Whole genome sequencing identified a novel copy number variant on TPK1 gene in a Chinese family with thiamine metabolism dysfunction syndrome 5

技术摘要：全基因组测序识别出导致 5 型硫胺素代谢功能障碍综合征的新型 CNV

问题陈述
5 型硫胺花代谢功能障碍综合征（THMD5）是一种罕见的常染色体隐性神经代谢疾病，由 TPK1 基因中的双等位致病变异引起，该基因编码硫胺素焦磷酸激酶（TPK）。虽然目前已有 30 多种已记录的致病变异，但绝大多数为错义突变。涉及 TPK1 的拷贝数变异（CNVs）极其罕见，且通常无法被标准的全外显子组测序（WES）或靶向基因检测面板检测到，因为这些方法可能无法完全覆盖编码外显子，或无法可靠地检测较大的结构变异（特别是断点位于非编码区的变异）。因此，诊断成年患者或临床表现不典型的 THMD5 仍具挑战性。本研究旨在扩大 TPK1 的遗传谱系，并评估全基因组测序（WGS）在识别复杂遗传损伤方面的诊断效用。

研究方法
本研究分析了一个中国家庭，其中包含两名受累兄弟（一名 31 岁的先证者及其 33 岁的年长兄长）和三名未受累家属（父母及一名较小的弟弟）。

• 临床数据收集： 收集了全面的临床病史、神经系统检查、神经影像学（MRI）、实验室检查结果（包括血清乳酸）以及认知评估（MMSE、MoCA、ADAS-Cog）。
• 遗传分析： 对所有家属进行全基因组测序（WGS），使用 Illumina TruSeq DNA PCR-Free 文库制备法，平均测序深度为 30×。数据使用 BWA 比对至人类参考基因组（hg19），并使用 Gene Analysis ToolKit (GATK) 进行分析。
• 变异验证与解读： 通过 Sanger 测序验证所识别的变异。使用 Variant Effect Predictor (VEP) 对变异进行解读，并对照数据库（ClinVar, OMIM, HGMD, gnomAD）进行筛查。致病性通过计算算法（SIFT, PolyPhen-2, FATHMM）进行评估，并根据 ACMG/ClinGen 指南进行分类。CNVs 的解读专门基于宪法拷贝数变异的技术标准。
• 相位分析（Phasing）： 研究利用 WGS 数据的裂分读段（split-read）序列分析来确定复合杂合变异的顺式/反式（cis/trans）相位。

主要结果

• 临床表型：
  • 先证者： 13 岁起病，表现为反复发作性脑病、共济失调和构音障碍。19 岁时进展为痉挛步态和肢体僵硬。MRI 显示轻度大脑、小脑及脑干萎缩。血清乳酸正常。认知功能基本保持完好。
  • 年长兄长： 4 岁起病，症状严重，包括对称性基底节病变（T2 高信号，T1 低信号）和血清乳酸升高（3.65 mmol/L）。进展为严重的痉挛、步态障碍和认知功能障碍（MMSE 20/30），导致其在三十多岁时无法独立行走。
• 遗传发现： WGS 在两名受累兄弟的 TPK1 基因中识别出复合杂合变异：
  1. 一种已知的致病错义变异：NM_022445.4:c.382C>T (p.Leu128Phe)。
  2. 一种新型 CNV：NC_000007.13:g.144285435_144289647dup，一个涉及第 7 号外显子及其相邻内含子的 4.2 kb 串联重复序列。
  • Sanger 测序证实错义变异由母亲遗传。
  • 裂分读段分析证实该 CNV 由父亲遗传，且与错义变异处于反式（trans）相位。
  • 该 CNV 被预测会导致阅读框破坏和无义介导的 mRNA 降解（NMD）。
• 治疗结果：
  • 先证者接受定期高剂量硫胺素治疗（100 mg/天），结果显示症状趋于稳定，未进一步恶化。
  • 年长兄长仅接受了短期的低剂量硫胺素治疗（30 mg/天）后便停止治疗，导致神经系统进行性退化。

核心贡献

1. 扩展遗传谱系： 本研究报告了 TPK1 中一种新型 4.2 kb 串联重复序列，将 THMD5 的已知突变图谱从主要的错义变异扩展到了更广范围。
2. WGS 的诊断优势： 研究表明，WGS 在检测复杂的结构变异（如基因内 CNVs）以及确定复合杂合变异的相位方面优于 WES 或靶向面板，这对于准确诊断至关重要。
3. 基因型-表型相关性： 研究强调了具有相同基因型的兄弟之间显著的表型异质性。两兄弟临床轨迹的分歧归因于治疗依从性，而非遗传差异。

意义与主张
作者声称，其研究结果强调了终身高剂量硫胺素治疗在管理 THMD5 中的至关重要性。两兄弟截然不同的结局——依从性良好的先证者病情趋于稳定，而未依从的兄长病情进行性恶化——提供了强有力的证据，证明即使在疾病后期开始治疗，硫胺素疗法仍能阻止神经退行性变。

此外，论文断言，在遗传性代谢疾病的诊断过程中应整合 WGS，特别是当初始遗传检测未能得出分子诊断时。通过识别出一种可能被其他方法漏检的新型 CNV，本研究强化了进行全面基因组分析以揭示罕见代谢疾病完整遗传病因的必要性。作者主张，一旦临床或遗传学怀疑为 THMD5，应立即启动高剂量硫胺素治疗，以防止不可逆的神经损伤。