超极化激活的环状核苷酸门控钾通道 1; HCN1

脑环核苷酸门控 1； BCNG1
钾通道，电压门控，大脑，1

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HGNC 批准的基因符号：HCN1

细胞遗传学位置：5p12 基因组坐标（GRCh38）：5:45,254,948-45,696,380（来自 NCBI）

▼ 说明

HCN 基因家族的超极化激活的阳离子通道（例如 HCN1）有助于心脏和大脑的自发节律活动（Santoro 等，1998）。

▼ 克隆与表达

心脏和大脑中起搏器活动的产生是由超极化激活的阳离子通道介导的，该通道直接受环核苷酸调节。桑托罗等人（1997）从小鼠大脑中克隆了电压门控钾通道家族的成员（Bcng1），该家族包含羧基末端环状核苷酸结合域（CNBD），并提出它是起搏器通道的候选基因。 Santoro 等人使用 Bcng1 的异源表达（1998）证明 Bcng1 编码的通道与大脑中的起搏器通道没有区别，但与心脏中的类似。桑托罗等人（1998）随后利用序列同源性克隆了 2 个与 Bcng1 密切相关的人类基因 BCNG1 和 BCNG2（602781）。小鼠和人类基因在不同组织（包括大脑和心脏）中显示出独特的 mRNA 表达模式。 BCNG1 和 BCNG2 均含有电压门控钾通道的保守基序，包括 S1-S6 跨膜片段、带电 S4 电压传感器和孔衬 P 环。此外，两者在各自的羧基末端均含有保守的 CNBD。人类 BCNG1 蛋白的 308 个氨基酸核心区（从 S1 延伸到 S6 跨膜片段）与小鼠 Bcng1 的核心区 100% 相同。 BCNG1的主要表达部位是脑。

▼ 基因功能

Wainger 等人通过构建截短突变体（2001）证明 CNBD 抑制 HCN 家族成员核心跨膜结构域的激活。环 AMP 结合可缓解这种抑制。 HCN1 和 HCN2 亚型之间的激活门控和 cAMP 调节程度的差异很大程度上是由于 CNBD 抑制功效的差异造成的。

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腭乳头切片中味觉细胞的影响。史蒂文斯等人从细胞的一个子集中（2001）发现了一种超极化激活电流，该电流会因味孔处的酸味刺激而增强。这种电流类似于神经元和心肌细胞中发现的 I（h），这是由超极化激活通道和环核苷酸门控（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（605206）在味觉细胞的子集中表达。相比之下，参与苦味和甜味的 G 蛋白 gustducin（139395）在这些细胞中不表达。史蒂文斯等人（2001）得出结论，HCN 通道由细胞外质子门控，可能充当酸味受体。

洛林茨等人（2002）使用免疫标记证明了大鼠脑锥体细胞中 HCN1 的轴体树突分布不均匀。从体细胞到远端树突膜，HCN1 密度增加了 60 倍，而轴突呈免疫阴性。远端树突轴的标记比相似直径的近端树突多 16 倍，并且树突轴中的 HCN1 密度显着高于树突棘中的密度。洛林茨等人（2002）认为电压门控离子通道的复杂细胞表面分布预示着其在提高单个神经元计算能力方面的作用。

Santoro 等人通过对小鼠脑 cDNA 文库进行酵母 2 杂交分析（2009）表明 Hcn1 通道与 Trip8b（PEX5L; 611058）强烈结合。 Hcn1 与爪蟾卵母细胞或大鼠海马神经元中 6 个小鼠 Trip8 变体中的每一个的共表达显示，2 个变体增加了 Hcn1 表面表达，3 个变体降低了 Hcn1 表面表达，1 个变体对 Hcn1 表面表达没有影响。所有 6 个变体都对 Hcn1 通道开放产生类似的抑制作用，将其激活电压转向更负的电位，这可能是通过拮抗 cAMP 增强 Hcn1 通道开放的能力。免疫沉淀和蛋白质印迹分析揭示了 Trip8b 与 AP2（参见 601026）接头复合物的特异性关联。桑托罗等人（2009）得出结论，TRIP8B 作为衔接蛋白来调节 HCN1 通道的表面表达或内吞作用。

