【佳學(xué)基因檢測】GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病的基因檢測及其治療

遺傳病、罕見病基因檢測導(dǎo)讀： 

由 β-N-乙酰己糖胺酶活性受損引起的 Tay-Sachs 病是《神經(jīng)系統(tǒng)疾病及其致病基因》中記載的和一個 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病，也是一種嚴(yán)重的、現(xiàn)在已解碼清楚的溶酶體疾病之一。 這種與 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病理性積聚相關(guān)的病癥已獲得幾乎標(biāo)志性的地位，并作為溶酶體貯積病研究的范例。 作為一種經(jīng)典的常染色體隱性遺傳病，這種神經(jīng)系統(tǒng)的全球性疾病會導(dǎo)致發(fā)育停滯，并使已達(dá)到的發(fā)育節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)倒退的情部； 神經(jīng)變性進(jìn)展迅速，導(dǎo)致幼兒過早死亡。 除了姑息治療外，沒有有效的治療方法，雖然 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂貯積癥的致病基因鑒定基因解碼已經(jīng)完成，但從致病突變和糖脂儲存到疾病表現(xiàn)的分子和細(xì)胞事件仍然是佳學(xué)基因持續(xù)努力的地方。 已經(jīng)在患者中嘗試了幾種治療方法，包括酶增強(qiáng)、骨髓移植、酶增強(qiáng)和底物減少療法。 迄今為止，這些策略都沒有實(shí)質(zhì)性地改變疾病的進(jìn)程。 GM2 神經(jīng)節(jié)細(xì)胞增多癥的真實(shí)動物模型促進(jìn)了對基因轉(zhuǎn)移等創(chuàng)新應(yīng)用的深入評估，與其他干預(yù)措施相比，這顯示出巨大的前景。佳學(xué)基因概述了有關(guān)病理生物學(xué)的當(dāng)前知識以及 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂增多癥的潛在創(chuàng)新治療方法。

GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病的基因檢測關(guān)鍵詞

GM2神經(jīng)節(jié)苷脂增多癥,溶酶體貯積病,神經(jīng)變性,桑德霍夫病, 泰-薩克斯病,療法

GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病是怎樣被發(fā)現(xiàn)并被記錄入遺傳病基因檢測數(shù)據(jù)庫的？ 

GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病首先是由英國眼科醫(yī)生 Waren Tay 對一名患有頸部無力的一歲嬰兒進(jìn)行了眼部檢查和四肢時發(fā)現(xiàn)的。使用當(dāng)時原始的檢眼鏡，他發(fā)現(xiàn)了斑點(diǎn)的異常變色，現(xiàn)在被稱為“櫻桃紅斑”。孩子在 Tay 第一次檢查后六個月就死了，他于 1881 年報(bào)告了這個病例；不幸的是，尸檢未能查明神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病因。1884 年，Tay 在診斷中接觸了更多的孩子，他們在同一個家庭中受到類似的影響。注意到這種疾病在家庭中聚集，Tay 認(rèn)為這是一種先天性疾病。

紐約市的神經(jīng)學(xué)家伯納德·薩克斯 (Bernard Sachs) 并不知道泰 (Tay) 的病例報(bào)告，他于 1896 年發(fā)表了一篇關(guān)于嬰兒疾病的描述，其特征與泰 (Tay) 報(bào)告的疾病極為相似——該病癥的家族性、早期失明、認(rèn)知發(fā)育停滯、進(jìn)行性虛弱和童年早期死亡 - 并將其命名為“無內(nèi)障家族性白癡”。次年，在研究了幾份驗(yàn)尸樣本后，薩克斯描述了該疾病的主要神經(jīng)病理學(xué)特征，即大腦中大多數(shù)神經(jīng)元的粗略增大性質(zhì)，其中包含“碎屑樣團(tuán)塊”，他意識到這種外觀代表了疾病的病理學(xué)表現(xiàn). 后來，Slome 根據(jù)對 130 多例患兒的醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)描述，提出該病的遺傳為常染色體隱性遺傳。

GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病的基因檢測的科學(xué)依據(jù)：基因解碼揭示貯存位置

德國生物化學(xué)家恩斯特·克倫克 (Ernst Klenk) 在 1940 年代闡明了在 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病中積累的主要脂質(zhì)的組成：克倫克創(chuàng)造了神經(jīng)節(jié)苷脂這個術(shù)語，指的是以前未知的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞中大量含有神經(jīng)氨酸的鞘糖脂 (GSL)。GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病中主要神經(jīng)節(jié)苷脂 GM2 中的糖和唾液酸序列由 Svennerholm推導(dǎo)，其確切結(jié)構(gòu)由 Makita 和 Yamakawa 在 1960 年代初期闡明。

電子顯微鏡的引入有效改變了細(xì)胞結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)評估。它新穎實(shí)現(xiàn)了泰-薩克斯病患者死后腦組織神經(jīng)元中特征性“膜細(xì)胞質(zhì)體”(MCB) 的可視化，并以華麗的細(xì)節(jié)揭示了“碎屑” -樣腫塊”，Sachs 曾提到這種疾病的病理特征。Correy 和 Terry 還表明，這些小體可以通過離心進(jìn)行部分純化，富含 MCB 的部分含有豐富的 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂。

