IVD前沿丨外显子测序可确定部分脑瘫儿童病因

脑瘫(CP)是儿童最常见的身体残疾类别，临床具有高度异质性。除了运动和姿势功能障碍外，CP患者可能在感觉、行为、认知和沟通方面存在重大障碍。常见的合并症包括癫痫、智力残疾和自闭症谱系障碍（ASD）。CP与多种临床危险因素有关，包括宫内感染、早产和围产期窒息；然而，在大多数病例中，CP的原因仍不清楚。一些研究暗示了遗传学在CP的病因学和发展中起着关键作用。CP的诊断基于临床评估而不是病因基础，使CP的早期诊断困难。

近日，杂志Nature Medicine上发表了一篇题为“Exome sequencing reveals genetic heterogeneity and clinically actionable findings in children with cerebral palsy”的文章。本研究中，作者研究了1578名有CP临床表现的中国儿童，利用外显子测序（ES）数据评估了SNV和CNV的遗传诊断率。1578名儿童中有387名(24.5%)得到了基因诊断。作者还发现，相当一部分（8.5%）的基因诊断病例有临床可操作的发现。ES是一种强大的技术，应被认为是儿童CP的一线诊断测试。

图片来源：Nature Medicine

主要内容

ES揭示CP中的致病和可能致病(P/LP) SNV

1578例CP患儿，同时分析SNVs和CNVs，整体诊断率24.5%（387 of 1,578），其中诊断SNVs占84.5%，诊断CNVs占14.7%，诊断一个SNV和一个CNV（同一基因）有1例，双重诊断CNVs和SNVs有2例。性别分层分析显示男孩（24.9%）和女孩（23.8%）之间的诊断率没有显著差异。

SNV分析显示，1578例CP病例中有329例符合致病性、遗传模式和疾病表型一致性的遗传分子诊断标准，总体遗传诊断率为20.8%。在219个已知的NDDs基因中鉴定出了412个P/LP变异。在这219个基因中，有66个反复突变的基因（图b）。KDM5C是最常见的突变基因，在6个个体中检测到P/LP变异，其次是ATP1A3、CACNA1G、CTNNB1、MECP2和TCF4（各5例）和CACNA1A、KCNH1、SPAST和L1CAM（各4例）（图b）。

在已知的神经发育相关基因中发现的P/LP变异。

图片来源：Nature Medicine

ES揭示CP中的P/LP CNVs

对1536例儿童进行ES CNVs筛查，其余42例进行GS CNVs筛查。在1536名儿童中，ES CNV分析共确定了93个P/LP候选CNVs，其中58.1%通过CMA、CNV测序或qPCR确认。基于GS的分析检测到5例P/LP CNVs。这些结果表明，基于ES的分析检测到的P/ LP CNVs准确率为58.1%。此外，1例遭受羊水污染的患者（NN881）同时被确诊为同一基因TBCD的致病性SNV和致病性CNV。还有两名儿童被诊断为不同基因的CNVs和SNVs。

总的来说，基于ES数据的CNV检测可同时分析SNVs和CNVs，从而提供更全面的变异识别。

基因型表型相关性分析

不同儿童组的遗传诊断率因其神经发育合并症的不同而有所不同。CP和发育迟缓/智力残疾患者（GDD/ID）有32.4%的遗传分子诊断率，显著高于总体分子诊断率24.5%。根据磁共振成像（MRI）分类系统（MRICS），32.0%的CP和MRI发育不良的患者有遗传性诊断，也显著高于整个队列。对于不同类型的CP，从痉挛性双瘫的诊断率22.0%到运动障碍的30.6%，与队列的总体诊断率无显著差异。与整个队列相比，痉挛性CP的遗传分子诊断没有明显的优势。

