偏头痛是常见的失能性疾病,高频发作及高致残率严重影响病人的生活质量,给日常生活和工作学习带来极大的负面影响,并给社会和家庭造成严重的经济负担[1]｡偏头痛的发病机制尚未完全阐明,涉及众多多巴胺能系统相关基因､5-羟色胺相关基因､谷氨酸受体基因､血管病危险因子基因､炎症因子基因等,但其易感基因难以明确[2],诊断主要取决于病人的病史,缺乏可靠的临床标志物,已经尝试了多种方法来识别偏头痛基因,迄今为止,最成功的方法是对罕见的单基因偏头痛亚型的家族进行连锁分析｡据推测,罕见的单基因亚型和常见的多因素偏头痛类型具有共同的基因和相关的生化途径[3],对于偏头痛的单基因亚型家族性偏瘫型偏头痛(familialhemiplegicmigraine,FHM)的遗传学机制的研究,有望从遗传学方面更进一步的认识偏头痛及阵发性神经系统疾病的发病机制,为更常见类型偏头痛提供可供参考的遗传模型｡

根据国际头痛分类第3版(InternationalClassificationofHeadacheDisordersthirdedition,ICHD-3),FHM的诊断要求符合先兆偏头痛的诊断标准,且先兆必须包括:①完全可逆的肢体无力;②完全可逆的视觉､感觉和/或言语/语言症状,并且其一级或二级亲属至少有1名发作过符合前述先兆的偏头痛[4]｡根据突变基因的不同,FHM又分为四个亚型:家族性偏瘫型偏头痛I型(familialhemiplegicmigrainetype1,FHM1)､家族性偏瘫型偏头痛II型(familialhemiplegicmigrainetype2,FHM2)､家族性偏瘫型偏头痛III型(familialhemiplegicmigrainetype3,FHM3)和家族性偏瘫型偏头痛其他位点型(familialhemiplegicmigraine,otherloci),前3种类型是明确的单基因常染色体显性遗传病,分别与CACNA1A､ATP1A2和SCN1A基因突变有关[4]｡研究表明,FHM致病基因的突变影响皮质扩散性抑制(corticalspreadingdepression,CSD)的启动和传播,而CSD是一种细胞去极化的短暂传播波,随后对神经元活动进行长期抑制,被认为是偏头痛先兆的基础[5]｡本文综述FHM致病基因突变特点及其影响CSD启动和传播的机制,探索可能的偏头痛预防性治疗策略｡

一、FHM是常染色体显性单基因遗传的离子通道病

1.编码P/Q型钙离子通道的CACNA1A基因突变导致FHM1

FHM1典型发作包括可逆性肢体无力,可伴有感觉异常､言语障碍或视觉体征｡这些先兆症状持续10分钟至几个小时,随后出现偏头痛｡其临床表现有明显的异质性,受影响的个体以及多达20%的受影响家庭报告有脑病､精神错乱､癫痫和小脑共济失调等症状[6]｡据报道,1996年Ophoff等首次发现与FHM1有关的特定基因突变,位于染色体19p13[7]｡有研究[8]报道编码神经元P/Q型钙离子通道α1亚基的基因也定位于19p13,基因符号为CACNA1A｡α1亚基是电压门控P/Q型钙离子通道的核心亚基,起着通道和电压感受器的双重作用,由4个同源重复序列(I-IV)组成,每个序列各有6个螺旋跨膜区(S1-S6)和1个位于S5-S6胞内侧的磷酸结合环(P-loop)｡P-loop序列通常包含1个或多个带负电荷的氨基酸残基,这些残基能够与钙离子形成配位键,从而促进钙离子的通过｡S1-S4形成电压感应结构域(voltagesensingdomain,VSD),其中S4包含多个带正电荷的氨基酸残基,这些残基在电压感应和信号传递中起着核心作用;4个同源结构域(I-IV)的S5-S6以及它们之间的连接部分形成了中心孔结构域(poredomain,PD),是通道中直接参与离子选择和传导的部分,也是许多药物和毒素的作用位点:当细胞膜去极化时,VSD能够感应到电压变化,发生构象改变,传递到PD导致离子通道开放[9](见图1)｡

