智力低下,常染色体隐性遗传 63

CAMK2A 基因编码钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶 II(CaM 激酶 II,CAMK2)的亚基,这是一种多功能丝氨酸/苏氨酸激酶,在突触可塑性、学习和记忆(包括长期增强)中具有关键作用。CAMK2 以各种方式促进突触可塑性,最关键的是通过其调节树突棘和突触后密度的离子型谷氨酸受体,这反过来又会影响突触强度(Stephenson 等人,2017 年和Kury 等人,2017 年总结) .

CAMK2 是一种普遍存在的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,作为突触后密度 (PSD) 的主要成分在大脑中含量丰富。酶是不同但相关的亚单位,α,β(组成寡聚蛋白607707),γ-(602123)和增量(607708),每个由单独的基因编码。CAMK2A 与其他 CAMK2 亚基组装成异源寡聚复合物。

▼ 克隆与表达
通过 PCR,Li 等人。(2001)从大脑 cDNA 文库中克隆了 CAMK2A。推导出的 478 个氨基酸的蛋白质与大鼠 Camk2a 具有 99.6% 的同源性,与小鼠 Camk2a 具有 99% 的同源性。CAMK2A 和 CAMK2B 之间的比较未检测到功能域内的氨基酸变化,包括 ATP 结合位点、钙调蛋白结合域和自磷酸化位点。Northern印迹分析在成人和胎儿大脑中检测到一个主要的4.4-kb转录本;胎儿脑中的表达略低。Li 等人使用设计用于识别可变剪接异构体的 PCR 引物。(2001)在成人和胎儿大脑中鉴定了 2 个 CAMK2A 转录物,它们在存在或不存在 33 bp 延伸时有所不同。

▼ 基因功能
拜耳等。(2001)证明,受调节的 CAMK2 与 NMDA 受体亚基 NR2B ( 138252 )上的 2 个位点的相互作用为谷氨酸诱导的激酶向海马神经元突触的易位提供了机制。这种相互作用可以通过促进 CAMK2 对突触钙的反应,抑制 CAMK2 的抑制性自磷酸化,以及最值得注意的是,通过一种独立的机制直接产生持续的钙/钙调蛋白非依赖性(自主)激酶活性,从而导致其他形式的增强磷酸化状态。此外,这种相互作用导致钙调蛋白的捕获,这可能会减少 NMDA 受体活性的下调。

肌球蛋白 V ( 160777 ) 的细胞器转运在有丝分裂期间被下调,可能是由于肌球蛋白 V 磷酸化所致。卡彻等人。(2001)使用质谱磷酸肽图谱显示肌球蛋白 V 的尾部在有丝分裂的爪蟾卵提取物中磷酸化,位于羧基末端细胞器结合域中的单个丝氨酸残基上。磷酸化导致马达从细胞器中释放。磷酸化位点与 CAMK2 的共有序列相匹配,并且 CAMK2 抑制剂阻止了肌球蛋白 V 的释放。

Matsumoto 和 Maller (2002)表明,爪蟾卵提取物中钙的螯合或钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶 II 的特异性失活甚至会阻止初始中心体复制,而 CDK2 的失活 ( 116953 ) 则不会。通过添加 CAMK2 和钙调蛋白,复制可以恢复为受抑制的提取物。Matsumoto 和 Maller (2002)得出结论,他们的结果表明钙、钙调蛋白和 CAMK2 是启动中心体复制的关键步骤所必需的,并表明细胞周期中的钙振荡可能与中心体复制有关。

通过蛋白质印迹分析,Thiagarajan 等人。(2002)发现 Camk2a 和 Camk2b 的蛋白质水平在培养的大鼠幼崽海马神经元活动期间呈负相关。Camk2a 的水平随着活动的增加而增加,Camk2b 的水平随着活动的抑制而增加。蒂亚加拉扬等人。(2002)假设比率的变化可能有助于调整 Camk2 全酶以改变 Ca(2+) 信号的强度。

