SCN1A 基因相关癫痫研究进展

方志旭综述 蒋 莉审校

重庆医科大学附属儿童医院神经内科 儿童发育疾病研究教育部重点实验室国家儿童健康与疾病临床医学研究中心 儿童发育重大疾病国家国际科技合作基地儿科学重庆市重点实验室（重庆 400014）

电压门控钠离子通道（voltage-gated sodium channel，VGSC）由α亚基和多个辅助β亚基共同构成，允许钠离子通过细胞膜，使可兴奋细胞产生和传导动作电位。目前已确定VGSC 的α 亚基有9 种，即Nav1.1～Nav1.9[1]。SCN1A基因编码钠离子通道α1亚基（Nav1.1）与人类一系列疾病相关。2000年首次报道SCN1A基因与癫痫发病有关，目前其已被认为是最重要的致痫基因之一[2]。

SCN1A基因定位于染色体2q24.3，包含26个外显子，编码的Nav 1.1 是一条包含2 009 个氨基酸的肽链跨膜镶嵌形成的三级结构，其变异所致疾病呈常染色体显性遗传。Nav 1.1 由4 个同源的跨膜结构域（DⅠ～DⅣ）组成，每个结构域包括6个相互连接的跨膜α螺旋片段（S1～S6）。第5螺旋（S5）和第6螺旋（S6）之间的连接片段呈袢状，称为孔袢（pore loop，P loop），从细胞膜外侧进入膜内，与S5和S6跨膜螺旋片段共同构成钠离子通道的选择性孔道。每个结构域的第4螺旋片段（S4）含有携带正电荷的氨基酸残基，可感受细胞膜电位的变化，为钠通道的电压感受器[3]。在中枢神经系统中，Nav1.1主要表达于胞体和树突，也可表达在某些中间神经元的轴突起始段，对动作电位的产生和传播有十分重要的作用，且与神经系统的发育相关[4]。

迄今为止，已经发现超过1 900 种SCN1A基因变异类型（human gene mutation database 2020.3）。SCN1A基因致病性变异导致的癫痫表型范围广泛，轻者可表现为遗传性癫痫伴热性惊厥附加症（genetic epilepsy with febrile seizures plus，GEFS+），重者可表现为Dravet综合征（Dravet syndrome，DS）或SCN1A基因相关早发性发育性癫痫脑病（developmental and epileptic encephalopathies，DEEs），还包括肌阵挛-失张力癫痫（myoclonic-atonic epilepsy，MAE)、婴儿癫痫伴游走性局灶性发作（epilepsy of infancy with migrating focal seizures，EIMFS）、Panayiotopoulos综合征等表型[5-6]。

1 SCN1A基因相关癫痫的发病机制

有关SCN1A基因变异引起通道功能改变的研究始于异源表达系统。将癫痫相关的SCN1A变异基因转染到非洲爪蟾卵母细胞株，或人类胚胎肾细胞系株（HEK 或tsA201），利用膜片钳技术记录钠通道电流的改变情况，结果发现SCN1A基因致病性变异可以影响钠通道的电流大小、通道激活、通道失活和通道恢复等特性，导致钠通道出现不同的生理性改变，包括功能缺失（loss of function，LOF）、部分功能缺失（partial loss of function，pLOF）、兴奋性降低（decreased excitability，DE）、功能获得（gain of function，GOF）、兴奋性增强（increased excitability，IE）、混合性功能缺失-获得改变（gain and loss of function，G-LOF）[7]。不同的钠通道改变与临床表型相关，GEFS+更常见较温和的改变，例如IE、DE、pLOF 或GOF；而DS 更多见G-LOF 和LOF 等严重的改变[8]。此外，在细胞模型中还发现，基因变异可影响通道复合物向质膜的运输，降低细胞表面钠离子通道的表达，从而影响钠通道的电流[9]。研究发现，截短变异（包括无义变异和移码变异）可导致终止密码子提前出现，产生无义密码子介导的mRNA降解，诱导mRNA降解，在翻译过程中不能形成完整的蛋白，而是形成无功能的截短蛋白，使钠通道数量不足而不能维持其正常功能[10]。同时，在真核细胞内还存在通过内质网降解功能异常的蛋白，控制蛋白质质量的机制，最终也减少截短蛋白在细胞膜上的表达水平[11]。然而，如果截短变异蛋白能够逃避上述两种降解机制，表达异常变异蛋白，通过与野生型蛋白竞争β亚基，对钠通道产生显性负效应，也可干扰剩余正常钠通道的生理功能。随着诱导多能性干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）技术的日渐成熟，目前已经能研究癫痫患者独特基因组变异引起的通道功能障碍。iPSCs 技术通过诱导癫痫患者体细胞为iPSCs，进一步定向分化成神经元并用电生理方法分析SCNIA基因变异对钠离子通道功能的影响，并可进行转录水平的研究，如探究组蛋白修饰和细胞周期调控途径中的调节因子，为实现癫痫个体化研究和治疗提供基础[12]。

