论文标题：Lack of CFAP54 causes primary ciliary dyskinesia in a mouse model and human patients

期刊： Frontiers of Medicine

作者：Xinyue Zhao, Haijun Ge, Wenshuai Xu, Chongsheng Cheng, Wangji Zhou, Yan Xu, Junping Fan, Yaping Liu, Xinlun Tian, Kai-Feng Xu, Xue Zhang

发表时间： 15 Dec 2023

DOI：10.1007/s11684-023-0997-7

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导 读

中国医学科学院基础医学研究所刘雅萍和北京协和医院田欣伦等在Frontiers of Medicine发表研究论文《CFAP54缺失在小鼠模型和人类患者中引发原发性纤毛运动障碍》（Lack of CFAP54 causes primary ciliary dyskinesia in a mouse model and human patients）。本研究通过对两个不相关患者家庭的基因测序及小鼠模型研究，证实CFAP54复合杂合突变可导致纤毛功能异常及相关表型，为疾病的遗传诊断和机制研究提供了新依据。

原发性纤毛运动障碍是一种罕见的常染色体隐性或X连锁隐性遗传性疾病。该疾病的致病机制与运动纤毛或精子鞭毛的结构或功能受损相关，这些结构主要存在于呼吸道上皮、室管膜细胞、女性生殖道的纤毛细胞以及胚胎中的结纤毛。纤毛和鞭毛的功能异常会导致新生儿呼吸窘迫、慢性湿咳、慢性中耳炎、鼻窦炎、支气管扩张、不孕以及内脏反位等多种症状。尽管目前已报道超过40个与原发性纤毛运动障碍相关的致病基因，但仍有部分病例的遗传病变原因不明，因此寻找新的致病基因对于完善疾病诊断和治疗具有重要意义。

中国医学科学院基础医学研究所刘雅萍和北京协和医院田欣伦等通过对两个不相关的原发性纤毛运动障碍患者家庭进行研究，证实了CFAP54基因的复合杂合突变会导致疾病的发生，为原发性纤毛运动障碍的基因诊断和致病机制研究提供了新的重要依据。

研究团队对两个不相关的原发性纤毛运动障碍患者家庭进行了深入研究。第一个家庭的先证者为32岁男性，因反复咳痰1年于2014年在北京协和医院被诊断为支气管扩张。通过全外显子测序和Sanger测序，发现该患者携带CFAP54的复合杂合突变，包括母源的移码缺失突变c.2649_2657delinC（p.E883Dfs*47）和父源的框内插入突变c.7312_7313insCGCAGGCTGAATTCTTGG（p.T2438delinsTQAEFLA），这两种突变在GnomAD数据库中均为新发现。ACMG将移码缺失突变归类为致病性，框内插入突变归类为可能致病性。对该先证者的精子鞭毛进行H&E染色和透射电镜观察，发现精子鞭毛短小或缺失，精子头部聚集，轴丝的“9+2”超微结构不完整，且精子中CFAP54的mRNA表达较正常对照显著降低（图1）。

图1 精子异常的原发性纤毛运动障碍（PCD）患者CFAP54基因突变

第二个家庭的先证者为39岁男性，被诊断为哮喘25年，2020年被诊断发现支气管扩张，存在中度不可逆性阻塞性通气功能障碍。通过全外显子测序和Sanger分析，发现CFAP54的两个复合错义突变c.4112A>C（p.E1371A）和c.6559C>T（p.P2187S），ACMG评估为可能致病性。TA克隆证实这两个变异位于不同的等位基因上。基于全外显子测序结果和患者的临床检查，排除了囊性纤维化、免疫缺陷等其他导致支气管扩张的原因。

