本研究介绍了一个从DNA到蛋白质功能及神经行为的多尺度研究框架。该研究提出了一种新方法,用于探究GABAA受体亚基中预测为致病性的突变,假设致癫痫突变以及被预测为致病性的邻近突变可能在CA1锥体神经元模型上产生相似的影响。
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本研究介绍了一个从DNA到蛋白质功能及神经行为的多尺度研究框架。该研究提出了一种新方法,用于探究GABAA受体亚基中预测为致病性的突变,假设致癫痫突变以及被预测为致病性的邻近突变可能在CA1锥体神经元模型上产生相似的影响。
了解癫痫相关基因中功能未知变异体的影响,对于阐明疾病的病理生理机制并开发个体化治疗策略至关重要。我们采用一种跨越从DNA序列到蛋白质功能及神经元行为的多尺度研究框架,提出一种预测和研究致病性突变的新方法,并假设GABAA受体亚基中的致癫痫突变以及邻近区域预测的突变可能对CA1锥体神经元模型产生类似的影响。通过探究预测致病性突变与邻近致癫痫突变之间的特征性关联,本研究旨在基于致癫痫突变对海马锥体神经元模拟所产生的效应,来估测预测突变的潜在影响。
该方法始于GABA的收集A 受体γ2亚基遗传数据,随后使用R语言中的自定义脚本进行数据清洗和格式化。接下来,应用集成预测工具以识别并优先排序该基因的致病性错义变异 γ2 亚基。将通过分子建模展示致痫性突变共有的亚基结构域上特定致病性变异(预测)的定位,并分析其影响及进化保守性。随后进行变异特异性的荟萃分析与参数标准化,继而开展相关性分析,以识别预测突变与邻近致痫性突变之间是否存在显著关联。利用基于 Python 的神经模拟器,描述反映野生型及致痫性突变体效应的多区室基于电导的神经元模型。模拟由致痫性 GABA 受体突变产生的神经元反应A 受体亚型将被用于粗略估计预测致病性变异对神经反应的影响。据我们所知,这是首个探索多尺度框架以评估GABAA 受体变异对神经元行为的影响,对癫痫研究至关重要。该方案可作为增强预测GABA潜在致病变异所导致细胞表型的基础A 与癫痫相关的受体
对于几乎所有人类疾病而言,遗传变异在个体易感性中均起着重要作用。因此,了解序列变异如何影响疾病风险,为揭示疾病发生发展的关键机制以及发现预防和治疗新策略提供了重要途径1。这一原则同样适用于神经发育障碍,后者是儿科初级保健中最常见的慢性疾病之一2。自闭症谱系障碍、智力障碍和癫痫等疾病表明,遗传变异在发育过程中对个体易感性具有显著影响3。
由于兴奋与抑制之间关键平衡的遗传编程性神经发育不匹配,发育中的大脑比成年大脑更容易发生癫痫发作4。在成年大脑中,GABA(γ-氨基丁酸)是主要的抑制性神经递质,但在胚胎期和出生后早期发育阶段却具有兴奋性作用,这种状态不利于年幼大脑维持防止癫痫发作所需的稳定性。这种暂时性状态由K-Cl共转运体表达不足所致5,在GABAA受体功能异常的情况下,可能增加癫痫活动的风险。GABAA受体介导GABA的兴奋性和抑制性作用,其效应取决于细胞内Cl-离子的浓度6。因此,随着大脑发育成熟,GABAA受体编码基因以及其他离子通道基因的突变,以及参与神经元代谢、细胞信号传导和突触形成的基因突变7,可导致儿童失神癫痫等疾病8。
临床干预正越来越多地利用基因分析来提高治疗神经发育障碍的精准性2。儿童癫痫中的基因检测为精准医疗策略提供了潜在的靶点9,凸显了基因变异在指导治疗决策中的重要意义。此外,约25%携带新发突变的癫痫患者通过基因诊断明确了精准医疗的潜在靶点,进一步强调了基因变异在指导治疗决策中的重要价值10。这一进展得益于新一代测序技术的发展,例如靶向基因 panel、全外显子组测序和全基因组测序,这些技术极大地加速了基因发现11。然而,随着新基因发现数量的不断增加,当检测结果呈现意义未明变异(VUS)时,便带来了挑战;该分类反映了关于该变异在疾病发病机制中分子作用的证据存在冲突或信息不足。被归类为VUS的变异属于美国医学遗传学与基因组学学会(ACMG)和分子病理学协会(AMP)提出的五级变异分类系统中的一个类别12。
