新发现遗传性痉挛性截瘫（HSP）致病基因FARS2致病机制研究

Hereditary spastic paraplegia (HSP) is a clinically and genetically heterogeneous group of neurodegenerative disorders. Here we report a missense homozygous mutation c.424G>T (p.D142Y) in the FARS2 gene, which encodes mtPheRS, causes HSP in a Chinese consanguineous family. The aminoacylation activity of mtPheRS was severely disrupted by the p.D142Y substitution in vitro. The research will be taken as follows: (1) analysis the expression and location of FARS2 in the debeloping nervous system of mouse; (2) to clarify the effect of FARS2 on nerve cell behavior, cell lines of FARS2 wild type, FARS2 mutated type, and FARS2 silence type were established, respectively; (3) to illustrate the molecular basis, the expression pattern of cells was analyzed; (4) establish the animal model to elucidate the pathogenesis; (5) differences during the differentiation of HSP- iPSC are observed to identify the pathogenesis. It is not only important to the treatment of HSP, but also will promote the understanding of neuro-muscular disease.

遗传性痉挛性截瘫（HSP）是一种高度异质性神经退行性疾病，是发病率较高的罕见病之一。本课题组分析一个患有HSP中国人家系，首次发现HSP致病基因FARS2，基因编码线粒体苯丙氨酰tRNA合成酶，突变位点为c.424G>T（p.D142Y）。体外实验已证实该位点突变能够破坏酶的氨酰化活性。在本项目中拟进行以下研究：（1）分析FARS2在小鼠不同发育阶段神经系统时空表达规律，研究其对神经细胞生物活性影响；（2）基因芯片和RNA sequencing分析FARS2作用关键分子及互作网络；（3）Crisp-Cas9技术制备基因编辑HSP小鼠模型，初步探讨神经-肌肉病变病理生理过程；（4）建立HSP患者多能诱导干细胞模型，明确FARS2基因突变引发HSP的病理和分子机制。HSP发病机制以及疾病演变特征的研究，不仅对于HSPs的诊疗具有重要意义，而且有助于进一步阐明神经-肌肉病的病理生理过程。

在之前的临床调研中，我们发现了一个遗传性痉挛截瘫的近亲家系，该家系第三代中有4个患病个体和3个健康个体。通过高通量测序及Sanger测序技术，我们检测到FARS2(线粒体苯丙氨酸- tRNA合成酶)在高度保守氨基酸(p.D142Y)上的纯合突变是该家系的致病突变。本研究建立了FARS2基因缺陷的小鼠、斑马鱼和果蝇模型。在小鼠模型中我们发现，纯合的FARS2缺陷导致胚胎在神经板形成之前停止发育。而在斑马鱼和 flox/flox nestin-cre小鼠模型中，我们观察到神经元突起的形态发生显著变化。此外，在斑马鱼和果蝇模型中均发现运动能力受损和存活率降低的表型。体外实验表明，敲低FARS2基因后，PC12细胞系和小鼠皮层神经元表现出明显的线粒体功能障碍，而Sonic Hedgehog信号通路被暂时激活以抵抗线粒体损伤。综上所述，FARS2基因缺失可能通过破坏线粒体功能从而影响不同物种的神经元发育进而引起神经细胞早期凋亡，最终导致神经系统紊乱。本研究初步解释了FARS2缺陷导致神经系统功能异常的发病机制，为神经退行性疾病的早期诊断和新药开发提供了理论依据。