对携带有SCN1A变异基因动物模型的研究弥补了体外研究不能充分模拟体内神经网络功能的局限性。迄今为止，绝大部分的动物模型研究认为，SCN1A基因变异选择性损害皮层高表达Nav1.1的抑制性γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid，GABA）能中间神经元，使其电流密度减小，产生动作电位的能力下降，降低GABA 能神经元的抑制作用，而不影响兴奋性椎体神经元的钠电流密度，从而引起大脑内兴奋和抑制作用失衡，导致癫痫发作。因此，GABA能中间神经元的Nav1.1通道轻度损伤，可导致较轻的癫痫表型如GEFS+；而Nav 1.1 通道功能完全（或接近完全）丧失，可严重影响GABA 能中间神经元的抑制作用，导致DS等严重癫痫表型[4]。但最新研究发现，在携带有SCN1A变异基因的功能缺失DS小鼠模型中，丘脑网状核神经元的钙激活钾通道SK2选择性下调，导致SK 电流降低，从而使丘脑GABA 能神经元表现出内在兴奋性增强和超极化后的反弹性爆发放电，导致丘脑网络过度兴奋，促进DS 中的非惊厥性癫痫发作。因此可推测DS中，并非所有的抑制性神经元都会出现兴奋性降低，而通过补偿表达SK2通道可以治疗DS中的非惊厥性癫痫发作[13]。

2 SCN1A基因相关癫痫的临床表现

SCN1A基因致病性变异相关的癫痫患者具有高度临床异质性，除可表现出从良性到严重的一系列癫痫表型谱外，还可导致认知发育障碍、注意力缺陷多动障碍、孤独症样表现、癫痫性猝死（sudden unexpected death in epilepsy，SUDEP）、步态障碍、共济失调、睡眠障碍及内分泌紊乱等并发风险[14-16]。

2.1 SCN1A基因变异与DS

DS 又被称为婴儿严重肌阵挛性癫痫（severe myoclonic epilepsy in infancy，SMEI），是婴儿中最常见的癫痫脑病之一。研究表明，约有80%的DS 患儿具有SCN1A基因致病性变异，其中超过90%以上是新发变异，仅有不到10%的变异遗传自父母，但父母的临床表型往往比较轻微，某些情况下，这些患者会在GEFS+家系背景中，以显性方式遗传SCN1A变异基因[17-18]。

DS 的临床特点为婴儿早期起病，平均发病年龄为6个月，第一次发作通常是复杂型热性惊厥，1岁以后逐渐出现其他无热惊厥发作形式，包括肌阵挛、不典型失神及局灶起源伴有意识障碍的惊厥发作。如果患儿未出现肌阵挛发作，则被称为边缘型SMEI。发作具有热敏感性，热水浴、环境温度过高和疫苗接种后发热等常可诱发，容易出现癫痫持续状态。生后早期生长发育正常，1岁后逐渐出现认知、行为及运动障碍，部分患儿可出现共济失调和锥体束征。癫痫发作通常呈药物难治性，部分患儿易发生SUDEP。发病初期脑电图表现多无异常，1岁以后出现广泛性棘慢波、多棘慢波或局灶性、多灶性痫样放电。头颅磁共振成像在大多数情况下未显示病理性结构改变，仅部分患儿表现为轻微脑萎缩或海马硬化[14-15,17,19]。

由于约有80%的DS 患儿具有SCN1A基因致病性变异，因此在国际抗癫痫联盟（International League Against Epilepsy，ILAE）SCN1A基因检测建议中指出，对于有以上临床特点、怀疑患有DS 的患儿应考虑尽早进行SCN1A基因检测[20]。

