伴有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩的神经发育障碍; VALYL-tRNA 合成酶

VARS 基因编码缬氨酸的细胞质氨酰-tRNA 合成酶（Friedman 等人总结，2019 年）。

▼ 克隆与表达

谢等人（1991）在主要组织相容性复合体（MHC）的 III 类区域内鉴定了编码人类缬氨酰-tRNA 合成酶的 G7a 基因。Hsieh 和 Campbell（1991）克隆了一个 VARS cDNA，编码推导出的 1,265 个氨基酸的蛋白质，其分子量为 140,457 Da。将氨基酸序列与蛋白质数据库中的氨基酸序列进行比较显示，与细菌和酵母的缬氨酰-tRNA 有 38% 至 48% 的同一性。

罗等人（2014 年）报道了每种人氨酰 tRNA 合成酶的大量天然催化无效值的发现。剪接事件保留非催化结构域，同时消融催化结构域以产生具有多种功能的催化无效。每种合成酶都被转化为几种新的信号蛋白，其生物学活性与催化亲本的生物学活性“正交”。重组氨酰 tRNA 合成酶变体在一系列基于细胞的测定中具有特定的生物学活性：所有物种中约 46% 影响转录调节，22% 细胞分化，10% 免疫调节，10% 细胞保护，以及增殖、脂肪生成各 4% /胆固醇转运和炎症反应。罗等人（2014）鉴定了细胞质氨酰tRNA合成酶的框内剪接变体。他们为 VALRS 鉴定了 6 个催化无效和 1 个催化结构域保留的剪接变体。

Siekierska 等人（2019）发现 VARS 蛋白主要定位于人成纤维细胞的内质网中。

▼ 测绘

谢等人（1991）在染色体 6p21.3 上 MHC 的 III 类区域内的 680-kb DNA 片段中鉴定了 G7a 基因（VARS）。

▼ 分子遗传学

Karaca 等人对来自 2 个不相关的近亲家庭的 3 名患有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩的神经发育障碍（NDMSCA; 617802 ）的患者进行了研究（2015）鉴定了 VARS 基因中的纯合错义突变（L885F、192150.0001和 R1058Q、192150.0002）。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离。没有进行变体的功能研究和患者细胞的研究，但Karaca 等人（2015）指出，其他基因的突变涉及各种其他氨酰-tRNA 合成酶（参见，例如，DARS，603084）已在神经系统疾病中发现。这些家庭是 128 个近亲家庭的一部分，这些家庭大多患有神经遗传疾病，通常包括脑畸形，这些家庭接受了全外显子组测序。

在一个男孩，与印度血统无关的父母所生，患有 NDMCA，Stephen 等人（2018）鉴定了 VARS 基因中的复合杂合突变（192150.0003和192150.0004）。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离。该患者有一个表型相似的兄弟，他在 12 个月大时去世；无法获得受影响兄弟的 DNA。对患者来源的成纤维细胞的研究表明，与对照组相比，VARS mRNA 降低了约 50%，VARS 蛋白水平严重降低，并且 VARS 的氨酰化活性降低了约 4 倍。研究结果表明，突变导致功能丧失，对蛋白质合成和细胞代谢产生负面影响。

在来自 5 个 NMSCA 家庭的 7 名患者中，Friedman 等人（2019）鉴定了 VARS 基因中的纯合或复合杂合突变（参见，例如，192150.0005和192150.0006）。通过全外显子组或全基因组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离。大多数是错义突变，尽管 1 名具有非常严重表型的患者是错义和无义突变的复合杂合子。来自具有不同突变的几名患者的成纤维细胞显示出与野生型相比，VARS 酶活性显着降低约 20%，这与部分功能丧失一致。

在来自 7 个无关家庭的 10 名 NDMSCA 患者中，包括Karaca 等人先前报道的 2 个家庭（2015），Siekierska 等人（2019）鉴定了 VARS 基因中的纯合或复合杂合突变（参见，例如，192150.0007 - 192150.0011）。通过全外显子组或全基因组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与所有家族的疾病分离。除 1 个家族外，所有受影响的成员都携带双等位基因错义突变；家族 3 中的 2 个同胞是移码和错义突变的复合杂合子（192150.0009和192150.0010）。所有错义变体都发生在催化或反密码子结合结构域内或附近的保守残基处，根据分子模型可大致分为两组：一组预测对蛋白质结构有不利影响，另一组预测干扰 tRNA 结合。对错义突变进行了各种研究，包括酶活性、酵母互补研究和斑马鱼拯救。对来自某些患者的细胞的分析显示，与对照组相比，VARS 酶活性显着降低（至少 50%，但通常低于 25% 的残留活性）。一些突变蛋白能够在酵母互补研究中恢复生长，但 3 种无法通过敲除 vars 基因完全挽救斑马鱼的缺陷。

