的频率C9或72肌萎缩侧索硬化症和额颞叶痴呆患者的己二核苷酸重复扩增：一项横断面研究

总结

介绍

肌萎缩侧索硬化症（ALS）是一种致命的神经退行性疾病，其特征是迅速进行性麻痹和呼吸衰竭导致的死亡，通常在症状出现后3年内。该病约有5%的病例是遗传的，遵循明显的孟德尔模式，而大多数病例被归类为散发病例，因为它们似乎是随机发生的。¹在了解家族性ALS的遗传基础方面取得了重大进展。²相比之下，对偶发性或特发性ALS的病因了解甚少。已知家族性ALS基因突变-SOD1标准,保险丝、和TDP-43型-仅在零星病例中很少发生（每个病例占不到1.0%）；^三,4,5全基因组关联研究已经确定了很少的风险位点，并且证明这些位点很难复制。⁶

额颞叶痴呆（FTD）是一种额颞叶和前叶的退行性疾病，是一种常见的痴呆形式，影响65岁以下的人。该综合征的临床特征是最初的行为障碍，然后是认知能力下降，导致痴呆和症状出现后中位数7年内死亡。与ALS和其他神经退行性疾病类似，这些病例中有很大一部分（～60.0%）被归类为散发性，这种特发性疾病的病因基本上尚不清楚。⁷越来越多的共识表明，ALS和FTD构成了一系列神经疾病的一部分，这些疾病具有共同的病理背景，包括中枢神经系统内TAR DNA-结合蛋白43（TDP-43）阳性内含物。⁸

我们最近报道了一个大的六核苷酸重复扩增位于非编码部分C9或72是9号染色体连锁的ALS和FTD的原因。^9,10这种遗传损伤占ALS和FTD家族病例的很大比例（～40.0%）。在基因同源的芬兰人群中，近四分之一的ALS和FTD明显散发病例存在相同的突变，在美国的4.1%的ALS散发病例和3.0%的FTD散发病例中也存在相同的突变。然而，这些估计是基于来自少数机构的相对较小的队列。

这些发现促使我们致力于估计这种情况的发生频率C9或72在欧洲和美国散发性ALS和散发性FTD患者的大队列中，己二核苷酸重复扩增更准确。我们还研究了世界各地不同非白人人群中这种突变的发生情况。

方法

结果

表1附录显示了C9或72来自不同地理区域的诊断为散发性ALS和散发性FTD的患者的六核苷酸重复扩增。其他地方报告了289名散发性ALS患者和605名散发性FTD患者的数据。^10,11,12来自美国、欧洲、中东和澳大利亚的3377名白人患者中236名（7.0%）、49名美国黑人患者中2名（4.1%）、72名美国西班牙裔患者中6名（8.3%）被诊断为散发性ALS。散发性FTD的致病性扩张率较低：欧洲981名白人患者中有59名（6.0%）携带突变。相比之下，GGGGCC重复扩增在美洲原住民、亚洲或太平洋岛民起源的散发性疾病患者中不存在(表1)尽管这可能反映了在这些人群中筛选出的队列规模较小。

除了散发病例外，我们还筛查了588例ALS家族病例和403例FTD家族病例，以确定是否存在C9或72重复膨胀(表2,附录). 在这些患者中，另有345名家族性ALS患者和230名家族性FTD患者的报告。^10,11,12总的来说，588例家族性ALS患者中有221例（37.6%）和403例家族性FTD患者中有101例（25.1%）携带遗传损伤，这进一步证实了我们之前的研究结果，即这种突变导致了这些疾病病例的空前比例。¹⁰我们确定了一名患有家族性肌萎缩侧索硬化症的日本患者，他携带了六核苷酸重复扩增。我们还发现，一名来自瑞典隆德的家族性FTD患者携带了扩增，这表明染色体9p21基因病变可能是该地区FTD患者地理集群的原因。²⁰

在2585例神经健康对照样本中C9或72重复扩增，5例（0.2%）为携带者：2例为先前报道的芬兰老年人，¹⁰另外三人来自德国和美国，年龄小于40岁(附录).