值得注意的是，Christian de Duve 及其同事在 1950 年代采用了一種獨(dú)立且有效不同的方法來探索細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能 - 實(shí)際上最終使用離心機(jī)來表征他稱之為亞細(xì)胞“溶酶體顆粒”的生物化學(xué)特性組織分離的手段。De Duve 發(fā)現(xiàn)酸性磷酸酶和其他水解酶與這些致密成分（或后來稱為細(xì)胞器）共沉淀。雖然這些可沉積酶活性催化了許多不同底物的水解，但人們注意到所有底物的最佳 pH 值都在 4 -5.5 范圍內(nèi) - 立即表明新發(fā)現(xiàn)的顆粒具有消化功能. 通過引入磷酸鉛和其他底物，在固定和電子顯微鏡檢查之前產(chǎn)生磷酸酶反應(yīng)的電子致密產(chǎn)物，可以證明 MCB 中的酸性磷酸酶活性，從而表明它們的溶酶體性質(zhì)。Brady 提出累積的 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂中末端糖 [N-乙酰半乳糖胺] 水解的催化損傷是 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病中的生化缺陷，類似于已經(jīng)在戈謝病和尼曼 - 匹克病等相關(guān)疾病中發(fā)現(xiàn)的酶促缺陷。

早期將溶酶體描述為細(xì)胞的消化機(jī)器仍然有效，但在其短暫的歷史中，基因解碼對這種細(xì)胞器的看法經(jīng)歷了非凡的演變。除了其催化特性外，溶酶體對于自噬（de Duve 創(chuàng)造的術(shù)語）的完成至關(guān)重要，并參與質(zhì)膜修復(fù)、胞吞作用和胞吐作用、能量代謝和信號傳導(dǎo)。在特定的細(xì)胞中，某些與溶酶體相關(guān)的細(xì)胞器，例如黑素體和血小板顆粒能夠執(zhí)行專門的功能。外化溶酶體酶大量釋放到破骨細(xì)胞間隙的液相或由 NK 淋巴細(xì)胞產(chǎn)生的免疫突觸執(zhí)行其他重要但高度分化的功能。此外，溶酶體的生物發(fā)生和功能受到精細(xì)調(diào)節(jié)，以轉(zhuǎn)錄因子 EB (TFEB) 作為主調(diào)控因子；TFEB 不僅調(diào)節(jié)溶酶體，還控制自噬。轉(zhuǎn)錄因子 EB 協(xié)調(diào)編碼溶酶體蛋白的基因的共表達(dá)，作為對特定細(xì)胞信號的反應(yīng)。TFEB 易位到細(xì)胞核，在那里它激活其靶基因的轉(zhuǎn)錄，這似乎是對溶酶體貯積病患者細(xì)胞中儲存代謝物存在的適應(yīng)性反應(yīng)；值得注意的是，在正常情況下，TFEB 不會驅(qū)動其目標(biāo)的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄。

鞘糖脂 (GSL) 是一大類復(fù)雜分子，包含數(shù)以千計(jì)主要定位于質(zhì)膜的生物變體，但它們也是幾種細(xì)胞器和核膜的成分。在細(xì)胞表面，鞘糖脂聚集在微區(qū)中，其功能涉及細(xì)胞間識別 、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和貨物內(nèi)化，這里只舉出幾個例子。從它們的定性和定量表達(dá)模式推斷，現(xiàn)在很清楚 GSL 參與動態(tài)神經(jīng)發(fā)育過程，包括神經(jīng)突發(fā)生、軸突發(fā)生和突觸發(fā)生。正如復(fù)雜生物分子所預(yù)期的那樣，鞘糖脂顯示出驚人的分子多樣性，涉及多種功能，包括在所有陸生脊椎動物的皮膚中提供防水層；但它們在自然界中的作用范圍仍是佳學(xué)基因解碼進(jìn)一步揭示的對象。這是一個相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，部分原因是 GSL 數(shù)量眾多、它們的異質(zhì)性和相互關(guān)系。采用基因工程破壞小鼠 GSL 生物合成特定途徑的實(shí)驗(yàn)以及隨后對所得表型的分析揭示了它們的一些關(guān)鍵生物學(xué)功能。

由B4galnt1編碼的 GM2/GD2 合酶（β -1, 4-N -乙酰半乳糖氨基轉(zhuǎn)移酶）將 N-乙酰半乳糖胺轉(zhuǎn)移到乳糖苷神經(jīng)酰胺，并啟動神經(jīng)節(jié)系列鞘脂的合成，包括含唾液酸的神經(jīng)節(jié)苷脂 . 兩個獨(dú)立工作的小組創(chuàng)建了B4galnt1缺失的小鼠，并且正如預(yù)期的那樣，B4galnt1 ^-/-小鼠缺乏復(fù)雜的神經(jīng)節(jié)苷脂，而是表達(dá) GM3 和 GD3。出乎意料的是，B4galnt1中的大腦發(fā)育^-/-老鼠沒有受到損害。然而，對這兩種動物模型的分析導(dǎo)致了不同的解釋：Takamiya 及其同事將他們的小鼠模型描述為在出生時具有輕微的神經(jīng)功能障礙，神經(jīng)變性僅隨著年齡的增長而發(fā)展。相比之下，Sheikh 及其同事報(bào)告的那些小鼠出現(xiàn)中央軸突髓鞘異常和周圍神經(jīng)脫髓鞘，導(dǎo)致軸突變性和運(yùn)動功能受損。軸突膜神經(jīng)節(jié)苷脂被認(rèn)為是少突膠質(zhì)細(xì)胞蛋白 MAG（髓磷脂相關(guān)糖蛋白）的配體，它有利于軸突-膠質(zhì)細(xì)胞相互作用。B4Galnt1 ^-/-的發(fā)現(xiàn)表明了這個想法小鼠大腦中的 MAG 表達(dá)減少，相反，MAG 缺陷小鼠會出現(xiàn)類似于B4Galnt1 ^-/- 的表型?？傮w而言，在這些實(shí)驗(yàn)小鼠中獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持復(fù)雜的神經(jīng)節(jié)苷脂對髓鞘功能和穩(wěn)定性至關(guān)重要的觀點(diǎn)。

