该研究通过对57例散发性肌萎缩侧索硬化症（sporadic amyotrophic lateral sclerosis, sALS）患者及8例来自于5个不同家系的家族性ALS（familial ALS, fALS）患者开展全外显子组测序，发现ALS患者携带罕见突变与更差的预后相关；此外，针对fALS家系的分析发现携带多个罕见突变的患者相较于携带一个突变者表现出更严重的临床表型，从而为ALS的寡基因遗传理论提供了有力的证据。

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https://doi.org/10.1007/s43657-022-00093-8

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研究背景

ALS，又称“渐冻症”，是一种罕见的神经系统退行性疾病，临床表现为进行性发展的全身性骨骼肌无力、萎缩、肌张力增高等，多数患者于发病后3-5年内死于呼吸衰竭、肺部感染等并发症。尽管ALS的发病机制尚不清楚，研究表明遗传因素在其中发挥着重要的作用。在ALS患者中，表现为孟德尔遗传方式的fALS约占10-15%；此外，越来越多的研究表明sALS患者的发病也与遗传因素密切相关。

在此基础上，有研究者提出ALS可能是一种具有“寡基因遗传”特性的疾病，且不同患者中与ALS相关的不同遗传特性可能与ALS的表型多样性相关。陈向军教授团队在2020年曾报道过一个ALS家系，该家系中不同患者的疾病表型表现出不完全外显的特点和较明显的异质性，为进一步探究ALS中基因型和表型的相关性提供了线索。

研究结果

该研究共纳入符合ALS国际诊断标准的57例sALS患者和来自5个不同家系的8例fALS患者。通过开展全外显子组测序，并将测序结果与ALS罕见突变基因库进行比对分析，在18例sALS患者和全部的fALS家系中检测到至少一种与ALS相关的罕见基因突变，突变涉及16个不同基因中的30个位点。其中，15个突变位点在既往的ALS研究或ALS数据库中均未出现，为该研究首次报道，包括：DCTN1 p.R651Q、DCTN1 p.Y224F,、ALS2 p.L385S、CHMP2B p.T156A、SETX p.I1520T、SETX p.L1304W、OPTN p.A433V、KIF5A p.P1024S、TBK1 p.S398P、SPG11 p.C1734F、SPG11 p.Q809P、SPG11 p.H86D、UNC13A p.P431L、SOD1 p.E134X和NEFH p.P933S。

在检测出罕见突变的sALS患者中，2例（31.6%）携带多个突变位点，其中1名患者携带两个突变位点（SETX p.I1520T + C21orf2 p.R172W），另一名患者携带三个突变位点（ALS2 p.E697K + SPG11 p.C1734F + NEFH p.P933S）。在检测出罕见突变的5个fALS家系中，4个家系的部分患者携带多个突变位点。其中，3例（37.5%）来自于不同家系的患者携带两个突变位点（SOD1p.G94R + SQSTM1 p.G262R; SOD1 p.F22G + FUS p.P151S; TARDBP p.G298V + SETXp.I1304W），1名患者携带三个突变位点（SOD1 p.V48A + OPTN p.A433V + TBK1 p.R573H）。图1为4个携带多个突变位点的ALS家系的家系图。

图1 ALS家系的多种变异

研究进一步分析了ALS患者表型与表型之间、基因型与表型之间的相关性。尽管不同性别的ALS患者在发病年龄、起病部位和病程等表型上均无显著统计学差异（图2a-c），但女性患者中延髓起病者比例更高，而男性患者中四肢起病者比例更高（图2c）。此外，延髓起病的患者发病年龄更晚（p = 0.016，图2d）、生存期更短（p = 0.031，图2e），而发病年龄晚可能与更短的病程存在一定的相关性（图2f）。

