目前较明确的单纯性肌张力障碍相关基因包括TOR1A、THAP1、ANO3、GNAL、TUBB4A基因,均呈常染色体显性遗传。除此之外还包括2015年新发现的HPCA、COL6A3基因,后两者呈常染色体隐性遗传。
(一)TOR1A基因
TOR1A基因相关的肌张力障碍即DYT1型肌张力障碍,是最常见的遗传性单纯性肌张力障碍。典型表现为早发全身性肌张力障碍,大部分患者儿童时期起病,少数在青少年时期或成年期起病,通常从单一肢体发病(多为下肢),数年内逐渐进展至躯干及其他肢体,面部和颈部受累少见[2]。随着人们对其认识的增多,表现为局灶性、节段性肌张力障碍者也有报道。
该病致病基因为位于9q34.11的TOR1A基因,编码TorsinA蛋白,突变形式较为单一,主要为第5外显子鸟嘌呤-腺嘌呤-鸟嘌呤(GAG)三核苷酸缺失(c.904_906delGAG,p.302delGlu),外显率约为30%。除GAG缺失外,也有少数其他类型的突变(框内缺失、错义突变)被报道,但致病性不肯定[3,4]。此外,Risch等[5]在TOR1A基因4号外显子发现1个多态性位点(rs1801968;c.646G>C),可使TorsinA蛋白第216位氨基酸天冬氨酸替代为组氨酸(D216H)。该多态性作为TorsinA蛋白的修饰体发挥作用:在携带GAG缺失突变的个体中,无症状者H216等位基因的频率升高,而有肌张力障碍表现者该频率则降低。细胞模型研究结果显示,H216等位基因可减弱GAG三核苷酸缺失导致的临床表现,降低表现肌张力障碍症状的风险,因此在一定程度上可解释TOR1A基因GAG缺失突变的外显率不足[5,6]。TOR1A基因编码的TorsinA蛋白由332个氨基酸组成,属于ATP酶AAA+超家族的成员,位于内质网膜和核周间隙,被认为是一种分子伴侣蛋白[7]。最近有研究表明,TorsinA与内层核膜上的膜扩张和细胞脂质含量升高有关,表明torsin蛋白是细胞脂质代谢的必需调节物。因此,推测TOR1A突变所导致的脂质生物学紊乱可能是肌张力障碍发生的主要原因[8]。
(二)THAP1基因
THAP1基因相关的肌张力障碍即DYT6型肌张力障碍,患者于儿童期、青少年期或成年时期均可发病(2~62岁),以儿童和青少年起病多见。近半数患者首发症状为上肢肌张力障碍,如书写痉挛,其余患者多以颅颈段肌张力障碍起病,可缓慢进展至其他部位,亦可在相当长时间内病情稳定。最常受累部位为颅颈段,痉挛性构音障碍为其特征性表现[9,10]。2009年,Fuchs等[11]将其致病基因定位于8p11.21的THAP1基因,呈常染色体显性遗传,外显率约为60%。迄今为止,该基因有100余种突变被报道,突变形式多样,包括错义突变、无义突变、移码突变和剪接突变等[12]。
THAP1基因编码的THAP1蛋白包括213个氨基酸残基,分为THAP结构域和非结构域,前者位于N端,具有非典型的锌指结构,可与特异性DNA结合;后者包括低复杂性富含脯氨酸结构域、双极定位信号结构域和卷曲螺旋结构域等,位置更靠近于C端。基因型与表型的相关性研究发现,THAP1的N端附近的突变与更早的发病年龄和更广泛的症状分布有关,THAP结构域内突变的患者发病年龄更早,受累部位更广泛,但是对发病部位没有影响[13]。
(三)ANO3基因
2012年,Charlesworth等[14]对一个常染色体显性遗传的颅颈段肌张力障碍家系进行了遗传学分析,发现ANO3基因15号外显子存在错义突变(c.1470G>c,p.Trp490Cys),推测可能是该家系致病基因,命名为DYT24型肌张力障碍。此后,Zech等[15]、Ma等[16]和Miltgen等[17]分别对不同地区不同种族肌张力障碍人群进行了ANO3基因检测,发现多个ANO3基因突变,但致病性有待确定。
ANO3基因相关的肌张力障碍又称成人起病的颅颈段肌张力障碍,为常染色体显性遗传。患者多为成年起病[14],少数患者儿童期起病[18](3~40岁),最常见起病部位为颈部,表现为斜颈及肌张力障碍性震颤,其他表现包括咽喉部受累、出现痉挛性构音障碍以及上肢肌张力障碍伴震颤,也有合并眼睑痉挛或口下颌肌张力障碍的报道。少数患者病程初期仅表现为头颈部或上肢震颤,易被误诊为特发性震颤。长期随访发现,大多数患者可由局灶性肌张力障碍缓慢进展为节段性肌张力障碍,无下肢受累,未见进展为全身性肌张力障碍的报道[18]。ANO3基因定位于11pl4.3-11pl4.2,共包含27个外显子,编码一种属于钙活化氯离子通道的跨膜蛋白,可调节神经元兴奋性[14]。体外功能研究显示ANO3基因突变患者(c.1470G>c,p.Trp490Cys)皮肤纤维母细胞存在内质网相关性钙离子信号异常,推测ANO3基因突变可导致纹状体神经元兴奋性异常,从而表现为肌张力障碍[14]。
(四)GNAL基因
2013年,Fuchs等[19]对2个原发性扭转型肌张力障碍家系进行全外显子测序,将其致病基因定位于GNAL基因,位于18p11.21,共12个外显子,呈常染色体显性遗传,命名为DYT25型肌张力障碍。随后有多个研究团队在不同种族不同肌张力障碍人群中进行GNAL基因筛查[20,21,22,23,24,25,26],发现其总体突变频率为0.4%~1.7%,目前已发现包括无义突变、移码突变、错义突变、框内缺失及剪接异常在内的30余种突变,尤其是最近GNAL基因纯合突变被报道[27]。
