氨酸結構域、雙極定位信號結構域和卷曲螺旋結構域等,位置更靠近于C端?;蛐团c表型的相關性研究發(fā)現(xiàn),THAP1的N端附近的突變與更早的發(fā)病年齡和更廣泛的癥狀分布有關,THAP結構域內(nèi)突變的患者發(fā)病年齡更早,受累部位更廣泛,但是對發(fā)病部位沒有影響[13]。
(三)ANO3基因
2012年,Charlesworth等[14]對一個常染色體顯性遺傳的顱頸段肌張力障礙家系進行了遺傳學分析,發(fā)現(xiàn)ANO3基因15號外顯子存在錯義突變(c.1470G>c,p.Trp490Cys),推測可能是該家系致病基因,命名為DYT24型肌張力障礙。此后,Zech等[15]、Ma等[16]和Miltgen等[17]分別對不同地區(qū)不同種族肌張力障礙人群進行了ANO3基因檢測,發(fā)現(xiàn)多個ANO3基因突變,但致病性有待確定。
ANO3基因相關的肌張力障礙又稱成人起病的顱頸段肌張力障礙,為常染色體顯性遺傳?;颊叨酁槌赡昶鸩?sup>[14],少數(shù)患者兒童期起病[18](3~40歲),最常見起病部位為頸部,表現(xiàn)為斜頸及肌張力障礙性震顫,其他表現(xiàn)包括咽喉部受累、出現(xiàn)痙攣性構音障礙以及上肢肌張力障礙伴震顫,也有合并眼瞼痙攣或口下頜肌張力障礙的報道。少數(shù)患者病程初期僅表現(xiàn)為頭頸部或上肢震顫,易被誤診為特發(fā)性震顫。長期隨訪發(fā)現(xiàn),大多數(shù)患者可由局灶性肌張力障礙緩慢進展為節(jié)段性肌張力障礙,無下肢受累,未見進展為全身性肌張力障礙的報道[18]。ANO3基因定位于11pl4.3-11pl4.2,共包含27個外顯子,編碼一種屬于鈣活化氯離子通道的跨膜蛋白,可調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性[14]。體外功能研究顯示ANO3基因突變患者(c.1470G>c,p.Trp490Cys)皮膚纖維母細胞存在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關性鈣離子信號異常,推測ANO3基因突變可導致紋狀體神經(jīng)元興奮性異常,從而表現(xiàn)為肌張力障礙[14]。
(四)GNAL基因
2013年,F(xiàn)uchs等[19]對2個原發(fā)性扭轉(zhuǎn)型肌張力障礙家系進行全外顯子測序,將其致病基因定位于GNAL基因,位于18p11.21,共12個外顯子,呈常染色體顯性遺傳,命名為DYT25型肌張力障礙。隨后有多個研究團隊在不同種族不同肌張力障礙人群中進行GNAL基因篩查[20,21,22,23,24,25,26],發(fā)現(xiàn)其總體突變頻率為0.4%~1.7%,目前已發(fā)現(xiàn)包括無義突變、移碼突變、錯義突變、框內(nèi)缺失及剪接異常在內(nèi)的30余種突變,尤其是最近GNAL基因純合突變被報道[27]。
GNAL基因相關的肌張力障礙目前病例數(shù)最多的報道是8個家系共28例患者[19],平均發(fā)病年齡為31.3歲(7~63歲),大部分患者(82%)以頸部肌張力障礙發(fā)病,46%表現(xiàn)為局灶性肌張力障礙,57%存在顱段受累,44%存在構音異常。與THAP1基因突變致的DYT6型不同,迄今為止文獻報道的DYT-GNAL肌張力障礙患者中未見上肢起病患者,隨著病情的進展僅32%的患者可累及上肢。GNAL基因編碼鳥嘌呤核苷酸結合蛋白的興奮性α亞單位(Gαolf),在紋狀體棘狀神經(jīng)元中富集,Gαolf與直接通路中的多巴胺D1受體及間接通路中的腺苷A2A受體相結合,激活腺苷酸環(huán)化酶5型。GNAL基因突變導致Gαolf合成受阻和功能障礙,影響紋狀體多巴胺能和(或)膽堿能信號傳導通路[19]。
(五)TUBB4A基因
