Brugada 综合征 8; 超极化激活的环状核苷酸门控钾通道

HCN4 基因编码超极化激活的环核苷酸门控离子通道家族的成员，该家族在细胞膜上表达并有助于静息膜电位。HCN4 在心脏和几个大脑区域表达，包括丘脑（Campostrini 等人总结，2018 年）。

▼ 克隆与表达

心脏起搏是由动作电位的缓慢舒张去极化阶段产生的。超极化激活的阳离子电流是起搏器去极化的重要组成部分，由快和慢 2 个动力学分量组成。为了阐明心脏起搏通道的分子特性，Ludwig 等人（1999）用与小鼠 HCN1（ 602780 ）通道高度保守部分相对应的探针筛选了人类心脏 cDNA 文库，并鉴定了 2 个 cDNA，HCN2（ 602781））和 HCN4。HCN4 cDNA 预测了 1,203 个氨基酸的蛋白质。HCN4 包含 6 个假定的跨膜片段、一个孔区域和一个环核苷酸结合域（CNBD）。Northern印迹和PCR分析表明HCN4在心室和心房表达。

塞弗特等人（1999）孤立克隆了 HCN4。Northern印迹分析显示HCN4转录物在心脏、大脑和睾丸中表达。在大脑中，丘脑是 HCN4 表达的主要区域。

通过在胚胎第 10.5 天对小鼠胚胎进行原位杂交和免疫组织化学分析，Stieber 等人（2003）在发育中的胚胎心脏区域检测到高水平的 Hcn4 mRNA 和蛋白质，包括进入静脉窦的普通主静脉壁。在发育中的中枢神经系统中检测到低得多的表达。

▼ 基因结构

舒尔茨-巴尔等人（2003）确定 HCN4 基因包含 8 个编码外显子。

▼ 测绘

塞弗特等人（1999）通过 FISH 将 HCN4 基因定位到染色体带 15q24-q25。通过基因组序列分析，Schulze-Bahr 等人（2003）将 HCN4 基因对应到染色体 15q23-q24.1。

▼ 基因功能

路德维希等人（1999）在 HEK293 细胞中表达 HCN4，并观察到 HCN4 会产生具有天然阳离子电流标志性特征的超极化激活阳离子电流。HCN4 电流与 HCN2 电流的激活动力学有很大不同，分别是慢速和快速。

塞弗特等人（1999）证明 HCN4 的异源表达产生了异常缓慢的激活和失活动力学通道。半最大激活的平均电位为-75.2 mV。Seifert 等人建议的特征表达模式和缓慢的门控（1999） HCN4 控制心脏的丘脑皮质神经元和起搏器细胞的节律活动。Seifert 等人进一步建议与睾丸 mRNA 的强杂交（1999） HCN4 也在成熟精子或其前体细胞中表达。在这方面，HCN4 可能代表海胆精子鞭毛中 HCN 通道的哺乳动物等效物（Gauss 等，1998）。塞弗特等人（1999）提出海胆通道和人类 HCN4 都可能参与控制鞭毛跳动波形的节律活动的产生。

酸味是由作用于受体蛋白或通道的质子引发的。史蒂文斯等人（2001）研究了酸刺激对大鼠 vallate papilla 切片中味觉细胞的影响。来自一个细胞子集，史蒂文斯等人（2001）确定了一种超极化激活电流，该电流通过味觉孔的酸刺激而增强。这种电流类似于在神经元和心肌细胞中发现的 I（h），一种由超极化激活和环核苷酸门控（HCN）通道家族成员携带的电流。史蒂文斯等人（2001）通过原位杂交和免疫组织化学表明 HCN1 和 HCN4 在味觉细胞的一个子集中表达。相比之下，gustducin（ 139395），与苦味和甜味有关的 G 蛋白在这些细胞中没有表达。史蒂文斯等人（2001）得出结论，HCN 通道由细胞外质子控制，并可能充当酸味的受体。