1967 年 Robinson 和 Stirling 的一項(xiàng)開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)揭示了存在兩種形式的N -乙酰基-β-氨基葡萄糖苷酶，這可以通過淀粉凝膠電泳解決，然后通過 DEAE-纖維素色譜法分離，酸性形式 A 和堿性形式B. 與 de Duve 的發(fā)現(xiàn)一致，該酶的兩種亞型，現(xiàn)在稱為 ß-己糖胺酶，都位于溶酶體部分。Okada 和 O'Brien 使用類似的分析方法表明，來自泰-薩克斯病患者的白細(xì)胞缺乏 A 亞型的活性，而雜合子的活性降低，這與簡單孟德爾常染色體隱性遺傳的預(yù)期基因劑量效應(yīng)一致. 這一發(fā)現(xiàn)對受該病影響的家庭具有重要意義，通過在高危德系猶太人社區(qū)中開展有針對性的篩查計(jì)劃，以及隨后的臨床診斷。利用羊膜細(xì)胞對胎兒 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病進(jìn)行產(chǎn)前診斷，以及希望接受檢測的個體的攜帶者狀態(tài)很快被引入，因此在兩年內(nèi)，社區(qū)教育和篩查項(xiàng)目得到了廣泛應(yīng)用。這些由邁克爾·卡巴克 (Michael Kaback) 開創(chuàng)的項(xiàng)目對于降低主要在猶太人中的疾病發(fā)病率至關(guān)重要，在猶太人中，每 27 人中就有 1 人的攜帶者頻率預(yù)測自然發(fā)病率約為 2900 人中有 1 人——現(xiàn)在減少了 90% 以上已在美國報(bào)道，并已在許多其他國家/地區(qū)效仿。

Sandhoff 及其同事對來自一名患有嚴(yán)重神經(jīng)變性和 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂增多癥但腦組織中兩種形式的 β-己糖胺酶有效不存在的嬰兒的材料進(jìn)行檢查感到困惑；相比之下，GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病患者組織中的 ß-己糖胺酶活性顯示總 β-己糖胺酶活性增加。這種疾病現(xiàn)在被稱為 Sandhoff-Jatzkewitz 病。對這些意想不到的酶學(xué)發(fā)現(xiàn)的解釋來自 Srivastava 和 Beutler 的研究，他們使用免疫化學(xué)技術(shù)區(qū)分 A 型和 B 型，并得出結(jié)論，β-己糖胺酶的兩種亞型共享一個共同的亞基，Hex A 是一種雜聚物（αβ ) _n和 Hex B a 均聚物 (ββ) _n . 該模型還預(yù)測了 Hex S 同工酶的存在，即 α 亞基 (αα) _n的均聚物。如果正確，則亞基 β 的缺失會消除 Hex A 和 Hex B 的活性，而如果亞基 α 缺失，則 Hex A 和 Hex S 的活性將不足。Srivastava 和 Beutler 的模型隨后通過有洞察力的雜交和細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證，其中 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病和 SD 成纖維細(xì)胞能夠相互補(bǔ)充，從而形成 Hex A，后來得到 Hex A 和 Hex 映射的支持B 分別向 15 號和 5 號染色體表達(dá). 幾年后，當(dāng) Conzelmann 和 Sandhoff 發(fā)現(xiàn)另一名患有 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂增多癥的特殊嬰兒時，β-己糖胺酶系統(tǒng)的其他復(fù)雜性出現(xiàn)了，當(dāng)在存在人工底物的情況下進(jìn)行檢測時，發(fā)現(xiàn)該嬰兒的 Hex A 和 Hex B 活性在健康參考范圍內(nèi)。詳細(xì)的研究，包括使用天然底物 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂，導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)了一種特定的激活因子，后來證明是一種小蛋白，它是 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂溶酶體分解所特別需要的。這種激活蛋白的存在解釋了在這些非常罕見的 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂增多癥病例中經(jīng)常報(bào)道的兩種 β-氨基己糖苷酶同工酶的明顯正?；钚裕▓D 1）。

（圖1）β-己糖胺酶系統(tǒng)對 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂的分解代謝并轉(zhuǎn)運(yùn)至溶酶體。GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂在溶酶體中通過同工酶 Hex A 和 GM2 激活蛋白的協(xié)同作用在體內(nèi)水解。Hex A 是 β-己糖胺酶的 α- 和 β- 亞基的異二聚體，由HEXA和HEXB 編碼，分別定位于人類 15 號和 5 號染色體。Hex B 和 Hex S 是 β- 和 α- 亞基的同型二聚體。只有 Hex 的二聚體形式可以水解特定的天然和人造底物。HEXA , HEXB和GM2A突變分別導(dǎo)致泰-薩克斯病、桑德霍夫病和 GM2 激活蛋白缺乏癥，根據(jù)受影響個體中殘留的 β-己糖胺酶同工酶活性，也稱為變體 B、0 和 AB。與其他溶酶體水解酶類似，Hex 可以直接 (1, a) 或間接 (2, b) 進(jìn)入溶酶體。后一種途徑，稱為分泌/再捕獲機(jī)制，可用于治療應(yīng)用；由此酶被分泌到細(xì)胞外空間并被相同的 (d) 或鄰近的細(xì)胞吸收，例如神經(jīng)元的軸突 (c)。酶以逆行方式運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞的其他部分，從而糾正酶促缺陷。內(nèi)質(zhì)網(wǎng) (ER)；溶酶體 (L); 線粒體 (M)。