▼ 动物模型

在野生型斑马鱼中，Siekierska 等人（2019）发现 vars 在胚胎发生过程中在发育中的大脑、眼睛和其他器官中强烈且选择性地表达。CRISP/Cas9 介导的斑马鱼 vars 基因敲除导致致死率增加、姿势丧失、异常行为与痉挛性运动、头部异常进行性小头畸形、头部细胞凋亡增加、小眼炎和心包水肿。对突变鱼的电生理研究也显示了癫痫样活动。

▼ 历史

Walter 等人将另一个缬氨酰-tRNA 合成酶基因（以前称为 VARS1）分配给第 9 号染色体（1987）被发现是错误的。

▼ 等位基因变体（ 11个精选示例）：

.0001 伴有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩的神经发育障碍
VARS1，LEU885PHE
Karaca 等人的 2 个姐妹，由近亲父母（HOU1242 家族）所生，患有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩的神经发育障碍（NDMSCA；617802）（2015）鉴定了 VARS 基因中的纯合 c.2653C-T 转换（c.2653C-T, NM_006295），导致 tRNA 合酶 I 类结构域中的保守残基发生 leu885 到 phe（L885F）取代。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离。未进行变体的功能研究和患者细胞的研究（在Karaca 等人（2015）的文章中，核苷酸变化在表 1 中以 c.2653C-T 给出，但在文本中以 c.2655C-T 给出。Karaca（2017）确认 c.2653C-T 是正确的。）

Siekierska 等人（2019 年）提供了Karaca 等人报告的家庭的随访（2015），指出该家庭是土耳其血统。体外研究表明，L885F 变体能够在酵母互补研究中维持生长。在 gnomAD 数据库中未找到该变体。

.0002 伴有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩的神经发育障碍
VARS1，ARG1058GLN
Karaca 等人对一个由近亲父母（HOU2294 家族）出生的女孩进行了研究，该女孩患有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩的神经发育障碍（NDMSCA；617802）（2015）鉴定了 VARS 基因中的纯合 c.3173G-A 转换（c.3173G-A，NM_006295），导致在反密码子结合域中的保守残基处发生 arg1058-to-gln（R1058Q）取代。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离。未进行变体的功能研究和患者细胞的研究。

Siekierska 等人（2019 年）提供了Karaca 等人报告的家庭的随访（2015），指出该家庭是土耳其血统。体外研究表明，R1058Q 变体无法通过敲除 vars 基因来挽救斑马鱼的异常表型，这表明它会导致功能丧失。该变体在 gnomAD 数据库（1.104 x 10（-5））中的发现频率较低。

.0003 伴有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩的神经发育障碍
VARS1、IVS12AS、AG、-2
Stephen 等人研究了一个男孩，其父母与印度血统无关，患有神经发育障碍，伴有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩（NDMSCA; 617802 ）（2018）鉴定了 VARS 基因中的复合杂合突变：内含子 11 中的 A 到 G 转换（c.1577-2A-G，NM_006295.2），导致剪接畸变和 c.3192G-A 转换在外显子 27 中，产生一个 meta1064-to-ile（M1064I; 192150.0004）在反密码子结合域中高度保守的残基处进行替换。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离，并且在 ExAC 或 gnomAD 数据库中未发现。患者有一个兄弟患有类似疾病，在 12 个月大时死亡；无法获得受影响兄弟的 DNA。预计剪接位点突变会导致外显子 13 的跳跃，导致移码和过早终止（Asp526AlafsTer22），这将消除 tRNA 合成酶和反密码子结合结构域。对患者细胞的分析表明，剪接位点突变导致无义介导的 mRNA 衰变。预计 M1064I 变体会干扰反密码子结合结构域，并可能导致蛋白质不稳定。对患者来源的成纤维细胞的研究表明，与对照组相比，VARS mRNA 降低了约 50%，VARS 蛋白水平严重降低，并且 VARS 的氨酰化活性降低了约 4 倍。结果表明突变对蛋白质合成和细胞代谢有负面影响。

.0004 伴有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩的神经发育障碍
VARS1，MET1064ILE
讨论 VARS 基因第 27 外显子中的 c.3192G-A 转换（c.3192G-A，NM_006295.2），导致met1064-to-ile（M1064I）取代，在复合杂合状态中发现Stephen 等人的一名患有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩的神经发育障碍患者（NDMSCA; 617802 ）（2018），见192150.0003。

