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北京天坛医院曹勇团队与香港科技大学王吉光团队在AJHG上揭示脑海绵状血管畸形基因突变全景图

2021-05-02 曹勇 王吉光

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2021年4月,首都医科大学附属北京天坛医院曹勇教授团队与香港科技大学王吉光教授团队在遗传学杂志《The American Journal of Human Genetics》发表题为“Somatic MAP3K3 mutation Defines a Subclass of Cerebral Cavernous Malformation”的研究论文。


2021年4月,首都医科大学附属北京天坛医院曹勇教授团队与香港科技大学王吉光教授团队在遗传学杂志《The American Journal of Human Genetics》发表题为“Somatic MAP3K3 mutation Defines a Subclass of Cerebral Cavernous Malformation”的研究论文。该论文提供了迄今为止最为完整的脑海绵状血管畸形(cerebral cavernous malformation, CCM)包括CCM基因突变、MAP3K3PIK3CAMAP2K7等体细胞基因突变的基因突变全景图。论文首次报道了CCM的MAP3K3体细胞突变与CCM基因突变存在互斥,并且MAP3K3 c.1323C>G(p.Ile441Met)基因突变与核磁影像学上“爆米花样”改变紧密相关。这一发现在CCM精准诊疗、基因影像学和血管畸形的分子分型等方面具有重大意义。北京天坛医院翁建聪博士和霍然博士以及香港科技大学杨影茜博士和宋东博士为并列第一作者。北京天坛医院曹勇教授和香港科技大学王吉光教授为共同通讯作者。




CCM在人群中发病率达到0.5%,其中占比约20%的家族性CCM的致病基因主要为CCM1/2/3生殖细胞突变,然而绝大多数单纯性(simplex)CCM致病基因仍不明确。曹勇教授团队联合王吉光教授团队,历时3年,收集北京天坛医院113例CCM手术标本。计算分析38例全外显子测序数据, 描绘了CCM基因突变全景图,包括CCM基因、MAP3K3PIK3CAMAP2K7等基因突变。其中8例CCM患者存在MAP3K3 c.1323C>G基因突变,与CCM基因突变互斥。研究人员使用ddPCR对所有CCM标本进行MAP3K3 c.1323C>G基因突变检测,发现92例单纯型CCM患者中有34例(37.0%)存在此突变。为进一步明确此突变的临床应用价值,研究人员利用决策树方法对纳入的病例进行基于Zabramski影像的分型研究,发现“爆米花样”改变的CCM患者几乎全部携带MAP3K3 c.1323C>G基因突变。为明确发生基因突变的细胞类型,研究人员使用微量细胞测序发现此突变富集在内皮细胞(CD45-/CD31+)。在计算机模拟试验和体外试验中,研究人员发现Met441突变导致MEKK3蛋白局部发生构象改变,进而激活下游p38,ERK和JNK通路。


具体的发现如下所述:

01

单纯性CCM存在MAP3K3 c.1323C>G基因突变。研究人员发现单纯性CCM除了存在CCM1/2/3基因的体细胞和生殖细胞突变外,还存在MAP3K3, PIK3CA, MAP2K7基因的体细胞突变。其中,92例单纯性CCM患者中有34例(37.0%)存在MAP3K3 c.1323C>G基因突变(编码MEKK3激酶蛋白),并且该基因与CCM1/2/3基因突变互斥。以上结果提示可能存在新的CCM亚组发生MAP3K3 c.1323C>G基因突变,并且与既往CCM1/2/3基因突变相比,此基因突变可能存在不同的致病机制。


02

MAP3K3 c.1323C>G基因突变富集于“爆米花样”改变的CCM。基于目前临床上CCM最为常用的Zabramski影像分型,研究人员将本课题纳入的所有CCM病例分成I型、II型、III型和IV型。通过统计分析,研究人员发现95%“爆米花样”改变的CCM病灶(II型)存在MAP3K3 c.1323C>G基因突变(P=6.7x10-12),提示CCM的影像学改变和潜在的基因突变间可能存在密切相关性。进而,基于影像信息和基因组信息,研究人员构建使用影像分型推断基因突变类型的决策树。影像表现预测MAP3K3 c.1323C>G基因突变的决策树较为准确(发现组AUC=0.97;验证组AUC=0.92),使用该决策树可以提供无创的影像学预测方法推断II型患者存在MAP3K3 c.1323C>G基因突变。


03

MAP3K3 c.1323C>G基因突变增强内皮细胞中MEKK3蛋白激酶的活性,进而激活下游ERK,JNK和p38信号通路。在计算机模拟试验中,研究人员发现突变后的Met441氨基酸与MEKK3蛋白的“疏水调节脊”相互作用。后续的分子动力学模拟试验发现Met441氨基酸改变了MEKK3蛋白激酶局部的蛋白构象,进而增强了MEKK3蛋白激酶与下游底物的亲和力。微量细胞(1000-1500个细胞)测序发现MAP3K3 c.1323C>G基因突变主要富集在CCM内皮细胞中(CD45-/CD31+)。为了进一步阐明突变后下游通路的改变情况,曹勇课题组在转染MAP3K3 c.1323C>G病毒的人脐静脉内皮细胞中探索了MEKK3下游通路的变化情况,并发现ERK,JNK和p38磷酸化水平显著升高。


综上所述,曹勇课题组与王吉光课题组的合作研究主要发现了单纯性CCM患者存在MAP3K3 c.1323C>G。并且通过计算机蛋白模拟试验和体外试验发现突变可以激活MEKK3蛋白激酶及其下游通路。此项研究提供了迄今为止最为完整的单纯性CCM基因突变景观图,并首次提出了影像学上“爆米花样”改变与MAP3K3 c.1323C>G基因突变的相关性,将改善临床上对CCM诊疗。


主要资金来源:北京市卫健委中国重大脑疾病基因组学平台建设-脑动静脉畸形多组学研究(PXM2019_026280_000002-AVM)、国家十三五课题“脑动脉瘤及脑动静脉畸形一站式复合手术术中抗凝方案的探索及风险获益评估”(2016YFC1301803)、首都医科大学临床医学一流学科共建项目-脑血管病发病机制研究(1202100302),国家自然科学基金优秀青年科学基金(港澳)(31922088)。


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