皮斯科罗夫斯基等人（2011）发现所有 Trip8b 同工型的敲除导致 Hcn1 在整个小鼠 CA1 体细胞树突区室中被错误定位。相比之下，在选择性缺失外显子 1b 和 2 的 Trip8b 敲除小鼠中，Hcn1 通常靶向 CA1 锥体远端树突。在 2 种剩余的海马 Trip8b 亚型中，一种含有外显子 1a 和 4 的亚型促进树突中 Hcn1 的表面表达，而另一种含有外显子 1a 和 4 的亚型促进树突中 Hcn1 的表面表达。只有外显子 1a 抑制了轴突中 Hcn1 的错误表达。

▼ 测绘

Hartz（2004）根据 HCN1 序列（GenBank AF064876）与基因组序列的比对，将 HCN1 基因定位到染色体 5p12。

▼ 分子遗传学

发育性和癫痫性脑病 24

Nava 等人在 6 名患有发育性和癫痫性脑病 24（DEE24; 615871）的无关患者中（2014）在 HCN1 基因中鉴定出 6 个不同的杂合错义突变（参见，例如 602780.0001-602780.0005）。其中五个突变被证实是从头发生的；其余患者的父母 DNA 无法获得。前 2 个突变是通过 39 个亲子三人组的全外显子组测序发现的；通过对两个孤立队列的 HCN1 基因直接测序，分别发现了 95 名和 62 名患者的后续突变。 CHO 细胞的电生理膜片钳研究显示突变的不同影响。一些对通道门控有重大影响，导致功能增益，而另一些则没有记录到电流。大多数（但不是全部）表现出显性负效应。总体而言，研究结果表明，大多数突变导致了功能的获得，尽管突变的一些功能丧失特征也可能导致了表型。纳瓦等人（2014）表明突变的影响可能取决于生理环境和表达突变的细胞，并指出 HCN1 突变导致早发性癫痫性脑病的确切机制仍有待阐明。

Marini 等人在 8 名无关的 DEE24 患者中进行了研究（2018）鉴定了 HCN1 基因中的从头杂合错义突变（参见例如 602780.0006-602780.0007；602780.0014）。这些突变是通过癫痫组测序发现的，并通过桑格测序证实，但在 gnomAD 数据库中不存在。选定突变的体外功能表达研究显示对通道功能的不利影响，从功能丧失到激活动力学和/或电压依赖性的变化。与这种严重表型相关的突变往往聚集在跨膜域内或附近。作者得出结论，HCN1 突变可能导致功能获得或显性负效应，从而导致神经元过度兴奋。

伴有热性惊厥的全身性癫痫，10 型

Marini 等人在 11 名无关患者和 4 个患有全身性癫痫伴热性惊厥加 10 家庭的受影响成员中（GEFSP10；618482）进行了研究（2018）鉴定了 HCN1 基因中的从头杂合错义突变（参见，例如 602780.0008-602780.0012）。一些突变的体外功能表达研究显示出不同的影响，包括电流减少、激活或失活动力学改变和/或电压依赖性变化。一般来说，与较温和表型相关的变异位于跨膜域之外。这些患者是从一组患有与 HCN1 基因杂合突变相关的癫痫患者中确定的，这些突变是通过癫痫组基因测序或外显子组测序鉴定的。所有突变均通过桑格测序证实。还有几名具有不确定意义的杂合HCN1变异的患者没有癫痫发作，但有轻度智力发育障碍或自闭症特征。总体而言，这些发现表明 HCN1 参与大脑发育和神经元兴奋性的控制，并扩大了与 HCN1 突变相关的癫痫症的表型谱。作者得出结论，HCN1 突变可能导致功能获得或显性负效应，导致神经元过度兴奋。

Bonzanni 等人在一名患有 GEFSP10 的 19 岁男性中（2018）鉴定了 HCN1 基因中的从头杂合错义突变（L157V; 602780.0013）。该突变是通过对癫痫基因组进行测序发现的。体外细胞功能表达研究表明，与野生型相比，该突变导致电流密度降低，并且由于动力学特性改变而导致电流激活增加。总体而言，这些变化导致了显性负效应，神经元兴奋性增加。该患者有癫痫家族史，但受影响的家庭成员不携带该突变。

