KARS1基因新变异在一个伴有智力残疾和听力障碍的近亲婚配家庭中：全外显子组测序和计算机模拟蛋白分析

《Gene》：Novel variant in KARS1 in a consanguineous family with Intellectual Disability and hearing impairment: WES and in silico protein analysis

　　

## 摘要要点

- Trio-WES（三人组全外显子组测序）鉴定出智能障碍/听力损失患者中的KARS1 p.Leu330Pro纯合变异。
- 家系分离分析确认该变异在 consanguineous family（近亲婚配家庭）中呈常染色体隐性遗传。
- 该变异位于赖氨酰-tRNA合成酶的保守催化结构域。
- 计算工具预测该变异具有致病效应并导致蛋白质去稳定化。
- 剪接与结构建模表明蛋白质稳定性受到局部破坏。

## 引言

神经发育障碍（NDDs）是一组影响大脑发育和功能的广泛临床状况，包括智力障碍、癫痫、全面发育迟缓和自闭症谱系障碍（Martínez de Lagrán 等，2024）。智力障碍（ID）是其最常见的表现之一，特征为认知和适应功能严重受损，影响患者的概念、实践和社会生活领域（Jansen 等，2023；Regier 等，2013）。全球估计ID的患病率约为1%–3%，在低收入地区患病率更高（Ilyas 等，2020；Maulik 等，2011）。

ID的遗传架构高度异质（Vissers 等，2016）。多种环境因素（如感染、产前损伤、母亲物质使用障碍）和遗传因素均参与ID的表现。超过1000个基因与ID遗传相关，X染色体基因富集，突变呈现不同的遗传模式（即常染色体或X连锁显性、隐性或新发突变）（Leblond 等，2021；Najmabadi 等，2011；Rauch 等，2012）。在近亲婚配率较高的人群中，常染色体隐性遗传是最常见的原因（Musante 和 Ropers，2014；Weller 等，2012）。在约旦，近亲婚配占所有婚姻的至少35%（El Goundali 等，2022；Islam 等，2018），ID病因不明比例高，且未来复发风险较大（Hamamy 等，2007）。ID相关基因参与多种功能通路，包括突触和神经发育功能、染色质组织、DNA修复、葡萄糖/脂质/氨基酸代谢以及GPCR信号转导（Chiurazzi 和 Pirozzi，2016；Kochinke 等，2016）。Chiurazzi 和 Pirozzi（2016）还指出ID相关基因的时间表达模式，胎儿脑中高表达的基因特别富集于转录调控、形态发生和发育过程（Chiurazzi 和 Pirozzi，2016）。ID的遗传多样性给建立分子诊断带来挑战，即使在携带大量常染色体隐性变异的近交群体中亦是如此。

全外显子组测序（WES）为智力发育障碍等遗传异质性疾病（如NDDs和ID）的诊断提供了一种稳健且成本效益高的工具（Alkhateeb 和 Alazaizeh，2019；Alkhateeb 等，2016；Alkhateeb 等，2017；de Ligt 等，2012）。诊断率可达约65%，在近亲婚配人群中预期更高（Masri 等，2023）。约旦的多项研究揭示了此前原因不明的NDDs中的新致病突变，从而拓展了多个神经发育基因的已知突变谱（Al-Kasbi 等，2022；Alkhateeb 等，2023；Froukh，2017）。重要的是，约旦诊所的经验也支持WES的实施以实现快速准确的诊断（Ababneh 等，2021；Masri 和 Hamamy，2021）。综上，WES已被确立为确定ID病因的一线检测，可改善诊断率、指导临床决策、指导复发风险咨询并拓展区域特异性变异数据库。

