印度先天性小头畸形患者的表型与基因型特征研究

《Pediatrics & Neonatology》：Phenotypic and Genotypic Characterization of Indian Microcephaly

　　

背景：先天性小头畸形（congenital microcephaly, CM）是一种在遗传学和临床上均呈高度异质性的神经发育障碍性疾病，其特征为产前或出生时枕额头围（occipitofrontal head circumference, OFC）减小。该病可表现为孤立性/非综合征性小头畸形，也可作为综合征性疾病的一部分，伴有发育迟缓、脑结构异常及多系统畸形。 方法：研究人员评估了2020–2024年间转诊至印度北部一家三级医疗遗传学诊所的23例产后诊断为先天性小头畸形的儿科患者。研究进行了详细的临床表型分析、神经影像学检查及系统性评估。对疑似单基因疾病的患者，全外显子测序（whole exome sequencing, WES）被用作一线检测手段；而对疑似拷贝数变异（copy number variants, CNVs）或外显子数据中提示存在CNVs的特定患者，则进行了染色体微阵列分析（chromosomal microarray analysis, CMA）。变异通过计算机模拟工具、基于表型的筛选进行优先级排序，并根据美国医学遗传学与基因组学学会（ACMG）指南进行分类。 结果：就诊年龄范围为1个月至12岁。面部特征是最常见的表现（69.6%），其次为骨骼异常（52%）。全面发育迟缓（global developmental delay, GDD）和眼科异常见于47.8%的患者，而神经影像学发现在35%的病例中具有诊断提示意义。在19例患者中鉴定出单核苷酸变异（single nucleotide variants, SNVs），包括在ASPM、AIMP2、NCAPD2、ZEB2、MAP2K1、MAP2K2、NAA15、NIPBL和RPL5基因中的致病性或可能致病性变异，而在4例患者中检测到CNVs。15例（65.2%）患者通过致病性或可能致病性SNVs和CNVs获得了明确的分子诊断。最常涉及的基因是ASPM（3例无亲缘关系的患者），其次是ZEB2（2例无亲缘关系的患者）。5个SNVs为新发变异。34.8%的患者发现了意义不明确的变异（variants of uncertain significance, VUS）。 结论：本研究中，先天性小头畸形表现出显著的表型和遗传异质性。WES与CMA的联合应用在该北印度队列中获得了较高的诊断率。ASPM和ZEB2的复发性变异支持群体特异性复发等位基因的存在。新发现拓宽了印度人群中先天性小头畸形的突变谱。

论文解读

一、研究背景与意义

先天性小头畸形（congenital microcephaly, CM）是一类以枕额头围（occipitofrontal head circumference, OFC）较同年龄、同性别、同种族匹配人群均值低2个标准差（SD）以上为特征的神经发育障碍性疾病，严重形式常以≥3 SD为阈值。该病在出生时或产前即已存在，全球患病率约为每10万活产1.3至150例不等，在近亲婚配和同族内婚配比例较高的人群中更为常见。印度报告的患病率为每1万出生人口2.3例。临床上，患者可表现为孤立性/非综合征性小头畸形，也可作为综合征的一部分，伴有全面发育迟缓（global developmental delay, GDD）、智力障碍、癫痫、身材矮小、听力损害、视觉异常、行为障碍、运动功能障碍及脑结构异常等多种表现。

由于该病在遗传和临床层面均具有高度异质性，且不同疾病表型常相互重叠，确定精确的遗传学病因对于准确诊断至关重要，这对产前诊断、遗传咨询和临床管理具有直接意义。全外显子测序（whole exome sequencing, WES）、染色体微阵列分析（chromosomal microarray analysis, CMA）及验证性Sanger测序等分子分析手段为识别此类疾病的遗传学基础提供了有力工具，检测策略可根据个体临床表现进行定制。然而，印度人群中先天性小头畸形的区域性基因组图谱仍不完整，需要更多队列研究来拓展突变谱并评估整合式基因组检测策略的诊断效能。

二、研究设计与主要技术方法

本研究为一项回顾性临床研究，纳入2020–2024年间在印度昌迪加尔医学教育研究生院（PGIMER）遗传学诊所就诊的23例产后确诊为先天性小头畸形（OFC ≤ 3 SD）的儿科患者，就诊年龄范围为1个月至12岁，中位年龄3岁，其中男13例、女10例。排除已知常见染色体和单基因疾病（如唐氏综合征、威廉姆斯综合征、Apert综合征）及获得性小头畸形病例。研究经机构伦理委员会批准，并取得家长或法定监护人书面知情同意。