▼ 动物模型

诺兰等人（2003）创造了 Hcn1 -/- 小鼠和仅限于前脑的 Hcn1 敲除小鼠。 Hcn1 -/- 小鼠出现了预期的孟德尔频率，并且在整体健康状况和寿命方面与其野生型同窝小鼠没有差异。野生型和 Hcn1 -/- 小鼠的大脑解剖特性没有差异，包括参与运动控制的后脑区域。突变小鼠在依赖于浦肯野神经元快速突触输入的多种功能中没有表现出异常。然而，Hcn1 是学习和记忆涉及相对快速、重复和协调运动的运动行为所必需的，并且是小脑浦肯野细胞输入的历史孤立整合所必需的。诺兰等人（2003）假设 Hcn1 稳定了重复运动行为期间浦肯野细胞尖峰的输入输出特性，从而使小脑皮层的可塑性能够调节重复运动活动的表现。

诺兰等人（2004）发现从小鼠前脑神经元中删除 Hcn1 增强了海马依赖性学习和记忆，增强了 theta 振荡的力量，并增强了 CA1 锥体远端树突直接穿通路径输入的长时程增强（LTP）神经元，但对更近端 Schaffer 侧支输入的 LTP 影响不大。他们认为 HCN1 通道通过调节远端突触输入到锥体细胞的树突整合来限制学习和记忆。

▼ 等位基因变异体（14 个选定示例）：

.0001 发育性和癫痫性脑病 24
HCN1、ASP401HIS

Nava 等人对一名患有发育性癫痫性脑病 24（DEE24; 615871）的 18 岁法国女孩（患者 1）进行了研究（2014）在 HCN1 基因的外显子 4 中鉴定出从头杂合的 c.1201G-C 颠换（c.1201G-C, NM_021072.3），导致高度保守残基处的 asp401-to-his（D401H）取代。该突变是通过全外显子组测序发现并经桑格测序证实的，在 dbSNP（版本 137）、1000 基因组计划或外显子组变异服务器数据库中不存在。 CHO 细胞中的膜片钳记录研究表明，D401H 突变导致通道功能增强。患者在 4 个月大时出现强直阵挛性癫痫发作。

.0002 发育性和癫痫性脑病 24
HCN1、SER100PHE

Nava 等人在一名患有 DEE24（615871）的 6 岁意大利女孩（患者 2）中进行了研究（2014）在 HCN1 基因的外显子 1 中鉴定出从头杂合的 c.299C-T 转换（c.299C-T，NM_021072.3），导致高度保守残基处的 ser100 到 phe（S100F）取代。该突变是通过全外显子组测序发现并经桑格测序证实的，在 dbSNP（版本 137）、1000 基因组计划或外显子组变异服务器数据库中不存在。 CHO 细胞中的膜片钳记录研究表明，当与野生型共表达时，S100F 突变导致通道功能增强以及显性失活效应。患者在 10 个月大时出现癫痫发作。

.0003 发育性和癫痫性脑病 24
HCN1、SER272PRO

Nava 等人在一名患有 DEE24（615871）的 16 岁法国女孩（患者 3）中（2014）在 HCN1 基因的外显子 2 中鉴定出一个从头杂合的 c.814T-C 转变（c.814T-C, NM_021072.3），导致高度保守残基处的 ser272 到 pro（S272P）取代。该突变不存在于 dbSNP（版本 137）、1000 基因组计划或外显子组变异服务器数据库中。与野生型相比，突变通道在细胞裂解物和质膜上的含量较低，这可能是由于突变蛋白的不稳定性。 CHO 细胞中的膜片钳记录研究表明，S272P 突变导致电流损失，并且在与野生型共表达时还会引起显性失活效应。患者在 8 个月大时出现癫痫发作。

.0004 发育性和癫痫性脑病 24
HCN1、ARG297THR

Nava 等人在一名患有 DEE24（615871）的 15 岁法国女孩（患者 4）中（2014）在 HCN1 基因的外显子 3 中鉴定出从头杂合的 c.890G-C 颠换（c.890G-C, NM_021072.3），导致高度保守残基处的 arg297 至 thr（R297T）取代。该突变不存在于 dbSNP（版本 137）、1000 基因组计划或外显子组变异服务器数据库中。与野生型相比，突变通道在细胞裂解物和质膜上的含量较低，这可能是由于突变蛋白的不稳定性。 CHO 细胞中的膜片钳记录研究表明，R297T 突变导致电流损失，并且在与野生型共表达时还会引起显性失活效应。患者在 8 个月大时出现癫痫发作。