图2 57例sALS临床患者的变量统计分析

为了进一步分析ALS患者的罕见突变对其生存情况的影响，该研究将这些突变分为非同义突变和同义突变两组。在携带罕见突变的sALS患者中，存在非同义突变者与未携带突变者相比，生存期明显缩短（log-rank检验，p = 0.007，图3b），而携带同义突变者生存期变化不显著（log-rank检验，p = 0.590，图3c）。在对发病年龄、性别和起病部位进行校正后，ALS患者携带非同义突变仍与更差的预后相关，即其到达生存终点的风险更高（HR = 3.93，95% CI 1.53-79，p < 0.05）。此外，延髓起病的患者相较于四肢起病者到达生存终点的风险也更高（HR = 2.43，95% CI 1.23-4.82，p < 0.05）。sALS患者中携带多个突变位点者相较于只携带一个突变的患者，其生存情况、发病年龄（图3a）等均无显著差异，但这可能与携带多个突变的患者只有2例有一定的关系。有趣的是，在fALS患者的家系A中（见图1），II1、III4和III7三位患者进展较快，而I1和IV4进展较慢；在快进展的患者III7中检测出SOD1 p.V48A、OPTN p.A433V和TBK1p.R573H三个突变位点，而慢进展的患者IV4仅检测出TBK1 p.R573H一个突变位点，这一发现提示ALS患者中罕见突变的负荷可能与其预后相关。

图3 罕见突变株对疾病发作和生存的影响

研究进一步对既往文献报道的多基因变异ALS患者进行了总结，发现多基因变异携带者被报道占所有ALS患者的1%至19.5%不等。在这些多基因变异携带者中，自噬通路相关基因，如TBK1、OPTN、SQSTM1被频繁报道，其频率仅次于ALS两大致病基因C9orf72及SOD1。这可能提示了自噬通路在多基因变异的ALS患者中发挥了重要作用。

图4 多基因罕见变异ALS患者

研究结论

该研究对来自华东地区的57例sALS患者和5个fALS家系的43个相关基因进行分析，共在16个不同基因上检测出30个罕见突变位点。研究进一步证实ALS患者可携带多个与ALS相关的突变位点，且携带罕见突变与其生存期相关。研究结果表明，无论是散发性还是家族性ALS患者，携带罕见突变都可能对其预后产生不利影响，从而进一步为ALS的“寡基因遗传”理论提供了证据支持。

国家神经疾病医学中心、复旦大学附属华山医院神经内科陈向军教授与复旦大学生命科学学院王久存教授为该论文的通讯作者。复旦大学附属华山医院神经内科董思其博士研究生与复旦大学人类表型组研究院博士后尹先宏博士为该论文共同第一作者。该研究得到了国家卫健委2020年中央转移支付医疗卫生机构能力建设项目（国家和省级重大疾病多学科合作诊疗能力建设项目）、张江复旦国际创新中心和上海市市级重大专项“国际人类表型组计划（一期）”项目的资助。

Abstract

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disorder with phenotypic and genetic heterogeneity. Recent studies have suggested an oligogenic basis of ALS, in which the co-occurrence of two or more genetic variants has additive or synergistic deleterious effects. To assess the contribution of possible oligogenic inheritance, we profiled a panel of 43 relevant genes in 57 sporadic ALS (sALS) patients and eight familial ALS (fALS) patients from five pedigrees in east China. We filtered rare variants using the combination of the Exome Aggregation Consortium, the 1000 Genomes and the HuaBiao Project. We analyzed patients with multiple rare variants in 43 known ALS causative genes and the genotype–phenotype correlation. Overall, we detected 30 rare variants in 16 different genes and found that 16 of the sALS patients and all the fALS patients examined harbored at least one variant in the investigated genes, among which two sALS and four fALS patients harbored two or more variants. Of note, the sALS patients with one or more variants in ALS genes had worse survival than the patients with no variants. Typically, in one fALS pedigree with three variants, the family member with three variants (Superoxide dismutase 1 (SOD1) p.V48A, Optineurin (OPTN) p.A433V and TANK binding kinase 1 (TBK1) p.R573H) exhibited much more severe disease phenotype than the member carrying one variant (TBK1 p.R573H). Our findings suggest that rare variants could exert a negative prognostic effect, thereby supporting the oligogenic inheritance of ALS.

