Kars1-flox 基因敲除小鼠

KARS1，也称为Lysyl-tRNA synthetase 1（KARS1），是一种重要的氨基酸tRNA合成酶，负责将赖氨酸（lysine）与相应的tRNA连接。KARS1编码的赖氨酸tRNA合成酶（LysRS）在细胞质和线粒体中具有不同的亚型，这些亚型在蛋白质合成中发挥着关键作用。LysRS通过ATP依赖性的氨基酰化作用，将赖氨酸连接到其对应的tRNA上，使其能够在蛋白质合成过程中被识别和转运。KARS1的突变与多种神经系统疾病相关，包括神经发育障碍、听力损失和脑白质病变等。此外，KARS1还与线粒体功能有关，其突变可能导致线粒体功能障碍和能量代谢异常。

在Lebanon的一项临床和遗传性神经肌肉疾病队列研究中，研究人员回顾性分析了20年间（1999-2019年）506名患者的临床和分子数据。研究发现，81.4%的患者被诊断为运动神经元疾病和肌肉萎缩症，其中近一半的患者被诊断为脊髓性肌萎缩症（SMA），估计在Lebanon的发病率约为1/7500。此外，杜氏和贝克氏肌肉萎缩症也是最常见的神经肌肉疾病之一，占患者的17%。这些疾病与本研究中发现的最高数量的变异体（39个）相关。此外，本研究还发现肢体带状肌肉萎缩症和夏科-马里-图特病的临床表现具有高度异质性。最不常见的疾病（占5.5%的患者）包括先天性、代谢性和线粒体肌病、先天性重症肌无力综合征和肌强直性肌营养不良症。研究结果表明，Lebanon地区神经肌肉疾病的异质性高，且报道不足，这对许多新开发的神经肌肉疾病治疗方法构成了重大挑战。因此，研究人员呼吁建立一个区域性的神经肌肉疾病患者登记册[1]。

在另一项研究中，研究人员通过国际合作，从16个无关家族中确定了22名受影响的个体，他们携带KARS1基因中的双等位基因变异。这些变异包括10个新的和4个已知的双等位基因错义变异，导致患者出现中度至重度的发育迟缓、进行性神经系统和神经感觉异常以及不同程度的白质受累。研究发现，KARS1相关的疾病还表现出自闭症、多动行为、脑桥发育不全和小脑萎缩等新发症状。此外，研究人员还通过在斑马鱼中生成KARS1基因敲除模型，发现KARS1基因缺失导致p53上调、组织特异性凋亡以及神经发育相关基因下调，这些现象与患者的关键组织特异性疾病表型相吻合。抑制p53可以挽救KARS1基因敲除模型中的多个缺陷。这些研究结果表明，KARS1基因的变异与神经发育障碍和听力损失相关，并提供了KARS1相关人类疾病的新型动物模型，揭示了p53信号通路成分作为潜在治疗靶点的可能性[2]。

在另一项研究中，研究人员发现KARS1基因的变异与多种神经系统疾病相关，包括神经感觉性听力损失、神经病变、癫痫和脑白质病变等。研究人员对9名携带KARS1相关疾病的患者的临床、生化、神经影像学特征进行了分析，并发现这些患者表现出严重的神经症状，包括先天性和进行性小头症、癫痫、发育迟缓/智力障碍和脑萎缩等。此外，部分患者还出现眼动功能障碍和免疫血液学问题。研究还发现，大多数变异体在细胞质和线粒体LysRS亚型中表现出不同程度的酵母生长缺陷。其中，两种变异体对酵母生长的影响可以通过赖氨酸补充部分挽救。这些研究结果表明，KARS1相关疾病是一个进展性和多系统的疾病，涉及细胞质和线粒体LysRS亚型，赖氨酸补充可能至少对部分患者具有治疗潜力[3]。

在西班牙和哥伦比亚的非综合征性听力损失（NSHI）家族病例中，研究人员发现KARS1基因的变异与NSHI相关。通过对175名西班牙患者和18名哥伦比亚患者的基因测序分析，发现5个病例携带KARS1基因的致病性变异。这些变异导致患者出现早期和进展性的听力损失，主要影响中频。此外，患者未出现其他临床体征。这项研究为KARS1基因与DFNB89 NSHI的相关性提供了证据，并表明KARS1基因变异是NSHI的潜在病因之一[4]。

在一项病例报告中，研究人员描述了一名14个月大的女孩，她患有严重的线粒体脑肝病变（MEH），表现为神经发育障碍、深度感觉神经性听力损失、豹纹状视网膜病变、全血细胞减少和严重的肝脏疾病，最终在30个月大时死亡。全外显子组测序发现该患者KARS1基因中存在两个罕见变异。这项研究扩大了tRNA合成酶相关疾病的等位基因和临床特征，并证实了全外显子组测序在具有复杂多系统表型的婴儿中的诊断价值[5]。