主要技术方法包括：外周血DNA提取后进行全外显子测序（WES），采用Illumina DNA Prep with Exome 2.5富集方案在NextSeq 2000平台完成测序，使用DRAGEN软件进行序列比对、变异 calling 和注释；变异优先级排序采用逐步基于表型的方法，依据gnomAD群体频率（次要等位基因频率<1%，疑似显性遗传病采用更低阈值）、蛋白质功能预测（保留无义、移码、经典剪接位点、错义及外显子水平CNVs）、遗传模式（常染色体隐性、新生、X连锁或显性）及基因型-表型相关性进行筛选；使用SIFT、MutationTaster、Mutation Assessor和PROVEAN等计算机模拟工具及Franklin、VarSome、ClinVar、OMIM等数据库进行证据整合，最终依据ACMG指南分类。特定患者采用Applied Biosystems CytoScan 750K Array进行CMA，使用ChAS软件分析，并通过ClinGen、DECIPHER、DGV、OMIM和UCSC Genome Browser等数据库注释解读。由于经济条件限制，未进行三人组（trio）检测。

三、研究结果

临床表型特征

面部异常是最常见的临床表现，见于16例（69.6%），包括低位耳（n=4）、招风耳（n=3）、三角脸（n=3）或长脸（n=1）、粗糙面容（n=3）、内眦赘皮（n=3）、斜额（n=2）、弓形眉（n=2）、上唇薄（n=2）、耳前赘生物（n=2）、长人中（n=1）和下颌后缩（n=1）。口面裂见于3例患者。全面发育迟缓见于11例（47.8%），其他神经发育表现包括智力障碍、言语贫乏、行为异常/攻击行为、重复性手部动作和学业表现差。神经影像学异常见于8例（34.7%），包括胼胝体缺如或发育不良（n=3）、侧脑室枕角扩大（colpocephaly，n=2）、弥漫性脑萎缩（n=1）、脑桥和小脑蚓部发育不良（n=1）、巨大枕大池（n=1）、海马萎缩（n=1）、微无脑回畸形（micro-lissencephaly，n=1）、双侧皮质高信号（n=1）、多小脑回畸形（polymicrogyria，n=1）及斜坡发育不良（n=1）和T2-FLAIR改变（n=1）。结构性眼/眼周受累见于11例（47.8%），包括小眼畸形、缺损、角膜混浊、蓝灰色巩膜、虹膜异色、视网膜病变、上睑下垂等。骨骼和肢体异常见于12例（52%），包括身材矮小/原发性侏儒（n=4）、指弯曲（clinodactyly，n=4）、长指（n=2）、关节松弛（n=2）、三角头畸形、长头畸形、杵状手、桡骨缺如、短指、并指、屈曲指、小肢畸形、双侧先天性马蹄内翻足、髋关节发育不良、短手和斜颈等。其他系统表现包括发育迟缓（failure to thrive，n=2）、先天性心脏缺陷（n=1）、癫痫（n=2）、肌张力低下（n=1）、食欲亢进（n=1）、腹股沟疝（n=1）、喉软化（n=1）、异位肾（n=1）、无脾（n=1）、反复感染（n=1）、贫血（n=1）、隐睾（n=1）和甲状腺功能减退（n=1）。

分子遗传学发现

23例患者中，19例检出SNVs，3例检出CNVs，1例同时检出CNV和SNV。共在17个基因（ASPM、AIMP2、ARID2、ANKRD11、BMP4、DLG4、GLI3、GRIN2B、HESX1、MAP2K1、MAP2K2、NAA15、NCAPD2、NIPBL、RPL5、TRAF7、ZEB2）中发现19个SNVs，其中5个为新发变异（ANKRD11、BMP4、GRIN2B、RPL5、NAA15）。变异类型以错义变异最为常见（11/19，57.9%），其次为小插入/缺失（4/19，21%），无义变异和剪接位点变异各占10.5%（各2/19）。5例患者（21.7%）检出ASPM、AIMP2和NCAPD2基因的已知致病性纯合或复合杂合变异，符合常染色体隐性遗传模式（4例纯合，1例复合杂合）。ASPM:c.719_720del（p.Ser240Cysfs16）移码变异在1例纯合和1例复合杂合病例中被检出，ZEB2:c.2083C>T（p.Arg695）在2例无亲缘关系患者中被检出。

4例患者检出CNVs，其中2例为致病性、1例为可能致病性、1例为VUS，包括：2q21.2杂合缺失（256 kb，包含GPR39基因）；2p12-p11.2部分缺失（包含41个基因，包括LRRTM1、CTNNA2、REEP1）；15q25.1重复（1.21 Mb）；以及chrX四倍化（NC_000023.11:g.pter_qter[4]）。

诊断率

通过WES和CMA联合检测，15/23例患者（65.2%）获得了明确的分子诊断（致病性或可能致病性变异），8例（34.8%）检出意义不明确的变异（variants of uncertain significance, VUS）。

