《The Cerebellum》：Multi-Omics Characterization of a KIF1C Structural Variant in a Patient with a Complex Movement Disorder Partially Responsive to Deep Brain Stimulation
编辑推荐：
本研究针对一例常规外显子组测序未能确诊的复杂运动障碍（包括痉挛、共济失调、肌张力障碍和头部震颤）患者，运用光学基因组图谱（OGM）、基因组和转录组测序等多种组学技术，首次鉴定出一种罕见的KIF1C基因第17-18外显子纯合缺失结构变异，并通过转录组分析确认其功能丧失机制。该研究不仅揭示了结构变异在此类疾病中可能被低估，为临床诊断提供了新思路，还首次评估了脑深部电刺激（DBS）在KIF1C相关疾病中的治疗潜力，发现其对肌张力障碍症状有部分改善，为该病的治疗提供了新的临床证据。
在罕见神经遗传性疾病的诊断领域，随着分子遗传学技术的飞速发展，越来越多的“疑难杂症”找到了根源。然而，对于那些临床症状复杂、常规基因测序结果阴性的患者，探索之路依然充满挑战。复杂的运动障碍，如痉挛、共济失调、肌张力障碍等，常常相互交织，其背后的遗传病因也极为多样。双等位基因（biallelic）KIF1C基因变异就是这样一类与复杂运动障碍谱系相关的病因，可导致遗传性痉挛性截瘫/共济失调。然而，绝大多数已报道的病例都是由单个核苷酸变异（single-nucleotide variant, SNV）引起，结构变异（structural variants），特别是拷贝数变异（copy number variant, CNV）极为罕见，在文献中仅有一例报道。这提示，结构变异可能是这类疾病中被低估的诊断“盲区”。更棘手的是，对于已经确诊的KIF1C相关疾病，有效的治疗方法非常有限，脑深部电刺激（deep brain stimulation, DBS）在此类疾病中的疗效尚未被评估。为了解开谜团，研究者对一名经外显子组测序（exome sequencing）未能确诊的患者，采用了前沿的多组学（multi-omics）方法，并评估了DBS的临床效果，相关成果发表在期刊《The Cerebellum》上。
为开展此项研究，研究人员整合了多种关键技术。首先，对患者的成纤维细胞样本进行了光学基因组图谱（Optical Genome Mapping, OGM）分析，这是一种无需测序即可检测大型结构变异的强大技术。同时，利用患者的外周血样本，进行了外显子组和全基因组测序（whole-genome sequencing）。此外，还对从患者外周血提取的总RNA进行了转录组测序（RNA sequencing），以分析基因表达和剪接异常。在临床评估方面，研究者详细记录了患者的临床表现，并评估了其接受DBS手术（靶点为双侧苍白球内侧部globus pallidus internus, GPi和丘脑腹中间核nucleus ventralis intermedius, ViM）前后的症状变化。为了增加统计效力，RNA测序数据分析时还纳入了来自Solve-RD项目的347个血液样本作为对照队列。
研究结果
患者临床表现
我们报告了一名白人男性患者，他在出生后立即出现肌张力低下，2岁时出现异常的头部姿势和震颤，并随着年龄增长缓慢进展，主要表现为痉挛性截瘫、小脑性共济失调、肌张力障碍（以颈部和躯干为主）、头部震颤、意向性震颤、构音障碍和肌阵挛。酒精摄入可改善其肌阵挛。值得注意的是，其父母为二级表亲，具有血缘关系。磁共振成像（MRI）显示对称的白质T2高信号和双侧苍白球低信号。在多种药物治疗效果有限后，患者在25岁时接受了DBS治疗，术后其颈部和躯干肌张力障碍、肌阵挛得到了主观上约80%的改善，头部控制能力增强，生活质量得到显著提高，但步态障碍在长期随访中略有加重。
鉴定纯合KIF1C缺失
OGM分析首次在患者身上发现了一个位于17号染色体KIF1C基因内的纯合缺失，该缺失区域估计为4,245 bp，包含了外显子17-23。回顾性检查2021年重新进行的外显子组测序数据，通过IGV查看器（Integrative Genomics Viewer, IGV）分析发现，患者外显子17-18的测序覆盖度完全缺失，而其母亲的外显子17-18覆盖度降低约50%，与杂合缺失状态一致。后续对患者基因组测序数据的精确分析确认了缺失的精确断点，为NC_000017.11:5013289_5017563del（hg38），对应于一个4,275 bp的纯合缺失。该缺失在gnomAD CNVs 4.1.0数据库中不存在。
KIF1C表达降低和异常剪接
转录组测序结果进一步证实了KIF1C基因功能受损。该基因在患者中被鉴定为显著低表达的异常值，与对照组的平均值相比，其mRNA表达量降低了27%。通过IGV检查RNA测序数据，发现外显子17-18完全没有表达。更重要的是，KIF1C也被识别为一个剪接受到显著干扰的异常值，正常剪接完全缺失，并且观察到多个外显子16直接跳跃连接到外显子19的剪接事件。在蛋白质水平，外显子17-18的跳跃预计会导致从第498个氨基酸残基开始的移码，并在第512位产生一个提前终止密码子（p.Thr498Trpfs*15）。此外，研究还发现了另一个基因MRPS28的表达显著降低，但由于未发现相关的遗传变异，且其信号存在跨内含子区域等特征，认为这更可能是一个技术假象。
结论与讨论
本研究通过多组学方法，在一名婴儿期发病的复杂运动障碍患者中鉴定出一种由纯合KIF1C基因第17-18外显子缺失引起的罕见结构变异。这项发现强调了结构变异是导致涉及痉挛、共济失调和肌张力障碍的复杂运动障碍的一个重要但可能被低估的病因。在临床诊断中，专注于检测结构变异的方法，如OGM或对短读长测序数据进行CNV分析，可能至关重要。本研究还展示了转录组数据能为基因变异的致病机制提供宝贵的功能性证据，例如证实了该缺失导致KIF1C表达下调及转录本异常剪接，符合功能丧失（loss-of-function）机制。
在治疗方面，本研究首次评估了DBS在KIF1C相关疾病中的应用。尽管DBS无法预期改善小脑性共济失调或痉挛症状，但我们的患者在接受GPi靶点刺激后，其肌张力障碍和肌阵挛症状得到了显著改善，这为治疗KIF1C相关疾病，特别是以肌张力障碍为主要表现的患者，提供了一种潜在的对症治疗选择。这一发现也提示，即使在复杂的表型和存在神经影像学异常的情况下，针对特定症状的DBS治疗也可能带来临床获益。
总而言之，这项研究不仅拓宽了KIF1C相关疾病的基因型谱，凸显了在遗传诊断中纳入结构变异分析和整合多组学数据的重要性，还为该病的临床管理提供了新的治疗见解。