卢等人。(2003)表明 Cmg,CASK ( 300172 )的果蝇同源物,以 ATP 调节的方式与 Camk2 相关。在存在 Ca(2+)/钙调蛋白 (CALM1; 114180 ) 的情况下,Camk2 与 Cmg 在 thr287 处自磷酸化并成为组成型活性。在没有 Ca(2+)/钙调蛋白的情况下,Camk2 通过 thr306 上的自磷酸化使自身失活,并且需要磷酸酶才能重新激活。卢等人。(2003)得出结论,Cmg 和 Camk2 之间的相互作用提供了 Camk2 的突触后池,可以在本地控制以区分活跃和不活跃的突触。

李等人。(2009)使用 2 光子荧光寿命成像显微镜结合 2 光子谷氨酸解笼锁技术监测了长期增强期间单个树突棘中 CaMKII 激活的时空动态。在单个刺中诱导长期增强和相关的刺增大触发仅限于受刺激刺的瞬时(少于 1 分钟)CaMKII 激活。棘中的 CaMKII 被 NMDA 受体和 L 型电压敏感钙通道特异性激活,大概是由通道附近的纳米域钙离子激活,分别响应谷氨酸解笼和去极化。李等人。(2009) 得出的结论是,CaMKII 信号的高度区室化和通道特异性允许 CaMKII 信号的刺激特异性时空模式,并且可能对突触可塑性的突触特异性很重要。

乔纳等人。(2012)表明 CaMKII 通过增加线粒体钙单向转运电流 (I-MCU) 促进线粒体 PTP 开放和心肌死亡。线粒体靶向 CaMKII 抑制蛋白(见608721) 或环孢菌素 A,一种线粒体通透性转换孔 (mPTP) 拮抗剂,在缺血再灌注损伤中具有临床疗效,等效地防止 mPTP 开放和线粒体内膜电位恶化,并减少响应于缺血再灌注损伤的线粒体破坏和程序性细胞死亡。具有心肌和线粒体靶向 CaMKII 抑制的小鼠的 I-MCU 减少,并且对缺血再灌注损伤、心肌梗死和神经体液损伤具有抵抗力,这表明 CaMKII 的病理作用基本上是由增加的 I-MCU 介导的。乔纳等人。(2012) 得出结论,他们的研究结果将 CaMKII 活性确定为心肌细胞死亡中线粒体钙离子进入的核心机制,并表明线粒体靶向 CaMKII 抑制可以预防或减少心肌死亡和心力衰竭,以响应常见的病理生理应激实验形式。

在人类、大鼠和小鼠中,Erickson 等人。(2013)在糖尿病中发现了一种将 CaMKII 与高血糖信号联系起来的新机制,这是心脏和神经退行性疾病的关键危险因素。急性高血糖导致 O-连接的 N-乙酰氨基葡萄糖 (O-GlcNAc) 对 CaMKII 进行共价修饰。CaMKII 在 ser279 处的 O-GlcNAc 修饰自动激活 CaMKII,即使在 Ca(2+) 浓度下降后也能产生分子记忆。O-GlcNAc 修饰的 CaMKII 在糖尿病人和大鼠的心脏和大脑中增加。在心肌细胞中,增加的葡萄糖浓度显着增强了 CaMKII 依赖性自发性肌质网 Ca(2+) 释放事件的激活,这些事件可导致心脏机械功能障碍和心律失常。这些作用通过药物抑制 O-GlcNAc 信号传导或 CaMKII-delta (CAMK2D;607708)。在完整灌注的心脏中,通过 O-GlcNAc 和 CaMKII 依赖性途径增加的葡萄糖浓度会加剧心律失常。在糖尿病动物中,O-GlcNAc 的急性阻断抑制了心律失常的发生。因此,埃里克森等人。(2013)得出的结论是,CaMKII 的 O-GlcNAc 修饰是通路中的一种新信号事件,可能对糖尿病和其他疾病的心脏和神经元病理生理学起关键作用。

