原发性癫痫的遗传及其发生机制的研究
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中华神经科杂志/9902dt 遗传因素在癫痫的发生中起着很重要的作用。许多由于基因突变所致的遗传代谢病均可表现有癫痫发作，而在由未知原因引起的原发性癫痫(idiopathic epilepsies)中，遗传因素也起主要作用。目前，许多引起症状性癫痫(symptomatic epilepsies)的遗传或代谢性疾病的基因已经被发现并已研究清楚[1]，但长期以来对原发性癫痫遗传基因的研究进展不大。最近，相继发现了三种引起原发性癫痫的基因突变，这些基因所编码的均为钾或钠离子通道蛋白亚基，因而部分人也称这些原发性癫痫为通道病(channopathies)。这些基因的发现不仅为研究癫痫发生的病理机制提供了分子生物学模型，也为今后开发治疗癫痫的药物提供了方向。下面介绍一下原发性癫痫基因定位及其发生机制研究的最新进展。
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一、良性家族性新生儿惊厥(benign familial neonatal convulsions, BFNC)
这是一种常染色体显性遗传性原发性癫痫[2]。它以非诱发性部分性惊厥或阵挛性大发作为特点。发作时，婴儿出现强直性姿势和呼吸暂停性发作，随后出现凝视和眨眼等眼征，肌阵挛以及自动症等。脑电图检查先出现全面波幅降低，随后伴随临床症状而出现慢波和棘波等改变。一般在出生后3天左右发作，几周或几个月后消失。儿童期后发育基本正常。但有10%～15%的病人在进入儿童期后出现发热惊厥或强直性发作，常在听觉或情感刺激后发作。大家系基因连锁分析结果将两类BFNC的基因分别定位在20号染色体(20q13.3,称为BFNC1)和8号染色体上(8q24，称为BFNC2)[2，3]。这两类家族性BFNC的临床表现非常相似，但与8号染色体基因连锁的BFNC2病人，在儿童期后较少再出现癫痫发作。这一差别仍有待在更多的病例中证实。
, 百拇医药 Singh等[4]在分析一个BFNC1家系时发现，20号染色体(20q13.3)带区的缺失与临床表型连锁，利用含有这一缺失的基因片段作为探针，从cDNA文库中筛出一个与心律失常相关的电压依赖性钾通道蛋白基因(voltage-gated potassium channel，KCNQ1)的同源性基因KCNQ2。它编码一个由844个氨基酸组成的蛋白，是组成电压依赖性钾通道α亚单位的10个基因之一。它有6个跨膜域(transmembrane domain)，一个膜孔域(pore domain)，以及一个长的胞浆羧基末端[5]。至今，在上述三个核心部位已发现6种突变与BFNC1有关，这些突变包括由于插入小和(或)大片段缺失导致的阅读框架移位(frame shift)，或单个碱基的错义突变，以及剪接位点(splice-site)的突变[4，5]。
Charlier等[6]利用已知的KCNQ2基因序列在基因文库中查到5个与KCNQ2基因同源的尾段表达序列(expression sequence tag，EST)。利用体细胞杂交方法，将KCNQ3基因定位在8q24带区。研究结果证实，KCNQ3是一个由825个氨基酸组成的蛋白，具有与KCNQ2类似的基因结构，通过对与8号染色体基因连锁的BFNC2病人KCNQ3基因的分析后发现，在膜孔域基因区的一个基因突变引起的缬氨酸与甘氨酸在第177位点的置换与BFNC2疾病表型连锁，而被认为是导致该病的原因。
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KCNQ2和KCNQ3主要在脑中表达，在脑中枢神经系统的所有部位几乎均有表达。至少有三种，即9.5、3.8和1.5 kb大小的cDNA片段在脑中发现[5]。利用基因工程方法表达的变异蛋白通道，检测不到膜电流，提示这些基因突变可导致单纯性失效(haploinsufficiency)，而杂合子状态则导致膜电流的降低[5]。
二、常染色体显性遗传夜间发作性额叶癫痫(autosomal dominant nocturnal frontal lobe epilepsy，ADNFLE)
