MIDEAS基因Tyr654Ser突变通过解除MiDAC复合物自抑制引发神经发育综合征的机制研究

《Nature Communications》：A de novo missense variant in MIDEAS results in increased deacetylase activity of the MiDAC HDAC complex causing a neurodevelopmental syndrome

本研究针对一例新型神经发育综合征，发现MIDEAS基因c.1961A>C(p.Tyr654Ser)突变通过破坏MiDAC组蛋白去乙酰化复合物的自抑制机制，导致HDAC1活性异常升高。研究人员通过冷冻电镜结构解析、酶动力学分析和转录组学验证，揭示该突变创造CDK磷酸化位点，使自抑制环位移，进而过度抑制MAP2K6/p38 MAPK通路。这项发表于《Nature Communications》的研究首次确立MIDEAS为显性单基因病致病基因，为组蛋白修饰异常相关疾病提供新的治疗靶点。

　　

在生命早期的精密发育过程中，基因表达的精准调控犹如一场精心编排的交响乐，而组蛋白修饰则是其中重要的指挥棒。组蛋白去乙酰化酶(HDAC)作为关键的表观遗传调控因子，通过调节染色质结构和基因表达，在胚胎发育和细胞分化中扮演重要角色。其中，I类HDAC1和HDAC2可组装成六种不同的多蛋白复合物，包括MiDAC（组蛋白去乙酰化酶复合物）。尽管MiDAC在细胞中占比不足5%，但小鼠研究表明，缺失MiDAC组分会导致胚胎致死，提示其在发育过程中具有不可替代的功能。

然而，关于MiDAC复合物在人类疾病中的作用，特别是其核心支架蛋白MIDEAS是否会导致遗传性疾病，长期以来一直是未解之谜。随着表观遗传调控基因在神经发育障碍中的作用日益受到关注，研究人员开始探索MiDAC复合物异常可能与人类疾病的关系。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，研究人员发现了两例无关患者，均表现出相似的多系统异常症状，包括言语发育迟缓、关节挛缩、面部畸形和胃肠动力障碍。全外显子测序揭示了两者均携带MIDEAS基因完全相同的从头杂合错义变异c.1961A>C(p.Tyr654Ser)。这一发现促使研究团队深入探索该变异如何影响MiDAC复合物的功能和导致疾病的发生机制。

关键技术方法

本研究整合了多种前沿技术：通过临床 trio-外显子测序鉴定致病突变；利用冷冻电镜解析MiDAC复合物2.9?高分辨率结构；采用基于NMR的酶动力学分析检测组蛋白去乙酰化活性；通过RNA测序比较患者成纤维细胞与MiDAC敲除模型的转录组差异；建立dTAGv-1诱导的DNTTIP1快速降解系统进行功能验证；使用质谱分析检测翻译后修饰。

研究结果

发现MIDEAS变异与临床表型关联

研究人员首先通过临床 trio-外显子测序在一名疑似单基因神经发育障碍患者（先证者1）中发现了MIDEAS基因的c.1961A>C(p.Tyr654Ser)变异。该变异在基因组聚合数据库(gnomAD)中不存在，位于物种间高度保守的区域。通过GeneMatcher平台匹配到第二例无关患者（先证者2），携带完全相同的变异和重叠的临床特征，包括全面发育迟缓、喂养困难、腭咽功能不全、听力损失、特殊颅面畸形和进行性关节挛缩。两名患者均出现胃肠道症状，其中先证者1发展为慢性特发性肠假性梗阻。

患者成纤维细胞的基因表达变化

对先证者1皮肤成纤维细胞的转录组分析显示，与30个对照诊断样本相比，有132个基因上调和303个基因下调。基因本体分析发现多个生物过程和分子功能通路受到影响。与MIDEAS敲除小鼠胚胎成纤维细胞(MEF)模型的比较显示，患者中有177个差异表达基因也在敲除模型中出现，且存在负相关关系（相关系数-0.21），提示Y654S变异可能导致MiDAC功能亢进。

