烟碱型乙酰胆碱受体基因与癫痫的研究进展

李静文综述， 张黎明审校

癫痫是一种由脑部异常同步或过度的神经元电活动导致的慢性脑部疾病，影响着全球约6500万人[1]。其发病机制较为复杂，在目前已发现的癫痫致病基因中，电压门控离子通道相关基因和配体门控离子通道相关基因分别占17%、10%[2]。国内外研究表明，癫痫发生发展与烟碱型乙酰胆碱受体(nicotinic acetylcholine receptor，nAChR)基因突变相关，目前已证实，CHRNA2、CHRNA3、CHRNA4、CHRNA5、CHRNA7、CHRNB2及CHRNB4的基因突变在癫痫的疾病进程中扮演着重要作用。我们查阅了近年来国内外发表的相关文献，对烟碱型乙酰胆碱受体基因与癫痫的研究进展综述如下。

1 nAChR的结构及功能

乙酰胆碱(acetylcholine，ACh)是重要的神经递质，根据传递信号的受体对毒蕈碱或尼古丁的敏感性不同可分为：毒蕈碱型乙酰胆碱受体(muscarinic acetylcholine receptor，mAChR)和nAChR，nAChR是配体门控离子通道，传递信号的速度相对较快，可在ms内介导快速的突触传递。根据所处的位置不同可以分为：突触前nAChR、突触后nAChR和非突触性nAChR，突触前nAChR的激活可导致神经递质释放增强，突触后nAChR可快速传递细胞兴奋性，而非突触性nAChR在神经元兴奋性以及各种神经递质的调节中发挥重要作用[3]。

nAChR是一种由α、β、γ、δ和ε五个亚基围成的五聚体配体门控阳离子通道，分子量约为300 kDa。nAChR的亚基功能也不同，目前已发现17种亚基(α1-α10，β1-β4，δ，ε和γ)，除了α-8亚基仅在鸟类中发现，其余亚基均在人类和其他哺乳动物中被发现[4]。编码nAChRα亚基的基因称为CHRNA(1-10)，编码β亚基的基因称为CHRNB(1-4)，γ、δ和ε亚基是肌肉受体，相应的编码基因分别为CHRNG、CHRND和CHRNE[5]。这些亚基都由四个疏水跨膜结构域(transmembrane domain，TM)(TM1-TM4)、胞内域、胞外氨基末端和胞外羧基末端结构组成。其中，相对亲水的胞外氨基末端携带ACh的结合位点，TM2疏水区构成离子通道内壁，围成孔道，在受体的离子选择性、通透性及通道门控方面起着重要作用，TM1和TM3包裹TM2与周围脂质双分子层分隔，TM4是接触脂质双分子层最多的区域[6，7]。

nAChR参与神经元兴奋性和神经递质释放等多种生理功能，在机体学习认知记忆等方面发挥着重要作用，与癫痫、阿尔茨海默症、帕金森病、精神分裂症等一系列中枢神经系统疾病有密切联系[8]。nAChR在大脑中分布广泛且不均匀，对钠、钾、钙等多种离子具有通透性，同时调节兴奋性和抑制性神经递质的释放，具体的调节作用取决于nAChR在兴奋性和抑制性神经元上的表达差异。大量研究表明[9，10]，nAChR相关编码基因突变与癫痫的发生发展关系密切。当编码nAChR的基因发生改变时，可能会引起nAChR相关结构功能变化，导致大脑局部电位改变，从而引起癫痫。

2 nAChR相关基因突变与癫痫的关系

2.1 CHRNA2 CHRNA2位于染色体8p21.2上，主要编码位于γ-氨基丁酸能中间神经元的α-2亚基。Aridon等[11]首次发现了CHRNA2上的I279N突变，这一错义突变导致TM1区域结构改变，影响nAChR在封闭-开放之间的转化并增加突变受体的敏感性，故携带突变基因的神经元细胞受到较低的胆碱能刺激时，细胞膜电位发生变化。他们随后将错义突变的I279N瞬时转染至突变型和野生型HEK293细胞，同样也发现这一突变增加了受体对ACh的敏感性。与I279N不同，I297F突变会改变位于TM2结构区域的异亮氨酸，这直接影响门控结构。此外，I297F突变引起细胞膜电流表达的降低可能会影响突变受体的折叠运输或者门控转换，其原因可能有二：一是细胞表面nAChR通道表达受损，二是通道开放率的急剧下降[12]。虽然I279N和I297F都是CHRNA2基因上的突变，但它们对通道功能有相反的影响。

