AJHG：首个决定大脑“镜像效应”的基因确定！研究揭示ZNRF3基因突变与大脑尺寸及神经发育障碍关联

Wnt/β-Catenin通路可调控干细胞多能性，并在人类大脑发育中扮演着重要角色，影响这一信号通路的基因突变可能会导致大脑发育出现极端情况——大脑区域异常大或异常小，这种现象被称为“镜像效应”。一项关于WDFY3（MIM: 617485）胚系变异的研究表明，Wnt/β-catenin信号通路的上调与小头畸形有关，下调与大头畸形有关，但其分子机制尚不清楚。

已知Wnt配体通过结合Frizzled（卷曲蛋白）受体等激活发育性级联信号，ZNRF3和RNF43是该配体-受体结合过程重要的负调控因子。其中，ZNRF3是一种蛋白质编码基因（跨膜E3泛素连接酶），其可通过抑制Wnt信号通路在肠道干细胞中充当抑癌基因，并能与RNF43双调控Wnt通路抑制肝细胞过度分裂，是重要的癌症抑制基因。虽然ZNRF3在癌症中经常出现体细胞突变，但其胚系突变与神经发育障碍（NDD）的关联尚不清楚。

近期，瑞士苏黎世大学医学院的科研团队及合作者通过研究发现，ZNRF3不仅能调节癌症的进展，还参与决定大脑的大小，并揭示了该基因中不同的错义突变如何对人类大脑大小产生影响。与此前的结论不同，该研究表明Wnt/β-catenin信号增强会导致大头畸形，Wnt/β-catenin信号减少会导致小头畸形。ZNRF3中两个关键区域对大脑大小至关重要，即R-spondin（RSPO，分泌蛋白）结合域和RING型E3连接酶（RING）域。

该研究以“Deleterious ZNRF3 germline variants cause neurodevelopmental disorders with mirror brain phenotypes via domain-specific effects on Wnt/β-catenin signaling”为题发表在American Journal of Human Genetics上。

文章发表在American Journal of Human Genetics

研究团队对12名具有ZNRF3突变和各种表型的个体进行表征，评估了基因型与表型的相关性，并进行结构建模。结果显示，4名携带新发截断、新发或遗传大片段原位缺失突变的个体表现出非NDD表型，其致病性不确定；8名携带新发错义突变的个体表现出NDD，伴有明显的脑表型和功能异常。特别地，小头畸形NDD患者携带RSPO结合域的错义突变，破坏了RSPO结合位点并降低了Wnt/β-catenin信号，而与大头畸形NDD相关的错义突变集中在RING连接酶域，破坏了泛素连接酶功能并以显性负性方式增强了Wnt/β-catenin信号。

综上，该研究表明，单个基因中的突变可通过Wnt/β-catenin信号以相反的机制发挥作用，并以蛋白质结构域依赖的方式影响镜像脑大小表型。

总研究概要

ZNRF3拷贝缺陷的发现

大约十年前，一名大脑异常小、言语发育迟缓及外胚层发育不良（一种影响头发、指甲、牙齿和皮肤的先天性疾病）的罕见病患者引起了研究团队的注意，通过DNA测序发现ZNRF3基因的一个拷贝存在缺陷，该缺陷会导致有害蛋白质的产生，这或许是造成患者大脑形态与功能障碍的原因。

由于这种罕见病例较少，研究团队依靠网络数据库GeneMatcher/Decipher进行全球合作，收集了来自11例患有大脑畸形且携带ZNRF3拷贝缺陷患者的DNA，探究了该基因与神经发育缺陷的关系。研究共鉴定出8名携带ZNRF3新发错义突变（具有一个缺陷拷贝）的个体，均表现出NDD表型，其中6名患有大头畸形，其余2名为小头畸形。所有受影响个体均表现出发育迟缓伴神经系统或肌肉组织障碍。

图1.携带ZNRF3错义突变的受影响个体

接下来，研究团队在患有小头畸形和独特外胚层表型的个体中发现的一个突变位于RSPO结合位点，而在患有大头畸形的6个个体中发现的6个突变位于RING结构域或PA结构域。值得注意的是，小头畸形患者中有一位也存在RING结构域突变，追溯发现其母亲在怀孕期间存在阿片类药物使用史和饮酒史，表明环境因素同样可以引起生理缺陷，甚至其影响远超基因因素。

此外，研究团队还发现了另有4名非NDD表型的受影响个体（丢失了一个拷贝），他们未表现出神经系统症状，但存在心脏或肾脏缺陷。

图2.在受影响个体中发现的ZNRF3错义突变及其遗传图谱

ZNRF3中的两个区域对大脑大小至关重要

进一步分析表明，几乎所有导致大脑发育异常的突变都位于NRF3基因的两个不同区域：一个位于RING区域，另一个位于较小RSPO结合区域。此外，几乎所有RING区域突变都来自大头畸形患者，而RSPO结合区域突变则来自小头畸形患者。

此外，在癌症体细胞突变目录（COSMIC）数据库报告的所有ZNRF3错义变异中，研究团队观察到RING结构域中致病性体细胞变异富集，其中两个与该研究中发现的胚系变异相同，表明在RING结构域中携带有害变异的大头畸形NDD表型个体患癌风险增加。

ZNRF3蛋白突变建模及效果

ZNRF3基因负责协调生化信号（尤其是Wnt信号通路中的信号）的完美平衡，而这种平衡对于产生适当数量的脑细胞必不可少。为更好地了解潜在机制，研究团队对ZNRF3蛋白变体进行结构建模，并检测了Wnt信号通路的变化。结果显示，RSPO结合区域的突变会破坏与RSPO的结合亲和力，增强负反馈并减弱Wnt信号传导，而RING结构域的突变阻碍甚至完全阻碍其与E2酶的互作，从而破坏连接酶的活性、损害负反馈、最终增强Wnt信号传导。

与仅破坏RSPO结合位点突变（p.Leu104Pro和p.Pro103Ala）明显观察到的Wnt信号减弱相反，研究团队建模预测或观察到RING结构域中的有害突变和蛋白酶相关结构域中的有害突变会导致Wnt信号增强，这反映出该研究队列中大头畸形患病率高于小头畸形。

上述结果表明，右脑大小取决于Wnt信号的平衡，一旦Wnt信号过强或过弱，都会导致大脑过大或过小。

图3.ZNRF3蛋白突变建模

综上所述，研究团队在具有镜像脑表型（小头畸形和大头畸形）个体中发现了基因ZNRF3的有害错义突变，这些突变影响了ZNRF3蛋白的两个不同结构域，对ZNRF3活性产生了不同的影响，最终导致两种功能相反的Wnt/β-catenin信号传导效果。这是ZNRF3首次被报道与大脑尺寸决定相关、以及首个决定大脑“镜像效应”的基因。

参考文献：

1.Paranchai Boonsawat, Reza Asadollahi, Dunja NiedristCornish. et al. Deleterious ZNRF3 germline variants cause neurodevelopmental disorders with mirror brain phenotypes via domain-specific effects on Wnt/β-catenin signaling.AJHG(2024).

https://www.cell.com/ajhg/fulltext/S0002-9297(24)00260-X#sec-3

2.Defective ZNRF3 gene causes opposing brain sizes and potential tumor risk

https://www.news-medical.net/news/20240823/Defective-ZNRF3-gene-causes-opposing-brain-sizes-and-potential-tumor-risk.