AJHG |METTL5双等位基因变异导致智力障碍和小头畸形

智力障碍（Intellectual disability，ID）是一种遗传和表型异质性疾病，其特点是患者的认知能力不佳和适应行为受损，通常在未成年期发病。ID是一类复杂的疾病，病因包括遗传和环境因素，已有研究发现有2500多个基因与各种形式的ID相关。METTL5 (Methyltransferase like protein 5)编码蛋白作为一种甲基转移酶，在人脑、神经元细胞核中表达量丰富，并在神经发育、神经可塑性中发挥着重要作用。另有研究表明METTL4、METTL23等甲基转移酶基因变异会导致认知障碍、ID等疾病，这些结果都证明了甲基转移酶在大脑发育过程中的重要作用。2019年10月AJHG发表的文章《Bi-allelic Variants in METTL5 Cause Autosomal-Recessive Intellectual Disability and Microcephaly》，通过研究METTL5 基因的蛋白构象、细胞定位及蛋白表达，证实了该基因的突变对基因功能的影响，并通过构建斑马鱼敲降模型重现临床患者小头表型，为METTL5双等位基因变异与人类ID和小头畸形表型提供了关联性证据。

首先作者通过整合GENCODYS和 CARID两项大型研究的数据，从也门和巴基斯坦两个ID、小头畸形患者家系中分离到了METTL5基因的纯合突变，预测两个家系的移码突变（c.344_345delGA, c.571_572delAA）都会导致阅读框的破坏，使得编码蛋白METTL5截短，从而影响蛋白功能。研究又纳入了早先研究中于伊朗ID患者家系中发现的METTL5基因的纯合错义突变（c.182G>A[p.Gly61Asp]）（图1）。

图1患者家系和METTL5基因突变信息

为评估基因突变对METTL5蛋白构象的影响，研究者对蛋白分子进行建模，如图2结果显示两种移码突变皆导致了蛋白质二级结构发生改变，其中METTL5R115Nfs*19使得蛋白C末端区域保守的2个α-螺旋和β-折叠缺失，METTL5L191Vfs*19则使该区域2个保守β-折叠缺失，错义变异位点对蛋白的整体构象并无明显影响。

图2 突变蛋白的三维建模

研究人员通过细胞转染和相应的分子实验研究三种变异对METTL5在COS7细胞中定位、蛋白表达量、蛋白稳定性的影响。如图3A，亚细胞定位显示METTL5（绿色）聚集在细胞核（蓝色）中，并在细胞质中形成聚集体，表明两个移码和错义突变并不影响蛋白定位。图3B表明，荧光强度的量化结果显示两种移码突变导致METTL5蛋白表达水平在细胞核中与WT组相比显著降低，而错义突变与WT相比无显著差异，western-blot实验进一步证实，两种截短突变显著影响METTL5蛋白的稳定性（图3C、D）。

图3 致病突变对METTL5稳定性的影响

为进一步证明METTL5突变会对动物个体的大脑和神经元发育产生影响，研究者在斑马鱼中找到METTL5的同源基因mettl5，并通过MO（Morpholino）技术建立了两种斑马鱼mettl5 敲降模型（ATG-MO和splice-MO）。图4A显示，mettl5在整个神经元发育的过程中均有表达。当胚胎发育至72 hpf时，两个敲降组斑马鱼均出现了头部小、尾巴弯曲的表型，这与人类的小头症状相似，而对照组未出现异常（图4B）。对斑马鱼脑部结构变化的研究显示（图4C、D），两个敲降组个体的前中脑面积较对照组均显著减小，分别减少了24%–26%和16%–23%，而后脑面积无显著差异，这表明了mettl5在大脑，尤其是前中脑的发育过程中起重要作用。

图4 mettl5基因敲降在斑马鱼中重现小头表型

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