▼ 映射
使用分子探针分析 C57BL/6J 和 Mus spretus 之间的种间回交,Justice 等人。(1992)将编码钙调蛋白依赖性蛋白激酶 IIA 的基因定位到小鼠 18 号染色体上,位于与人 5q 同线性同源和与人 18 号染色体同源的区域之间。

Stumpf (2020)基于 CAMK2A 序列 (GenBank BC040457 ) 与基因组序列 (GRCh38)的比对将 CAMK2A 基因定位到染色体 5q32 。

▼ 分子遗传学
常染色体显性精神发育迟滞 53

在 14 名不相关的常染色体显性遗传智力低下患者中 - 53 (MRD53; 617798 ),Kury 等人。(2017)在 CAMK2A 基因中鉴定了 12 个不同的杂合突变(参见,例如,114078.0001 - 114078.0005)。这些突变是通过外显子组测序发现的,并在大多数患者中通过 Sanger 测序证实。其中 13 个变体是从头发生的;无法获得 1 名患者的父本 DNA。有8个错义变异,包括在3名患者中发现的1个复发变异(P212L)、3个剪接变异和1个移码变异。Iossifov 等人先前曾报道过其中一名患者(个人 5)。(2014). 一些错义变体的功能表达研究显示出可变异常:H282R ( 114078.0004 ) 导致突变蛋白水平降低,而其他错义变体则没有。Thr286 处的 CAMK2A 自身磷酸化对于自主(不依赖钙)功能至关重要。E109D(114078.0002)和H282R造成在Thr286在自身磷酸化一个显著增加,增益功能一致,而F98S(114078.0001)和E183V(114078.0003)显示Thr286磷酸化和T286P的显著减少(114078.0005) 显示没有磷酸化,都与功能丧失一致。其他几种变体(P212L、P138A 和 P235L)显示出与野生型相似的 Thr286 磷酸化水平。使用宫内电穿孔将人 CAMK2A 变体转染到脑室下区的小鼠胚胎神经元中显示,与野生型相比,Thr286 磷酸化减少(F98S 和 E183V)或增加(E109D 和 H282R)的变体导致神经元迁移减少。T286P 完全阻止了神经元迁移,但也矛盾地似乎显示出体外的主要功能获得效应。相比之下,CAMK2A 的过表达或敲低,以及对 Thr286 磷酸化没有影响的变体的表达,不影响神经元迁移。这些变体似乎以显性负方式起作用。

在 3 名与 MRD53 无关的患者中,Akita 等人。(2018)在 CAMK2A 基因 ( 114078.0007 - 114078.0009 ) 中发现了从头杂合突变。这些突变是通过全外显子组测序发现的,并通过 Sanger 测序证实。一些变体的分子建模和体外研究表明,它们会破坏自动调节域,导致自动抑制和组成性激活的丧失,与功能的获得一致。

常染色体隐性智力障碍 63

在 2 个由约旦近亲父母所生、常染色体隐性智力低下 63 (MRT63; 618095 ) 的同胞中,Chia 等人。(2018)在 CAMK2A 基因 (H477Y; 114078.0006 ) 中发现了纯合错义突变。该突变是通过纯合子图谱和全外显子组测序的组合发现并通过 Sanger 测序证实的,与家族中的疾病隔离。患者来源的细胞、HEK293 细胞和 unc43-null 秀丽隐杆线虫的体外功能表达研究表明该突变导致功能丧失。杂合父母不受影响。

▼ 动物模型
陈等人。(1994)表明缺乏 Camk2a 基因的基因敲除小鼠表现出行为异常。在没有任何可测量的认知缺陷的情况下,杂合子小鼠表现出一种界限清楚的综合征,主要由恐惧反应减少和防御攻击性增加组成。与杂合子不同,纯合子在所有测试范式中都表现出异常行为。在细胞水平上,细胞外和全细胞膜片钳记录表明,中缝背推定的 5-羟色胺能神经元中的 5-羟色胺释放减少。因此,Camk2a 基因敲除小鼠,尤其是杂合子,可以为研究涉及恐惧和攻击性的情绪障碍的分子和细胞基础提供模型。