家族性睡眠相关的高运动性癫痫(autosomal dominant sleep-related hypermotor epilepsy，ADSHE)，又名常染色体显性遗传夜间额叶癫痫(autosomal dominant nocturnal frontal lobe epilepsy，ADNFLE)是一种局灶性癫痫，以夜间成串、刻板且短暂的运动发作为特征，主要发生在非快速动眼睡眠期，平均发病年龄为10岁。ADSHE的发展并不是渐进性的，随着年龄增加，癫痫发作可能会较之前发作频率下降和症状减轻[13，14]。相关研究表明CHRNA2的I279N和I297F突变与ADSHE有关[11，12]。最近Villa等[15]发现了位于CHRNA2上另一个与ADSHE相关的Tyr252His(c. 754T>C)错义突变，该突变位于结合ACh的N端结构域，这一突变没有改变α-2亚基的转录和表达，其导致癫痫的机制可能是Martinotti细胞中胆碱能反应下降抑制了中间神经元，进而通过反弹兴奋导致椎体细胞兴奋。

CHRNA2基因不仅与ADSHE的遗传性联系紧密，还与其他类型癫痫的发生发展有着千丝万缕的关联。Trivisano等[16]于2015年发现良性家族性婴儿癫痫(benign familial infantile seizure，BFIS)与CHRNA2基因Arg376Trp错义突变有关，位于胞质结构域的第376位精氨酸参与形成的氢键维持α-螺旋的稳定性并与TM1和TM4结构域跨膜螺旋密切相关。当精氨酸突变为色氨酸时，将导致α-螺旋结构分离，最终nAChR构象发生改变。

2.2 CHRNA3/CHRNA5/CHRNB4 15q25.1基因簇包含CHRNA3/CHRNA5/CHRNB4基因，分别编码nAChR的α-3、α-5和β-4亚基，介导气道胆碱能活动，与吸烟、慢性阻塞性肺疾病以及肺癌等相关[17，18]。从鸟类到哺乳动物的研究发现，这三类基因是共同调控的，这些特定的基因突变为某些疾病的易感性提供了相关证据。Shi等[19]通过对儿童良性癫痫伴中央颞叶尖波(benign childhood epilepsy with centro-temporal spikes，BECTS)患者和健康人群进行全基因组关联对照研究，发现BECTS与基因CHRNA3/CHRNA5/CHRNB4簇相关，通过对遗传学和基因表达数据的综合分析，发现BECTS的发生发展与单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)rs1948以及CHRNA5的 t3603463转录相关联，并且抗胆碱能疗法可能在BECTS患者中有效。此外，BECTS患者中也发现了CHRNA4基因C. 1007G>A突变[20]。

2.3 CHRNA4 CHRNA4有六个外显子，分布于染色体20q13.33上，大小约为17kb，主要编码神经元乙酰胆碱受体α-4亚基，其编码区主要位于外显子五上。CHRNA4是第一个被证明与ADSHE相关的致病基因[21]。散发性睡眠相关的高运动性癫痫(sleep-related hypermotor epilepsy，SHE)以前称为散发性夜间额叶癫痫(nocturnal frontal lobe epilepsy，NFLE)，与ADSHE有着相似的临床特征[22]。Xu等[23]发现散发性SHE患者CHRNA4基因外显子五上的G923A突变可导致密码子第308位氨基酸由精氨酸变为组氨酸，这一突变位于TM3和TM4结构域之间的第二个胞内环路中，可能使受体对乙酰胆碱敏感性增加，从而导致散发性SHE。Wang等[24]发现CHRNA4基因中I275F(c. 823A>T)新增突变，该突变位于nAChR的TM2结构域中，降低了周围氨基酸的疏水性以及对蛋白亚基的二级结构进行了轻微的修饰，这可能损害nAChR的离子通道孔，进一步可能造成通道构象和通透性的改变。此外，Cadieux-Dion等[25]在脑盖-岛叶起源的SHE患者中发现CHRNA4基因杂合错义突变p. Arg360Gln(c. 1079G>A)。