基因型-表型关联

携带ASPM双等位基因功能丧失变异的患者（MCP1、MCP2）表现为典型的原发性小头畸形表型，无癫痫或显著颅外异常。MCP1有弥漫性脑萎缩，MCP2显示胼胝体缺如和脑桥-蚓部发育不良，与ASPM相关小头畸形已知的可变神经影像学谱一致。携带AIMP2变异的患者（MCP4）表现为小头畸形、全面发育迟缓、发育迟缓和喉软化，与该基因相关的进行性神经退行性变一致。携带CNVs的患者（MCP6、MCP8、MCP12、MCP17）除小头畸形和GDD外，具有多样的畸形和结构异常，包括上睑下垂、面部不对称、颅面微小型、耳前赘生物、鸡胸、指弯曲、粗糙面容、癫痫、多样的神经影像学异常和多系统异常，反映了染色体失衡的广泛基因剂量效应。携带ANKRD11 VUS变异的患者（MCP13）有指弯曲和侧脑室枕角扩大，支持KBG综合征谱系诊断，但缺损和虹膜异色并非该病的已知特征。携带BMP4 VUS变异的患者（MCP10）表现为小头畸形、全面发育迟缓、小眼畸形、角膜混浊和双侧皮质高信号，眼部表现与BMP4单倍剂量不足一致。

四、讨论与结论

讨论总结

先天性小头畸形患者存在显著的临床异质性，重叠的表型常阻碍病因学诊断。本队列中脑畸形常为非特异性和异质性，但神经影像学在指导临床管理、缩小鉴别诊断范围和辅助遗传结果解读方面具有重要价值。本研究中常见的神经影像学异常为胼胝体异常和脑萎缩。联合WES和CMA的诊断率为65.2%，与既往报道的29%–63%相当或略高。SNVs占大多数病例，而4例患者检出临床显著的CNVs，凸显了CMA在综合征性或多发先天异常患者中的补充价值。

常染色体隐性原发性小头畸形占SNVs病例的21.7%（5例），均携带ASPM、AIMP2和NCAPD2基因的双等位基因截短变异。ASPM是最常涉及的基因（3例无亲缘关系患者），与既往全球报道一致。ASPM:c.719_720del变异此前曾在巴基斯坦近亲家系中报道，ASPM:c.8508_8509del和ASPM:c.7125_7128dup也均有既往报道。AIMP2:c.105C>A（p.Tyr35）纯合无义变异曾在两个无亲缘关系的印度近亲家系中报道，表现为小头畸形、癫痫和痉挛性四肢瘫痪。NCAPD2:c.4120+2T>C纯合剪接位点变异曾在印度患者中报道。ASPM、AIMP2和NCAPD2变异在多个无亲缘家系中的复发提示存在群体特异性变异。本队列中未发现WDR62或CEP135*变异。

复发性致病性杂合ZEB2变异c.2083C>T（p.Arg695）在2例无亲缘关系患者中被检出，该基因与Mowat-Wilson综合征相关。其中1例患者有无脾，扩展了该病的表型谱。RPL5:c.367delG（p.Val123Trpfs3）新发杂合移码变异在1例伴小头畸形、贫血、腭裂和畸形特征的患者中被检出，RPL5变异与Diamond-Blackfan贫血相关，该病为一种核糖体病，以骨髓衰竭和先天异常为特征。MAP2K1和MAP2K2的已知致病性变异在2例符合心面皮肤综合征特征的患者中被检出，提示RASopathy谱系疾病应纳入综合征性小头畸形的鉴别诊断。

CNVs方面，2q21.2缺失涉及GPR39（一种脑内表达的锌感应G蛋白偶联受体，与突触信号、认知和行为调控相关）；15q25.1重复（1.21 Mb）的表型谱尚未充分明确，该患者同时携带GRIN2B错义变异，提示可能存在多位点致病性变异；2p12-p11.2部分缺失包含41个基因，多基因联合剂量缺失可能比任何单一候选基因更能解释复杂表型；chrX四倍化是罕见的大规模X染色体拷贝增加，预期破坏染色体上剂量敏感基因，与多系统神经发育异常相关。

携带ANKRD11、DLG4、GLI3、GRIN2B、TRAF7、HESX1、BMP4和ARID2基因VUS变异的患者凸显了临床基因组学中的常见挑战，细致的表型分析、分离研究和功能实验可能有助于明确这些变异的致病相关性。

结论翻译

先天性小头畸形是一组临床和遗传上高度异质的神经发育障碍性疾病，重叠的表型使诊断复杂化。在本北印度队列中，WES与CMA联合检测获得了65.2%的高诊断率，支持将WES和CMA联合应用作为临床异质性病例的有效一线诊断方法。ASPM、AIMP2和NCAPD2基因已知致病性变异的检出证实常染色体隐性原发性小头畸形是本队列患者的主要病因。ASPM和ZEB2的复发性变异以及其他新发现，拓展了印度人群先天性小头畸形的突变谱和表型谱。早期分子确诊具有直接的临床价值，可指导临床管理、评估再发风险并进行知情遗传咨询。VUS的存在凸显了在分离分析和功能验证方面持续努力的必要性。总体而言，这些发现强调整合式基因组学方法对于提高先天性小头畸形诊断精准度和推进基因型-表型关联研究至关重要。