2.2 SCN1A基因变异与GEFS+

GEFS+为家族性遗传癫痫综合征，大多数GEFS+的遗传方式为常染色体显性遗传伴不完全外显，外显率约为70%[3]。自从在GESF+家系中发现SCN1A基因变异以来[2]，其传统诊断是立足于整个家系中有多个成员受累，大约有20%左右的GEFS+家系可筛查出SCN1A基因变异，其中绝大多数为家族性变异[5]。但也有研究显示，GEFS+表型患者中可出现SCN1A基因新发变异[21]。

GEFS+家系中可出现不同临床表型，绝大部分患者的癫痫发作呈自限性或药物容易控制。热性惊厥（febrile seizures，FS）是GEFS+中最常见的表型，其次是热性惊厥附加症（febrile seizures plus，FS+），也可表现为严重的癫痫脑病DS。FS+是FS 患儿超过6 岁后仍出现热性惊厥或出现无热的全面性强直阵挛发作，或者表现为6 月龄～6 岁有热惊厥发作后出现无热的全面性强直阵挛发作[5]。此外，GEFS+表型谱还包括FS/FS+伴其他全面性发作（如FS/FS+伴失神发作、FS/FS+伴肌阵挛发作和FS/FS+伴失张力发作）、特发性全面性癫痫（如儿童失神癫痫、青少年失神癫痫和青少年肌阵挛癫痫等）、MAE、局灶性癫痫（如Panayiotopoulos综合征、额叶癫痫和颞叶癫痫）[6,22]。

2.3 SCN1A基因变异与早发性DEEs

SCN1A基因相关早发性DEEs 有别于DS，是SCN1A基因相关癫痫表型谱中最严重的一种，但也更少见。到目前为止，大多数SCN1A基因相关早发性DEEs患者都携带同一种新发错义变异p.Thr226Met，但也有其他一些罕见的致病性变异[23]。与DS 表现为LOF 不同的是，这种早发性DEEs 与GOF 有关。研究发现，p.Thr 226 Met 变异通道的激活和失活曲线均呈现超极化偏移，同时增强了快速失活，从而使p.Thr 226 Met 变异产生GOF 效应[24]。但矛盾的是，在重复性激活电位水平的电流刺激下，可导致p.Thr226Met模型的中间神经元出现去极化阻滞和动作电位放电停止，并产生功能显性负效应，从而明显减弱了中间神经元的抑制作用。因此，推测这一机制可能也参与了SCN8A及SCN2A早发性婴儿癫痫脑病的发病。

SCN1A基因相关早发性DEEs发病年龄早于DS，约在生后8～12周起病。婴儿期出现偏侧阵挛发作或全面性强直阵挛发作，随后可出现频繁的癫痫性痉挛发作及强直性发作，与DS 相同的是，这些患者也可出现肌阵挛发作和癫痫持续状态，但癫痫性痉挛发作在DS 中很少见。SCN1A基因相关早发性DEEs 具有严重的发育障碍，生后16 周就可出现明显发育迟缓，且其发育障碍比DS患者严重；生后9周龄～20月龄可出现特殊的多动性运动障碍，可表现为舞蹈手足徐动症、肌张力障碍和口周部肌肉痉挛。脑电图最初正常，但随后出现广泛性棘慢波和多灶性痫样活动[5,23]。

2.4 SCN1A基因变异与EIMFS

EIMFS 的主要致病基因是KCNT 1，但国内外研究均在EIMFS 患者中发现SCN1A基因致病性变异。近期对135例EIMFS患儿的研究发现，SCN1A基因是EIMFS 患儿第三常见的基因变异类型[25]。其中国内报道的2例SCN1A基因变异者发作均有热敏感特点，但不如DS 的热敏感突出[26]。因此，建议EIMFS 患儿行KCNT1基因检测的同时也进行SCN1A基因检测。

EIMFS 主要于生后6 个月内起病，平均发病年龄为生后2月龄。其特征是频发的、游走性的、多种类型的局灶性发作。发作期脑电图表现为多灶性起源的局灶性发作；EIMFS的游走性表现为发作和放电从一侧大脑半球转移到另一侧半球。绝大部分患儿有严重的智力、运动发育障碍。