Ophoff等[10]通过外显子捕获技术克隆CACNA1A基因,筛选出含有外显子的克隆并进行测序,确定了基因组结构,并对其基因组结构进行了鉴定和突变分析｡结果表明,α1亚基中的错义突变导致FHM,截断突变导致阵发性共济失调2型,而CAG重复序列异常扩增引起脊髓共济失调6型,此发现意味着FHM和更常见形式的偏头痛及脑部阵发性疾病是离子通道障碍,其中显著的表型异质性与不同类型和位置的突变有关｡研究表明这些错义突变常导致离子通道重要结构的氨基酸发生替换,进而导致通道功能改变｡如R192Q突变位于IS4跨膜区,导致第1个跨膜结构域的第4个片段(IS4)中带正电荷的碱性精氨酸被中性谷氨酰胺取代｡S4参与构成VSD,结构保守,包含多个带正电荷的氨基酸残基,中性化后将影响钙通道的电压感应性激活｡T666M突变位于P-loop,甲硫氨酸替换了苏氨酸残基,该部位与S5､S6共同促进钙离子通过,突变将可能影响通道的离子选择性[11]｡I1811L突变和V714A突变分别位于IVS6和IIS6,S6参与构成PD,其改变将影响通道对离子的选择和传导,以及通道对药物和毒素的亲和力[10]｡

1998年Terwindt等[12]的研究表明I1811L突变可导致FHM和小脑性共济失调,而V174A突变FHM病人多表现意识丧失｡但是不同I1811L突变家族并不都表现出共济失调,因此认为FHM存在遗传异质性和表型异质性,可能有其他基因或环境因素参与了表型改变,且I1811L突变在其他类型偏头痛中也存在,说明CACNA1A基因也与其他类型偏头痛有关｡S218L突变与一种更为严重的表型相关,轻度头部外伤可能导致偏头痛发作伴迁延性偏瘫､昏迷､脑水肿甚至死亡[13]｡而R583Q突变者可出现先兆偏头痛､不伴头痛的短暂局灶性神经功能障碍和小脑性共济失调等多种表型[14]｡Riant等[15]对偏瘫型偏头痛病人的研究发现还可伴随有癫痫､永久性小脑性共济失调､肌张力低下､发育迟缓､智力障碍等表型｡目前报道有超过25余种CACNA1A致病性变异与FHM1相关,多数为错义变异,均为常染色体显性遗传,CACNA1A突变的外显率为67%~89%｡变异位点均位于钙通道的重要结构域,如电压感受器､孔道等｡然而,目前尚未发现FHM1存在严格的基因型-表型相关性,虽然存在相同的变异位点,但症状的严重程度却因人而异,同一例病人自身的FHM表型也可能发生变化｡

2.编码Na+/K+ATP酶α2亚基的ATP1A2基因突变导致FHM2

Marconi等[16]首先在2个意大利家系中将FHM2基因定位于lq23上D1S2635与CASQ1-SNP之间0.9Mb的狭窄区域内,1号染色体连锁家族与19号染色体连锁家族的不同之处在于,前者的外显率要低得多,并且在某些受影响的成员中,在严重偏头痛发作期间会发生癫痫发作｡位于l号染色体的FHM2基因ATP1A2编码Na+/K+ATP酶α2亚基｡α亚基是Na+/K+ATP酶的催化亚基,是酶活性的主要部分,负责离子的转运,其N和C末端(C-terminus)暴露在细胞质中,并用10个跨膜片段穿过质膜(M1-M10),形成了5个胞外环结构域和4个胞内环结构域,其中M4和M5之间的最大的细胞内环(M4-5loop)上有磷酸化结构域(phosphorylationdomain,Pdomain)和核苷酸结合结构域(nucleotidebindingdomain,Ndomain)等重要的功能域,能结合并水解ATP提供能量,是钠钾泵发挥离子转运功能的关键结构,激活域(actuatordomain,Adomain)通过与Pdomain和Ndomain之间的相互作用,调节钠钾泵的构象变化,突变多发生在蛋白质的这些重要结构[17](见图2)｡