▼ 分子遗传学

病窦综合征 2

在一名患有症状性窦性心动过缓（SSS2; 163800 ）的 66 岁女性中， Schulze-Bahr 等人（2003）确定了 HCN4 基因中 1-bp 缺失（ 605206.0002 ）的杂合性，这在 362 条对照染色体中未发现。COS-7 细胞中的膜片钳实验表明，突变通道介导的 I（f）电流对增加的细胞 cAMP 水平不敏感。共表达研究表明突变亚基对野生型亚基具有显性负作用。

上田等人（2004）分析了 6 例窦房结功能障碍患者、3 例进行性心脏传导障碍患者和 14 例特发性心室颤动患者的 HCN4 基因，这些患者的 6 个已知离子通道基因的突变均为阴性，并确定了1 名患有窦房结功能障碍的先证者发生突变（D553N；605206.0003）。在先证者受影响的姐妹和儿子中也发现了这种突变，并且不存在于 380 条对照染色体中。体外分析显示膜表达减少与 I（f）电流减少有关，因为 HCN4 通道以显性负方式存在贩运缺陷。

米拉内西等人（2006）发现窦性心动过缓与编码起搏器 HCN4 离子通道的基因中的突变（ 605206.0001 ）相关。窦房结的起搏器通道产生自发活动并介导 cAMP 依赖的心率自主调节。与心动过缓相关的突变位于 cAMP 结合位点附近；功能分析表明突变通道对 cAMP 反应正常，但在比野生型通道更多的负电压下被激活。这些变化模仿轻度迷走神经刺激，通过减少向内舒张电流来减慢心率。因此，起搏器通道的功能减弱与家族性心动过缓有关。

在 4 代无症状窦性心动过缓家族的 8 名受影响成员中，Nof 等人（2007）鉴定了 HCN4 基因中的杂合突变（G480R; 605206.0004 ）。

在一个患有窦性心动过缓、双心室过度小梁和二尖瓣脱垂（MVP）的 4 代德国家庭中，Schweizer 等人（2010）确定了 HCN4 基因（ 605206.0007 ）中13 bp 插入的杂合性，该基因与疾病完全分离。

在一个患有心动过缓、左心室致密化不全（LVNC）和 MVP 的大型荷兰家庭中，Milano 等人（2014）确定了 HCN4 基因（G482R; 605206.0008 ）中错义突变的杂合性。对具有相似表型的 3 个家系的 HCN4 分析显示，其中 2 个具有 Y481H 突变（ 605206.0009 ）杂合性，第三个具有 A414G 突变（ 605206.0010 ）杂合性。这些突变在每个家族中都与疾病分离，并且未在对照或公共变异数据库中发现。

在一位德国母亲和 2 名患有窦房结功能障碍、LVNC 和 MVP 的儿童中，Schweizer 等人（2014）确定了 HCN4 基因中 G482R 突变的杂合性。此外，母亲是纯合子，而 2 个孩子是杂合子，因为 CSRP3 基因（W4R；见600824.0001）中的一个未知意义的变体；作者指出，这种变异不太可能是心脏致密化不全表型的主要原因，但暗示它可能会做出改变。

在一个患有窦性心动过缓、LVNC、MVP 和升主动脉扩张的家庭中，Vermeer 等人（2016）确定了 HCN4 基因中的 Y481H 突变。维米尔等人（2016 年）回顾了先前描述的 HCN4 突变患者（Schweizer 等人，2014 年；Milano 等人，2014年）的多模态成像研究，并在 18 名经过充分研究的患者中检测到 13 名升主动脉扩张，以进行总体检测HCN4 突变携带者的发生率为 77%。

Brugada 综合征 8

Ueda 等人对一名患有 Brugada 综合征 8（BRGDA8; 613123 ）的 41 岁男性SCN5A 基因（600163）突变阴性（2009）确定了 HCN4 基因（ 605206.0005 ）中剪接位点突变的杂合性。

在一名 64 岁的 Brugada 综合征女性中，Crotti 等人（2012）鉴定了 HCN4 基因中的杂合错义突变（ 605206.0006 ）。这名妇女是 129 名可能患有或可能患有 Brugada 综合征的无关患者中的 1 名，这些患者接受了 12 个 Brugada 综合征“易感基因”突变的筛查。