2）的基因本体分析。b 先证者1基因（zScore>2）与敲除MIDEAS小鼠胚胎成纤维细胞数据集中相同基因log2折叠变化的热图。'>

MiDAC复合物的结构基础

2.9?冷冻电镜结构显示，MiDAC二聚体中MIDEAS完全包裹HDAC1，其653-670氨基酸区域形成一个自抑制环，覆盖HDAC1的活性位点。关键残基I659插入HDAC1活性位点通道，与F150和F205相互作用。Y654与HDAC1的P206骨架羰基形成氢键，其芳香环堆叠在MIDEAS的P721和P656之间。上游保守区域（631-637）以延伸构象直接覆盖在自抑制环上方，稳定其与HDAC1的相互作用。

Y654S变异的分子后果

Y654S突变将YTP序列变为STP，创造了一个CDK激酶共识位点。质谱分析证实，Y654S突变体中有超过41%的肽段在S654或T655位点发生磷酸化，而野生型中未检测到T655磷酸化。CDK2/9抑制剂处理可减少22%的磷酸化水平，支持CDK负责这一修饰的假设。磷酸化可能破坏T655与HDAC1 E146的氢键，导致电荷排斥，进一步削弱自抑制环的稳定性。

去乙酰化酶活性分析

NMR酶动力学实验显示，含短MIDEAS(717-887，缺乏自抑制环)的复合物去乙酰化初始速率为29.7 nM·s^-1，而含长MIDEAS(628-887)的野生型复合物活性低5倍（6.3 nM·s^-1）。Y654S突变体（可能带有>34%磷酸化）活性升至20.4 nM·s^-1，模拟磷酸化的SDP突变体活性接近无抑制环的复合物（27.3 nM·s^-1）。这些结果证实MIDEAS的N端区域具有自抑制功能，而Y654S突变使复合物活性提高3-5倍。

MiDAC对p38 MAPK通路的调控

在HCT116细胞中快速降解DNTTIP1导致MAP2K6表达显著上调，MAP2K3也有适度增加。Western blotting证实DNTTIP1缺失后MAP2K6蛋白水平增加。患者成纤维细胞与dTAGv-1处理的HCT116细胞基因表达比较显示强烈的负相关关系，支持Y654S导致MiDAC功能亢进的假说。研究表明MiDAC可能作为p38 MAPK级联通路的调节制动器。

研究结论与意义

本研究首次确立MIDEAS为常染色体显性遗传的单基因神经发育障碍致病基因，其致病机制源于p.Tyr654Ser变异导致MiDAC复合物功能亢进。结构生物学证据表明，Y654位于覆盖HDAC1活性位点的自抑制环中，该变异不仅破坏原有相互作用，还创造CDK磷酸化位点，导致抑制环位移和酶活性升高。

值得注意的是，MIDEAS相关表型与Myhre综合征（由SMAD4突变引起）有显著重叠，包括发育迟缓、先天性心脏缺陷、混合性听力损失、皮肤增厚和胃肠道问题。这一表型重叠提示MiDAC异常可能与TGF-β信号通路失调有关，为理解疾病机制提供了新视角。

在更广泛的生物学意义上，本研究揭示了I类HDAC复合物活性调控的新范式：多个复合物（SIN3B、S. pombe SIN3S、S. cerevisiae Rpd3L）均发现辅阻遏蛋白残基占据活性位点的现象。MiDAC中自抑制环的发现表明，通过亚基组分控制酶活性位点可及性可能是HDAC复合物调控的普遍机制。

这项研究不仅为一种新型神经发育障碍提供了分子诊断依据，更重要的是深化了对组蛋白修饰复合物调控机制的理解，为开发针对特定HDAC复合物的治疗策略奠定了理论基础。由于目前有超过100项HDAC抑制剂的临床试验正在进行，本研究对特定复合物活性调控机制的揭示可能为相关疾病的精准治疗提供新思路。