在哥伦比亚，研究人员报告了一名儿童患者的病例，该患者携带KARS基因的两个致病性错义变异。患者表现出进行性早期发病的白质脑病，这是一种罕见的遗传性神经系统疾病，导致进行性神经退行性变和认知障碍。这项研究首次在拉丁美洲报告了KARS相关白质脑病的病例，并回顾了其他KARS1相关白质脑病病例的文献。KARS基因突变与多种神经系统疾病相关，包括神经感觉性听力损失、白质脑病、小头症、发育迟缓/智力障碍、周围神经病变、心肌病、线粒体呼吸链功能障碍和高乳酸血症等[6]。

在人类中，细胞质和线粒体LysRS亚型由KARS1基因通过选择性剪接产生。细胞质LysRS具有真核生物特有的N端多肽延伸，赋予其强大的tRNA结合特性，这对于将tRNA从合成酶转移到真核翻译机制中的延伸因子EF1A至关重要。线粒体酶在其被靶向到该细胞器后成熟。研究人员发现，线粒体LysRS前体的切割导致成熟酶的tRNA结合特性与细胞质 counterpart相比有所降低。这种适应性机制可能防止了在细菌样延伸因子EF-Tu无法协助tRNA从合成酶解离的隔室中通过tRNA的隔离来抑制翻译。研究人员还观察到，线粒体LysRS中的RxxxKRxxK tRNA结合基序在前体形式中不具有功能，在切割线粒体靶向序列后变得有效。发现前体的成熟对于揭示该酶强大的tRNA结合特性具有重要意义，这与先前的研究一致，表明唯一能够促进tRNA(Lys)包装到HIV-1病毒颗粒中的LysRS亚型是成熟形式的线粒体酶[7]。

在结肠癌中，KRS在细胞质翻译过程中发挥着传统作用。然而，KRS在结肠癌中高度表达，并且在磷酸化后定位于不同的细胞隔室（即T52磷酸化后的质膜和S207磷酸化后的细胞核），这可能导致非传统的替代功能。研究人员发现，KRS依赖的结肠癌细胞球在3D凝胶中的侵袭行为需要细胞分子与细胞外可溶性因子和邻近细胞之间的通讯。膜结合KRS和核KRS被发现在3D凝胶中结肠癌细胞球的侵袭细胞扩散中发挥作用。癌细胞球通过KRS依赖性机制分泌GAS6，导致巨噬细胞的M2极化，通过分泌FGF2/GROα/M-CSF激活邻近细胞，在环境重塑下通过成纤维细胞介导的层粘连蛋白产生促进癌症扩散。对结肠癌患者的临床组织和对癌症转移的Krs-/+动物模型的分析支持了KRS、GAS6和M2巨噬细胞在KRS依赖性肿瘤与环境因素之间的双向正反馈中的作用。总的来说，结肠癌细胞中的KRS重塑微环境以促进转移，因此可以通过针对这些双向KRS依赖性通讯进行治疗[8]。

在另一项研究中，研究人员描述了5名患有白质脑病患者的病例，这些患者在接受全基因组或全外显子组测序后被发现携带LARS2或KARS基因的致病性变异。患者表现为早期发病的听力损失和晚期的神经功能恶化，这是由于MRI上显示的进行性脑白质异常。具有LARS2致病性变异的女性患者出现卵巢早衰。在2名患者中，MRI还显示出早期发病的血管异常。在另外2名携带LARS2和KARS致病性变异的患者中，磁共振波谱分析显示白质乳酸升高，提示线粒体疾病。一名具有LARS2致病性变异的患者在死后脑部检查中显示出少突胶质细胞和星形胶质细胞原发性疾病，表现为髓鞘缺乏和星形胶质细胞化不良。纯化的重组突变体线粒体亮氨酸tRNA合成酶的氨基酰化活性显示出3倍的催化效率损失。患者淋巴细胞和成纤维细胞的氨基酰化分析显示酶活性约降低50%。这项研究将LARS2和KARS致病性变异添加为可能导致听力损失、卵巢早衰和具有线粒体特征的脑白质脑病的基因缺陷。研究人员讨论了由线粒体tRNA合成酶缺陷引起的白质脑病的特定MRI特征，并建议将氨基酰化分析作为白质脑病的生化诊断工具[9]。

综上所述，KARS1基因编码的赖氨酸tRNA合成酶在蛋白质合成和线粒体功能中发挥着重要作用。KARS1基因的变异与多种神经系统疾病相关，包括神经发育障碍、听力损失和白质脑病等。研究还发现，KARS1基因的变异可能影响细胞质和线粒体LysRS亚型的功能，导致线粒体功能障碍和能量代谢异常。此外，KARS1基因的变异还可能与癌症的发生和转移有关。因此，深入研究KARS1基因的功能和变异对神经系统疾病和癌症的治疗具有重要意义。