KIF1A基因变异与肌萎缩侧索硬化的关联

Association of variants in the KIF1A gene with amyotrophic lateral sclerosis

作者信息Panlin Liao, Yanchun Yuan, Zhen Liu, Xiaorong Hou, Wanzhen Li, Jin Wen, Kexuan Zhang, Bin Jiao, Lu Shen, Hong Jiang, Jifeng Guo, Beisha Tang, Zhuohua Zhang, Zhonghua Hu, Junling Wang
PMID36284339
发布时间2022-10-26
DOI10.1186/s40035-022-00320-2

实验完整度

研究包含遗传关联分析(941例患者WES及外部队列验证)、临床特征描述(10例患者详细表型)、细胞水平功能实验(Co-IP、神经元共定位)等多个独立证据层级,并进行明确功能验证。

主要模型

941例ALS患者队列 Project MinE队列(4366例ALS患者) HEK293T细胞 小鼠原代皮层神经元

重点核对

KIF1A基因罕见损伤变异(RDVs)在ALS患者中的频率(1.06%, 10/941) C端货物结合区(外显子24-47,氨基酸747-1690)变异与ALS的关联(P=0.004, OR=3.58) ALS患者中KIF1A RDVs与感觉障碍的关联(60.0%, 6/10) KIF1A突变体(R1100C, R1356Q等)与RAB3A/VAMP2结合的增强效果 神经元中KIF1A突变体与RAB3A/VAMP2共定位的增加

摘要

背景:肌萎缩侧索硬化(ALS)是一种破坏性的进行性神经退行性疾病,影响中枢神经系统和脊髓中的神经元。与许多其他神经退行性疾病一样,ALS的遗传风险因素和发病机制涉及细胞骨架和神经元运输的失调。值得注意的是,感觉和运动神经元疾病,如遗传性感觉和自主神经病2型(HSAN2)和痉挛性截瘫30(SPG30),与ALS共享几个致病基因,并且具有共同的临床表型。KIF1A编码一种驱动蛋白3马达,负责运输突触前囊泡前体(SVPs)和致密核心囊泡,并已被报道为HSAN2和SPG30的致病基因。方法:在本研究中,我们分析了941例ALS患者的全外显子组测序数据,以研究KIF1A与ALS的遗传关联。结果:我们鉴定了与ALS相关的KIF1A基因中的罕见损伤变异(RDVs),并描述了携带KIF1A RDVs的ALS患者的临床特征。临床上,这些患者倾向于表现出感觉障碍。有趣的是,这些变异中的大多数位于KIF1A蛋白的C端货物结合区域。功能检查显示,位于C端区域的ALS相关KIF1A变异优先增强了含有RAB3A、VAMP2和突触素(synaptophysin)的SVPs的结合。在培养的小鼠皮层神经元中表达几种疾病相关的KIF1A突变体,导致RAB3A或VAMP2与KIF1A马达的共定位增强。结论:我们的研究强调了KIF1A马达介导的运输在ALS发病机制中的重要性,表明KIF1A是ALS寡基因遗传场景中的一个重要参与者。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
KIF1A基因的遗传变异是否与肌萎缩侧索硬化(ALS)的发病风险相关,并探讨其可能的致病机制。
核心机制
ALS相关的KIF1A变异主要位于C端货物结合区,可能通过增强与突触前囊泡前体(SVPs)的结合,导致SVPs在神经元中异常积累,提示功能获得性机制参与ALS发病,并支持KIF1A在ALS寡基因遗传模型中的作用。
主要证据
在941例ALS患者中通过全外显子组测序鉴定出10例携带KIF1A罕见损伤变异(1.06%),并在外部队列(Project MinE和ALSdb)中进一步发现变异;对6个变异进行功能检测,发现R1100C、R1356Q、P1587L和A1643V等突变在HEK293T细胞中增强与RAB3A或VAMP2的结合,神经元共定位实验也显示R1356Q和A1643V增加RAB3A/VAMP2与KIF1A的共定位。
研究意义
研究强调了KIF1A马达介导的轴突运输在ALS发病机制中的重要性,提示KIF1A可能作为ALS寡基因遗传模型中的一个关键参与者,为理解ALS的遗传基础和病理机制提供了新视角。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