.0005 发育性和癫痫性脑病 24
HCN1、HIS279TYR

Nava 等人在一名患有 DEE24（615871）的 12 岁荷兰男孩（患者 5）中进行了研究（2014）在 HCN1 基因的外显子 2 中鉴定出一个从头杂合的 c.835C-T 转换（c.835C-T, NM_021072.3），导致高度保守的残基处发生 his279-totyr（H279Y）取代。该突变不存在于 dbSNP（版本 137）、1000 基因组计划或外显子组变异服务器数据库中。 CHO 细胞中的膜片钳记录研究表明，H279Y 突变导致通道功能增强。患者在 13 个月大时出现癫痫发作。

.0006 发育性和癫痫性脑病 24
HCN1、MET153ILE

在 2 名患有 DEE24（615871）的无关儿童（患者 2 和 3）中，Marini 等人（2018）在 HCN1 基因的外显子 2 中鉴定出从头杂合的 c.459G-C 颠换（c.459G-C, NM_021072.3），导致高度保守残基处的 met153 到 ile（M153I）取代在 S1 跨膜结构域中。该突变是通过癫痫基因组测序发现的，并通过桑格测序证实，但在 gnomAD 数据库中并未发现。体外功能表达研究表明，M153I 突变对通道门控具有重大影响，与野生型相比，其向去极化转变，并且激活更快，失活动力学更慢。野生型 HCN1 突变的表达产生了中间效果。患者分别在 5 个月和 9 个月大时出现癫痫发作。

.0007 发育性和癫痫性脑病 24
HCN1、GLY391ASP

Marini 等人在 2 名不相关的婴儿（患者 12 和 13）中发现了致命的 DEE24（615871）（2018）在 HCN1 基因的外显子 4 中鉴定出一个从头杂合的 c.1172G-A 转换（c.1172G-A, NM_021072.3），导致高度保守的残基处发生 gly391 到 asp（G391D）的取代在 S6 跨膜结构域中。该突变是通过癫痫基因组测序发现的，并通过桑格测序证实，但在 gnomAD 数据库中并未发现。体外功能表达研究表明，该突变消除了电流，并使野生型表达时的电流减半。患者在出生后 48 小时内出现癫痫发作；两人均在 15 个月大时死亡。

.0008 伴有热性惊厥的全身性癫痫，10 型
HCN1、GLY391SER

在 2 名不相关的意大利儿童（患者 14 和 15）中，患有全身性癫痫伴热性惊厥加 10（GEFSP10；618482），Marini 等人（2018）在 HCN1 基因的外显子 4 中鉴定出一个从头杂合的 c.1171G-A 转变（c.1171G-A, NM_021072.3），导致高度保守残基处的 gly391 到 Ser（G391S）取代在 S6 跨膜结构域中。该突变是通过癫痫基因组测序发现的，并通过桑格测序证实，但在 gnomAD 数据库中并未发现。体外功能表达研究表明，突变亚基允许与野生型相似的电流，但电压依赖性有右移（+21 mV）；与野生型共表达产生中间效应（+11.5 mv）。

.0009 伴有热性惊厥的全身性癫痫，10 型
HCN1、MET243ARG

在 2 名不相关的欧洲血统患者（患者 5 和 6）中，患有全身性癫痫伴热性惊厥加 10（GEFSP10；618482），Marini 等人（2018）在 HCN1 基因的外显子 2 中鉴定出从头杂合的 c.728T-G 颠换（c.728T-G, NM_021072.3），导致邻近保守残基处的 met243 到 arg（M243R）取代至S3跨膜结构域。该突变是通过癫痫基因组测序发现的，并通过桑格测序证实，但在 gnomAD 数据库中并未发现。体外功能表达研究表明，与野生型相比，该突变导致电流密度降低。