这是一种原发性部分性癫痫，它以短暂簇发性运动性夜间发作为特征，多在浅睡眠时发生。发病年龄以儿童多见，但成人也可发病[7]。常有发作先兆，出现喘息和发声，发作时病人往往清醒，少数病人有感觉丧失，因此，往往被误诊为良性夜间发作性深眠状态(benign nocturnal parasomnias)、夜间恶梦、过度兴奋以及癔病。该病为常染色体显性遗传伴不完全外显，外显率为70%。利用大家系基因连锁分析将致病基因定位在20q13.3带区[8]。通过分析发现，位于该区域的神经烟碱样乙酰胆碱α4亚单位基因(α4 subunit gene of the neuronal nicotinic acetylcholine receptor，CHRNA4)的一个点突变(Ser248Phe)导致的苯丙氨酸取代丝氨酸是引起ADNFLE的原因[8]。随后，在挪威家系中发现三个碱基对插入突变(776ins3)而增加一个新的氨基酸也与本病有关[9]。神经烟碱样乙酰胆碱受体是由4个单体组成的，这4个单体则由11个亚单位的不同组合而形成[10]。CHRNA4是其中一个在脑中表达最丰富的亚单位之一。上述2个突变均发生在第二个离子通道孔上，电生理实验结果显示，这两种突变均可导致含有CHRNA4亚单位的钾离子通道弥散性降低，使得膜电位不稳定[11]。学者普遍认为，神经烟碱样乙酰胆碱受体主要分布在突触前受体上，其功能障碍可能导致抑制性神经递质的异常释放而诱发癫痫。
, 百拇医药
三、伴发热惊厥的全面性癫痫(generalized epilepsy with febrile seizures plus，GEFS)
这是一种有多种发作形式的原发性癫痫，发病率高，几乎占6岁以下儿童癫痫的3%。临床上常以发热惊厥为主要表现，而6岁以后则可表现为强直性阵挛性发作、肌阵挛性发作以及肌强直性发作等。GEFS是一种常染色体显性遗传病，具有遗传异质性，可能有多个基因的突变[12]。目前，有2个与它相关的基因被发现，分别定位在8号染色体(8q)和19号染色体(19p13.1)上。
最近，Wallace等[13]在进行家系基因连锁分析后，将一个引起GEFS的基因定位在19p13.1上。利用寻找目的基因的方法，他们发现电压依赖性钠通道β1亚单位(voltage-gated Na+-channel β1 subunit，SCN1B)编码基因正位于该区域。通过对该基因的5个外显子进行突变检测发现，该家族部分GEFS病人和热性惊厥病人的3号外显子一个碱基替代突变，导致第121氨基酸位点的半胱氨酸被色氨酸取代(C121W)。但在该家系以及其他的家族性GEFS和热性惊厥病人并未发现带有该突变。检查96个正常对照也未发现他们携带该突变。提示GEFS具有遗传异质性，而SCN1B基因突变是引起GEFS的基因之一。
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神经细胞钠离子通道是由一个大的α亚单位和2个β亚单位组成。单独的α亚单位就具有正常的通道活性功能，但β亚单位对调节钠通道的失活起重要作用[14，15]。SCN1B在脑、肌肉和心脏中均有表达。利用基因工程方法研究发现，带有C121W突变的神经钠通道的失活时间和失活后恢复时间均减慢[12]。
神经的兴奋性主要是由电压依赖性钾和钠离子通道之间的平衡来调节的。由于基因突变而导致这些离子通道特性的改变，可能增加神经细胞的兴奋性而诱发癫痫。但不知道这些基因突变所引起的癫痫发作为什么与发病年龄和部分性癫痫有关。同时，仍有许多参与组成这些钾和钠离子通道亚单位的基因结构不清楚，研究它们与原发性癫痫发生的关系可能会发现更多的相关基因。进一步研究通道改变和癫痫发生机制的关系，对寻找有效治疗癫痫的药物将有重大的意义。
参考文献
1 Callenbach PMC, Brouwer OF. Hereditary epilepsy syndromes. Clin Neurol Neurosurg, 1997,99：159-171.
, http://www.100md.com
2 Rosen GM, Rsales TO, Connolly M, et al. Seizure characteristics in chromosome 20 benign familial neonatal convulsions. Neurol, 1993,43：1355-1360.
3 Lewis TB, Leach RJ, Ward K, et al. Genetic heterogeneity in benign familial neonatal convulsions: identification of a new locus on chromosome 8q. Am J Hum Genet, 1993,53：670-675.
4 Singh NA, Charlier C, Stauffer C, et al. A novel potassium channel gene, KCNQ2, is mutated in an inherited epilepsy of newborns. Nat Genet, 1998,18：25-29.