Elizabeth Neufeld 實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)優(yōu)雅地闡明了 β-己糖胺酶生物合成途徑。D'Azzo 及其同事使用32 P 標(biāo)記的無機(jī)磷酸鹽和 [ 3 ] 通過放射性標(biāo)記的脈沖追蹤研究研究了 β-己糖胺酶的細(xì)胞生物學(xué)。H]- 從健康受試者和 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂貯積癥患者培養(yǎng)的成纖維細(xì)胞中的 L-亮氨酸；用對 Hex 同工酶及其亞基具有特異性的抗血清進(jìn)行免疫沉淀，可以在生物合成過程中跟蹤蛋白質(zhì)的分子形式。他們的發(fā)現(xiàn)“以溶酶體為目的地的蛋白質(zhì)在到達(dá)溶酶體最終目的地的途中和到達(dá)溶酶體的最終目的地時會發(fā)生修飾”具有重要意義。他們將這一過程的主要步驟描述為： (1) β-己糖胺酶同工酶首先以前體形式出現(xiàn)；(2) 甘露糖 6-磷酸 (M6P) 基序附著在這些前體上，并且 (3) 在穿過高爾基體并到達(dá)溶酶體后，前體被轉(zhuǎn)化為更小分子量的成熟形式. William Sly、Stuart Kornfeld 和 Elizabeth Neufeld 實(shí)驗(yàn)室的先前研究表明，M6P 是將新生蛋白質(zhì)正確定位到溶酶體所必需的識別標(biāo)簽。

實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，在異二聚體 Hex A 的復(fù)雜情況下，亞基 α 和 β 是獨(dú)立合成的，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng) (ER) 中時：1) 它們失去信號肽；2) 獲得N-連接寡糖和鏈內(nèi)二硫鍵；和 3) 附有 M6P 部分。只有在獲得 M6P 標(biāo)簽后，α 和 β 亞基才會在 ER 中結(jié)合。據(jù)信，在 M6P 受體促進(jìn)的步驟中，前體同工酶穿過高爾基體。它們通過中間酸化隔室到達(dá)溶酶體，酶在此處與受體分離 - 大概允許受體再循環(huán)回高爾基體以供進(jìn)一步使用。與其他用于溶酶體的可溶性酸性水解酶一樣，很大一部分 (≈ 20%) 的 M6P 標(biāo)記蛋白被分泌到細(xì)胞外空間，并且可以在培養(yǎng)細(xì)胞的培養(yǎng)基中檢測到。分泌的酶具有分解代謝活性，能夠重新進(jìn)入分泌細(xì)胞和鄰近細(xì)胞——這是一種分泌-再捕獲過程，可以相互交叉糾正培養(yǎng)細(xì)胞中的溶酶體酶缺陷。提供用 6-磷酸甘露糖和其他部分適當(dāng)修飾的外源糖蛋白以遞送至溶酶體的能力對于溶酶體疾病的治療開發(fā)具有重要意義（圖 1）。分泌的酶具有分解代謝活性，能夠重新進(jìn)入分泌細(xì)胞和鄰近細(xì)胞——這是一種分泌-再捕獲過程，可以相互交叉糾正培養(yǎng)細(xì)胞中的溶酶體酶缺陷。提供用 6-磷酸甘露糖和其他部分適當(dāng)修飾的外源糖蛋白以遞送至溶酶體的能力對于溶酶體疾病的治療開發(fā)具有重要意義（圖 1）。分泌的酶具有分解代謝活性，能夠重新進(jìn)入分泌細(xì)胞和鄰近細(xì)胞——這是一種分泌-再捕獲過程，可以相互交叉糾正培養(yǎng)細(xì)胞中的溶酶體酶缺陷。提供用 6-磷酸甘露糖和其他部分適當(dāng)修飾的外源糖蛋白以遞送至溶酶體的能力對于溶酶體疾病的治療開發(fā)具有重要意義（圖 1）。結(jié)合和內(nèi)化主要通過存在于細(xì)胞表面的 M6P 受體介導(dǎo)；在細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸通過內(nèi)體-溶酶體途徑中的中間隔室后，蛋白質(zhì)貨物最終到達(dá)溶酶體。值得注意的是，根據(jù)他們的生物合成標(biāo)記研究，D'Azzo 及其同事認(rèn)為，與 β 鏈的結(jié)合不僅對于獲得催化活性而且對于將 α 鏈運(yùn)輸?shù)饺苊阁w都是必要的。在可以從其 cDNA 的表征中推斷出亞基的氨基酸序列后，確定了氨基己糖苷酶和所得加工產(chǎn)物中的蛋白水解切割位點(diǎn). 事實(shí)表明，組裝的 β-氨基己糖苷酶亞基（在加工后仍然通過二硫鍵結(jié)合）的蛋白水解切割對于它們的酶促活性而言不是必需的。

