两个罕见病男孩的诊断冒险之旅

对于两个患有罕见的学习和运动障碍的男孩，研究人员花了十多年的时间来研究其中的遗传原因。在解开这个谜团的过程中，研究人员发现了大脑处理有害蛋白的重要过程，为多种神经退行性疾病和癌症提供新视角。BioTechniques的记者Kelly Rae Chi最近讲述了这个故事。

2005年，医生遇到了两个小男孩，他们来自土耳其，分别为5岁和7岁。这两个男孩行走困难，身体协调性不好，发育进程也不达标，表现出智力障碍。脑部扫描显示他们的小脑小于正常。在8年的随访过程中，孩子们的症状并没有恶化。尽管基因检测表明他们的父母是远亲，但致病的遗传因素不明1。

十年后，一个国际研究小组利用外显子组测序以及酵母和苍蝇的后续研究，在《eLife》上报告了兄弟俩共济失调的可能遗传原因2。研究小组目前正在研究这些因素是否参与了其他的共济失调。

当孩子的发育出现问题时，“诊断冒险之旅”就开始了，它需要全方位的扫描、验血和看医生。哈佛医学院的病理学副教授Heidi Rehm认为，获得诊断的过程不仅复杂、烧钱，也充满压力，有时还没有治疗方案。

全基因组测序为这些罕见的遗传性疾病带来了更快的答案。更重要的是，“一年前不能确定的外显子组测序结果最终被确定。人们在不断做出新的发现，”Rehm说。她和其他遗传学家最近推出了Matchmaker Exchange，这个平台连接不同的罕见病数据库3。有了这些信息资源，人们能够更轻松地将患者与疾病相关联。

神秘的共济失调

2003年，密歇根大学医学院的Margit Burmeister教授确定了Cayman共济失调的遗传原因，这是共济失调的一种罕见形式，伴有智力障碍4。在寻找Cayman共济失调的其他病例时，她最终联系到了那两个土耳其兄弟的医生。

有了新一代测序，Burmeister的研究小组可以同时拷问所有基因。他们发现，只有一个纯合突变存在于这两兄弟中，而不存在于其他两个兄弟姐妹中。这个突变导致了编码ATG5的基因发生单个氨基酸改变，而这个蛋白对自噬过程很重要。

自噬是细胞摆脱受损蛋白或细胞器的一个重要途径。在神经退行性疾病和一些癌症中，这个过程出了差错。

幸运的是，密歇根大学生命科学研究所的自噬专家Daniel Klionsky和Burmeister在同一栋楼工作，他们在酵母中检验了这个突变。对于这个与临床相关的发现，他感到很兴奋。

突变改变了单个氨基酸，而不改变其电荷。“最初，我怀疑是不是这个表型，因为改变似乎很保守，”Klionsky说。不过，ATG5基因序列和特定的氨基酸残基在酵母和人类中都高度保守，因此研究小组认为这个突变是至关重要的。

酵母中的突变检测表明，这个突变破坏了细胞中高达50%的自噬。更重要的是，在患者血液衍生出的细胞系中，ATG5不大能够与它一贯的分子伴侣ATG12结合。

至于突变的ATG5是否会引起人类的共济失调，这个问题仍然存在。为了帮助找到答案，研究小组又与匈牙利的研究人员合作，后者开发出缺乏这个基因的果蝇，与正常或突变的ATG5研究互补。ATG5突变的果蝇在行动上优于那些缺乏ATG5的，但比不上那些有正常蛋白的。

尽管自噬过程与多种疾病相关联，但这项新研究是首次将人类疾病与一个核心自噬基因相关联，加州大学欧文分校的酵母遗传学家Joan Steffan表示，她未参与此研究。“这篇文章是了不起的，因为它一开始在人类中找到了ATG5的纯合突变，之后又回头去检测果蝇和酵母中突变蛋白的功能。”

未来在哪里

在新的研究中，Burmeister采集了患者的血细胞，并建立了细胞系，以便研究自噬。下一步，研究人员打算将血细胞转变成诱导多能干细胞，随后让这些iPSC分化成神经元。

神经元对自噬改变更为敏感，因为它们不分裂，避免其他因素对“问题自噬”的稀释。将研究转向患者来源的iPSC，也许能解释神经元为什么更敏感，但不一定要有神经元，才能解释神经疾病，Burmeister说。她也希望了解自噬基因是否参与了其他形式的共济失调。

在这个刚刚过去的秋天，她去了土耳其，与她的合作者以及这两兄弟见面。他们仍存在神经和认知障碍，不能独立生活，但这些年已经有了一些进步。他们可以不用辅助工具行走，也有工作。

尽管研究人员不知道这两兄弟的未来会是怎样，但他们的故事给共济失调患者的父母带来了希望。这种方法也为获得正确的诊断提供了一条路径。“即使是最坏的情况，了解它总比继续寻找方案要强，”Klionsky说。（生物通 薄荷）

参考文献

1. Yapici Z, Eraksoy M. Non-progressive congenital ataxia with cerebellar hypoplasia in three families. Acta Paediatr. 2005 Feb;94(2):248-53.

2. Kim M, et al. Mutation in ATG5 reduces autophagy and leads to ataxia with developmental delay. Elife. 2016 Jan 26;5. pii: e12245. doi: 10.7554/eLife.12245.

3. Philippakis AA, et al. The Matchmaker Exchange: a platform for rare disease gene discovery. Hum Mutat. 2015 Oct;36(10):915-21. doi: 10.1002/humu.22858.

4. Bomar JM, et al. Mutations in a novel gene encoding a CRAL-TRIO domain cause human Cayman ataxia and ataxia/dystonia in the jittery mouse. Nat Genet. 2003 Nov;35(3):264-9. Epub 2003 Oct 12. Erratum in: Nat Genet. 2005 May;37(5):555.