, 百拇医药
5 Biervert C, Schroeder BC, Kubisch C, et al. A potassium channel mutation in neonatal human epilepsy. Science, 1998,279：403-406.
6 Charlier C, Singh NA, Ryan SG, et al. A pore mutation in a novel KOT-like potassium channel gene in an idiopathic epilepsy family. Nat Genet, 1998,18：53-55.
7 Scheffer IE, Bhatia KP, Lopes-Cendes I, et al. Autosomal dominant nocturnal frontal epilepsy misdiagnosed as sleep disorder. Lancet, 1994,26：515-517.
, 百拇医药
8 Steinlein O, Mulley JC, Propping P, et al. A missense mutation in the neuronal nicotinic acetylcholine receptor α4 subunit is associated with autosomal dominant nocturnal frontal lobe epilepsy. Nat Genet, 1995,11：201-203.
9 Steinlein O, Magnusson A, Stoodt J, et al. An insertion mutation of the CHRNA4 gene in a family with autosomal dominant nocturnal frontal lobe epilepsy. Hum Mol Genet, 1997,6：943-947.
10 Steinlein OK. New insights into the molecular and genetic mechanisms underlying idiopathic epilepsies. Clin Genet, 1998,54：169-175.
, 百拇医药
11 Weiland S, Witzemann V, Villarroel A, et al. An amino acid exchange in the second transmembrane segment of a neuronal nicotinic receptor causes partial epilepsy by altering its desensitization kinetics. FEBS Lett, 1996,398：91-96.
12 Scheffer IE, Berkovic SF. Generalized epilepsy with febrile seizures plus. A genetic disorder with heterogeneous clinical phenotypes. Brain, 1997,120：479-490.
13 Wallace RH, Wang DW, Singh R, et al. Febrile seizures and generalized epilepsy associated with a mutation in the Na+-channel β1 subunit gene SCN1B. Nat Genet, 1998,19：366-370.
, 百拇医药
14 Isom LL. Primary structure and functional expression of the β1 subunit of the rat brain sodium channel. Science, 1992,256：839-842.
15 Makita N, Sloan-brown K, Wedhuis DO, et al. Genomic organization and chromosomal assignment of the human voltagegated Na+-channel β1 subunit gene (SCN1B). Genomics, 1994,23：628-634.
* 美国帕金森病研究所
(收稿：1999-02-14), 百拇医药
单位：
关键词：
中华神经科杂志/9902dt 遗传因素在癫痫的发生中起着很重要的作用。许多由于基因突变所致的遗传代谢病均可表现有癫痫发作，而在由未知原因引起的原发性癫痫(idiopathic epilepsies)中，遗传因素也起主要作用。目前，许多引起症状性癫痫(symptomatic epilepsies)的遗传或代谢性疾病的基因已经被发现并已研究清楚[1]，但长期以来对原发性癫痫遗传基因的研究进展不大。最近，相继发现了三种引起原发性癫痫的基因突变，这些基因所编码的均为钾或钠离子通道蛋白亚基，因而部分人也称这些原发性癫痫为通道病(channopathies)。这些基因的发现不仅为研究癫痫发生的病理机制提供了分子生物学模型，也为今后开发治疗癫痫的药物提供了方向。下面介绍一下原发性癫痫基因定位及其发生机制研究的最新进展。
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一、良性家族性新生儿惊厥(benign familial neonatal convulsions, BFNC)
这是一种常染色体显性遗传性原发性癫痫[2]。它以非诱发性部分性惊厥或阵挛性大发作为特点。发作时，婴儿出现强直性姿势和呼吸暂停性发作，随后出现凝视和眨眼等眼征，肌阵挛以及自动症等。脑电图检查先出现全面波幅降低，随后伴随临床症状而出现慢波和棘波等改变。一般在出生后3天左右发作，几周或几个月后消失。儿童期后发育基本正常。但有10%～15%的病人在进入儿童期后出现发热惊厥或强直性发作，常在听觉或情感刺激后发作。大家系基因连锁分析结果将两类BFNC的基因分别定位在20号染色体(20q13.3,称为BFNC1)和8号染色体上(8q24，称为BFNC2)[2，3]。这两类家族性BFNC的临床表现非常相似，但与8号染色体基因连锁的BFNC2病人，在儿童期后较少再出现癫痫发作。这一差别仍有待在更多的病例中证实。