罗腾伯格等。(1996)研究了激活形式 (CaMKII-asp286) 的 Ca(2+)/钙调蛋白依赖性蛋白激酶对转基因小鼠的影响。通常,空间位置编码在单个海马锥体细胞的放电模式中。当动物在熟悉的环境中四处走动时,海马体中的不同位置细胞会随着动物进入空间的不同区域而发射。罗腾伯格等。(1996)发现 CaMKII-asp286 转基因小鼠缺乏低频 LTP 并且没有在海马的 CA1 区域形成稳定的“位置细胞”。在行为上,小鼠在空间记忆任务中受损。见138249用于 Nmdar1 基因敲除小鼠中小鼠行为的类似研究。在具有不同长时程增强和位置学习障碍的突变小鼠中,海马位置细胞表现出降低的空间选择性和严重的不稳定性(Cho et al., 1998)。这些结果表明,长期增强对于位置细胞的微调和稳定很重要,并且这些位置细胞特性可能对空间学习很重要。

苏氨酸 286 残基处的自磷酸化使 α-CaMKII 能够从钙调素依赖性状态转换为非钙调素依赖性状态。吉斯等人。(1998)研究了小鼠 Camk2a 基因的点突变对长期增强和学习的影响,该基因阻断了 α-CaMK2 的 thr286 处的自磷酸化。作者使用 Pointlox 程序引入了 thr286 到 ala 的突变。这种突变导致激酶无法切换到其钙调素非依赖性状态,但不影响钙调素依赖性活性。突变小鼠在海马 CA1 区域没有 NMDA 受体依赖的长期增强,并且在莫里斯水迷宫中没有显示空间学习。因此,Giese 等人。(1998) 得出的结论是 thr286 处 α-CaMKII 的自磷酸化似乎是长期增强和学习所必需的。

CAMK2A 的纯合无效突变阻断海马长期增强和学习(席尔瓦等人,1992 年;席尔瓦等人,1996 年)并破坏感觉皮层中依赖于经验的可塑性而不影响皮层地形(格拉泽夫斯基等人,1996 年);戈登等人,1996 年)。弗兰克兰等人。(2001)表明,Camk2a 无效突变的杂合小鼠在接受 2 项海马依赖任务训练后 1 到 3 天表现出正常的学习和记忆。然而,他们的记忆在较长的保留延迟(10 至 50 天)中受到严重损害。与此一致,Frankland 等人。(2001)发现 alpha-Camk2 +/- 小鼠的皮层长时程增强功能受损,但海马区长时程增强功能未受损。弗兰克兰等人。(2001)得出的结论是,他们的结果代表了揭示永久记忆建立背后的分子和细胞机制的第一步,结果表明 CAMK2A 可能调节巩固皮层网络中记忆痕迹所需的突触事件。

通过产生表达 Camk2a 突变形式的敲入小鼠,Elgersma 等人。(2002)证明阻断抑制性磷酸化增加了 PSD 中的 Camk2 并降低了海马长时程增强 (LTP) 的阈值。作者还生成了敲入小鼠以模拟 Camk2a 在 thr305 处的持续磷酸化。这种突变降低了 Camk2 与 PSD 的关联并阻止了 LTP 和学习。埃尔杰斯马等人。(2002)得出结论,CAMK2A 的抑制性磷酸化在可塑性和学习中具有关键作用。

弗兰克兰等人。(2004)提出了神经解剖学、药理学和遗传学结果,证明前扣带回皮层在情境恐惧条件反射的远程记忆中起着关键作用。活动依赖性基因的成像显示前扣带回被远程记忆激活,并且这种激活受到阻止远程记忆的空 α-钙调蛋白激酶 II 突变的损害。因此,正常小鼠中这种结构的可逆失活会破坏远程记忆而不影响近期记忆。弗兰克兰等人。(2004)发现,在前扣带回皮层的远程记忆测试后,Zif268 ( 128990 ) 表达在野生型而非 α-钙调蛋白激酶 II 杂合子小鼠中升高。