DeFusco等[18]在2个FHM2家系中检测出ATP1A2基因L764P和W887R点突变,HeLa细胞转染实验证实通过单倍体不足机制致使Na+/K+ATP酶功能抑制而引发偏头痛｡其中,L764P突变就发生在M4-5loop,脯氨酸取代了非极性亮氨酸,亮氨酸的侧链是线性的,有助于维持α螺旋的均匀螺旋结构,而脯氨酸的环状侧链会引入一个“扭结”,可能会破坏α螺旋的规则螺旋结构｡而W887R突变发生在M7和M8之间的细胞外环上,887位上的色氨酸替换为精氨酸,该结构域负责结合β亚基,可能影响β亚基对Na+/K+泵活性的调节作用[18]｡2019年于生元教授团队报告了中国首个FHM2家系,发现了新的错义突变G762S,使得762位甘氨酸被极性丝氨酸取代,该突变也位于M4-5loop,突变影响了α2亚基的空间结构,导致钠钾泵功能丧失[19]｡

图1钙通道α亚基的结构及部分FHM1基因突变位置

2Na+/K+ATP酶α亚基的结构

Spadaro等[20]对意大利一个家系的分析中发现了错义突变G301R,表型特别严重,包括偏瘫型偏头痛,癫痫发作,长时间昏迷,体温升高,感觉缺陷和短暂或永久性小脑体征,如共济失调､眼球震颤和构音障碍｡既往的研究认为在超过50%的FHM病例中,致病基因是CACNA1A(FHM1),其中的某些病例的表型可有小脑体征,包括共济失调和眼球震颤｡这是第1个FHM2病人可出现小脑体征的报告｡在排除了CACNA1A在该家族中的突变后,研究者指出小脑体征可能不是临床区分FHM2和FHM1的可靠指标｡尽管临床经验性的认为FHM病人有癫痫发作的先兆时可优先考虑ATP1A2突变[21],但是与CACNA1A突变类似,FHM2的表型也具有明显的异质性[22](见表1)｡在Jurkat-Rott等[23]的研究中不寻常的先兆症状包括构音障碍､复视､异肢现象､听力受损和眩晕,并指出触发因素包括运动､高温､情绪压力､头部创伤和血管造影术｡而Riant等[15]的研究表明CACNA1A突变病人的表型更为严重｡已鉴定出与ATP1A2相关的50余种突变[17],尽管ATP1A2突变与FHM之间的因果关系是明显的,但ATP1A2的突变或多态性是否是更常见偏头痛的风险因素仍有待研究｡

3.编码电压门控钠通道α1亚基的SCN1A基因突变导致FHM3

Dichgans等[24]对FHM中没有CACNA1A和ATP1A2突变的两个疾病家系进行了全基因组连锁分析,在染色体2q24上发现了FHM3位点,该区域候选基因的测序揭示了神经元电压门控钠通道基因SCN1A中第23号外显子上存在一个杂合错义突变Q1489K,导致谷氨酰胺替换为赖氨酸,突变存在于3个患有FHM的家庭,发作时伴有恶心､呕吐､畏光､恐声和癫痫等先兆｡电压门控钠通道是一种跨膜蛋白,在膜去极化时选择性地输入钠离子,对于可兴奋细胞(如神经元和肌肉细胞)的电信号传递至关重要,负责动作电位的产生和传播｡通常包括一个核心α亚基,其本身足以进行通道活动,以及辅助β亚基(β1-β4),有助于膜定位和通道调节｡α亚基是一个长度约为2000个残基的单一多肽,折叠成4个同源重复序列(I-IV)｡每个重复序列由6个跨膜螺旋组成(S1-S6),其中4个重复序列中的S5和S6构成离子渗透孔域(PD),每个重复序列中的S1-S4构成电压感应域(VSD)｡S5和S6之间的序列组装成细胞外环(ecl)和离子选择性过滤器(SF)｡四个不同的残基,Asp/Glu/Lys/Ala(DEKA),位于每个重复的相应SF位点,负责钠离子选择性｡III-IV连接体包含Ile/Phe/Met(IFM)基序,这对于钠通道的快速失活至关重要,这种疏水簇的突变可以完全消除这种快速失活｡突变Q1489K即位于钠通道结构域III和IV之间的连接体中｡对表达高度同源SCN1A钠通道的瞬时转染tsA201细胞的全细胞记录显示,该突变诱导钠通道从快速失活中加速恢复[25](见图3)｡