編碼 α- ( HEXA ) 和 β-亞基 ( HEXB ) 的 β-己糖胺酶基因以及 GM2 激活蛋白 ( GM2AP ) 的克隆需要相當(dāng)大的努力，部分原因是它們的 mRNA 豐度較低。Myerowitz 和 Proia 于 1984 年分離出第一個 α 亞基 cDNA 克隆，一年后 Korneluk 及其同事使用不同的方法發(fā)表了類似的結(jié)果。鑒定了 2.1 kb 和 2.6 kb 的兩種 α-亞基 mRNA；重要的是，在取自典型嬰兒泰-薩克斯病患者的成纖維細(xì)胞中無法檢測到這些. 總編碼序列，包括一個位于 N 端的 22 個氨基酸的信號肽，由 528 個氨基酸組成；基因組結(jié)構(gòu)散布在染色體 15q24.2 的 35 kb 序列中，包含 14 個外顯子。O'Dowd 及其同事檢測到一個 2.2 kb 的 β-亞基 mRNA，該 mRNA 在從患有桑德霍夫病的兒童身上獲得的細(xì)胞中不存在。O'Dowd 的論文提供的信息使 Proia 及其同事能夠從肝臟中分離出 1.7 kb 的 cDNA。總的 β 亞基編碼序列由 556 個氨基酸組成，在 N 端有一個 42 個氨基酸的信號肽。值得注意的是，HEXB也由分布在位于染色體 5q12 的 40 kb 序列上的 14 個外顯子組成。此外，在 13 個內(nèi)含子中的 12 個中，兩個基因之間的內(nèi)含子/外顯子邊界是保守的]。Korneluk 比對了 pre-α 和 pre-β 多肽的一級序列，顯示核苷酸和氨基酸序列的相似性分別為 55% 和 57%。這種序列相似性水平表明這兩個亞基具有共同的祖先基因。

Schröder 及其同事成功克隆了 GM2 激活蛋白基因 ( GM2A )，該基因由分布在 16 kb 序列中的 4 個外顯子和 3 個內(nèi)含子組成；這映射到人類染色體 5q31.2。

盡管亞基 α 和 β 之間存在相似性，但功能不同的活性位點(diǎn)允許多同工酶系統(tǒng)水解含有 β-連接的 N-乙酰己糖胺基殘基的不同底物。兩個亞基的活性位點(diǎn)，以二聚體形式，能夠水解許多相同的中性天然和人工底物 - 來自蛋白質(zhì)和中性糖脂以及某些粘多糖的寡糖部分 - 顯示系統(tǒng)中的冗余。相反，水解帶負(fù)電底物的是亞基 α 中的催化位點(diǎn)。GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂的降解只能通過體內(nèi)異二聚體 Hex A 實(shí)現(xiàn)。與 GM2 激活蛋白結(jié)合，特別需要 Hex A 來催化去除末端非還原性N來自 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂的 - 乙酰半乳糖胺殘基 - 激活蛋白充當(dāng)脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，與神經(jīng)節(jié)苷脂的碳水化合物和脂質(zhì)部分相互作用，并將其呈遞給 Hex A 進(jìn)行水解。Hex A、Hex B 和 GM2 激活蛋白的晶體結(jié)構(gòu)提供了有關(guān)致病突變對這些蛋白質(zhì)的影響和催化機(jī)制的有用細(xì)節(jié)。此外，結(jié)構(gòu)分析表明，二聚化對于每個亞基的活性都是必不可少的，這與迄今為止缺乏單體亞基具有酶活性的任何證據(jù)相一致。表征的HEXA、HEXB和GM2A基因能夠識別導(dǎo)致 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂增多癥的分子缺陷。分子遺傳學(xué)的這些進(jìn)展也明確證實(shí)，雖然 α 和 β 亞基基因的突變分別導(dǎo)致 TSD（B 變體）和 SD（0 變體），但 GM2 激活蛋白的缺陷導(dǎo)致所謂的 GM2 AB 變體形式神經(jīng)節(jié)苷脂增多癥（圖 1）。 因此，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)用于疾病診斷和遺傳咨詢的個性化醫(yī)療，因?yàn)榭梢哉_定位致病突變，并且在少數(shù)情況下可以預(yù)測臨床表型。

由于歷史原因，當(dāng)薩克斯第一次接觸到TSD時，他在紐約市的患者聚集區(qū)包括許多東歐血統(tǒng)的猶太家庭，他順理成章地將TSD定性為一種猶太人疾病。然而，我們現(xiàn)在知道這種疾病是泛種族的，包括黑人和亞洲人。此外，與早期跡象表明 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病是一種由單一原因引起的疾病相反，隨著 DNA 測序的出現(xiàn)，很明顯許多突變會導(dǎo)致嬰兒疾病。一個早期的例子來自對法裔加拿大人和德系猶太人進(jìn)行的突變分析，與所有先入之見相反，該疾病是由于兩個人群中的不同突變引起的. 出乎意料的是，德系猶太人中的 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病也可能由多種突變引起；在患有泰-薩克斯病的摩洛哥猶太人中發(fā)現(xiàn)了七種HEXA突變，這是一個西班牙裔群體——五種突變顯然是摩洛哥人獨(dú)有的，但兩種也發(fā)生在德系猶太人中。

不同人群的攜帶致病基因突變的頻率差異很大；例如，加拿大東魁北克人、阿什肯納茲猶太人和“一般”人口的 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病估計(jì)分別為每 14 人中有 1 人、每 30 人中有 1 人和每 300 人中有 1 人。這些早期發(fā)現(xiàn)表明存在導(dǎo)致同一種疾病的不同突變，這與其他遺傳疾病的發(fā)現(xiàn)相似。同樣，SD 不分種族，β 亞基的突變數(shù)量眾多，廣泛分布于整個基因。

