KCNQ2基因相关癫痫:一种谱系疾病

屈晓旋 谢涵 姜玉武

【摘要】KCNQ2基因相关癫痫是一种谱系疾病,KCNQ2突变可导致从最重的早发癫痫脑病到最轻的家族性新生儿癫痫等多种临床表型。KCNQ2基因突变的类型及位点分布可能与临床表型相关联,此可为临床诊疗中进行预后判断提供线索。不同突变可导致不同程度的KCNQ2蛋白表达量减少、钾离子通道分布异常或电流减少,这可能是同一基因(KCNQ2)的突变导致不同临床表型的产生机制。近期研究还发现KCNQ2突变可能通过增强钾离子通道电流而引发癫痫,这还需要更多的后续研究去证实。
【关键词】KCNQ2钾通道;癫痫;综述

      癫痫(epilepsy)是一类以神经元同步过度放电为主要特征的慢性神经系统疾病。流行病学调查显示,我国总体癫痫患病率可达千分之七。总体年发病率为35/10万,而其中儿童期是癫痫发病率最高的时期,我国儿童癫痫年发病率可达151/10万。癫痫严重影响到儿童的健康成长并造成患儿家庭乃至社会的巨大负担。癫痫的病因可分为遗传性、结构性、代谢性、免疫性、感染性及不明原因性,其中遗传性癫痫是儿童癫痫的主要类型。遗传性癫痫的易感基因通常分为两大类:离子通道相关基因和非离子通道相关基因。多数的癫痫易感基因为离子通道相关基因。钾离子通道,作为参与调节神经元兴奋性的重要离子通道之一,在维持细胞静息电位等过程中起到至关重要的作用。编码钾离子通道的相关基因在癫痫易感基因大家庭中也占据着较重的分量。KCNQ2基因,作为钾离子通道相关基因的重要一员,一直是癫痫易感基因研究的热点。
      KCNQ2位于染色体20q13.3,包含17个外显子(3251个碱基对)。KCNQ2主要在神经元胞体中表达,编码蛋白为电压门控钾离子通道蛋白亚基Kv7.2。Kv7.2为一种跨膜蛋白,包含6个跨膜区域S1-S6和位于胞浆中的N端和C端,S1-S4被认为是电压门控区域,特别是S4区域,也称为电压感应区域(voltage-sensing domain,VSD)。而在S5和S6之间存在一个P环区域,此处为离子通道的孔区,具有离子选择性,对钾离子通透性最佳。此外,目前认为胞内C端参与了Kv2的细胞内定位、钾离子通道组装和膜磷脂调控,与钙调蛋白等蛋白之问存在相互作用。
携带有KCNQ2基因突变的患者可表现出不同严重程度的癫痫疾病表型。这一类的癫痫疾病的最轻表型为良性家族性新生儿惊厥(benign familial neonatal convulsion,BFNC),良性家族性新生儿惊厥患儿存在早发癫痫,但后续的神经系统发育基本正常,良性家族性新生儿惊厥患儿携带的KCNQ2突变绝大多数遗传自其父母;而最重的表型为早发癫痫脑病(early onset epileptic encephalopathy,EOEE),又称早发婴儿癫痫脑病7型(early infantile epileptic encephalopathy type 7,EIEE7),尽管与BFNC患儿同样表现为早发癫痫,但患儿存在神经系统发育受损,表现为智力运动障碍,早发癫痫脑病患儿携带的KCNQ2突变多为新生突变(de novo)。本文总结了到2017年5月为止有关KCNQ2基因相关癫痫疾病的文献,以期对KCNQ2基因相关癫痫有更完整和深刻的认识。