2.5 SCN1A基因变异与SUDEP

SUDEP 是癫痫患者死亡的重要原因之一，癫痫发作持续时间长、发作频率高等与SUDEP 的发生率具有相关性。包括人体研究和动物模型研究发现，呼吸、心脏和大脑这三个区域的功能改变可能是导致SUDEP的关键因素[27]。对10例婴儿猝死综合征患者进行外显子组测序，确定2例具有SCN1A基因变异并伴有海马异常，但既往均无癫痫发作史；此外功能学研究发现这2 例SCN1A基因变异者都表现为pLOF，有钠通道功能改变，提示SCN1A基因变异和婴儿猝死综合征之间的新型关联[28]。

在对携带SCN1 A基因变异的小鼠试验中观察到小鼠心室肌细胞钠电流密度增加两倍，动作电位持续时间延长，导致QT间期延长及节律异常，因此一些小鼠出现自发性死亡[29]。提示SCN1A基因变异和心率/节律异常之间可能存在相关性，从而导致SUDEP。但考虑到Nav1.1在心脏组织中不表达，提示SCN1A基因变异者的心脏功能障碍可能是中枢介导的。有研究认为，癫痫电活动扩散到脑干心血管中枢，导致癫痫发作后的心动过缓和心脏停搏是发生SUDEP 的一种可能机制。此外，癫痫持续状态后颅内压增高引起库欣反应，从而导致心动过缓也可能进一步加重癫痫发作后的心肺功能不全[30]。另一项SCN1A基因敲除小鼠的研究表明，强直阵挛发作可引起副交感神经活动增强，从而导致致死性心动过缓及心室电生理功能障碍，表明SCN1A基因变异者的心脏功能障碍可能是中枢介导引起的[31]。此外，SCN1A基因变异患儿癫痫发作产生的致命性脑水肿也是SUDEP的原因之一。癫痫发作可引起钠离子和钙离子流入神经元，发作后的神经元缺氧、能量耗竭会进一步促进钠离子和钙离子的积累，引起细胞毒性脑水肿，而这一级联反应导致神经元肿胀、死亡，影响血脑屏障的完整性，最终导致脑疝和心肺衰竭，引起SUDEP[30]。

3 基因变异类型与癫痫表型的相关性

SCN1A基因变异类型多样，近期有研究总结1 800 多个SCN1A基因变异类型，依次为错义变异48.1%、移码变异23.6%、无义变异10.0%、剪切位点变异9.4%、大片段缺失/重复6.6%、小片段缺失/插入1.7%，余约0.6%为复杂基因组重排[17]。SCN1A基因相关癫痫的临床表型具有高度异质性，其中影响癫痫表型的重要因素包括变异的位置及类型、变异引起的钠通道功能改变类型以及修饰基因的作用等。普遍认为，位于钠通道核心区（S 4～S 6）的错义变异大多表现为较严重的癫痫表型，而位于核心区之外的错义变异大多数表现为GEFS+等较轻表型；截短变异及大片段缺失/重复等严重变异类型表现为严重的癫痫表型，但截短变异导致的功能缺陷也取决于其所在的位置，位于远端外显子的截断变异并不会导致钠通道完全的功能丧失，仍可产生部分钠电流，因此癫痫表型相对较轻[8,17]。对于剪切位点变异，固有剪切位点变异（位于外显子上游-1～-2 bp，或外显子下游+1～+2 bp 位置的变异）由于其破坏了固有的剪切位点，导致外显子完全不识别，致病性最强；可变剪切序列变异（位于外显子上游-14～-3 bp 以及下游+3～+9 bp的突变），可以减弱或增强外显子识别，从而可能导致正常剪切和异常剪切共存；而远离外显子的深部内含子区域的变异可能通过激活潜在的剪切受体或者供体位点，或破坏原有的剪切位点而导致异常外显子剪切，致病性相对较弱[32]。最新研究发现，某些区域的内含子变异会影响剪切过程，导致内含子序列外显化，生成原本应该被剪切的毒性外显子（poison exon），这些有害的外显子翻译后可导致截短蛋白形成，也可出现DS等较严重表型[33]。虽然SCN1A基因变异类型会影响癫痫的临床表型，但也有研究发现，相比于基因变异类型，起病年龄更有助于预测预后，生后6月龄内起病大多发展为癫痫脑病，而随着起病年龄延后，其发展为DS的风险降低[34]。此外，早期出现多种形式的发作类型，尤其是肌阵挛发作或失神发作，已被证明与预后不良相关[35]。

