DBX1纯合无义变异导致非典型先天性中枢性低通气综合征的首例人类病例研究及其神经环路可塑性机制探索

本研究报告了一例由DBX1基因纯合无义变异（p.Ala114HisfsTer133）引起的非典型先天性中枢性低通气综合征（CCHS），通过十年随访与三重全外显子测序（trio-WES）系统分析，首次在人类中证实DBX1缺失导致呼吸节律中枢功能障碍，并发现患者在觉醒状态下可逐步建立替代性神经环路实现自主呼吸，为呼吸节律生成机制的可塑性研究提供了突破性临床证据。

　　

Abstract

Objectives

先天性中枢性低通气综合征（CCHS）是一种罕见呼吸障碍，主要由PHOX2B基因有害变异引起。本研究报道一例PHOX2B阴性CCHS罕见病例。

Methods

研究团队进行了为期10年的随访，包括临床评估、多导睡眠监测（polysomnography）、脑部MRI、血液与脑脊液分析、电生理检测以及包含三重全外显子测序（trio-WES）的全面遗传学分析。

Results

一名女性患者出生后立即需要机械通气，trio-WES发现候选基因DBX1存在纯合有害变异（p.Ala114HisfsTer133），可能导致DBX1功能完全丧失。其他症状包括中枢性肌张力低下、全面发育迟缓、癫痫发作和显著自残行为。

Discussion

Dbx1（发育中脑同源盒基因1）对哺乳动物吸气活动具有关键作用，Dbx1缺失小鼠因窒息在出生后迅速死亡的现象充分证明了这一点。本研究首次描述了携带DBX1基因有害变异的人类非典型CCHS患者。令人惊讶的是，随时间推移，患者逐渐能够在觉醒状态下实现脱离呼吸机的自主呼吸，尽管节律不规则且仅限于觉醒状态。这些发现表明DBX1缺陷个体能够建立替代性神经环路以维持觉醒状态下的吸气驱动。

Introduction

呼吸是由脑干腹侧呼吸柱复杂神经网络产生的无意识节律行为。哺乳动物呼吸包含三个时相：吸气、吸气后和主动呼气。吸气主要由前包钦格复合体（preB?tC）调控，这是延髓腹外侧区的异质性神经网络。具体而言，产生节律的谷氨酸能preB?tC中间神经元源自表达同源盒基因DBX1的祖细胞，该基因编码同源域转录因子。DBX1参与全脑早期神经元分化，对腹侧苍白质相邻祖细胞域分化的V0和V1中间神经元命运决定起关键作用。Dbx1敲除小鼠缺乏V0中间神经元和preB?tC，导致呼吸能力丧失和出生后数分钟内死亡。值得注意的是，目前关于DBX1在preB?tC调控吸气中作用的认识仅限于啮齿类动物研究。

Methods and Results

生物样本和影像资料获取均经过患者父母书面知情同意及披露同意，程序符合汉堡医师协会伦理委员会批准（PV 3802）。患者为10岁女性，自出生起接受随访，系健康白种人表亲夫妇的唯一子女。妊娠期因羊水过多并发症，41周时因胎儿窘迫行剖宫产。出生测量值在正常范围内（体重第69百分位，身高第45百分位，头围第68百分位）。Apgar评分3/6/6，脐血pH值7.30。由于严重全身性呼吸功能不全，出生后立即需要侵入性机械通气。拔管尝试失败，因而怀疑先天性中枢性低通气综合征（CCHS）。此外还存在明显中枢性肌张力低下，吸吮和吞咽反射缺失。4周龄时实施气管切开术和胃造口术。出生后数月内反复观察到全身强直性癫痫发作，发作持续时间少于一分钟，对地西泮和/或高流量氧气反应良好。预防性抗惊厥治疗（左乙拉西坦）于2岁时停用。初期及后续4岁、6岁时的脑电图检查均未发现明显癫痫样放电。

1岁时，患儿逐渐获得觉醒状态下自主呼吸能力，初始仅数小时，而至今10岁睡眠期间吸气运动仍稀少且不规则。患者持续完全依赖管饲。中枢性肌张力低下持续存在，但可进行抗重力运动，双侧腱反射存在，无痉挛状态。运动发育迟缓但持续进步，4.5岁时实现独立行走但步态宽基不稳。未观察到不自主运动或异常眼震样眼动。视觉系统似乎未受损，视觉诱发电位尚未检测。2岁时脑干听觉诱发电位显示双侧III波和IV波潜伏期处于上限范围，提示听觉通路轻度障碍。婴儿期即表现出显著自伤行为，以头部为主要目标区域（扯发、抠皮、撞头），因此上肢需持续预防性固定于躯干。患儿呈现畸形特征。