患者队列遗传关联分析

评估KIF1A基因变异与ALS的遗传关联。

对941例ALS患者进行全外显子组测序,筛选KIF1A基因的罕见损伤变异(RDVs),并在外部队列(Project MinE和ALSdb)中进行验证,同时进行基因水平和C端区域水平的负担分析。

2

携带KIF1A变异的ALS患者临床特征分析

明确携带KIF1A RDVs的ALS患者的临床表现特点。

对10例携带KIF1A RDVs的ALS患者进行详细的临床评估,包括发病年龄、起病部位、病程、认知功能、感觉症状等,并分析基因型-表型关联。

3

KIF1A变异对货物结合能力的影响

检测ALS相关的KIF1A错义变异是否影响其与突触前囊泡前体(SVPs)蛋白的结合。

在HEK293T细胞中共表达野生型或突变型KIF1A(Y799C, R1100C, R1356Q, P1587L, A1643V)与FLAG标记的RAB3A、VAMP2或突触素,通过免疫共沉淀检测结合能力的改变。

4

KIF1A变异对神经元中SVP共定位的影响

验证ALS相关的KIF1A突变在神经元中是否影响SVP与KIF1A马达的共定位。

在小鼠原代皮层神经元(DIV7)中共转染RFP-RAB3A或FLAG-VAMP2与Venus标记的KIF1A(野生型或突变型R1100C, R1356Q, P1587L, A1643V),于DIV11固定并进行免疫荧光,定量分析RAB3A/VAMP2与KIF1A的共定位比例。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
DMEM培养基Gibco11995500
胎牛血清ProCell164210-50
青霉素-链霉素溶液Thermo Fisher15140148
GenJet转染试剂SignaGenSL100488
抗FLAG M2磁珠SigmaA2220
Hanks平衡盐溶液----
胰蛋白酶Gibco15090-046
多聚-D-赖氨酸SigmaP1024
Neurobasal培养基Gibco21103049
B27添加剂Gibco17504044
GlutaMAX添加剂Thermo Fisher35050061
Lipofectamine 2000转染试剂Thermo Fisher11668019
VECTASHIELD封片剂Vector LabsH-1000
Zeiss LSM880共聚焦显微镜Zeiss--
Imaris软件Oxford Instruments--
DYKDDDDK标签抗体CST8146
GFP抗体InvitrogenA11122
肌动蛋白抗体CST4970S
微管蛋白抗体TransGenP10513
GAPDH抗体Abcamab8245
RFP抗体Rockland600-401-379
Alexa Fluor 555驴抗小鼠IgG (H+L)二抗InvitrogenA21422
山羊抗兔IgG-HRP二抗Absinabs20040ss
山羊抗小鼠IgG-HRP二抗Absinabs20039ss

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
遗传关联分析
ALS患者队列的样本量(941例)、对照人群(gnomAD东亚人群6708例)、RDVs筛选标准(MAF<0.1%,ReVe>0.7)、C端区域定义(外显子24-47,氨基酸747-1690)
阅读提示:见Methods中'Patients and clinical analysis'和'WES analysis'部分
临床特征分析
10例携带KIF1A RDVs的ALS患者的详细临床数据,包括发病年龄、起病部位、病程、感觉障碍评估(主观描述,无定量测试)
阅读提示:见表3和Results中'Clinical characteristics of ALS patients with RDVs in KIF1A'部分
蛋白结合实验(Co-IP)
HEK293T细胞培养条件(DMEM+10%FBS)、转染试剂(GenJet)、转染后48小时裂解、抗体(anti-FLAG M2 beads)、Western blot定量方法
阅读提示:见Methods中'Plasmids and reagents'、'Coimmunoprecipitation'和'Western blot'部分
神经元共定位实验
原代皮层神经元制备(E17.5 C57/B6L胚胎)、转染条件(DIV7,Lipofectamine 2000)、固定和染色方法、共聚焦显微镜参数、共定位分析软件(Imaris)
阅读提示:见Methods中'Neuronal culture and transfection'和'Immunofluorescence and image analysis'部分
统计学分析
统计方法(Fisher's exact test用于负担分析,One-way ANOVA和Dunn's/Fisher's test用于功能实验),显著性阈值(P < 0.05)
阅读提示:见Methods中'Statistical analysis'部分