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    文獻速遞|GEMIN5基因功能喪失突變導致神經發育障礙
    2021-08-02

    文獻速遞|GEMIN5基因功能喪失突變導致神經發育障礙

    2021年5月7日美國匹茲堡大學醫學中心Udai Bhan Pandey團隊在Nature communications發表了題為“Loss of function mutations in GEMIN5 cause a neurodevelopmental disorder”的論文。GEMIN5是一種RNA結合蛋白,是SMN復合體的組成部分,促進小核核糖核蛋白(snRNPs)的組裝,參與mRNA剪接。該研究收集了30例發育遲緩和小腦共濟失調的患者,發現均含有GEMIN5基因雙等位變異。通過一系列實驗發現該基因的突變可影響snRNPs復合物組裝,并導致發育缺陷、運動功能障礙。該研究結果為GEMIN5雙等位基因變異與神經發育遲緩和共濟失調綜合征提供了關聯性證據。


    雙等位基因GEMIN5變異導致運動為主的發育遲緩和小腦萎縮

    該研究通過GeneMatcher匯集了22個不相關家庭的30例患者。他們表現為發育遲緩、張力減退和小腦共濟失調,并在出生后2年內確診。雖然大多數患者存在認知和語言遲緩,但主要是運動遲緩?;颊?/span>4、56(family 34)出生時表現為嚴重的張力減退,被診斷為SMA,其他大多數患者不符合SMA的經典表型(圖a)。30例患者中有23例出現中樞性張力低下,所有可行走的患者均有步態共濟失調。所有患者的腦MRI顯示小腦萎縮(圖d-j)。研究者們在GEMIN5中鑒定了30種變異,其中4種功能喪失變異,22種錯義變異(圖s2)。所有的變異均發生在進化保守堿基,在gnomAD中是罕見的或沒有收錄的,多款軟件預測這些錯義變異是致病性的或有害的。




    1  30例患者的GEMIN5基因的變異分布及部分家系圖和MRI示例


    Leu1068Pro,His913Arg兩種致病變異可導致GEMIN5snRNP復合物蛋白表達丟失。

    研究者從患者1Leu1068Pro/Leu1068Pro)和未受影響的親本攜帶者(Leu1068Pro/+)獲得的單個核細胞誘導多能干細胞系(iPSC)。用CRISPR/Cas9構建了His913Arg/His913Arg純合及His913Arg/+雜合iPSC系。通過免疫熒光,發現GEMIN5在兩種純合子變異神經元細胞的胞質分布顯著減少,而雜合變異體的神經元顯示GEMIN5細胞核-胞質分布正常(圖a-e)。同時也檢測了snRNPs復合蛋白(SMN, GEMIN2,GEMIN4GEMIN6)。觀察到GEMIN2在純合子His913ArgLeu1068Pro神經元中分布模式與GEMIN5相似(f)。兩變異純合子神經元的GEMIN2水平也只在細胞質中顯著減少(g-j)。



    2 攜帶His913ArgLeu1068Pro GEMIN5變異的iPSC來源神經元細胞中SMN組裝蛋白的差異表達


    然后,研究者們檢測了GEMIN5變異對GEMIN5及其SMN復合體的相互作用分子蛋白的表達水平影響。發現Leu1068ProHis913Arg變異使GEMIN5蛋白水平減少了70 ~ 80%,也使GEMIN4,GEMIN3, GEMIN2, GEMIN6, SMN, U1A蛋白表達水平降低(圖3a-3d)。通過qPCR實驗檢測GEMIN5 mRNA的表達,發現純合子和對照組之間的轉錄水平沒有顯著差異(3p,3q)。Leu1068Pro純合子神經元中,GEMIN5 mRNA的半衰期為1.872,而在雜合子中則為2.559。提示純合子變異中GEMIN5蛋白的減少是由于其mRNA和蛋白質穩定性的差異,而轉錄失調(圖3r)。



    3 GEMIN5兩錯義變異降低了GEMIN5SMN組裝蛋白的水平


    內源性敲低GEMIN5會破壞snRNP蛋白復合物,出現發育遲緩和運動功能障礙。

    研究者選用兩種shRNA抵抗GEMIN5,轉染HEK293T細胞,并評估SMN復合體蛋白的水平。結果顯示GEMIN5的降低顯著影響SMN, GEMIN4, GEMIN3, GEMIN6, GEMIN2表達(圖4a-i)。還采用RNAi技術將果蠅中GEMIN5的同源物敲低,與對照組相比,RNAi組出現蛹致死和羽化缺陷,提示有嚴重的發育缺陷,幼蟲肌肉神經接點明顯減小,成蟲的攀爬能力也明顯降低(圖4j-o)。同時監測了兩組果蠅45天的存活情況,發現33天后RNAi組果蠅死亡率為100%,而對照死亡率為19%(4p)。GEMIN5敲低導致果蠅運動功能障礙和壽命縮短,與GEMIN5患者中發現的神經癥狀相同。



    4 GEMIN5的缺失snRNP復合物和果蠅發育的影響



    SMA患者的神經元相比,GEMIN5患者的神經元具有獨特的轉錄組特征

    研究者又對GEMIN5H913RiPSC神經元進行了RNA-seq分析,并與已發表的SMA (SMN1Ex7del)患者iPSC神經元數據集進行了比較。與SMN1Ex7del患者的神經元相比,GEMIN5H913中有大量下調的基因(5a, b)。鑒定出GEMIN5H913SMN1Ex7del l特有的12783004個轉錄本,而這兩種疾病條件下共有622個轉錄本(5c)。通過對SMN1Ex7delGEMIN5H913中常見的前40DEGs的熱圖分級聚類比較,顯示出了相反的表達趨勢,表明這兩種疾病導致了不同的轉錄組改變(6d)。





    5 GEMIN5SMA患者iPSC神經元RNA-seq分析結果 



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    賽福說  

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    該團隊首次發現GEMIN5雙等位基因變異,可導致發育遲緩、運動功能障礙和小腦萎縮,還會影響snRNP復合物組裝蛋白。遺憾的是,可能由于患者的臨床和突變的異質性,未進行表型和基因型相關的研究。賽?;騾f助臨床通過數據深度挖掘發現GEMIN5雙等位基因變異(即文中兩例患者及4種變異類型),助力潛在致病新基因發現,幫助患者找到病因。


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