表1ATP1A2突变FHM2病人存在表型异质性

LeFort等[26]报道了一个瑞士家庭,其中FHM与“诱发性重复性日常失明”(elicitedrepetitivedailyblindness,ERDB)分离｡在儿童时期,先证者和他的小女儿患有特发性癫痫,伴有部分复杂性癫痫发作和继发性全身性癫痫,并随着时间的推移转变为FHM｡Vahedi等[27]也报告了1个患有典型ERDB的FHM家族,分别在外显子24和23中发现了新的SCN1A错义突变Phe1499Leu和Gln1489His,支持FHM和ERDB表型的共同遗传｡SCN1A编码的电压门控钠通道在包括视网膜在内的中枢神经系统中高度表达,ERDB具有视网膜电信号异常传播的临床特征,可能是视网膜扩散性抑制｡SCN1A也是与热性惊厥性癫痫有关的主要基因[28],但是正如前文所述,研究表明在FHM病人中与癫痫相关的病例数最多的仍是ATP1A2突变[21]｡值得一提的是,于生元教授团队[29]最近发表了从1位FHM3病人的人外周血单核细胞(peripheralbloodmononuclearcells,PBMCs)生成诱导多能干细胞(inducedpluripotentstemcells,iPSCs)的报告,突变分析确认生成的iPSCs中存在SCN1A突变且畸胎瘤形成实验表明iPSC系具有分化为三胚层的潜力,包括神经元和神经胶质细胞,可以用于模拟FHM3的病理过程,帮助阐明与SCN1A突变相关的疾病机制,进行药物筛选并促进靶向治疗的开发,是研究FHM3及SCN1A基因突变疾病的强大工具｡

二、FHM致病基因的突变影响CSD的启动和传播

1.P/Q型钙离子通道突变诱导功能获得,导致谷氨酸释放增强并促进CSD

携带致病性FHM1突变的基因工程敲入小鼠,小脑颗粒细胞显示通道电流密度增加,与野生型通道相比,这些细胞在更负的电压下被激活｡与对照组相比,具有突变CACNA1A通道的神经肌肉突触在低Ca2+水平下诱导神经传递增加,自发微型终板电位频率增加,这与功能增益一致｡研究发现CACNA1A基因突变通过改变单通道的性质,使通道超极化而增加了其开放的可能性,以及增加细胞膜通道的密度,导致P/Q型钙离子通道钙内流的增加,从而增加兴奋性神经递质谷氨酸的释放,提高神经元兴奋性,使皮质对CSD的敏感性增加,这可能是其先兆发生的机制[30]｡

2.Na+/K+ATP酶突变引起功能丧失,导致细胞外K+聚集易化CSD的产生

Na+/K+ATP酶在神经元和星形胶质细胞高度表达,通过稳定细胞外K+浓度,从而调节神经元兴奋性以及CSD产生的阈值｡神经元和星形胶质细胞中也有丰富的Na+/Ca2+交换体｡ATP1A2基因发生功能丧失突变导致Na+/K+ATP酶功能抑制,星形胶质细胞清除脑内K+功能障碍,引起细胞外K+聚积,产生广泛的皮质去极化从而易化CSD的产生,也可引起细胞内Na+聚集,并通过Na+/Ca+交换使细胞内Ca+增多,从而产生类似于FHM1中CACNA1A突变的功能效应[31]｡