10月龄时脑部MRI（1.5T）怀疑髓鞘形成延迟，但29个月时髓鞘状态评估为符合年龄。6岁和10岁复查MRI正常。血液和脑脊液反复分析及电生理检测结果均无显著异常，核型分析、阵列比较基因组杂交以及完整PHOX2B遗传学分析（Sanger测序、外显子3多丙氨酸重复区分析和缺失/重复分析）亦无异常。

为阐明潜在遗传病因，对先证者及其父母DNA样本进行三重全外显子测序（trio-WES）。生物信息学过滤（次要等位基因频率MAF<0.01）未发现已知致病基因中可解释症状的变异。根据父母近亲婚配背景，共鉴定25个纯合区域总计168兆碱基，包含4个罕见纯合变异，其中仅1个推测具有有害效应。DBX1基因（NM_001029865.4）的2碱基缺失（c.340_341delGC）预计引起阅读框移码，导致提前终止密码子（p.Ala114HisfsTer133）。该变异可能导致DBX1完全缺失，若产生稳定蛋白质，预计将丢失重要的DNA结合同源域。大型测序数据集（gnomAD V4.1.0，超过75万个体）中未发现纯合DBX1功能缺失变异，强烈提示人类对双等位基因DBX1功能缺失变异不耐受，进一步支持该移码变异的致病性。

Discussion

通过trio-WES，我们在一名表现为CCHS、中枢性肌张力低下、全面发育迟缓和自伤行为的女孩中发现DBX1纯合有害变异。

Dbx1衍生的preB?tC中间神经元构成调节呼吸的三个兴奋性节律微环路之一：哺乳动物吸气的节律生成核心。双等位基因缺失小鼠Dbx1导致呼吸不能和即刻产后死亡。在呼吸的切片模型中选择性破坏Dbx1表达preB?tC神经元也会损害呼吸节律和吸气相关运动输出。暂时抑制preB?t复合体内Dbx1表达中间神经元还会中断镇静成年小鼠的吸气节律，并减少和延长觉醒小鼠的吸气频率和持续时间。

在携带DBX1纯合有害变异的患者中观察到类似呼吸模式。出生时即无呼吸运动，因而需要人工通气。引人注目的是，数月后她逐渐获得足够吸气能力，尽管节律不规则且仅限于觉醒状态。睡眠期间仍表现显著呼吸暂停，需要人工呼吸。这一观察结果提示人类preB?tC内DBX1调控神经网络存在意想不到的可塑性，这与在DBX1非依赖preB?tC区域越来越多观察到的现象相呼应。

除在preB?tC中的主要作用外，Dbx1参与下丘脑核团亚型特异性分化，这些核团涉及多种先天行为。在顶盖板下丘中，Dbx1调控中枢听觉通路关键整合中心的存活。因此，所鉴定的DBX1变异也可能是患者听力障碍和显著自伤行为的原因。由于Dbx1被证明控制参与运动活动的脊髓中间神经元命运，肌肉张力低下伴吸吮吞咽障碍以及运动发育迟缓也可能源于DBX1功能障碍。

值得注意的是，我们未观察到提示经典自主神经调节异常或神经嵴病的症状，这些在其他形式CCHS个体中常见。这一点，加上肌肉张力低下、严重全面发育迟缓和行为异常的存在，使我们的患者与其他已知CCHS类型显著区分。因此我们建议，对于PHOX2B筛查阴性且无自主神经调节异常或神经嵴病经典特征的CCHS个体，应考虑DBX1致病变异。

尽管本文仅报道单例患者，但（1）通过三重外显子测序进行的系统遗传学分析，（2）纯合DBX1移码突变的有害效应，尤其是（3）与Dbx1啮齿类模型强烈的表型相似性，满足了先前提出的单例患者中新疾病基因鉴定标准。显然，需要发现更多患者以进一步明确DBX1相关表型特征。此外，我们的研究结果为进一步剖析人类吸气节律调控神经环路可塑性的研究奠定了丰硕基础。

Acknowledgment

作者感谢患者及其家庭的参与。