1 KCNQ2基因相关癫痫谱系疾病介绍
1.1 良性家族性新生儿惊厥 

      良性家族性新生儿惊厥(benign familial neonatal convulsion,BFNC),是一种家族性新生儿期起病的反复无热惊厥发作为特征的癫痫综合征。Bjerre和Corelius在1968年报道了一个家族5代中均出现新生儿癫痫患者的家系,此家系巾所有患者智力运动发育无异常,因此总结此病为良性家族性新生儿惊厥(BFNC)。
      良性家族性新生儿惊厥患儿常在生后2-3d内起病,常为成簇发作,发作频率数次/日至数十次/日不等,常在生后数周至数月自发缓解。良性家族性新生儿惊厥患儿的发作形式多种多样,可表现为局灶强直发作、局灶阵挛发作或自动症等。癫痫发作的持续时间较短,一般为1-2min,极少数癫痫发作会演变成癫痫持续状态。患儿在癫痫发作间期,喂养正常,精神运动发育不受影响。发作间期脑电图通常无异常,发作期脑电图表现为局灶痫样放电为主。神经影像学检查正常。
      作为KCNQ2相关癫痫谱系疾病的临床表型最轻的一类,目前认为此病预后良好,部分研究表明大约在病程6周时70%的患儿可自发缓解。Ronen等叫及Plouin等研究报道显示10%-15%的良性家族性新生儿惊厥患儿在婴儿期后仍存在局灶性或全面性癫痫发作。最近,一项对于140例良性家族性新生儿惊厥患儿的长达25年随访研究显示,40例患儿(31%)后期存在慢性癫痫,部分患儿的脑电图可出现中央颞区棘波和尖波。在1998年,Biervert等及Singh等分别在研究良性家族性新生儿惊厥家系时发现了家族遗传性的KCNQ2基因突变。到目前为止,已在近100多个良性家族性新生儿惊厥家系中发现KCNQ2基因突变。良性家族性新生儿惊厥相关的基因突变以家族遗传性的错义突变为主,其他突变类型还包括移码突变、无义突变等。基因突变散在分布于KCNQ2亚基各个区域,其中位于胞内C端的突变最多,其次为S4区域。

1.2 早发癫痫脑病

      早发癫痫脑病(Early-onset Epileptic Encephalopathies,EOEE)是一组异质性很强的疾病,一般定义为生后6个月以内起病的癫痫脑病。临床特点为反复惊厥发作、发作间期异常放电及智力运动发育落后。KCNQ2突变所致早发癫痫脑病常在生后1周内起病,发作频率也是数次/日至数十次/日不等,发作形式多为强直发作,也可出现局灶性发作和自动症表现。癫痫发作多在9月龄至4岁之问逐渐停止。脑病表现生后即可发生,当癫痫发作控制欠佳时脑病表现可以持续存在。三分之一的早发癫痫脑病患儿存在中度智力运动发育障碍,三分之二患儿存在重度智力运动发育障碍,患儿可表现为发育里程碑严重落后,不能独坐,眼神交流差,对外界反应差,不会说话或仅会说数个单词。发作期脑电图常表现为爆发抑制、高度失律或多灶性痫样放电。早期头颅MRI示基底节和丘脑区域呈高信号,之后信号可逐渐恢复正常。作为KCNQ2相关癫痫谱系疾病的临床表型最重的一类,携带有KCNQ2突变的某些EOEE患儿可表现为大田原综合征(Ohtahara Syndrome)。大田原综合征的临床特点为生后3个月内,甚至多在生后2周以内起病,发作形式可表现为强直-痉挛发作、局灶性发作伴或不伴泛化,孤立或成串发作,发作与睡眠无关。大田原综合征患儿的脑电图常出现爆发抑制波形。大田原综合征患儿智力运动发育及预后通常非常差。
      早发癫痫脑病相关的KCNQ2突变以新生的错义突变为主,极少数患者可因新生的移码突变或无义突变所致。与早发癫痫脑病相关的KCNQ2突变分布集中在4个热点区域,分别为S4区、p环区及其周围和C端两处功能域。