解决功能未知的遗传变异所带来的挑战需要在两个关键领域开展工作:临床实践和科学研究。在临床上,VUS(意义未明变异)相关的不确定性可能使患者的管理和决策过程复杂化13。从科学研究的角度来看,在数量日益增加的意义未明变异中识别致病变异,并确定其在疾病病理生理学和表型效应中的作用至关重要1。一种理想的情况是能够准确预测所有功能尚未明确的变异在分子、神经元及神经网络层面的影响,从而最大限度地减少基于实验室研究所需资源、时间和精力。这些方面凸显了准确分类遗传变异的重要性,以实现对遗传性癫痫的精确诊断,支持个体化治疗,并促进潜在药物靶点的发现。现有的预测工具14,15,16,17相对准确,但通常仅提供二元分类(致病性与良性),缺乏对分子病理生理机制、表型后果及潜在机制的疾病特异性洞察。本文聚焦于选定的GABAA受体亚基编码基因中的未知错义变异,提出一个框架,旨在通过整合变异的分子、进化和结构等背景因素,以及基于癫痫相关突变的体外生物物理数据所模拟的神经病理变化,增强研究指导能力。我们的方法学针对GABAA受体γ2亚基的未知致病变异进行识别,该亚基在癫痫的病理生理过程中起关键作用18,19,20。随后,探索这些预测变异与已通过结构和电生理数据表征的癫痫相关突变之间的位置特异性匹配。这些数据被用于估算变异对表达GABAA受体亚型(由γ2、α1和β3亚基组成,即γ2-GABAA受体)的海马锥体神经元模型所产生的影响,该受体负责快速突触抑制6。需要指出的是,GABAA受体由大量亚基库(α1-α6、β1-β3、γ1-γ3、δ、Ε、θ、π和ρ1-ρ3)组装而成,根据亚基组成的不同,GABAA受体在调节方式、生物物理特性以及区域、细胞和亚细胞表达模式方面存在差异,并与特定功能相关6,21,22,23,24,25。因此,本研究仅聚焦于γ2-GABAA受体或含γ2亚基的GABAA受体。
GABAA 受体亚基由特征性结构组成——一个长的N端胞外结构域(ECD),四个跨膜结构域(TM1至TM4),连接TM1与TM2的胞内连接区,连接TM2与TM3的胞外连接区,TM3与TM4之间的一个大的胞内环(TM3-TM4环),以及一个短的胞外C末端6,26,27建议GABAA 受体通过一个复杂的机制发挥作用 "锁定并拉出" 机制是GABA结合使β和α亚基锁定,进而牵拉亚基的胞外结构域(ECDs),使其发生逆时针旋转27该运动使跨膜结构域(TMDs)发生弯曲,从而打开离子通道27因此,通道活性似乎与GABA内的结构模块协同作用A 受体。事实证明,癫痫相关突变通过扭曲这些结构模块,导致通道活性功能障碍。28因此,我们的研究基于以下假设:在GABA受体特定结构模块中,位于功能已知致痫突变位点附近的预测致病性变异可能具有相似的病理机制。A 受体亚基可能表现出与这些致癫痫突变情况中所观察到的相似的通道功能电生理或生物物理异常模式。尽管在GABA受体中存在致癫痫结构盒的迹象A 受体亚基28 间接支持了这一观点,但本研究揭示了将致癫痫突变的生物物理参数与预测致病突变的参数相关联所面临的复杂性与挑战。为揭示这些复杂关系,本研究框架具有重要意义,因其强调了一种从DNA到蛋白质功能及神经行为的多尺度研究方法,这对癫痫研究至关重要。该方法整合了计算遗传学、分子建模与神经模拟,同时强调互补方法的重要性,例如基于大规模数据集训练的机器学习,可捕捉突变对通道结构、活性及神经兴奋性的影响。此外,对致癫痫性γ2-GABA受体的模拟A 海马锥体神经元模型上的受体活性可实现复制 体外 与GABA相关的细胞表型A 受体通道病以及在神经网络功能障碍核心处单个神经元反应改变的展示。
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1. 在计算机中 预测 o致病性变异
2. 参数选择与生物物理建模
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本研究采用多尺度方法预测和表征GABAA受体γ2亚基中的致病性变异,该亚基是癫痫发病机制中的关键组分。通过运用预测模型、分子建模、进化保守性分析、结构分析、相关性分析以及神经元模拟,该方法可提高变异分类的准确性,对癫痫研究具有重要意义,并可能具有临床应用价值。整体方法流程总结于图1中。