2.4 CHRNA7 CHRNA7位于人染色体15q13.3的长臂上，有10个外显子，这是一个位于人类基因组中的高度不稳定区域，与精神分裂症、自闭症、癫痫等相关，目前在中国南方汉族SHE患者中没有发现CHRNA7基因突变[26～28]。融合基因CHRFAM7A由FAM7A1、FAM7A2基因外显子A-E和CHRNA7基因第五至十外显子组成，编码分子量为46.2kDa的dupα-7[29]。Rozycka等[30]发现CHRFAM7A基因第六外显子2-bp的缺失与特发性全身性癫痫(idiopathic generalized epilepsy，IGE)的发生发展有密切的关系。

15q13.3微缺失指包括CHRNA7在内的六个基因的缺失，这可能与临床上观察到的癫痫表型相关。CHRNA7错义突变与15q13.3微缺失都可导致遗传性全面性癫痫发作，两者可能在癫痫发生发展过程中发挥着相似的作用[31]。Sharp等[32]发现九例15q13.3微缺失患者中有七例患者出现癫痫或异常脑电图；Lacaze等[33]在West综合征的患者身上发现15q13.3的微缺失。动物实验研究表明，15q13.3相关基因调控内侧前额叶皮质环路，兴奋性和抑制性神经回路中相关分子和形态的改变可能影响到表型[34]。与单纯的遗传性全面性癫痫相比较，15q13.3缺失导致的拷贝数变异在遗传性全面癫痫伴智力缺失的患者中更为常见[35]。研究表明CHRNA7突变增加了癫痫的易感性，Rees等[36]认为虽然15q13.3微缺失的杂合型小鼠没有神经解剖学和神经生理学上的异常，但是小鼠在接受6Hz角膜刺激实验后出现继发性癫痫，并且对戊四唑敏感性显著增加；Fejgin等[37]发现15q13.3微缺失小鼠在急性惊厥实验中肌阵挛发作和失神发作倾向增加，但阵挛发作和强直发作的倾向降低。

2.5 CHRNB2 CHRNB2位于染色体1q21.3上，编码β-2亚基。CHRNB2突变主要位于5t外显子，影响受体TM2或TM3区域。相关电生理研究表明，CHRNB2突变会导致受体对乙酰胆碱敏感性增加、离子通道脱敏延迟以及受体钙依赖性降低[38]。Liu等[39]在散发性SHE患者中发现CHRNB2上V337G突变，该突变位于TM3和TM4之间的细胞内环路进化保守区域，引起蛋白质疏水性和二级结构的改变。最近Cadieux-Dion等[25]在与睡眠相关的岛叶癫痫患者CHRNB2基因上发现了Thr26Met(c. 77C>T)突变，导致全细胞烟碱电流明显增加，且这一改变不会随着电流逆转电位或浓度反应关系而发生重大的变化。

虽然ADSHE与CHRNA2、CHRNA4和CHRNB2基因突变相关联[11，21，40]，但是CHRNA2和CHRNB2突变通常是功能获得型，其突变结果是受体对乙酰胆碱敏感性增加或脱敏迟缓，而CHRNA4突变既可能是功能获得型(增加对乙酰胆碱的亲和力)，也可能是功能丧失型(加速脱敏和降低钙渗透性)[3]。nAChR相关基因突变大多发生在编码α-4和β-2的基因中[41]。尽管如此，只有10%～15%的ADSHE是由nAChR的遗传变异造成的[42]。其他涉及的基因还包括钠激活钾通道(KCNT1)基因、促肾上腺皮质激素释放激素(CRH)基因、含DEP结构域蛋白5(DEPDC5)基因[13]。

3 展 望

众所周知，持续性的癫痫发作不仅使患者本人有癫痫猝死的风险，还会影响患者的生活质量，给社会造成严重的经济负担，三分之一的患者通过传统抗癫痫药物等治疗不能得到较好的控制[43]。临床上nAChR基因突变患者主要通过口服卡马西平进行治疗，约30%患者在低剂量治疗下不能得到缓解，且目前尚没有对乙酰胆碱受体突变的靶向治疗药物[2]。尽管手术可以使这一人群中部分患者的症状得到相对缓解，但相关手术操作以及并发症风险可能对患者生活质量有负面影响[44，45]。相信随着技术的发展和对疾病认识的深入，未来人们会更充分认识到癫痫的确切遗传机制和nAChR相关基因突变与癫痫发生发展的关系，基于nAChR开发的癫痫基因靶向治疗也将逐渐步入人们的生活。