斯蒂芬森等人。(2017)发现携带 Camk2a E183V 突变 ( 114078.0003 ) 的转基因小鼠表现出行为异常,包括多动、重复行为、社交缺陷和探索行为减少。这些变化与中断的 Camk2a 定位和 Thr286 的自磷酸化有关。进一步的研究表明,突变蛋白通过泛素化系统降低了稳定性并增加了周转率。

▼ 等位基因变体( 9 精选示例):

.0001 精神发育迟滞,常染色体显性遗传 53
CAMK2A, PHE98SER ( SCV000583478 )
在一名常染色体显性遗传智力低下 53 (MRD53; 617798 )的法国女孩(个体 2 )中,Kury 等人。(2017)在 CAMK2A 基因的外显子 5 中发现了一个 de novo 杂合 c.293T-C 转换(c.293T-C,NM_171825.2),导致在蛋白激酶结构域。通过外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变在可用的公共数据库中未发现。

.0002 精神发育迟滞,常染色体显性遗传 53
CAMK2A, GLU109ASP ( SCV000583479 )
在一个患有常染色体显性遗传智力低下 53 (MRD53; 617798 )的男孩(个体 3 )中,Kury 等人。(2017)在 CAMK2A 基因的外显子 5 中发现了一个 de novo 杂合 c.327G-C 颠换(c.327G-C,NM_171825.2),导致 glu109-to-asp(E109D)在蛋白激酶结构域。通过外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变在可用的公共数据库中未发现。

.0003 精神发育迟滞,常染色体显性遗传 53
CAMK2A, GLU183VAL ( SCV000583480 )
在一个患有常染色体显性遗传智力低下 53 (MRD53; 617798 )的男孩(第 5 个人)中,Kury 等人。(2017)报道了 CAMK2A 基因外显子 8 中的从头杂合 c.548A-T 颠换(c.548A-T,NM_171825.2),导致在蛋白激酶结构域。通过外显子组测序发现并通过Sanger测序确认的突变在现有公共数据库中未发现;Iossifov 等人此前曾报道过该患者。(2014 年)作为患者 SSC14620 在一项大型研究中对 2,500 多个有自闭症谱系障碍儿童的单纯家庭进行了全外显子测序。

斯蒂芬森等人。(2017)对 E183V 变体进行了功能研究,指出它发生在催化结构域的一个高度保守的残基上。与野生型相比,将突变转染到 HEK293 细胞导致突变蛋白水平较低(约 33%)。体外功能表达研究表明,E183V 突变体的催化活性显着降低(野生型的约 30%),如GluA1 (GRIA1; 138248) 底物与野生型相比。E183V 能够与野生型激酶亚基形成全酶,共表达研究表明 E183V 在减少残基 Thr286 的自磷酸化方面发挥显性负作用。E183V 突变还破坏了与已知突触 CaMK 相关蛋白的相互作用,包括 SHANK3 ( 606230 ) 和某些受体,这与突变体 CAMK2A 对树突棘和突触的定位减少有关。与野生型相比,表达 E183V 突变的初级啮齿动物神经元具有降低的树突棘密度和长度以及增强的树突分枝;这些神经元显示出 AMPAR 介导的突触传递减少,并具有突变的显性负效应。

.0004 精神发育迟滞,常染色体显性遗传 53
CAMK2A, HIS282ARG ( SCV000583484 )
在一个患有常染色体显性遗传智力低下 53 (MRD53; 617798 )的男孩(12人)中,Kury 等人。(2017)在 CAMK2A 基因的外显子 11 中发现了一个 de novo 杂合 c.845A-G 转换(c.845A-G,NM_171825.2),导致在自动调节域。通过外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变在可用的公共数据库中未发现。