Parker[28]于1985年描述了1個包括20名成員、3代受累的大家系,患者多在10~30歲起病,幾乎所有患者首發(fā)癥狀都是低語性發(fā)聲困難,進而表現(xiàn)為以顱頸段受累為主的節(jié)段性或全身性肌張力障礙,部分患者可表現(xiàn)為'木馬樣'共濟失調(diào)步態(tài)[29,30]。2013年,Hersheson等[30]和Lohmann等[29]兩個研究團隊幾乎同時將該病致病基因定位于19p13.3的TUBB4A基因,發(fā)現(xiàn)其1號外顯子存在一錯義突變(c.4C>G,p.Arg2Gly)。TUBB4A基因編碼的蛋白屬于β-微管蛋白家族,所組成的微管是細胞骨架的必要成分。該錯義突變位于β-微管蛋白高度保守的自調(diào)節(jié)甲硫氨酸-精氨酸-谷氨酸-異亮氨酸(MREI)結構域,該結構域受損影響β-微管蛋白mRNA轉(zhuǎn)錄的自我調(diào)節(jié)能力。隨后,Lohmann等[29]在394例散發(fā)性肌張力障礙患者中進行TUBB4A基因篩查,僅在1例表現(xiàn)為痙攣性構音障礙的節(jié)段性肌張力障礙患者中發(fā)現(xiàn)一錯義突變(c.811G>A,p.Ala271Thr),然而此突變位于MREI結構域之外,其病理機制尚不明確。此后,Vemula等[31]、Zech等[32]和Vulinovic等[33]分別對不同種族的肌張力障礙患者隊列進行篩查,僅在1例意大利痙攣性斜頸患者中發(fā)現(xiàn)1個框內(nèi)缺失突變(c.1015_1017del,p.Ser339del)。因此推測TUBB4A基因似乎是單純性肌張力障礙的罕見病因。
近年來陸續(xù)報道,TUBB4A基因突變與伴基底節(jié)小腦萎縮的髓鞘形成低下(H-ABC)相關[34]。H-ABC是一種罕見的散發(fā)性腦白質(zhì)病,多在嬰兒至兒童期發(fā)病,表現(xiàn)為生長發(fā)育遲滯,伴有小腦性共濟失調(diào)、肌張力障礙、進行性痙攣性癱瘓以及癲癇發(fā)作等[35]。無影像學異常的DYT-TUBB4A肌張力障礙和H-ABC是TUBB4A基因多態(tài)性所導致的不同表型還是屬于同一連續(xù)的表型譜目前尚不明確[36]。
(六)HPCA基因
Gimenez-Roldan等[37]于1976年報道了1例父母為近親結婚的女性患者,表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)性肌張力障礙,該患者12歲起病,初始主要累及下肢,后逐漸進展至上肢和顱頸部。此后數(shù)個呈常染色體隱性遺傳的肌張力障礙家系被報道,歸于DYT2/DYT2-like,但其致病基因長期以來并未明確。
2015年Charlesworth等[38]在1個DYT2型肌張力障礙的家系中發(fā)現(xiàn)HPCA基因的純合突變(c.225C>A,p.Asn75Lys),進一步在另一個原發(fā)性肌張力障礙家系的中發(fā)現(xiàn)該基因的復合雜合突變(c.212C>A,p.Thr71Asn;c.568G>C,p.Ala90Thr)。HPCA基因位于1p35.1,編碼海馬鈣結合蛋白,這是一種幾乎僅存在于腦內(nèi)的神經(jīng)元鈣感應蛋白,尤其在紋狀體中高表達。其可能致病機制為HPCA基因突變導致海馬鈣結合蛋白缺失,抑制神經(jīng)元電壓門控鈣通道,或者影響神經(jīng)元膜電位的維持,從而影響細胞膜去極化。
(七)COL6A3基因
2015年,Zech等[39]首次報道了在1個德國家系中的2例患者表現(xiàn)為常染色體隱性遺傳的單純性肌張力障礙,全外顯子測序顯示患者的COL6A3基因存在復合雜合突變(c.9128G>A,c.9245C>G),被命名為DYT27型肌張力障礙。他們隨后在367例單純性肌張力障礙患者中進行COL6A3基因篩查,進一步發(fā)現(xiàn)了2個家系共3例患者攜帶復合雜合突變(c.7502G>A,c.8966-1G>C;c.7660G>A,c.8966-1G>C)。尤其特別的是,所有患者都至少存在1個位于41號外顯子的致病突變。5例患者均為早發(fā)性起病(6~24歲),3例表現(xiàn)為全身性肌張力障礙,顱頸段、上肢及軀干受累突出,1例表現(xiàn)為節(jié)段性肌張力障礙,頸部和上肢受累,另一例患者表現(xiàn)為局灶性頸部肌張力障礙[40]。
COL6A3基因位于2q37.3,編碼Ⅵ型膠原的α3亞基,可生成微纖維網(wǎng)絡的細胞外基質(zhì)蛋白。應用qRT-PCR技術,可發(fā)現(xiàn)COL6A3在成年小鼠腦中廣泛表達,其中以腦干和中腦表達水平最高。在斑馬魚中敲除41號外顯子,可導致軸突生長缺陷,提示細胞外基質(zhì)異常可能是這種形式的肌張力障礙的基礎[39]。