GNAL基因相关的肌张力障碍目前病例数最多的报道是8个家系共28例患者[19],平均发病年龄为31.3岁(7~63岁),大部分患者(82%)以颈部肌张力障碍发病,46%表现为局灶性肌张力障碍,57%存在颅段受累,44%存在构音异常。与THAP1基因突变致的DYT6型不同,迄今为止文献报道的DYT-GNAL肌张力障碍患者中未见上肢起病患者,随着病情的进展仅32%的患者可累及上肢。GNAL基因编码鸟嘌呤核苷酸结合蛋白的兴奋性α亚单位(Gαolf),在纹状体棘状神经元中富集,Gαolf与直接通路中的多巴胺D1受体及间接通路中的腺苷A2A受体相结合,激活腺苷酸环化酶5型。GNAL基因突变导致Gαolf合成受阻和功能障碍,影响纹状体多巴胺能和(或)胆碱能信号传导通路[19]。
(五)TUBB4A基因
Parker[28]于1985年描述了1个包括20名成员、3代受累的大家系,患者多在10~30岁起病,几乎所有患者首发症状都是低语性发声困难,进而表现为以颅颈段受累为主的节段性或全身性肌张力障碍,部分患者可表现为'木马样'共济失调步态[29,30]。2013年,Hersheson等[30]和Lohmann等[29]两个研究团队几乎同时将该病致病基因定位于19p13.3的TUBB4A基因,发现其1号外显子存在一错义突变(c.4C>G,p.Arg2Gly)。TUBB4A基因编码的蛋白属于β-微管蛋白家族,所组成的微管是细胞骨架的必要成分。该错义突变位于β-微管蛋白高度保守的自调节甲硫氨酸-精氨酸-谷氨酸-异亮氨酸(MREI)结构域,该结构域受损影响β-微管蛋白mRNA转录的自我调节能力。随后,Lohmann等[29]在394例散发性肌张力障碍患者中进行TUBB4A基因筛查,仅在1例表现为痉挛性构音障碍的节段性肌张力障碍患者中发现一错义突变(c.811G>A,p.Ala271Thr),然而此突变位于MREI结构域之外,其病理机制尚不明确。此后,Vemula等[31]、Zech等[32]和Vulinovic等[33]分别对不同种族的肌张力障碍患者队列进行筛查,仅在1例意大利痉挛性斜颈患者中发现1个框内缺失突变(c.1015_1017del,p.Ser339del)。因此推测TUBB4A基因似乎是单纯性肌张力障碍的罕见病因。
近年来陆续报道,TUBB4A基因突变与伴基底节小脑萎缩的髓鞘形成低下(H-ABC)相关[34]。H-ABC是一种罕见的散发性脑白质病,多在婴儿至儿童期发病,表现为生长发育迟滞,伴有小脑性共济失调、肌张力障碍、进行性痉挛性瘫痪以及癫痫发作等[35]。无影像学异常的DYT-TUBB4A肌张力障碍和H-ABC是TUBB4A基因多态性所导致的不同表型还是属于同一连续的表型谱目前尚不明确[36]。
(六)HPCA基因
Gimenez-Roldan等[37]于1976年报道了1例父母为近亲结婚的女性患者,表现为扭转性肌张力障碍,该患者12岁起病,初始主要累及下肢,后逐渐进展至上肢和颅颈部。此后数个呈常染色体隐性遗传的肌张力障碍家系被报道,归于DYT2/DYT2-like,但其致病基因长期以来并未明确。
2015年Charlesworth等[38]在1个DYT2型肌张力障碍的家系中发现HPCA基因的纯合突变(c.225C>A,p.Asn75Lys),进一步在另一个原发性肌张力障碍家系的中发现该基因的复合杂合突变(c.212C>A,p.Thr71Asn;c.568G>C,p.Ala90Thr)。HPCA基因位于1p35.1,编码海马钙结合蛋白,这是一种几乎仅存在于脑内的神经元钙感应蛋白,尤其在纹状体中高表达。其可能致病机制为HPCA基因突变导致海马钙结合蛋白缺失,抑制神经元电压门控钙通道,或者影响神经元膜电位的维持,从而影响细胞膜去极化。
(七)COL6A3基因
2015年,Zech等[39]首次报道了在1个德国家系中的2例患者表现为常染色体隐性遗传的单纯性肌张力障碍,全外显子测序显示患者的COL6A3基因存在复合杂合突变(c.9128G>A,c.9245C>G),被命名为DYT27型肌张力障碍。他们随后在367例单纯性肌张力障碍患者中进行COL6A3基因筛查,进一步发现了2个家系共3例患者携带复合杂合突变(c.7502G>A,c.8966-1G>C;c.7660G>A,c.8966-1G>C)。尤其特别的是,所有患者都至少存在1个位于41号外显子的致病突变。5例患者均为早发性起病(6~24岁),3例表现为全身性肌张力障碍,颅颈段、上肢及躯干受累突出,1例表现为节段性肌张力障碍,颈部和上肢受累,另一例患者表现为局灶性颈部肌张力障碍[40]。
COL6A3基因位于2q37.3,编码Ⅵ型胶原的α3亚基,可生成微纤维网络的细胞外基质蛋白。应用qRT-PCR技术,可发现COL6A3在成年小鼠脑中广泛表达,其中以脑干和中脑表达水平最高。在斑马鱼中敲除41号外显子,可导致轴突生长缺陷,提示细胞外基质异常可能是这种形式的肌张力障碍的基础[39]。