, 百拇医药 Singh等[4]在分析一个BFNC1家系时发现，20号染色体(20q13.3)带区的缺失与临床表型连锁，利用含有这一缺失的基因片段作为探针，从cDNA文库中筛出一个与心律失常相关的电压依赖性钾通道蛋白基因(voltage-gated potassium channel，KCNQ1)的同源性基因KCNQ2。它编码一个由844个氨基酸组成的蛋白，是组成电压依赖性钾通道α亚单位的10个基因之一。它有6个跨膜域(transmembrane domain)，一个膜孔域(pore domain)，以及一个长的胞浆羧基末端[5]。至今，在上述三个核心部位已发现6种突变与BFNC1有关，这些突变包括由于插入小和(或)大片段缺失导致的阅读框架移位(frame shift)，或单个碱基的错义突变，以及剪接位点(splice-site)的突变[4，5]。
Charlier等[6]利用已知的KCNQ2基因序列在基因文库中查到5个与KCNQ2基因同源的尾段表达序列(expression sequence tag，EST)。利用体细胞杂交方法，将KCNQ3基因定位在8q24带区。研究结果证实，KCNQ3是一个由825个氨基酸组成的蛋白，具有与KCNQ2类似的基因结构，通过对与8号染色体基因连锁的BFNC2病人KCNQ3基因的分析后发现，在膜孔域基因区的一个基因突变引起的缬氨酸与甘氨酸在第177位点的置换与BFNC2疾病表型连锁，而被认为是导致该病的原因。
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KCNQ2和KCNQ3主要在脑中表达，在脑中枢神经系统的所有部位几乎均有表达。至少有三种，即9.5、3.8和1.5 kb大小的cDNA片段在脑中发现[5]。利用基因工程方法表达的变异蛋白通道，检测不到膜电流，提示这些基因突变可导致单纯性失效(haploinsufficiency)，而杂合子状态则导致膜电流的降低[5]。
二、常染色体显性遗传夜间发作性额叶癫痫(autosomal dominant nocturnal frontal lobe epilepsy，ADNFLE)
这是一种原发性部分性癫痫，它以短暂簇发性运动性夜间发作为特征，多在浅睡眠时发生。发病年龄以儿童多见，但成人也可发病[7]。常有发作先兆，出现喘息和发声，发作时病人往往清醒，少数病人有感觉丧失，因此，往往被误诊为良性夜间发作性深眠状态(benign nocturnal parasomnias)、夜间恶梦、过度兴奋以及癔病。该病为常染色体显性遗传伴不完全外显，外显率为70%。利用大家系基因连锁分析将致病基因定位在20q13.3带区[8]。通过分析发现，位于该区域的神经烟碱样乙酰胆碱α4亚单位基因(α4 subunit gene of the neuronal nicotinic acetylcholine receptor，CHRNA4)的一个点突变(Ser248Phe)导致的苯丙氨酸取代丝氨酸是引起ADNFLE的原因[8]。随后，在挪威家系中发现三个碱基对插入突变(776ins3)而增加一个新的氨基酸也与本病有关[9]。神经烟碱样乙酰胆碱受体是由4个单体组成的，这4个单体则由11个亚单位的不同组合而形成[10]。CHRNA4是其中一个在脑中表达最丰富的亚单位之一。上述2个突变均发生在第二个离子通道孔上，电生理实验结果显示，这两种突变均可导致含有CHRNA4亚单位的钾离子通道弥散性降低，使得膜电位不稳定[11]。学者普遍认为，神经烟碱样乙酰胆碱受体主要分布在突触前受体上，其功能障碍可能导致抑制性神经递质的异常释放而诱发癫痫。
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三、伴发热惊厥的全面性癫痫(generalized epilepsy with febrile seizures plus，GEFS)
这是一种有多种发作形式的原发性癫痫，发病率高，几乎占6岁以下儿童癫痫的3%。临床上常以发热惊厥为主要表现，而6岁以后则可表现为强直性阵挛性发作、肌阵挛性发作以及肌强直性发作等。GEFS是一种常染色体显性遗传病，具有遗传异质性，可能有多个基因的突变[12]。目前，有2个与它相关的基因被发现，分别定位在8号染色体(8q)和19号染色体(19p13.1)上。
最近，Wallace等[13]在进行家系基因连锁分析后，将一个引起GEFS的基因定位在19p13.1上。利用寻找目的基因的方法，他们发现电压依赖性钠通道β1亚单位(voltage-gated Na+-channel β1 subunit，SCN1B)编码基因正位于该区域。通过对该基因的5个外显子进行突变检测发现，该家族部分GEFS病人和热性惊厥病人的3号外显子一个碱基替代突变，导致第121氨基酸位点的半胱氨酸被色氨酸取代(C121W)。但在该家系以及其他的家族性GEFS和热性惊厥病人并未发现带有该突变。检查96个正常对照也未发现他们携带该突变。提示GEFS具有遗传异质性，而SCN1B基因突变是引起GEFS的基因之一。
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神经细胞钠离子通道是由一个大的α亚单位和2个β亚单位组成。单独的α亚单位就具有正常的通道活性功能，但β亚单位对调节钠通道的失活起重要作用[14，15]。SCN1B在脑、肌肉和心脏中均有表达。利用基因工程方法研究发现，带有C121W突变的神经钠通道的失活时间和失活后恢复时间均减慢[12]。
神经的兴奋性主要是由电压依赖性钾和钠离子通道之间的平衡来调节的。由于基因突变而导致这些离子通道特性的改变，可能增加神经细胞的兴奋性而诱发癫痫。但不知道这些基因突变所引起的癫痫发作为什么与发病年龄和部分性癫痫有关。同时，仍有许多参与组成这些钾和钠离子通道亚单位的基因结构不清楚，研究它们与原发性癫痫发生的关系可能会发现更多的相关基因。进一步研究通道改变和癫痫发生机制的关系，对寻找有效治疗癫痫的药物将有重大的意义。
参考文献