SCN1A基因变异患者中存在嵌合体现象。研究发现7.5%有症状的新发SCN1A基因相关癫痫患者为合子后变异的嵌合体，其临床表型相对较轻微[36]。此外，出现癫痫发作的可能性及其严重程度与嵌合体变异等位基因比例有关。对于DS患者亲代SCN1A基因嵌合体的研究发现，在表型最重的癫痫或FS+患者中，变异等位基因占比均＞20%；在表现为FS或无热惊厥患者中，变异等位基因占比为6.3%～27.4%，而无症状携带者的变异等位基因占比为1.7%～23.9%[37]。提示嵌合体现象是SCN1A基因相关癫痫严重程度的一个重要调节因素。随着基因检测技术敏感性的提高，越来越多的证据表明，既往诊断为新发变异的患者实则由SCN1A基因变异嵌合体父母遗传而来，其比例可高达7%～10%[17]。因此，对于新发SCN1A基因变异者，应警惕其父母一方为嵌合体变异，尤其是普通测序无法检测的低频嵌合现象，可通过二代测序技术及微滴数字聚合酶链反应（droplet digital PCR，ddPCR）等对其父母进行嵌合体检测及定量分析，其涉及复发风险和表型预测，可为患儿家庭的遗传咨询和产前诊断提供指导。

此外，SCN9A、CACNA1A、POLG和CACNB4等修饰基因的存在可能也会影响SCN1A基因变异患者的癫痫表型。家系研究发现，当存在有修饰基因的时候，同一位点的变异在不同家系成员中可出现不一致的表型，从而表现为外显不全。在对一个GEFS+大家系的研究发现，6例携带SCN1A基因错义或剪切位点变异的DS患者也携带有SCN9A基因变异，SCN9A基因变异可能会加剧SCN1A基因变异的严重程度[38]。但是，同时具有SCN1A及SCN 9 A基因缺失的DS 患儿则有较轻微的临床表现[39]。其他研究也发现，编码电压依赖性钙通道亚基的CACNA1A基因及CACNB4基因的变异，会加重SCN1A基因变异的损害，导致更严重的临床表型[3,40]。然而，这些修饰基因是否会影响以及如何影响SCN1A基因变异的癫痫表型，仍需进一步研究。

4 SCN1A基因相关癫痫的治疗

由于SCN1A基因相关癫痫的发生机制主要是钠通道功能受损导致的大脑兴奋和抑制的不平衡，因此，应避免使用钠通道阻滞剂，如苯妥英钠、卡马西平、奥卡西平、拉莫三嗪等，这些药物可能通过阻滞抑制性中间神经元钠通道的功能，进一步加重癫痫发作。可选择增强GABA能抑制性中间神经元作用的抗癫痫药物，以减轻异常的兴奋放电。

SCN1A基因相关癫痫的严重表型DS，目前国外推荐以丙戊酸和氯巴占作为一线治疗药物[41]。由于氯巴占在中国大陆尚未获批，因此国内将丙戊酸及托吡酯作为一线药物，或选用氯硝西泮[42]。以上几种药物都可通过增强GABA 能中间神经元的抑制性作用控制癫痫发作。左乙拉西坦、司替戊醇、唑尼沙胺可作为DS 的治疗添加药物。此外，最近的几项大麻二酚及芬氟拉明治疗DS的随机对照试验显示出令人欣喜的效果，但其安全性仍需进一步验证[43-44]。生酮饮食或迷走神经刺激术可用于抗癫痫药物治疗无效的患儿。

除了导致癫痫发作外，SCN1A基因变异尚可导致其他一系列共患病，因此需要全面的护理以及多学科的协作，加强沟通并进行适当的心理干预，协助家属对患儿进行长期规划。出现癫痫持续状态时，除及时止惊外，应同时检测心电及血氧饱和度，避免SUDEP的发生。

综上，SCN1A基因与癫痫关系紧密，其变异所致的癫痫具有高度的临床异质性，尽早筛查变异基因，有助于早期诊断和治疗。利用自动膜片钳技术，可在体外研究不同变异对钠通道功能学的影响；结合变异的性质及生物信息学的分析数据，有助于预测癫痫的严重程度，帮助判断患者的预后及指导个性化治疗。此外，随着反义寡核苷酸治疗和基因靶向治疗等的发展，将为SCN1A基因相关癫痫患者带来更多的帮助。