两个相邻γ2亚基突变的比较评估
基于我们的假设,即位于 GABAA 受体亚基上致癫痫突变位点附近的预测致病性突变可能对通道功能和神经行为产生类似的电生理效应,我们首先简要分析了 γ2 亚基上一个已知致癫痫突变与其邻近的预测突变之间的关系。
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通过结合计算遗传学、分子建模和神经模拟方法,本文提出的方法有望改进对GABA的分类A 受体变异体,为癫痫研究和临床应用提供了宝贵的见解。本文提出并扩展了一个全面的分析框架,用于识别和优先排序预测的致病性突变,该框架有望弥合蛋白质与细胞表型之间变异效应的差距。评估了致癫痫性GABAA 海马体锥体神经元模拟中的受体活性可实现复制 体外 与GABA相关的表型A 受体功能障碍以及单个神经元反应改变在神经网络功能障碍根源中的体现。基于由致癫痫突变引发的神经反应模拟,初步估算了结构上邻近的预测突变对功能影响的可能性。关于预测突变对通道动力学影响的预测,仍需结合已知变异集进行深入分析。诸如本文所展示的比较分析与神经活动模拟,为构建和优化聚焦于变异对蛋白质功能及神经病理影响的预测模型提供了关键见解。此外,我们的方法可用于在未知变异中筛选并优先确定最具致病性的变异,以研究与GABA相关的变异效应A 受体相关神经发育障碍。例如,用荧光探针标记的受体亚基66,
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所有作者声明,他们与本研究无任何利益冲突。
感谢 Çağla Koca 在构建模型神经元过程中提供的帮助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Brian2 | 索邦大学é法国视觉研究所,法国国家健康与医学研究院(INSERM),法国国家科学研究中心(CNRS);英国伦敦帝国理工学院 | 2.8.0.4 | Stimberg 等,2019(https://pypi.org/project/Brian2/) |
| dbNSFP 服务器 | Genos生物信息学有限责任公司,美国 | v3.0 | Liu 等,2020(http://database.liulab.science/dbNSFP)(https://sites.google.com/site/jpopgen/dbNSFP) |
| HOPE | 荷兰拉德堡德大学分子与生物分子信息学中心 CMBI | 1.1.1 | Venselaar 等,2010(https://www3.cmbi.umcn.nl/hope/) |
| Jalview | 英国邓迪大学 | JV2 | Waterhouse 等,2009(https://www.jalview.org/) |
| Jupyter Notebook | Project Jupyter,美国 | https://jupyter.org/install | |
| 植物 | Python 软件基金会,美国 | 3.13 | https://www.python.org/downloads/ |
| Protter | 瑞士苏黎世联邦理工学院 | 版本 1.0 | Omasits, 等, 2014 (https://wlab.ethz.ch/protter/start/) |
| R | 美国统计计算基金会 | R 版本 4.3.2 | https://www.r-project.org/ |
| RStudio | Posit 软件,PBC,美国 | RStudio 2023.12.1+402 "海洋风暴" 释放 | https://posit.co/downloads/ |
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