1.3 KCNQ2相关癫痫谱系疾病的中间表型 

      携带KCNQ2突变的患儿的临床表型不只限于良性家族性新生儿惊厥和早发癫痫脑病,也存在一些临床表型的轻重程度介于两者之间的类型,如良性家族性婴儿癫痫。良性家族性婴儿癫痫(benign familial infantile seizures,BFIS),是一种常染色体显性遗传的癫痫综合征。除了KCNQ2基因突变可导致此综合征外,目前认为染色体19q12-13.1、2q24和16p12-q12区域异常也与良性家族性婴儿癫痫相关。良性家族性婴儿癫痫的起病年龄为生后3-12个月。其发作形式可表现为全面性强直-阵挛发作或局灶性发作,持续时间短,通常为2-4min,常为成簇发作,发作频率约10-20次/d。在一项关于携带有KCNQ2错义突变的良性家族性婴儿癫痫家系的研究中发现,17例患者携带有同一KCNQ2错义突变(p.G271V),其中15例患儿的智力运动发育正常并且在发作间期的神经系统查体无异常,而其中有1例患儿出现轻度学习困难,在神经系统查体时发现其存在辨距不良和共济失调,此外,还有1例患儿出现严重智力障碍,主要表现为缺乏语言交流能力。17例患儿发作问期脑电图正常,抗癫痫药物疗效佳。
      除了良性家族性婴儿癫痫这一中间表型之外,携带KCNQ2突变的部分患者可表现为预后较好的早发癫痫脑病(可称之为非典型的早发癫痫脑病),此类患者早期即存在早发癫痫脑病表现,也在生后1周内出现癫痫发作,但癫痫易控制,并且远期智力运动发育可正常或仅存在轻度智力运动发育障碍。此外,近期研究发现有3例携带有KCNQ2突变的患儿没有在新生儿期出现癫痫发作,而是在生后数月出现了婴儿痉挛症的表现,并伴有智力障碍。

2 KCNQ2基因相关癫痫谱系疾病的基因型与表型关系
2.1 KCNQ2突变与临床表型的关系 

      目前认为,KCNQ2基因的无义突变、剪接突变及框移突变,导致KCNQ2蛋白表达量不足,多与良性家族性新生儿癫痫相关;而KCNQ2基因的新生错义突变,目前认为可对钾离子通道功能造成严重损害,多与早发癫痫脑病相关联。良性家族性新生儿癫痫相关的KCNQ2突变较为分散地分布在KCNQ2蛋白各个结构域,而早发癫痫脑病相关的KCNQ2突变多分布在S4和P环区域以及C端蛋白结合域等功能重要的区域,由于S4区域为钾离子通道电压感应最重要区域,P环区域为钾离子通道的孔区,C端蛋白结合域所结合的蛋白可对KCNQ2亚基功能起重要的调节作用,因此推测位于这些区域的KCNQ2突变可能导致钾离子通道更为严重的功能障碍,在临床上对应更严重的临床表型,如早发癫痫脑病。
      导致KCNQ2基因相关癫痫谱系疾病的中间表型的突变以错义突变为主(这与早发癫痫脑病类似),可以是家族遗传性的,也可以是新生的突变(de novo)。导致中间表型的KCNQ2突变在KCNQ2蛋白结构域上的分布无明显规律。因此,它的基因型与表型关系比较复杂,目前考虑可以从三方面来分析:(1)患儿的遗传背景差异:患儿携带的其他基因变异可能参与了临床表型的发生;(2)环境因素的影响:表观遗传学相关因素的修饰作用导致KCNQ2突变所致的临床表型的轻重程度存在差异;(3)KCNQ2突变的嵌合现象:患儿携带致病性KCNQ2突变的嵌合比例不同,导致了临床表型的轻重不一。例如,Weckhuysen等和Milh等的研究表明,在部分KCNQ2突变所致的早发癫痫脑病患儿中,外周血、皮肤、发根等组织的突变嵌合率存在差异,从5%至30%不等,这些患儿可存在严重的新生儿惊厥,但智力运动发育正常,临床表型轻于典型的早发癫痫脑病。
2.2 基因型与表型关系的潜在机制
2.2.1 表达量不足

