KCNE1变异体的功能分析有助于了解Jervell和Lange-Nielsen综合征2型的群体携带者频率

《Circulation: Genomic and Precision Medicine》：Functional Profiling of KCNE1 Variants Informs Population Carrier Frequency of Jervell and Lange-Nielsen Syndrome Type 2

长QT综合征（LQTS）中KCNE1基因变体的功能研究，采用高通量电压钳记录技术分析95个变体，发现68个在纯合状态下显著影响电流密度、激活电压及动力学，但杂合状态下无显性负效应。重新分类14个变体，并估算JLN2携带频率为1/1034。验证了深度突变扫描与电生理实验的关联性，为临床致病性判断提供依据。

　　本研究聚焦于一种称为先天性长QT综合征（LQTS）的遗传性心脏疾病，探讨了与之相关的基因KCNE1中多种变异体的功能影响。LQTS是一种与心律失常有关的疾病，主要表现为心电图上QT间期延长，增加了突发性心律失常的风险。KCNE1基因编码的是一种辅助性钾离子通道亚基，与KCNQ1基因编码的慢延迟整流钾电流（I_Ks）形成复合体，共同调控心脏细胞的复极过程。尽管KCNE1在某些病例中被与LQTS的遗传性相关联，但其在常染色体显性遗传中的因果性仍存在争议。相比之下，KCNE1作为Jervell and Lange-Nielson综合征类型2（JLN2）的明确致病基因已被广泛接受，这种综合征不仅与LQTS有关，还伴随先天性神经性耳聋。然而，JLN2在人群中的流行率仍不明确。

本研究通过高通量电压钳记录技术，对95种KCNE1变异体进行了系统的功能分析。这些变异体包括与LQTS相关的致病性变异，以及在人群基因组数据库（如gnomAD）中发现的罕见变异。研究中，每种变异体均在同源状态下与KCNQ1共同表达，并对其中一部分变异体在杂合状态下进行了进一步的分析。研究结果表明，大多数KCNE1变异体在同源状态下会显著影响电流密度、激活电压依赖性等电生理特性，但未表现出明显的显性负效应。此外，通过整合功能性数据，研究者重新评估了部分变异体的致病性分类，其中14种变异体的分类得到了修订。基于这些功能性数据，研究者进一步估算出JLN2在人群中的携带频率为1/1034，这一结果为该疾病的遗传评估提供了重要依据。

研究还对比了电压钳记录与深度突变扫描（deep mutational scan）的结果。深度突变扫描是一种利用高通量技术评估突变影响的方法，通常通过细胞活力和膜表面表达水平来间接判断突变的功能性。然而，该方法与直接电生理测量在相关性上存在差异，尤其在激活和失活动力学方面。这表明，虽然深度突变扫描可以提供关于突变影响的广泛信息，但其在某些更细致的功能特性上仍存在局限。因此，本研究强调了电压钳记录在精准评估离子通道变异体功能方面的价值，并指出进一步改进深度突变扫描方法以包括杂合状态的分析可能有助于更全面地理解KCNE1变异体的致病机制。

本研究的实验方法采用CHO-K1细胞系，这些细胞在稳定表达人类KCNE1的情况下，能够模拟与KCNQ1共同表达的生理环境。为了减少基因漂变对实验结果的干扰，研究者仅使用了传代次数在4到10之间的细胞。此外，研究者还通过测序验证了这些细胞中KCNE1基因的阅读框完整性，确保了实验的准确性。通过自动化电压钳记录，研究团队能够高效地处理大量样本，从而实现了对KCNE1变异体的全面评估。

在功能分析方面，研究者重点关注了电流密度和激活电压依赖性等关键电生理参数。结果表明，同源状态下的大多数KCNE1变异体都会显著改变这些参数，其中大部分属于功能丧失型变异，即它们会导致I_Ks电流减少。然而，在杂合状态下，这些变异体并没有表现出明显的显性负效应，这表明在临床诊断中，杂合KCNE1变异体可能不是LQTS的主要致病因素。此外，研究者还发现，一些变异体在杂合状态下可能表现出不同的电生理特性，如激活或失活动力学的变化，这些变化可能对心律失常的发生起到一定的作用。

在对KCNE1变异体的分类上，研究者依据美国医学遗传学与基因组学学会（ACMG）的标准，结合功能数据对变异体进行了重新评估。原本的分类中，有91种变异体被归为“意义未明的变异”（VUS），其中2种被归为“可能致病”（LP），2种被归为“致病”（pathogenic）。然而，随着功能数据的引入，部分变异体的分类发生了变化，13种VUS被重新归类为LP，而3种变异体则被归为致病。此外，一些原本被归为VUS的变异体在考虑功能数据后被重新分类为“可能良性”（BS3[P]），而原本的LP变异体则可能被重新归为VUS。这一结果表明，功能数据对于准确判断变异体的致病性具有重要意义。

在估算JLN2的携带频率时，研究者采用了一种基于哈迪-魏斯曼平衡（Hardy-Weinberg equilibrium）的统计方法，结合gnomAD中的等位基因频率数据。根据研究结果，JLN2的携带频率为1/1034，这一数值表明KCNE1虽然与JLN2密切相关，但在人群中的普遍性并不高。这与已知的其他罕见遗传性心脏病（如MYH7基因引起的肥厚型心肌病）的携带频率相似，进一步支持了KCNE1作为隐性基因在遗传性心律失常中的作用。

研究还指出，尽管KCNE1与LQTS的显性遗传关联存在争议，但其作为隐性基因的作用已经得到充分验证。这表明，在临床遗传检测中，KCNE1可能更适合作为隐性疾病的候选基因，而不是显性疾病的常见致病因子。此外，研究者提到，一些文献中报道的严重心律失常病例可能受到报告偏差的影响，即在人群变异频率尚未明确之前，这些病例可能被过度关注。而另一种观点认为，KCNE1变异体可能作为低 penetrance 的修饰因子，只有在其他遗传或环境因素共同作用下才会导致LQTS的发生。

尽管本研究在方法上取得了重要进展，但也存在一些局限性。例如，研究者没有考虑KCNE1与其他可能的相互作用蛋白，如hERG，因为这些相互作用在体外过表达实验中才被观察到，其在体内生理条件下的相关性尚不明确。此外，由于培养和转染心脏成纤维细胞的技术难度较大，研究者未能使用这种细胞类型进行实验，而选择了CHO-K1细胞作为替代。虽然CHO-K1细胞可能无法完全模拟心脏细胞的生理环境，但其高通量的特性使得大规模研究成为可能。最后，研究者指出，在瞬时转染实验中，无法精确控制WT与变异KCNE1的比值，这可能会影响对显性负效应的评估。然而，基于之前的实验结果，KCNQ1和KCNE1的组装比值具有一定的灵活性，因此随机分布的瞬时转染实验可能在一定程度上反映了体内的实际情况。

综上所述，本研究不仅揭示了KCNE1变异体在遗传性心律失常中的复杂作用，还为临床基因检测和疾病诊断提供了新的依据。通过高通量电生理实验，研究者能够系统地评估KCNE1变异体的功能影响，并结合功能数据对变异体的致病性进行重新分类。此外，研究还为JLN2的携带频率提供了估算，并验证了深度突变扫描在评估某些功能性影响方面的有效性。这些发现对于理解先天性心律失常的遗传机制具有重要意义，也为未来的基因检测和临床实践提供了参考。