图3Nav通道α亚基的结构及FHM3部分基因突变位置

3.钠通道突变使GABA能神经元的放电增加和过度兴奋,从而触发CSD

既往的研究表明,CACNA1A突变使钙离子流入和谷氨酸神经递质释放增加,而ATP1A2突变则会导致K+和谷氨酸在突触间隙的清除能力受损,均可降低CSD阈值｡P/Q型钙离子通道和Na+/K+ATP酶表达于谷氨酸能突触及其周围,而电压门控钠通道则表达于体细胞树突和轴突起始节段,因此,突变体钠通道可能通过非突触机制引起FHM3｡Chever等[32]在急性实验模型中证实了电压门控钠通道功能获得导致GABA能神经元过度激活从而触发CSD,不依赖于突触传递｡谷氨酸能传递在传播中有重要作用,但在GABA能神经元过度激活时不起作用;这是一种新的CSD诱导机制,与FHM1和FHM2模型所涉及的机制不同｡偏头痛的病因是多因素的,可能有许多不同的机制｡这种引发CSD的机制可能与其他类型的偏头痛有关,因为它不仅与电压门控钠通道突变有关,还可能与导致GABA能神经元过度活跃的其他功能障碍有关[32]｡

三、抑制CSD易化和皮质兴奋过度是FHM预防性治疗的新策略

由于没有针对FHM病人的随机对照试验,因此其治疗基于小型研究和个案报道｡避免触发因素包括运动､高温､情绪压力､头部创伤和血管造影术等可预防发作｡对乙酰氨基酚和非甾体抗炎药通常是急性治疗的首选[1]｡Artto等[33]报道称有病例因使用血管收缩药物(麦角胺和二氢麦角胺)而加重病情;尽管曲坦类药物较麦角胺类安全,并且有回顾性研究表明使用曲坦类并未出现明显不良反应,但其使用仍存在争议｡降钙素基因相关肽(calcitoningene-relatedpeptide,CGRP)受体拮抗剂与曲坦类药物相比无血管收缩作用,可能对FHM治疗有效｡预防性治疗可以尝试氟桂利嗪､丙戊酸钠､拉莫三嗪､维拉帕米和乙酰唑胺｡虽然使用托吡酯､坎地沙坦和匹佐替芬进行预防性治疗的证据较少,但也可以考虑这些药物｡普萘洛尔在HM中的使用具有争议性,但不良反应的证据不足以禁忌使用β受体阻滞剂｡鼻腔注射氯胺酮可缩短FHM病人的先兆持续时间｡有报道称,3名CACNA1A突变病人在脑病和脑水肿过程中,通过联合使用类固醇和高渗溶液迅速康复[34]｡研究支持FHM基因突变导致离子通道功能改变易化CSD的启动和传播,CSD和偏头痛发作的基础是皮质兴奋过度,因此可以将抑制CSD和皮质兴奋过度视为预防性偏头痛治疗的新的治疗策略｡进一步研究CSD启动和传播机制,以及使用当前预防药物长期治疗后基因表达的变化,在FHM基因敲入动物模型中增强对CSD易感性和皮质兴奋性的细胞机制的研究,以及了解导致偏头痛病人皮质兴奋性过高的具体分子机制,对于开发新型预防性偏头痛治疗方法至关重要[34,35]｡

四、总结

偏头痛是一组反复发作的原发性头痛疾病,发病机制尚未完全阐明,基于偏头痛的特殊亚型FHM的遗传学机制研究,有望从遗传学方面更进一步的认识偏头痛及阵发性神经系统疾病的发病机制｡目前的研究表明三种FHM亚型均与编码离子通道亚基的基因异常有关,且其致病基因的突变易化CSD的启动和传播,从而引起FHM可逆性肢体无力及可逆性视觉､感觉和言语症状等先兆,抑制CSD易化和皮质兴奋过度可能是FHM以及更常见形式偏头痛预防性治疗的新策略,需要更多的研究揭示CSD启动和传播的机制以及偏头痛病人皮质兴奋性过高的机制,以探索更多偏头痛预防性治疗的方法｡

参考文献:

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[35]徐菲,刘儒昶,王天云,等.偏头痛的遗传学研究进展[J].中国疼痛医学杂志,2024,30(1):52-56.

基金资助:中央引导地方科技发展资金项目(236Z7745G);河北省自然科学基金(H2020307041);

文章来源:李维梅,何璐羽,刘心宇,等.家族性偏瘫型偏头痛的遗传学机制研究进展[J].中国疼痛医学杂志,2025,31(02):123-129.