在本研究中，我们利用三人组WES对约旦一个近亲婚配的阿拉伯家庭进行调查，该家庭有三名患儿表现为智力障碍和听力受损。我们报告了KARS1（NM_001130089.2: c.989 T > C, p.Leu330Pro）中的一个致病性纯合错义变异。KARS1编码赖氨酰-tRNA合成酶，这是一种对蛋白质翻译至关重要的酶，负责将赖氨酸装载到tRNA上（OMIM#: 601421）。多种临床状况与KARS1变异相关，包括腓骨肌萎缩症（MIM#: 613641）、常染色体隐性耳聋89型（MIM#: 613916）、先天性耳聋伴成人期进行性白质脑病（MIM#: 619196），以及进行性婴儿期起病白质脑病伴或不伴耳聋（MIM#: 619147）。该变异在家系中完全分离，表现为常染色体隐性遗传模式。整合三人组WES和计算机分析是表征ID变异和拓展KARS1相关功能失调谱的有力方法，尤其在约旦等近交人群中，支持其在临床中实施以提高国家诊断能力。

## 家系招募与伦理审批

本研究招募了一个约旦阿拉伯近亲婚配家庭。该家庭有三名未受影响儿童和三名具有非综合征型ID相关临床症状的患儿。先证者是一名14岁女性，为家中第二例患儿。该病例就诊于约旦伊尔比德阿卜杜拉国王大学医院（KAUH）儿科诊所。本研究经约旦科技大学伦理委员会批准（IRB批准号：三人组WES鉴定出KARS1中的p.Leu330Pro变异）。

我们招募了一个约旦近亲婚配阿拉伯家庭，三例患儿表现为智力障碍、语言和听力障碍及发育迟缓（图1A）。个体II.1有学习困难、学业表现差、听力障碍和癫痫（19岁男性）；个体II.4（先证者）有智力障碍、学习障碍、学业表现差、听力障碍和癫痫发作（14岁女性）；个体II.6有智力障碍、听力障碍和癫痫（8岁）。

## 讨论

KARS1编码II类赖氨酰-tRNA合成酶，对蛋白质翻译至关重要，催化ATP依赖的tRNA-Lys与赖氨酸的装载。功能性蛋白质是细胞质多-tRNA合成酶复合体（MSC）的一部分，与其他九种氨酰-tRNA合成酶（aaRS）共同确保严格调控的翻译过程。致病性变异与KARS1相关，涉及一系列神经发育和神经肌肉疾病，包括周围神经病。

## 结论

在本研究中，我们在约旦一个近亲婚配家庭中鉴定出与智力障碍和听力障碍相关的KARS1纯合错义变异（c.989 T > C）。利用三人组WES结合进化分析、群体遗传学、功能分析、剪接分析和结构分析，我们的研究结果表明p.Leu330Pro影响了赖氨酰-tRNA合成酶催化结构域中一个高度保守且功能受限的区域。多种计算工具一致预测该变异……

## CRediT作者贡献声明

Shadi Shahatit：撰写——审阅与编辑，撰写——原始稿件，可视化，验证，软件，资源，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。

Roaa Hashhoysh：撰写——审阅与编辑，撰写——原始稿件，可视化，验证，资源，方法学，调查，资金获取，形式分析，数据整理，概念化。

Asem Alkhateeb：撰写——审阅与编辑，撰写——原始稿件，可视化。

## 伦理声明

已从所有参与者或其法定代理人处获得书面知情同意，同意参与本研究并发表文章。参与者隐私权已得到尊重。

本研究涉及器官或组织捐献者。本研究包含人类生物材料，已获得捐献者、其直系亲属或法定代理人同意用于本研究及文章发表。本研究使用的样本未来源于处决研究。

本研究依照研究所在地的相关法律、监管框架和指南开展。本研究经约旦科技大学（JUST）机构审查委员会批准（批准号：24/123/2019）。

## 伦理审批

本研究获得约旦科技大学（JUST）伦理委员会批准（批准号：24/123/2019）。本研究遵循《赫尔辛基宣言》原则开展。

## 参与同意

已从所有个体参与者或其法定监护人处获得知情同意。

## 发表同意

参与者同意将本案例报告提交至该期刊。

## 资金

本研究由约旦科技大学科研处资助（项目编号：20170384）。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文工作的竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

作者衷心感谢参与者家庭成员以及约旦科技大学科研处对本研究的支持。作者还感谢阿卜杜拉国王大学医院（KAUH）儿科诊所协助招募家系成员。

Shadi Shahatit | Roaa Hashhoysh | Asem Alkhateeb