通讯作者

陈向军

陈向军，教授，博士生导师。现任复旦大学附属华山医院神经内科主任医师、神经病学研究所副所长、复旦大学附属华山医院科研处副处长、中心实验室副主任、复旦大学风湿免疫过敏性疾病研究中心副主任、中国卒中学会免疫分会副主任委员、中国免疫学会理事、神经免疫分会常务委员、中华医学会神经病学分会周围神经病协作组委员、上海医学会神经病学专科分会神经免疫遗传生化学组组长、上海市免疫学会第十二届理事会副秘书长、神经免疫专业委员会主任委员、上海市中西医结合学会神经内分泌专业委员会副主任委员。研究方向包括各种神经免疫疾病、周围神经疾病和运动神经元病（“渐冻症”，ALS）的发病机制；揭示轴浆运输蛋白Dynein在ALS发病中的作用，提出神经变性病Dyneinopathy的临床表型谱；建立多个自免脑炎、视神经脊髓炎、多发性硬化等神经免疫疾病、ALS患者队列，提出“责任抗体”新概念；运用分子生物学、免疫荧光标记、生物信息学等手段在国内开创神经系统免疫检测诸多新技术和新项目。牵头多项新药I、II和III期全国多中心临床试验。

王久存

王久存，复旦大学生命科学学院和人类表型组研究院教授、博导，人类遗传学与人类学系系主任，皮肤表型组学研究联合实验室共同主任，复旦大学风湿免疫过敏性疾病研究中心副主任；中国医学科学院皮肤及皮肤病群体遗传学和防控新技术研究创新单元共同主任；上海人类学学会会长，上海市遗传学会秘书长；硬皮病临床与研究国际协作网（InSCAR）共同发起人和副理事长。研究方向主要包括硬皮病等风湿免疫病的遗传学、表观遗传学和分子机制研究，以及皮肤表型组学研究。曾承担国家国际科技合作专项、美国NIH U01等国际合作项目；正在承担国家自然科学基金重点项目、中国医学科学院创新基金、上海市市级科技重大专项示范课题等项目。发表SCI 论文200余篇。

第一作者

董思其

董思其，上海复旦大学附属华山医院，在读博士研究生。2018年本科毕业于复旦大学上海医学院临床医学（5年制）专业，获得推荐免试资格，于同年9月在复旦大学附属华山医院开始攻读神经内科硕士研究生，师从陈向军教授，从事肌萎缩侧索硬化症（“渐冻症”）发病机制研究。以第一作者或共同第一作者发表SCI论文3篇，中文核心期刊2篇，部分研究成果被中华医学会全国神经病学学术会议收录为壁报交流，参与国家自然科学基金及上海市自然科学基金项目等多项研究课题。

尹先宏

尹先宏，博士，复旦大学人类表型组研究院博士后。研究方向：探索高原极端环境对眼底表型的影响和肌萎缩侧索硬化（“渐冻症”）的遗传发病机制研究，曾在Frontiers in physiology、Journal of Investigative Medicine、Epigenomics、FEBS Open Bio等相关学术期刊发表论文6篇。

Phenomics期刊简介

Phenomics是一本新创的同行评审国际期刊，聚焦表型组学前沿研究，搭建全球表型组学领域专家交流的国际平台，推动该领域相关的理论创新和学科发展。

本期刊拥有强大的国际编委团队，复旦大学金力院士担任主编，美国系统生物学研究所Leroy Hood院士、澳大利亚莫道克大学Jeremy Nicholson院士、德国莱布尼兹环境医学研究所Jean Krutmann院士、复旦大学唐惠儒教授共同担任副主编，复旦大学丁琛教授担任执行主编，另有来自全球多国的三十多位著名科学家共同组成编委团队，以及四十多位青年科学家组成青年编委团队。

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