对特发性全身性癫痫的易感性 18

在 2 名患有特发性全身性癫痫 18（EIG18; 619521 ）的兄弟中，Campostrini 等人（2018）鉴定了 HCN4 基因中的杂合错义突变（R550C; 605206.0011 ）。CHO 细胞的电生理研究表明，与野生型相比，该突变导致激活曲线出现负移，这与通道功能的丧失一致。在用突变转染的神经元细胞中观察到神经元过度兴奋和增加的放电，当与野生型共表达时发挥显着作用。坎波斯特里尼等人（2018）得出结论，减少 HCN4 电流贡献可能会影响输入膜电阻和静息膜电位，从而导致细胞过度兴奋。

贝克尔等人（2017 年）在一名 17 岁时患有单一全身性强直-阵挛性癫痫发作的女孩中发现了 HCN4 基因中的杂合错义变体（E153G）。通过直接测序发现的变体在 ExAC 数据库中不存在。然而，另外 4 名患有不同类型癫痫发作的家庭成员没有携带该变体。电生理研究表明，该变体导致激活的电压依赖性发生超极化转变，导致生理相关电压范围内的功能降低。作者认为，单独的变异不太可能导致癫痫，但它可能与其他基因的变异一起导致该疾病的多基因性质。

▼ 动物模型

斯蒂伯等人（2003）发现 Hcn4 +/- 小鼠是可行的，正常繁殖，并且与野生型同窝仔没有区别。然而，Hcn4 -/- 胚胎在胚胎第 9.5 天左右死亡。Hcn4 的心脏特异性缺失导致与全局缺失相同的胚胎致死率。Hcn4 缺失胚胎的心率比野生型慢，并且未检测到成熟的起搏器样动作电位，尽管有未成熟的起搏器样动作电位。cAMP不能加速心率和动作电位率。斯蒂伯等人（2003）得出结论，HCN4 对于在新兴窦房结中正确产生起搏器电位至关重要。

▼ 等位基因变体（ 11个精选示例）：

.0001 病窦综合征 2
HCN4, SER672ARG
米拉内西等人（2006）对 52 名心动过缓患者（SSS2; 163800 ）进行了起搏基因 HCN4 编码区突变筛查。他们确定了一个意大利家庭的先证者，该家庭患有无症状的窦性心动过缓（心率，每分钟 43 次），并在外显子 7、ser672 到 arg（S672R）中携带错义突变，这是由核苷酸的 C 到 A 颠换引起的。 2016. 然后他们检查了来自同一家庭的 27 名成员的 DNA。PCR-SSCP 分析显示 S672R 突变与心动过缓表型共同分离，表明为常染色体显性模式。具有突变基因的人的心率为每分钟 43 至 60 次，而具有野生型基因的人的心率为每分钟 64 至 81 次。米拉内西等人（2006）计算出 HCN4 与心动过缓之间关联的最大 lod 分数为 5.47。

.0002 病窦综合征 2
HCN4，1-BP DEL，1631C
Schulze-Bahr 等人对一名 66 岁女性患有严重晕厥伴明显的窦性心动过缓和间歇性心房颤动（SSS2; 163800 ）（2003）鉴定了 HCN4 基因外显子 5 中 1-bp 缺失（1631delC）的杂合性，导致移码导致密码子 573 处的截短蛋白质缺乏 C 末端环状核苷酸结合结构域。在 3 名未受影响的儿童或 362 条对照染色体中未发现该突变。瞬时转染的 COS-7 细胞表现出正常的细胞内转移和突变亚基的膜整合；膜片钳实验表明突变通道对增加的细胞 cAMP 水平不敏感，共表达研究表明突变亚基对野生型亚基具有显性负作用。