在欧洲，芬兰人群的突变频率最高（散发性ALS患者为21.1%，散发性FTD患者为18.8%）。¹⁰德国和英国约6%的散发性ALS患者进行了扩张，而意大利ALS患者的扩张率较低（4.1%）。来自撒丁岛遗传隔离岛屿人群的散发性ALS患者中有7.8%有突变，荷兰人群的检出率在欧洲国家最低（占散发性FTD病例的2.2%）。澳大利亚和美国的白人发病率中等，大约5.0%的散发性ALS患者携带致病性重复扩张，这可能是因为这些国家的人口和移民历史。

单倍型分析表明，携带致病性GGGCC重复扩增的每个患者也具有芬兰创始者风险单倍型，至少部分如此(图1). 此外，散发性和家族性疾病患者携带相同的创始风险单倍型。这些发现表明致病性六核苷酸在C9或72可能在人类历史上曾发生过一次，随后在这些人群中传播。对这些病例之间单倍型共享的分析估计了C9或72重复扩展到1500岁左右（假设一代人是15岁，则平均值为100.5代[IKR 57.6–127.6]）。

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图1

262例肌萎缩侧索硬化症患者染色体9p21区域的芬兰风险单倍型C9或72突变

之前确定的芬兰风险单倍型如下图所示（27 357 278–27 589 746 bp；NCBI构建36；42个单核苷酸多态性[SNPs]）。¹⁶单倍型下面是相同数据的二进制表示，在单倍型的SNP位置有红色圆圈，单倍型在该位置有不太常见的等位基因。在图表中，单个患者以水平线显示，显示他们共享风险单倍型的程度。垂直的黑色虚线显示C9或72六核苷酸重复扩增。HapMap第二阶段多态性中心（CEPH）样本的重组率（百万分之一[cM/Mb]）以灰色线显示。

年龄相关外显率分析(图2)在35岁以下的携带者中，致病性扩张是非穿透性的，58岁时外显率增加到50%，80岁时几乎达到完全外显率。我们注意到，根据ALS或FTD患者的家族状况、ALS或FFD诊断、性别或症状出现年龄，疾病外显率之间没有差异(附录).

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图2

GGGGCC六核苷酸重复扩增的年龄相关性外显率C9或72

603例突变基因携带者的Kaplan-Meier分析（212例家族性肌萎缩侧索硬化症患者，234例散发性肌萎缩外侧索硬化症，99例家族性额颞叶痴呆症，53例散发性额颞叶痴呆症，以及5名神经健康对照）。与年龄相关的外显率（即特定年龄段出现疾病表现的突变基因携带者的比例）稳步上升，从45岁以下患者的10%上升到80岁时的几乎100%。虚线显示了50%的队列出现症状的年龄。垂直的蓝线表示经过审查的事件。

表3显示了携带六核苷酸重复扩增的患者的临床细节。与未进行扩张的患者相比，患有ALS和致病性重复扩张的患者更有可能是女性（p=0.0008），有家族病史（p<0.0001），并患有球头病（p=0.0011）。患有重复扩张型FTD的患者更有可能有家族病史（p<0.0001），并出现行为变异型FTD（p<00001）。

讨论

我们的数据表明C9或72六核苷酸重复扩增是迄今为止发现的散发性ALS和散发性FTD的最常见原因，在我们的大型队列中，约占欧洲、美国和澳大利亚白人病例的5.0-7.0%。这些频率略高于从一个机构获得的较小队列的估计值。⁹在确定9号染色体连锁的ALS和FTD的遗传损伤之前SOD1标准基因是散发性ALS最常见的已知遗传原因（在基于人群的队列中占0.7%），^三而在PGRN公司基因是散发性FTD最常见的已知原因（在临床转诊系列中为3.0-4.0%）。²¹我们队列中致病性扩张的高频率与之前的全基因组关联研究一致，该研究将染色体9p21上的关联信号确定为散发型ALS和FTD中唯一可复制的位点。^16,22,23,24我们的发现证实了遗传学在这些神经退行性疾病的特发性发病机制中的重要性。

