《HUMAN MUTATION》：A Novel Gain-of-Function GLUL Variant Is Associated With Developmental and Epileptic Encephalopathy With Enlarged Perivascular Spaces
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两种临床表型与GLUL突变相关，源自不同遗传模式。隐性遗传形式与先天性谷氨酰胺缺乏相关，表现为严重脑畸形、多器官衰竭和早期死亡。近期描述了一种显性遗传形式，涉及谷氨酰胺合成酶（GS）稳定性失调，表现为发育性癫痫性脑病（DEE）。所有已报道的显性突变均位于起始密
两种临床表型与GLUL突变相关，源自不同遗传模式。隐性遗传形式与先天性谷氨酰胺缺乏相关，表现为严重脑畸形、多器官衰竭和早期死亡。近期描述了一种显性遗传形式，涉及谷氨酰胺合成酶（GS）稳定性失调，表现为发育性癫痫性脑病（DEE）。所有已报道的显性突变均位于起始密码子或5′非翻译区（5′ UTR）。本研究报告一例DEE患者携带GLUL催化结构域中的新生变异c.522_536dup。其脑部磁共振成像（MRI）显示白质信号强度改变及显著扩大的血管周围间隙（EPVS）。体外过表达实验表明，在正常谷氨酰胺条件下，突变型与野生型在蛋白表达或酶活性方面无差异。然而，在低或高谷氨酰胺浓度下，突变型表现出显著高于野生型的酶活性，表明谷氨酰胺合成酶活性调控失调。本研究扩展了变异谱，为酶稳定性在功能获得性（GoF）变异中的作用提供了进一步证据，并强调扩大血管周围间隙是GLUL相关疾病的诊断线索。
**论文解读文章**
**研究背景**
谷氨酰胺合成酶（Glutamine Synthetase, GS）由GLUL基因（OMIM: 138290）编码，在中枢神经系统胶质细胞中高表达。生理条件下，脑中谷氨酰胺和谷氨酸稳态受到严格调控：神经元释放谷氨酸至突触间隙作为神经递质，随后被星形胶质细胞吸收，经GS转化为谷氨酰胺；谷氨酰胺再转运至神经元，由谷氨酰胺酶转化为谷氨酸以重启信号转导。谷氨酸稳态紊乱对神经功能有害，可导致严重神经表型。现有研究显示，GLUL突变与两种临床表型相关：隐性遗传（AR）形式导致先天性谷氨酰胺缺乏（OMIM #610015），表现为新生儿起病癫痫、全面发育迟缓、多器官衰竭和早期死亡，脑MRI可见严重脑畸形、脑室扩大等；显性遗传（AD）形式于2024年首次报道，所有已报道的新生变异均位于起始密码子或5′ UTR区域，影响GS稳定性，表现为发育性癫痫性脑病（Developmental and Epileptic Encephalopathy, DEE），且因保留较高残余酶活性而呈非致死性结局。然而，催化结构域内的GLUL显性变异尚未被描述，其与扩大血管周围间隙（Enlarged Perivascular Spaces, EPVS）的关联亦不明确。基于此，研究人员对一例携带GLUL催化结构域新发变异的DEE患者进行深入研究，旨在扩展变异谱并阐明其病理机制。本研究论文发表在《HUMAN MUTATION》。
**主要关键技术与方法**
研究人员采用以下关键技术：①临床与遗传学调查：对患者及父母进行家系全外显子组测序（Illumina NovaSeq平台，参考基因组GRCh38/HG38）并经Sanger测序验证；②结构比较：利用AlphaFold3预测突变体三维结构，与野生型GS晶体结构（PDB 2QC8，分辨率2.60 ?）比对，通过DockingPie计算与谷氨酸的结合能，FoldX计算ΔΔG以评估蛋白质稳定性；③细胞功能实验：将野生型（WT）、c.522_536dup及c.1021C>T（已知隐性失活变体）构建于pcDNA3.1载体并转染HEK293细胞，在不同L-谷氨酰胺浓度（1–64 mM）下通过商业试剂盒检测GS酶活性，同时用Western blot检测蛋白表达水平。