.0005 伴有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩的神经发育障碍
VARS1，ARG947HIS
在一个 5 岁的女孩中，由近亲埃及父母（家庭 2937）出生，患有神经发育障碍，伴有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩（NDMSCA；617802），Friedman 等人（2019 年）在 VARS 基因中鉴定出纯合 c.2840G-A 转换（c.2840G-A，NM_006295.2），导致在接近 tRNA- 的高度保守残基处发生 arg947-to-his（R947H）取代结合位点。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离。对患者成纤维细胞的分析显示突变蛋白水平正常，但与对照相比，VARS 酶活性显着降低。

.0006 伴有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩的神经发育障碍
VARS1、ARG1119CYS
Friedman 等人在来自 2 个不相关的近亲埃及家庭（3308 和 3439）的 3 名患有神经发育障碍伴小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩（NDMSCA；617802）的患者中（2019 年）在 VARS 基因中鉴定出纯合 c.3355C-T 转换（c.3355C-T，NM_006295.2），导致在接近 tRNA- 的高度保守残基处发生 arg1119 到 cys（R1119C）取代。结合位点。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离。对患者成纤维细胞的分析显示突变蛋白水平正常，但与对照相比，VARS 酶活性显着降低。

.0007 伴有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩的神经发育障碍
VARS1、LEU434VAL
Siekierska 等人在 2 个德裔兄弟（家族 1）中患有神经发育障碍伴小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩（NDMSCA；617802）（2019）鉴定了 VARS 基因中的复合杂合错义突变：c.1300C-G 颠换（c.1300C-G，NM_006295.2），导致 leu434 到 val（L434V）取代和 c.2464G -转换，导致 gly822 到 ser（G822S; 192150.0008）替代。通过全基因组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离。在 gnomAD 数据库中没有发现 L434V 变体，而在低频率（1.66 x 10（-5））中发现了 G822S。突变发生在保守的残基上，分子模型预测它们会对蛋白质结构产生不利影响。与对照相比，患者细胞的分析显示 VARS 酶活性降低。酵母互补研究表明 G822S 变体是无效等位基因，而 L434V 能够支持酵母生长。

.0008 伴有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩的神经发育障碍
VARS1, GLY822SER
讨论 VARS 基因中的 c.2464G-A 转换（c.2464G-A，NM_006295.2），导致 gly822 到 ser（G822S）取代，在 2 个同胞的复合杂合状态中发现Siekierska 等人的伴有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩的神经发育障碍（NDMSCA; 617802 ）（2019），见192150.0007。

.0009 伴有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩的神经发育障碍
VARS1、14-BP DUP、NT219
Siekierska 等人在 2 名患有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩（NDMSCA; 617802 ）的神经发育障碍的同胞（家族 3）中（2019）鉴定了 VARS 基因中的复合杂合突变：14 bp 重复（c.219_232dup, NM_006295.2），导致移码和提前终止（Leu78ArgfsTer35），以及 c.2825G-A 转换，导致arg942 到 gln（R942Q; 192150.0010）在 tRNA 结合域中的保守残基处进行替换。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离。在 gnomAD 数据库（4.274 x 10（-6））中以低频率发现重复，而在 gnomAD 中不存在 R942Q 变体。对患者细胞的分析表明，移码等位基因受到无义介导的 mRNA 衰变的影响，蛋白质水平下降了 50%。与对照组相比，患者细胞中的 VARS 活性显着降低（低于 25%）。R942Q 突变蛋白显示正常定位于内质网。

.0010 伴有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩的神经发育障碍
VARS1、ARG942GLN
讨论 VARS 基因中的 c.2825G-A 转换（c.2825G-A，NM_006295.2），导致 arg942 到 gln（R942Q）取代，在 2 个同胞的复合杂合状态下发现Siekierska 等人的伴有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩的神经发育障碍（NDMSCA; 617802 ）（2019），见192150.0009。

.0011 伴有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩的神经发育障碍
VARS1、ARG404TRP
Siekierska 等人在 2 名无血缘关系的女孩（患者 9 和 10）中患有小头畸形、癫痫发作和皮质萎缩（NDMSCA；617802）的神经发育障碍（2019）鉴定了 VARS 基因中的纯合 c.1210C-T 转换（c.1210C-T，NM_006295.2），导致保守残基处的 arg404 到 trp（R404W）取代。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序证实的突变与家族中的疾病分离。该变体在 gnomAD 数据库（8.328 x 10（-6））中的发现频率较低。基于 T. thermophilus 的分子模型表明该突变可能对蛋白质结构产生影响。与对照相比，患者细胞显示出 VARS 酶活性的显着丧失。一名女孩具有德国/约旦血统，另一名女孩具有以色列/阿拉伯血统。