我们的单倍型数据表明致病性GGGCC六核苷酸在C9或72源于一次性突变事件^16,17发生在大约1500年前。突变的地理分布表明，突变出现在北欧并从那里传播。或者，芬兰和其他孤立人群的高频率可以用这些社区的历史来解释。芬兰和撒丁岛是相对孤立的地区，遗传上同质的人口来源于少数创始人。²⁵遗传漂变对这些群体的等位基因频率有很大影响，可以解释这些地理分离物中突变的高发生率。

认识到所有携带C9或72重复扩展共享一个共同祖先对于解释这种突变的全球频率数据具有重要意义。尽管六核苷酸重复扩增在欧洲白人中很常见，但它也存在于美国的黑人和西班牙裔人群以及以色列的个体中。这一发现可能反映了过去人类迁徙和种族间通婚的规模和性质。同样，印度、亚洲和太平洋岛屿相对缺乏致病性六核苷酸重复，这可能是因为这些地区与欧洲的物理距离更大，因此人口之间缺乏混合。值得注意的是，我们确认的一名日本患者是C9或72扩张带有芬兰风险单倍型，强化了扩张发生在过去一次的概念。

共同风险单倍型在C9或72散发性和家族性ALS患者的9p21号染色体区域表明，这些明显散发的病例实际上是隐性相关的家族性病例。这种情况的发生可能有几个原因，包括患者或神经科医生对血统不熟悉，或者因为前几代人可能在神经症状出现之前就早逝了。扩张患者的平均发病年龄为57岁，美国的预期寿命仅在20世纪40年代初才开始超过这一点。²⁶此外，突变的不完全外显率可能是明显散发性疾病的促成因素，并非所有携带扩增物的个体都表现出临床表型。事实上，我们已经报告过扩张患者在第九个十年内出现症状，也遇到了两名神经健康的老年扩张患者。因此，这种突变的外显率似乎只有在生命的后期才完成，这是一个观察结果，与携带扩张基因的健康个体的遗传咨询特别相关。发病年龄差异背后的分子生物学底物尚不清楚：这可能是由患者之间扩张长度的差异、基因座上与年龄相关的甲基化或基因组中其他地方的遗传因素驱动的。

我们将我们的结果与之前的研究结果进行了比较，这些研究报告了C9或72六核苷酸重复扩增在ALS和FTD发病机制中的作用(面板). 数据来自七项研究(附录). 我们的研究筛选了迄今为止最大的ALS和FTD病例队列之一，并提供了非白人患者致病性重复扩增频率的初步报告，详细检查了该位点的单倍型，以及对一大群携带扩张的个体中年龄相关疾病外显率的初步估计。

我们的数据对诊断为ALS和FTD的患者的临床护理具有指导意义。临床护理标准是为报告ALS或FTD家族史的患者提供基因检测，²⁷并向被归类为散发性疾病的患者保证，他们的亲属不会增加神经退化的风险。根据对191名爱尔兰ALS患者的分析，拜恩及其同事²⁸建议对C9或72对于没有疾病家族史或严重认知障碍的患者来说，重复扩张是不必要的。相比之下，我们认为基因检测对于准确诊断这两种疾病以及在患者及其家人的决策过程中是一项有价值的技术。这两种观点之间的差异可能源于两项研究对散发性疾病和家族性疾病的定义不同。积累足够的数据是回答患者管理这一关键问题的重要一步。鉴于有大量患者重复扩张，研究人员和临床医生至少应该考虑就此问题进行重点辩论。

我们的论文有一些局限性。首先，来自某些地理区域的患者数量很少，随着更多患者的筛查，这些民族的突变频率可能会发生变化。然而，我们对5000多名ALS或FTD患者的数据提供了合理的估计C9或72全球频率。第二，尽管我们在一个大的、多样化的携带致病性扩增的个体队列中检测了染色体9p21单倍型，但对携带者的额外检测可能揭示出其他单倍型的存在，从而表明扩增不止一次发生。然而，我们的数据表明，大多数扩张运营商都有一个共同的祖先。^16,17第三，我们根据回顾性队列数据生成了与年龄相关的外显率估计值，这可能导致外显率过高估计。为了证实这些估计，有必要对家族进行进一步的前瞻性研究。最后，根据样本采集时的临床询问，将病例分为家族性或散发性。各中心和国家之间的审查水平可能有所不同，但为现有队列重新收集这些信息是不可行的。

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