僅HEXA就報(bào)道了超過 100 種不同的突變，其中包括缺失、剪接畸變、無義和錯義突變；導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄、翻譯、不適當(dāng)?shù)牡鞍踪|(zhì)折疊和/或二聚化以及催化功能障礙的缺陷. 最常見和最嚴(yán)重的 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂貯積癥通常被發(fā)現(xiàn)具有 Hex A 活性的有效缺陷。盡管 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病中的總 Hex 活性接近正常值（歸因于活性 Hex B），但在 SD 中只能檢測到正?？?Hex 活性的 2-4%，盡管 α-亞基 mRNA 的量正常。α-亞基彼此之間的低親和力解釋了 Hex S 可檢測到但數(shù)量很少的原因。較不嚴(yán)重的青少年（亞急性）和成人（慢性）發(fā)作形式是允許保留不同程度的 Hex A 功能的突變的結(jié)果, 約為正常值的 1-5%，通常是折疊或二聚化不充分的結(jié)果。大多數(shù)已知的錯義突變會導(dǎo)致錯誤折疊的蛋白質(zhì)；被 ER 質(zhì)量控制系統(tǒng)檢測到，它們被 ER 相關(guān)降解途徑 (ERAD) 降解。據(jù)估計(jì)，正常 Hex A 活性的 5% 到 10% 與無病生活相容。在 GM2A 蛋白缺乏癥中，Hex A 和 Hex B 的功能針對某些底物得以維持，但無法針對 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂 - 正常水解的臨界閾值估計(jì)為正常活性的 5-10% 左右，預(yù)計(jì)疾病表現(xiàn)會低于此值圖. 雖然這些討論提供了指導(dǎo)，但在估計(jì)真正的殘留酶活性方面需要謹(jǐn)慎——尤其是使用從診斷實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的化驗(yàn)中獲得的信息。實(shí)際上，在原位神經(jīng)組織的溶酶體中確定 Hex A 對其天然底物 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂（由于體內(nèi)鞘氨醇結(jié)構(gòu)和酰基鏈長度的變化本身是化學(xué)多樣性的生物底物）的真實(shí)活性是極具挑戰(zhàn)性的。雖然可以使用基于簡單或更復(fù)雜的各種成分類似物的底物，但在過去，先進(jìn)的解決方案是使用放射性標(biāo)記的天然 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂——現(xiàn)在使用起來非常昂貴和麻煩。

通過其晶體結(jié)構(gòu)揭示的 Hex A 功能的深入了解有望促進(jìn)個體突變的疾病表型預(yù)測。這個期望還沒有有效實(shí)現(xiàn)；這是因?yàn)橥蛔兊目臻g位置并不容易與疾病的嚴(yán)重程度相關(guān)，除了那些改變活性位點(diǎn)的突變。此外，許多患者是復(fù)合雜合子，通常攜帶獨(dú)特或不尋常的突變組合，家族中未表征的疾病修飾基因，以及表觀遺傳和環(huán)境因素被懷疑會影響疾病的進(jìn)程。

一個值得注意的事實(shí)是，由于酶促和基因篩查，GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂貯積癥在一些高危人群中的患病率現(xiàn)在低于一般人群。盡管作者知道有針對性的篩查失敗的悲慘例子，特別是在計(jì)劃懷孕前要求高效的混合血統(tǒng)夫婦中，但基于社區(qū)的攜帶者篩查和咨詢在傳統(tǒng)的高內(nèi)婚風(fēng)險社區(qū)中非常有效。據(jù)報(bào)道，一般人群中 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病和 SD 的發(fā)病率估計(jì)分別為 222,000 分之一和 422,000 分之一。

最近的一些研究正式回顧了 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂增多癥的存活率和功能下降率。Bley 及其同事的研究側(cè)重于 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病和 SD 的嬰兒形式。它包括來自國家泰薩克斯及相關(guān)疾病協(xié)會 (NTSAD)、美國 NTSAD 回顧性數(shù)據(jù)庫 (n= 103) 和文獻(xiàn)報(bào)告 (n = 121）。大多數(shù)嬰兒是混血兒，猶太人或不明身份。疾病診斷的平均年齡剛剛超過一歲，最常見的初始癥狀是發(fā)育停滯 (83%)、異常驚嚇反應(yīng) (65%) 和肌張力降低 (60%)。癲癇發(fā)作很常見，在疾病晚期尤為突出。重要的，在大多數(shù)情況下，早期發(fā)育似乎進(jìn)展正常 - 支持普遍持有的觀點(diǎn)，即發(fā)育停滯而不是延遲是嬰兒 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂沉積癥的典型特征。這些患者中約有一半在 3.5 歲時死亡。

Maegawa 及其同事報(bào)告了 21 名患有幼年/亞急性 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂沉積癥的新患者：其中 13 名來自加拿大，8 名來自巴西（TSD，n = 15；SD，n = 6），代表 15 個不同種族的無關(guān)家庭。在 15 名 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病患者和 6 名 SD 患者中，分別鑒定出 11 種和 5 種不同的突變。平均發(fā)病年齡（先進(jìn)癥狀）為 5.3 ± 4.1 歲（范圍：1.5-15 歲）。這些患者中約有一半在生命的第一個十年內(nèi)死亡，只有 25% 的患者存活到十幾歲。這組患者的疾病表現(xiàn)比急性嬰兒型多變，但隨著疾病的進(jìn)展，所有患者都出現(xiàn)步態(tài)和言語困難，協(xié)調(diào)障礙 (95%) 和認(rèn)知障礙 (80%) 幾乎沒有變化；兩名患者出現(xiàn)精神障礙。小腦萎縮，其次是全身性腦萎縮是最常見的神經(jīng)放射學(xué)發(fā)現(xiàn)。對先前在文獻(xiàn)中報(bào)道的 134 名患者的分析 (1968-2006) (TSD, n= 96; SD, n= 27) 得出了非常相似的趨勢。GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病和 SD 患者之間的癥狀差異也很明顯；例如，睡眠問題、肌肉萎縮和腹瀉/便秘在 SD 中更為普遍，提示自主神經(jīng)病變。