      Biervert等以非洲爪蟾卵母细胞为模型进行研究,将KCNQ2基因野生型和突变型质粒以1:1比例共同转染到非洲爪蟾卵母细胞内,通过电生理检测发现,转染后的细胞与野生型细胞相比,M通道(主要由KCNQ2蛋白组成)的电流减少。KCNQ2蛋白需要和离子通道B亚基相结合从而发挥显性负性调节作用。然而,非洲爪蟾卵母细胞不存在B亚基,因此认为M通道电流减少仅是由于KCNQ2蛋白表达量不足所致。
2.2.2 显性负性调节作用

      在Biervertpo的研究中,由于非洲爪蟾卵母细胞中缺乏与KCNQ2蛋白结合进行负性调节的蛋白,因而无法真实反映人类KCNQ2突变所致癫痫的病理过程。近期研究表明,从患儿中发现的KCNQ2错义突变可通过显性负性调节作用导致M电流减少25%-50%,而在大多数情况下,M电流减少25%就足以导致癫痫的发生。
2.2.3 M电流减少的程度和临床表型的严重程度可能呈正相关

      KCNQ2蛋白的主要功能是形成钾离子相关的M电流。既往功能研究认为,在大多数情况下中,M电流减少25%就足以导致癫痫表型。有研究发现KCNQ2基因中同一位点的导致不同氨基酸改变的突变,可导致M电流不同程度的减少,电流减少的程度可能与临床表现严重程度相关。例如,KCNQ2基因突变(P.R213W)可导致良性家族性新生儿癫痫(较轻表型),而同一位点的突变(p.R213Q)可导致早发癫痫脑病(较重表型)。Miceli等对这两种突变进行了功能研究,结果发现,位于S4跨膜片段(属于最重要的电压感应区域)上的第213位的精氨酸对于M通道处于电压感应激活状态十分重要。此精氨酸发生改变可造成M通道对电压的敏感性明显下降,不能处于稳定的开放状态。由于KCNQ2突变(p.R213Q)导致氨基酸的改变引发M通道电流下降更明显,因此突变对应的临床表型更为严重。
      然而,近期有一项研究对于这一观点形成了挑战。Miceli等报道了3种与早发癫痫脑病相关的KCNQ2基因突变,而这3种基因突变均使钾离子通道的激活时间延长,使M电流增强。这与之前癫痫是由M电流减少所致的观点截然相反。不过KCNQ2基因突变是否真正通过增强M电流而引发了癫痫及相应癫痫脑病的发生,还需要更多后续研究去证实。
2.2.4 分布在轴突起始段的钾离子通道数量减少与临床表型相关

      Abidi等研究报道KCNQ2突变(p.Ala294Val)可导致早发癫痫脑病,而同一位点的突变(p.Ala294Gly)可见于良性家族性新生儿癫痫。KCNQ2突变(p.Ala294Val)引发了钾离子通道在轴突起始段上分布减少,而KCNQ2突变(p.Ala294Gly)并未影响钾离子通道在轴突起始段上的分布。轴突起始段是指神经元轴突近端约20-60微米的特殊部位,功能主要包括两方面:一是发起动作电位,二是维持神经元极性。轴突起始段的细胞骨架中含有锚蛋白-G(AnkG),这种蛋白具有协助其他蛋白锚定于轴突起始段的作用。KCNQ2/3所编码的钾离子通道胞内C端的锚定序列便可以和AnkG结合,使钾离子通道定位在轴突起始段,参与调节动作电位的发放。与KCNQ2突变(p.Ala294Gly)相比,KCNQ2突变(p.Ala294Val)显著影响了钾离子通道在轴突起始段的锚定,因此出现了更严重的临床表型。
      综上所述,目前认为KCNQ2基因相关癫痫是一种谱系疾病,KCNQ2突变可导致从最重的EOEE到最轻的家族性新生儿癫痫等多种临床表型。KCNQ2基因突变的类型及位点分布可能与临床表型相关联,此可为临床诊疗中进行预后判断提供线索。不同突变可导致不同程度的KCNQ2蛋白表达量减少、钾离子通道分布异常或电流减少,这可能是同一基因(KCNQ2)的突变导致不同临床表型的产生机制。近期研究还发现KCNQ2突变可能通过增强钾离子通道电流而引发癫痫,这还需要更多的后续研究去证实。