1 Callenbach PMC, Brouwer OF. Hereditary epilepsy syndromes. Clin Neurol Neurosurg, 1997,99：159-171.
, http://www.100md.com
2 Rosen GM, Rsales TO, Connolly M, et al. Seizure characteristics in chromosome 20 benign familial neonatal convulsions. Neurol, 1993,43：1355-1360.
3 Lewis TB, Leach RJ, Ward K, et al. Genetic heterogeneity in benign familial neonatal convulsions: identification of a new locus on chromosome 8q. Am J Hum Genet, 1993,53：670-675.
4 Singh NA, Charlier C, Stauffer C, et al. A novel potassium channel gene, KCNQ2, is mutated in an inherited epilepsy of newborns. Nat Genet, 1998,18：25-29.
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5 Biervert C, Schroeder BC, Kubisch C, et al. A potassium channel mutation in neonatal human epilepsy. Science, 1998,279：403-406.
6 Charlier C, Singh NA, Ryan SG, et al. A pore mutation in a novel KOT-like potassium channel gene in an idiopathic epilepsy family. Nat Genet, 1998,18：53-55.
7 Scheffer IE, Bhatia KP, Lopes-Cendes I, et al. Autosomal dominant nocturnal frontal epilepsy misdiagnosed as sleep disorder. Lancet, 1994,26：515-517.
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8 Steinlein O, Mulley JC, Propping P, et al. A missense mutation in the neuronal nicotinic acetylcholine receptor α4 subunit is associated with autosomal dominant nocturnal frontal lobe epilepsy. Nat Genet, 1995,11：201-203.
9 Steinlein O, Magnusson A, Stoodt J, et al. An insertion mutation of the CHRNA4 gene in a family with autosomal dominant nocturnal frontal lobe epilepsy. Hum Mol Genet, 1997,6：943-947.
10 Steinlein OK. New insights into the molecular and genetic mechanisms underlying idiopathic epilepsies. Clin Genet, 1998,54：169-175.
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11 Weiland S, Witzemann V, Villarroel A, et al. An amino acid exchange in the second transmembrane segment of a neuronal nicotinic receptor causes partial epilepsy by altering its desensitization kinetics. FEBS Lett, 1996,398：91-96.
12 Scheffer IE, Berkovic SF. Generalized epilepsy with febrile seizures plus. A genetic disorder with heterogeneous clinical phenotypes. Brain, 1997,120：479-490.
13 Wallace RH, Wang DW, Singh R, et al. Febrile seizures and generalized epilepsy associated with a mutation in the Na+-channel β1 subunit gene SCN1B. Nat Genet, 1998,19：366-370.
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14 Isom LL. Primary structure and functional expression of the β1 subunit of the rat brain sodium channel. Science, 1992,256：839-842.
15 Makita N, Sloan-brown K, Wedhuis DO, et al. Genomic organization and chromosomal assignment of the human voltagegated Na+-channel β1 subunit gene (SCN1B). Genomics, 1994,23：628-634.
* 美国帕金森病研究所
(收稿：1999-02-14), 百拇医药