.0003 病窦综合征 2
HCN4、ASP553ASN
Ueda 等人对一名患有病态窦房结综合征（SSS2; 163800 ）的 43 岁女性进行了研究（2004）确定了 HCN4 基因外显子 5 中 GA 转换的杂合性，导致核心跨膜结构域和环核苷酸结合结构域之间的接头区域中的保守残基处发生 asp553 到 asn（D553N）取代。患者受影响的姐妹和儿子也是该突变的杂合子，380 条对照染色体中不存在该突变。对转染的 COS-7 细胞的研究表明，突变通道的共表达以显性负性方式降低了正常通道的细胞表面表达，膜片钳降低了 I（f）电流幅度。

.0004 病窦综合征 2
HCN4, GLY480ARG
在 4 代无症状窦性心动过缓（SSS2; 163800 ）家族的 8 名受影响成员中，Nof等人（2007）确定了 HCN4 基因外显子 4 中 1439G-C 颠换的杂合性，导致跨膜成孔区域内的保守残基发生 gly480-to-arg（G480R）取代。在 8 个未受影响的家庭成员或 100 个不相关的对照染色体中未发现该突变。功能分析显示突变通道在比野生型更多的负电压下被激活。表达研究表明，与野生型通道相比，突变通道的合成减少和转移缺陷。

.0005 布鲁加达综合症 8
HCN4、4-BP INS、GTGA
在一名患有 Brugada 综合征（BRGDA8; 613123 ）的 41 岁男性中， Ueda 等人（2009）在 HCN4 基因的外显子 2 和内含子 2 的剪接点供体位点确定了 4 bp 插入（GTGA）的杂合性，预计会导致移码和添加 44 个不相关的 C 末端残基和过早终止。COS-7 细胞中的转染研究表明，额外的 4 个碱基被整合到 mRNA 中，并且 SSCP 谱显示几乎等量的正常和异常剪接产物的表达。在 190 名健康对照中未发现该突变。

.0006 布鲁加达综合症 8
HCN4, SER841LEU
在一名患有 Brugada 综合征（BRGDA8; 613123 ）的 64 岁女性中， Crotti 等人（2012）鉴定了 HCN4 基因外显子 8 中的杂合 c.2522C-T 转换，导致 ser841-to-leu（S841L）取代。该妇女无症状，也没有该疾病的家族史。

.0007 病性窦房结综合征 2 伴心脏收缩不全和升主动脉扩张
HCN4、13-BP INS、EX6
Schweizer 等人在 4 代德国家族的 8 名受累成员中出现明显的窦性心动过缓和窦性心律失常（SSS2; 163800 ）（2010）确定了 HCN4 基因第 6 外显子插入 13 bp 的杂合性，导致移码预测会导致提前终止密码子，作者将其命名为“695X”。该突变与家族中的疾病完全分离，在 526 名对照中未发现。瞬时转染的 HEK293 细胞中的全细胞膜片钳记录表明突变亚基对 cAMP 不敏感，由野生型和突变亚基组成的异聚通道也未能对 cAMP 作出反应，表明通过显性负抑制 cAMP 诱导的通道激活突变亚基。施韦泽等人（2014）重新检查了来自该家庭的 5 名受影响的个体，并在所有 5 人中观察到双心室过度小梁和二尖瓣脱垂。Vermeer 等人（2016 年）回顾了 6 名家庭成员的影像学研究，并在 4 名患者中检测到主动脉根部扩张。

.0008 病性窦房结综合征 2 伴心脏收缩不全和升主动脉扩张
HCN4, GLY482ARG
Milano 等人在 7 名患有心动过缓和左心室致密化不全（SSS2； 163800）的荷兰大家庭（A 家庭）中受影响的成员（2014）鉴定了 HCN4 基因外显子 4 中 c.1444G-C 颠换的杂合性，导致在成孔通道结构域内高度保守的残基处发生 gly482-to-arg（G482R）取代。该突变与家族中的疾病完全分离，在 500 名荷兰对照或外显子组测序项目数据库中未发现。CHO 细胞中的功能分析显示，与野生型相比，突变通道激活的电压依赖性有很大的负变化，导致电流密度显着降低，这与观察到的心动过缓一致。2 名受影响的家庭成员存在需要手术修复的二尖瓣脱垂（MVP）。维米尔等人（2016）回顾了该家族 5 名受影响成员的影像学研究，发现 3 名患者显示升主动脉扩张。