**研究结果**
**3.1 临床表现**
一名8月龄女性患儿因局灶性癫痫发作和发育迟缓就诊，脑电图（EEG）显示慢背景活动伴弥漫性δ活动及多灶性痫样放电。脑MRI显示脑室旁白质高信号及额叶、顶叶多发EPVS（呈蜂窝状改变）。血氨基酸及氨水平在正常范围内，仅血浆溶酶体酸性α-葡萄糖苷酶轻度降低（10.05 nmol/1 h/mg）。家系全外显子组测序数据重分析发现GLUL基因杂合新生变异c.522_536dup（p.Ile175_His179dup），经Sanger测序验证。该变异位于GS催化结构域，为框内重复。
**3.2 结构比较**
AlphaFold3预测的突变体GS亚基结构（绿色）与野生型结构（蓝色，PDB 2QC8）高度相似（均方根偏差RMSD=0.336 ?）。突变体与谷氨酸的结合能（-5.397 kcal/mol）与野生型（-5.382 kcal/mol）几乎一致。FoldX分析表明，p.Ile175_His179dup变异使蛋白质稳定性增强（ΔΔG = -8.15 kcal/mol），提示突变可能通过稳定GS构象而发挥功能获得性（Gain-of-Function, GoF）效应。
**3.3 酶活性**
在HEK293细胞中，c.522_536dup和c.1021C>T（已知隐性失活对照）的蛋白表达水平与野生型相当。酶活性检测显示，野生型GS活性随谷氨酰胺浓度升高逐渐降低，体现负反馈抑制。c.1021C>T在所有浓度下（除64 mM外）活性均显著降低。相比之下，c.522_536dup在低浓度（1 mM，p<0.0001；2 mM，p<0.05）和高浓度（32 mM，p<0.01；64 mM，p<0.01）时活性均显著高于野生型，且未表现出浓度依赖性下调。该结果提示突变体破坏了谷氨酰胺对GS的反馈调控，导致酶活性在广泛胞外浓度下不适当地持续增高。
**3.4 表型比较**
研究人员汇总19例已知GLUL突变患者的临床与生化特征（原文表1，本文以文字描述）。在发病年龄方面，AR患者多在新生儿期或婴儿早期（出生至5个月）发病，AD患者发病年龄范围更广（2–11个月）。DEE和全面发育迟缓为共同特征，但AD患者癫痫类型更多样。脑MRI方面，AD患者高度一致表现为显著EPVS，可伴髓鞘形成异常和胼胝体变薄；AR患者MRI表现更异质且严重，包括明显不成熟脑发育、萎缩、脑室周围多发腔隙和小脑发育不全。血清谷氨酰胺水平严重降低及系统性特征（如心功能不全、表皮坏死松解症）几乎仅见于AR病例。综上，AD型疾病主要表现为中枢神经系统相对局限的表型，而AR型常预示累及多系统的更严重临床病程。
**讨论与结论**
讨论部分指出，本研究进一步扩展了与DEE相关的显性GLUL变异谱。与AR GS缺乏症不同，AD型缺乏特征性生化异常（如血氨或谷氨酰胺水平改变），MRS亦无显著Glx峰异常。细胞实验表明突变体在正常培养条件下酶活性与野生型相当，提示病理机制为调控失调而非功能丧失。结构模型预测突变增强GS稳定性，符合GoF机制。EPVS是AD患者最常见的神经影像学征象，可伴随髓鞘延迟和白质高信号；在GLUL相关DEE中，EPVS伴髓鞘异常构成特征性表现。从病理生理角度，GoF突变可能导致星形胶质细胞谷氨酰胺合成过量，而细胞内谷氨酰胺作为渗透物质引起星形胶质细胞肿胀，该机制与高氨血症中GS活性增加驱动的谷氨酰胺积聚及星形细胞肿胀相似。研究还讨论了GLUL与AQP4、血管功能障碍的潜在联系，但功能实验仅限于HEK293细胞（非星形胶质细胞模型）是本研究局限性之一。治疗前景方面，甲硫氨酸亚砜胺（Methionine sulfoximine, MSO）作为不可逆GS抑制剂，具有靶向GLUL GoF突变的治疗潜力。
**研究结论翻译**
在生理条件下，脑中谷氨酰胺和谷氨酸的稳态受到严格调控。因此，无论是GS的GoF还是LoF所致的谷氨酸稳态紊乱对神经功能有害。总之，本研究报告的新型框内重复提供了进一步证据支持GLUL功能亢进与血管周围间隙（PVS）损害相关，拓宽了与GLUL-DEE相关的变异范围，并证明了GS正常调控机制的关键作用。