史密斯等人。使用英國兒科監(jiān)測單位提供的數(shù)據(jù)，研究了 1997-2010 年期間英國 73 例 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂?。═SD，n= 40；SD，n= 31；GM2AP 缺陷，n= 2）。GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂增多癥占所有確診的進(jìn)行性智力和神經(jīng)功能惡化病例的 6% (73⁄1164)。大多數(shù) (85%) 是沒有家族史的散發(fā)病例，但值得注意的是，巴基斯坦血統(tǒng)的兒童占主導(dǎo)地位，特別是青少年形式的 SD (10/11)。與其他人群一樣，嬰兒型占主導(dǎo)地位 (75%)。嬰兒期 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病和 SD 癥狀發(fā)作的平均年齡分別為 6.2 個月和 4.7 個月，而相應(yīng)的幼年型則分別為 26.2 個月和 34.7 個月。與 Bley 及其同事的早期發(fā)現(xiàn)一樣，嬰兒型的平均存活期約為 3 年。

泰-薩克斯病和桑德霍夫病的遲發(fā)性明顯減弱的疾病已越來越多地得到承認(rèn)。盡管最初主要在德系猶太人中作為晚發(fā)性泰-薩克斯病 (LOTS) 新穎報(bào)道——與錯義HEXA的純合性相關(guān)突變，G269S - GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂增多癥的兩種亞型都可能導(dǎo)致遲發(fā)性疾病。表現(xiàn)非常多變，該疾病經(jīng)常被誤認(rèn)為是其他眾所周知的神經(jīng)退行性疾病，例如肌萎縮側(cè)索硬化（運(yùn)動神經(jīng)元疾?。┖托∧X性共濟(jì)失調(diào)；周圍神經(jīng)病變可能是一個表現(xiàn)特征——尤其是在 Sandhoff 病中。常見的癥狀包括在青春期后期出現(xiàn)的笨拙和共濟(jì)失調(diào)以及腿部肌肉無力。認(rèn)知能力通?？梢蚤L期保持，從而可以保留工作，但高達(dá) 40% 的患者會出現(xiàn)精神癥狀，包括雙相情感障礙或精神病。目前尚不清楚這種疾病是否會縮短生命，但大多數(shù)受影響的患者至少會失去身體獨(dú)立性，需要輔助行走和支持。

隨著針對 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂增多癥的幾種新療法的出現(xiàn)，正確描述臨床表現(xiàn)以繪制疾病的自然病程和經(jīng)過驗(yàn)證的疾病嚴(yán)重程度評分，對于評估潛在治療效果和制定納入/排除標(biāo)準(zhǔn)非常重要在臨床試驗(yàn)中。鑒于疾病的無情性質(zhì)，早期治療干預(yù)將是獲得最佳結(jié)果的關(guān)鍵。此外，早期診斷有助于病情管理并提高受影響家庭和高危親屬的意識，從而使知情的生育選擇成為可能。

患有神經(jīng)退行性疾病的嬰兒的 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂增多癥的特征通常是發(fā)育停滯和提示大腦和小腦合并疾病的特征（軸向張力差伴進(jìn)行性肢體痙攣，通常由某些臨床體征引起，例如視覺固定不良和突出的驚嚇反射。中央凹周圍蒼白和櫻桃紅色或色素性黃斑點(diǎn)的存在并不有效是特異性的，而是這種疾病的近病理學(xué)征兆。

在疑似病例中，主要診斷依賴于 β-己糖胺酶活性的酶促測定，通常使用兩種熒光人工底物 - MUG（4-甲基傘形酮-β-DN-乙酰葡糖胺）及其在血漿和/或外周血白細(xì)胞中進(jìn)行硫酸化同系物，MUGS（4-甲基傘形酮-β-DN-乙酰葡糖胺-6-硫酸鹽）]。后者優(yōu)先被 Hex A 和 Hex S 水解。成纖維細(xì)胞裂解物或其他組織的提取物也可以使用，但在大多數(shù)情況下，健康受試者的參考參數(shù)在統(tǒng)計(jì)上不太穩(wěn)健。控制溶酶體酶活性的測定應(yīng)平行測定。這些研究應(yīng)在經(jīng)驗(yàn)豐富的生化遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)室最好為及時接收樣本做好準(zhǔn)備。HEXA和HEXB基因也越來越多地被另外進(jìn)行。這是為了避免因人工制品和HEXA中存在假性缺陷等位基因或突變（例如 R288H）而導(dǎo)致的差異，這些差異會導(dǎo)致人工底物的酶活性適度或檢測不到，但 Hex A 酶無法被 GM2 激活劑激活蛋白質(zhì)。GM2 A 基因的分子分析對于同源激活劑缺乏癥的診斷是必要的。