.0005 精神发育迟滞,常染色体显性遗传 53
CAMK2A, THR286PRO ( SCV000583485 )
在一名患有常染色体显性遗传智力低下 53 (MRD53; 617798 )的女孩(13人)中,Kury 等人。(2017)在 CAMK2A 基因的外显子 11 中发现了一个从头杂合 c.856A-C 颠换(c.856A-C,NM_171825.2),导致在自动调节域。通过外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变在可用的公共数据库中未发现。

.0006 精神发育迟滞,常染色体隐性 63(1 个家庭)
CAMK2A, HIS477TYR
在 2 个由约旦近亲父母所生、常染色体隐性智力低下 63 (MRT63; 618095 ) 的同胞中,Chia 等人。(2018)鉴定了 CAMK2A 基因中的纯合 c.1429C-T 转换,导致关联域中高度保守的残基发生 his477 到 tyr (H477Y) 的取代,这是全酶组装所必需的。该突变是通过纯合子图谱和全外显子组测序的组合发现并通过 Sanger 测序证实的,与家族中的疾病隔离。它没有在公共或内部数据库中找到。与对照组相比,重新编程为神经元的患者来源的成纤维细胞显示出显着降低的自发性尖峰和放电率,与功能丧失一致。在 HEK293 细胞中进行的其他体外功能表达研究表明,与野生型相比,突变蛋白的表达水平较低,并且多聚体全酶的寡聚化和组装受损。这些发现与部分功能丧失一致,这可以解释为什么杂合亲本不受影响。将突变转染到 unc43-null 秀丽隐杆线虫未能挽救神经元和突触缺陷,也符合功能丧失。

.0007 精神发育迟滞,常染色体显性 53
CAMK2A、PRO212GLN
在一名患有常染色体显性遗传智力低下 53 (MRD53; 617798 )的 13 岁女孩(个体 1 )中,Akita 等人。(2018)在 CAMK2A 基因中发现了一个 de novo 杂合 c.635C-A 颠换(c.635C-A,NM_015981.3),导致在激酶结构域中高度保守的残基处发生 pro212-to-gln (P212Q) 取代疏水核与调节段形成。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变在 ExAC 或 gnomAD 数据库中未发现。分子模型预测,该突变会损害激酶结构域和调节段之间的相互作用,导致自身抑制的丧失。体外功能表达研究表明,与野生型相比,突变导致基础自磷酸化增加,钙非依赖性活性增加,某些钾通道电流上调,与功能获得一致。

.0008 精神发育迟滞,常染色体显性 53
CAMK2A、PRO235LEU
在一名 5 岁男孩(个体 2)中,常染色体显性遗传智力低下 53(MRD53;617798),Akita 等人。(2018)在 CAMK2A 基因中发现了一个 de novo 杂合 c.704C-T 转换(c.704C-T,NM_015981.3),导致在激酶结构域中高度保守的残基处 pro235 到 leu (P235L) 取代。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变在 ExAC 或 gnomAD 数据库中未发现。该患者被发现为突变体细胞嵌合体,来自各种组织的细胞中有 40% 至 80% 表达突变。分子模型预测,该突变会损害激酶结构域和调节段之间的相互作用,导致自身抑制的丧失。体外功能表达研究表明,与野生型相比,该突变导致基础自磷酸化增加,表明它会导致钙非依赖性活性增加和功能获得。

.0009 精神发育迟滞,常染色体显性遗传 53
CAMK2A、IVS10AS、GA、-1
在一名患有常染色体显性遗传智力低下 53 (MRD53; 617798 )的 16 岁女孩(个体 3 )中,Akita 等人。(2018)在 CAMK2A 基因的内含子 10 中发现了一个从头杂合 G 到 A 转换(c.817-1G-A,NM_015981.3),导致剪接位点改变和几个氨基酸的框内缺失这去除了大部分介导自抑制的调节段 (His273_Lys300del)。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变在 ExAC 或 gnomAD 数据库中未发现。分子模型预测该突变会导致自身抑制和组成性激活的丧失。

标签: 蛋白激酶, 智力低下, 常染色体

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