Schweizer 等人对来自德国家庭的一对患有窦房结疾病、左心室致密化不全和 MVP 的母子和女儿进行了研究（2014）确定了 HCN4 基因中 G482R 取代的杂合性。HEK293 细胞中的全细胞膜片钳分析显示突变亚基没有功能，与野生型通道相比，由突变型和野生型 HCN4 亚基组成的异聚通道电流减少约 65%，表明主要机制为显性负效应杂合子患者的 I（f）电流减少。由于激活或停用参数没有变化，Schweizer 等人（2014）得出结论，有缺陷的离子渗透是潜在的机制。维米尔等人（2016）回顾了 3 名受影响个体的影像学研究，并观察到所有 3 人都有升主动脉扩张。

.0009 病性窦房结综合征 2 伴心脏收缩不全和升主动脉扩张
HCN4、TYR481HIS
在来自 2 个家庭（家庭 B 和 D）的 4 名患有心动过缓和左心室致密化不全（SSS2；163800）的受影响个体中，Milano 等人（2014 年）确定了 HCN4 基因外显子 4 中 c.1441T-C 转换的杂合性，导致在成孔通道结构域内高度保守的残基处发生 tyr481-to-his（Y481H）取代。单倍型分析与 2 个家族的共同祖先单倍型一致。在 500 名荷兰对照或外显子组测序项目数据库中未发现该突变。维米尔等人（2016）回顾了 3 名受影响个体的影像学研究，并观察到 2 名患者也有升主动脉扩张。

Vermeer 等人在患有窦性心动过缓、致密化不全心肌病、二尖瓣缺陷和升主动脉扩张的家族成员中（2016）确定了 HCN4 基因中的 Y481H 突变。

.0010 病性窦房结综合征 2 伴心脏收缩不全
HCN4、ALA414GLY
在患有心动过缓和左心室致密化不全（SSS2; 163800 ）的父亲和 2 个儿子（家庭 C）中，Milano 等人（2014）确定了 HCN4 基因外显子 3 中 c.1241C-G 颠换的杂合性，导致 S4 和 S5 跨膜结构域之间高度保守的残基处发生 ala414 到甘氨酸（A414G）取代。在 500 名荷兰对照或外显子组测序项目数据库中未发现该突变。CHO 细胞中的功能分析显示，与野生型相比，突变通道激活的电压依赖性有很大的负变化，导致电流密度显着降低，这与观察到的心动过缓一致。两个儿子也表现出左心室肥大，室间隔为 13 毫米。

.0011 癫痫，特发性泛发性，易感性，18（1 个家庭）
HCN4，ARG550CYS（rs150691273）
在 2 名患有特发性全身性癫痫 18（EIG18; 619521 ）的兄弟中，Campostrini 等人（2018）鉴定了 HCN4 基因中的杂合 c.1648C-T 转换（c.1648C-T，NM_005477），导致在 C 的细胞内 B-prime 螺旋结构域中的保守残基处发生 arg550-to-cys（R550C）取代链接器。这种突变是通过定制基因组测序发现的，遗传自他们的父亲，父亲的早期病史未知。作者指出，该变体在 gnomAD 数据库中的一般人群中以低频率存在（8.122 x 10（-06））。CHO 细胞的电生理研究表明，与野生型相比，该突变导致激活曲线出现负移，这与通道功能的丧失一致。在用突变转染的神经元细胞中观察到神经元过度兴奋和增加的放电，当与野生型共表达时，其发挥显着作用。在用该突变转染的大鼠心室心肌细胞中发现了类似的电生理学结果。尽管受影响的兄弟和他们的父亲都没有临床心脏异常，但他们的静息心率都很低。坎波斯特里尼等人（2018）得出结论，减少 HCN4 电流贡献可能会影响输入膜电阻和静息膜电位，从而导致细胞过度兴奋。