使用細(xì)胞系或培養(yǎng)的原代細(xì)胞對 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂貯積癥的研究有助于我們理解 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂貯積癥的生物學(xué)基礎(chǔ)，并且在機(jī)制理解方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。然而，為了研究發(fā)病機(jī)制和測試前瞻性療法，非常需要真實(shí)的疾病動物模型。自然發(fā)生的以及基因工程動物模型可用于實(shí)驗(yàn)。hexb突變已在多個品種的貓中發(fā)現(xiàn)， hexa在綿羊 、狗 和火烈鳥. 顯然，在這些疾病模型中，有些更適合研究環(huán)境，我們建議讀者閱讀 Lawson 和 Martin 關(guān)于這些動物的實(shí)用性的精彩評論。

在 1990 年代，Proia實(shí)驗(yàn)室和 Gravel 實(shí)驗(yàn)室這兩個獨(dú)立工作的小組分別生成了具有破壞的hexa和hexb基因的小鼠品系作為 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病和 SD 的模型。令他們驚訝的是，GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病小鼠并沒有模仿人類嬰兒 TSD，盡管這些動物顯示出一些 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂的儲存，但臨床表現(xiàn)并沒有立即顯現(xiàn)出來。相比之下，SD 小鼠患上了致命的神經(jīng)退行性疾病，并在 4-5 個月大時死亡。這些研究人員推斷，GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病小鼠的輕度疾病可以用唾液酸酶介導(dǎo)的生化旁路的存在來解釋，現(xiàn)在被認(rèn)為是 Neu3如果在人類中保存，則無法有效發(fā)揮作用。GM2 蛋白激活劑缺乏癥的小鼠和貓模型也可用。

正如小鼠和人類 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂病之間不同的表型所說明的那樣，可能存在物種特異性差異，并且在外推到人類疾病時應(yīng)謹(jǐn)慎地解釋動物模型的結(jié)果。然而，這些動物模型是強(qiáng)大的研究工具，它們對于轉(zhuǎn)化研究的重要性怎么估計(jì)都不為過。使用小鼠疾病模型測試新療法的優(yōu)點(diǎn)是：1）成功或失敗方法的讀數(shù)相對較快；2) 短時間內(nèi)大量生產(chǎn)動物，易于圈養(yǎng)在小型動物設(shè)施中；3) 組織的高通量分析對于小型實(shí)驗(yàn)室來說是可管理的規(guī)模。然而，老鼠的大腦很小，大約是人類嬰兒大腦的 1/1000，這使得正確注射小結(jié)構(gòu)變得困難，但貓和羊的大腦在復(fù)雜性、組織結(jié)構(gòu)和大?。ǚ謩e為 1/10 和 1/3）方面更接近嬰兒的人類大腦。貓和羊是長壽動物，非常適合多年的手術(shù)干預(yù)和臨床評估。然而，使用大型動物模型也有缺點(diǎn)。其中包括：1）與更多有知覺的動物的實(shí)驗(yàn)使用相關(guān)的困難的倫理理由——特別是對于新療法的早期評估；2）維護(hù)成本高；3) 高素質(zhì)獸醫(yī)的專業(yè)護(hù)理；4) 生成動物數(shù)量以達(dá)到有意義的統(tǒng)計(jì)能力所需的時間；5) 分析和對干預(yù)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)和有效調(diào)查所需的大量組織。

佳學(xué)基因檢測研究很少有關(guān)于人類 GM2 神經(jīng)節(jié)苷脂增多癥組織病理學(xué)特征的報(bào)道比 Aronson 對嬰兒 TSD 的觀察更為全面。他在尸檢時發(fā)現(xiàn)，大腦比正常人重，可能是由于神經(jīng)膠質(zhì)增生。但與明顯的微觀異常相比，除了表面裂隙過度簡化和溝增寬外，它們在宏觀上沒有表現(xiàn)出明顯的病理特征。神經(jīng)元耗竭僅在大腦皮層顯著，而在大腦白質(zhì)中脫髓鞘。Aronson 認(rèn)為最有可能的是髓鞘形成的停滯和抑制，而不是現(xiàn)有髓鞘的丟失，因?yàn)闆]有明顯的最近髓鞘分解的證據(jù)；然而，灰質(zhì)區(qū)域存在大量激活的小膠質(zhì)細(xì)胞和輕度星形膠質(zhì)細(xì)胞增生的變化。所有水平的神經(jīng)軸都顯示出特征性的神經(jīng)元改變和神經(jīng)膠質(zhì)增生，此外，內(nèi)皮細(xì)胞因病理性脂質(zhì)而膨脹。Aronson 對疾病的突然發(fā)作感到震驚，盡管神經(jīng)病理學(xué)受到嚴(yán)重破壞，但功能程度一直保持到疾病過程的晚期，當(dāng)似乎達(dá)到閾值并且正常的神經(jīng)發(fā)育停止時。

這仍然是一個激烈爭論的問題，哪些變化代表了神經(jīng)病理學(xué)的主要表現(xiàn)，哪些實(shí)際上是原始缺陷的繼發(fā)性變化。雖然神經(jīng)節(jié)苷脂的積累通常被視為對神經(jīng)元的主要損害，但例如脫髓鞘和炎癥通常被認(rèn)為僅僅是神經(jīng)元退化的結(jié)果。然而，這一直受到強(qiáng)烈質(zhì)疑，并且有證據(jù)表明，脫髓鞘和炎癥都積極參與疾病過程及其對神經(jīng)功能的破壞性影響。盡管進(jìn)行了一個多世紀(jì)的研究，但從神經(jīng)節(jié)苷脂積累到進(jìn)行性神經(jīng)變性和死亡的路徑尚未有效用分子術(shù)語表征或闡明；

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