.0010 伴有热性惊厥的全身性癫痫，10 型
HCN1、ARG590GLN

在一名 15 岁男孩（患者 19）中，其表型符合全身性癫痫伴热性惊厥加 10（GEFSP10；618482），表现为儿童失神性癫痫，Marini 等人（2018）在 HCN1 基因的外显子 7 中鉴定出一个从头杂合的 c.1769G-A 转变（c.1769G-A, NM_021072.3），导致高度保守残基处的 arg590 至 gln（R590Q）取代C 端区域的跨膜结构域之外。该突变是通过癫痫基因组测序发现的，并通过桑格测序证实，但在 gnomAD 数据库中并未发现。体外功能表达研究表明，与野生型相比，该突变导致电流密度降低，并将半激活电压向超极化方向移动约 9 mV，但对激活和失活动力学没有显着影响。

.0011 伴有热性惊厥的全身性癫痫，10 型
HCN1、CYS329SER

Marini 等人在意大利家庭（M1 家族）的 5 名患有全身性癫痫伴热性惊厥加 10 的成员中（GEFSP10；618482）进行了研究（2018）在 HCN1 基因的外显子 3 中鉴定出杂合 c.986G-C 颠换（c.986G-C, NM_021072.3），导致在S5跨膜结构域。这种突变是通过癫痫基因组测序发现的，并通过桑格测序证实，与家族中的疾病分离。在 gnomAD 数据库中找不到它。体外功能表达研究表明，与野生型相比，该突变导致电流密度更小。激活和失活动力学不受影响。

.0012 伴有热性惊厥的全身性癫痫，10 型
HCN1、VAL414MET

Marini 等人在意大利家庭（M2 家庭）的 3 名患有全身性癫痫伴热性惊厥加 10 的成员中（GEFSP10；618482）进行了研究（2018）在 HCN1 基因的外显子 5 中鉴定出一个杂合的 c.1240G-A 转换（c.1240G-A，NM_021072.3），导致在跨膜结构域。该变异是通过癫痫基因组测序发现的，并通过桑格测序证实，但在 gnomAD 数据库中并未发现。体外功能表达研究表明，该突变体的电流密度与野生型相似，但半激活电压右移约5 mV，激活动力学更快。三个未受影响的家庭成员也携带该突变，这与不完全外显率一致。

.0013 伴有热性惊厥的全身性癫痫，10 型
HCN1、LEU157VAL

Bonzanni 等人对一名患有全身性癫痫伴热性惊厥加 10 的 19 岁男性（GEFSP10；618482）进行了研究（2018）在 HCN1 基因的外显子 2 中鉴定出从头杂合的 c.469C-G 颠换（c.469C-G，GRCh37），导致跨膜结构域中的保守残基处由 leu157 替换为 val（L157V） S1。该突变是通过对癫痫基因组进行测序发现的。体外细胞功能表达研究表明，与野生型相比，该突变导致电流密度降低，并且由于动力学特性改变而导致电流激活增加。总体而言，这些变化导致了显性负效应，神经元兴奋性增加。

.0014 发育性和癫痫性脑病 24
HCN1、MET305LEU

在一名患有发育性癫痫性脑病 24（DEE24; 615871）的女孩（患者 10）中，Marini 等人（2018）在 HCN1 基因的外显子 3 中发现了从头 c.913A-T 颠换（c.913A-T, NM_021072.3），导致第五个跨膜片段中的 met305 替换为 leu（M305L）。该突变是通过癫痫基因组的桑格测序发现的。体外功能研究表明，该突变导致电流密度降低，尽管当用野生型蛋白表达时电流密度恢复正常。然而，突变导致电压依赖性右移和斜率因子增加，表明门控特性异常。患者在 3 个月大时出现强直阵挛性癫痫发作。

变体函数

布莱克利等人（2021）生成了一个 Hcn1 基因中具有杂合同源 M305L 突变（小鼠中为 M294L）的小鼠模型，该模型在脑电图上重现了癫痫样尖峰的癫痫表型。这些小鼠还表现出多动、一些学习缺陷和行为异常。对爪蟾卵母细胞和突变皮质锥体神经元的电生理学研究表明，该变体失去了电压依赖性，导致了一个组成性开放通道，允许阳离子在去极化膜电位下泄漏。尽管神经元通过动作电位阈值的去极化变化进行适应，但与野生型相比，动作电位在休息时更容易激发。这些发现与 HCN1 突变导致的神经元过度兴奋一致，与功能获得效应一致。