CP危险因素在遗传诊断率中的评估

作者比较了队列中有危险因素信息的CP儿童的遗传分子诊断（图a）。出生时围产期窒息的CP病例的遗传诊断率为30.3%，显著高于无围产期窒息的患者。这表明，部分围产期窒息事件很可能与潜在的遗传变异导致的大脑发育不当有关。在围产期窒息的CP儿童中发现了81个P/LP变异基因，在神经和胚胎发育中都发挥着重要作用，与痉挛性截瘫、新生儿脑病相关，或参与了与中枢神经系统发育相关的通路。

相比之下，CP伴颅内出血儿童的遗传分子诊断率最低，显著低于无颅内出血的儿童。有早产史的个体的分子诊断率也低于足月出生儿童（图a）。与早产相关的基因集中在人乳头瘤病毒感染通路中。此外，在脐带的盘绕与遗传诊断率之间仅观察到一个弱关联。此外，一些已知的CP的危险因素并不是相互独立的；例如，围产期窒息与GDD/ID显著相关。这些结果表明，一些被认为是危险因素的不良事件，可能是继发于致病性遗传变异的。

ES显示了具有生物学意义的CP危险因素。

图片来源：Nature Medicine

CP儿童的临床可操作性遗传学诊断

在387名有遗传诊断的CP临床表现的儿童中，33名（8.5%）通过早期基因检测，可以从疾病早期的基因组药物或饮食改变中获益。最常见的基因变异是ARSA和MMACHC（3例），其次是GALC、PDHA1和TH（2例）。双等位ARSA变异导致ARSA缺乏，骨髓或脐带血移植可预防神经系统疾病加重。MMACHC中P/LP变异诊断为钴胺素缺乏症，可通过提供VB12、叶酸来纠正。由GALC、PDHA1和TH的变异可通过造血干细胞移植、生酮饮食、VB1和l-DOPA补充分别进行治疗，有可能改善CP症状。

此外，NFE2L2、SPR、MOCS1、ASL、GAMT、GCDH、HPRT1和MUT等变异，每种特定情况都有针对潜在病理生理学的治疗方法。总之，这些发现表明，早期的基因检测是至关重要的，因为它可能会影响这些儿童的临床发展轨迹。

基因负担关联研究

为了进一步研究与CP相关的遗传变异富集和遗传缺陷，作者在基因水平上进行了病例-对照关联分析。通过LoF和REVEL模型的基因分析，确定了6个新的遗传证据支持的候选基因，包括GPM6A、FOXD1、BSG、POSTN、SLC9A3R1和STXBP5（下图）。GPM6A和STXBP5与CP的潜在功能关联在秀丽隐杆线虫和黑腹果蝇中得到了初步验证。这些结果暗示这些基因与CP的功能关联，为进一步研究CP的发病机制提供了重要线索。

通过CP的大规模病例-对照关联分析发现候选基因。

图片来源：Nature Medicine

总结与讨论

作者对具有CP临床表现的大规模队列进行了外显子测序。1578名儿童中有387名(24.5%)得到了基因诊断。作者在219个与神经发育障碍相关的基因中发现了412个致病和可能致病(P/LP)变异，以及59个P/LP拷贝数变异。出生时伴围产期窒息的CP患儿遗传诊断率高于无窒息患儿。此外，8.5%有CP表现的儿童有临床可操作的发现。

这项研究有几个局限性。一部分CP可能是由各种类型的遗传缺陷引起的，包括深层内含子和调节变异，但这项研究没有涉及。其次，ES CNVs的诊断率会低于CNV-seq或CMA检测，这表明基于ES的诊断可能会错过一些P/LP CNVs患者；可能有遗传病因和ES结果阴性的个体应该通过替代方法重新检测。尽管如此，当前研究的发现提供了证据，表明早期和系统的基因检测对于确定约四分之一的儿童CP的病因至关重要，其中8.5%的儿童受益于相关的精准医疗干预。这些结果强调了对CP儿童进行早期基因检测的必要性，特别是那些有围产期窒息等危险因素的儿童，以使循证医学决策成为可能。