为验证移码突变的致病性，研究进行了体外迷你基因实验。构建了包含正常外显子20序列和c.2649_2657delinC突变外显子20序列的野生型和突变型迷你基因质粒，结果显示与野生型质粒相比，突变导致外显子A +外显子20 +外显子B转录物的RNA表达减少，表明移码突变可能具有致病性（图2）。对于框内突变c.7312_7313insCGCAGGCTGAATTCTTGG（p.T2438delinsTQAEFLA）的致病性，研究建立了CFAP54框内变异敲入小鼠模型，该模型携带Cfap54的c.7535_7536delinCGCAGGCTGAATTCTTGGCA（p.M2512TQAEFLA）突变，其氨基酸变化与患者相同。敲入突变通过Sanger测序和qPCR验证，显示突变导致小鼠睾丸和脑中Cfap54 mRNA表达较野生型降低。对敲入小鼠模型的观察发现，其表现出脑积水表型，包括颅穹窿扩大、侧脑室脑脊液积聚和脑损伤，一半的纯合子突变小鼠（Cfap54ki/ki）在性成熟前自发死亡，可能与严重脑积水有关（图3）。

图2 移码缺失的迷你基因实验与qPCR分析

图3 Cfap54基因敲入小鼠模型的脑积水表型

为模拟原发性纤毛运动障碍患者的生活环境，将小鼠在非SPF环境中饲养并暴露于潜在病原体和细菌2周后评估鼻窦炎情况。MRI显示敲入小鼠的鼻腔通道、上颌窦或筛窦有黏液堆积，鼻腔冠状切片和AB-PAS染色进一步证实了该表型，且纯合子小鼠中黏液堆积和鼻中隔扭曲等原发性纤毛运动障碍相关表型更常见（图4）。高速视频分析显示，与野生型小鼠呼吸道纤毛的中位摆动频率8.2Hz相比，突变小鼠的纤毛摆动频率降低至6.2Hz，差异具有统计学意义，进一步表明CFAP54可能与气道纤毛功能相关，但纤毛的摆动模式在野生型和突变小鼠之间未观察到差异。

图4 Cfap54基因敲入小鼠模型的鼻窦炎表型

对存活超过8周的野生型和纯合子敲入小鼠的生精小管进行切片和H&E染色，发现野生型小鼠的精子细胞在精子发生过程中伸长，精子鞭毛延伸至生精小管管腔，而纯合子敲入小鼠的生精小管管腔中鞭毛数量减少，表明精子细胞的伸长阶段受到影响（图5）。附睾精子的H&E染色显示，突变小鼠的精子鞭毛缺失或缩短。透射电镜观察发现，野生型小鼠的鞭毛横切面为正常的“9+2”结构，而纯合子敲入小鼠的精子鞭毛组装异常且完全紊乱，但野生型和纯合子敲入小鼠的呼吸道运动纤毛超微结构未观察到显著差异。qPCR分析显示，CFAP54基因在野生型小鼠的睾丸、肺和脑中高表达，而纯合子敲入小鼠的睾丸和脑中该基因的表达呈下降趋势，但肺中mRNA表达无统计学显著差异，提示CFAP54功能障碍可能影响精子发生并导致不孕。

图5 Cfap54基因敲入小鼠模型的不孕表型

在第二个家庭的原发性纤毛运动障碍患者中鉴定出的CFAP54复合错义突变c.4112A>C（p.E1371A）和c.6559C>T（p.P2187S），在1000 Genomes Project、gnomAD（东亚人群）和Exome Aggregation Consortium数据库中均不存在。这两个变异编码的氨基酸在不同脊椎动物哺乳动物中高度保守，除M2变异被SIFT预测为耐受外，SIFT、PolyPhen-2和CADD均预测这两个变异具有致病性（图6）。STRING分析预测CFAP54可能与CCDC39高度相关，CCDC39对于纤毛轴丝中内动力蛋白臂和动力蛋白调节复合物的组装至关重要。此外，该患者支气管组织中CFAP54 mRNA表达较三个无关正常对照显著降低或几乎缺失，精子中CFAP54 mRNA表达较正常男性降低约40%（图7）。

图6 原发性纤毛运动障碍（PCD）F2家系及突变鉴定

图7 原发性纤毛运动障碍（PCD）患者与对照者的支气管组织及精子中CFAP54 mRNA表达分析

本研究在两个原发性纤毛运动障碍患者中发现CFAP54是一种新的与疾病相关的基因。通过体外迷你基因实验和体内非移码突变敲入小鼠模型分别研究了第一个家庭中CFAP54复合杂合突变c.2649_2657delinC和c.7312_7313insCGCAGGCTGAATTCTTGG的致病性，并验证了第二个家庭中携带CFAP54错义变异c.4112A>C和c.6559C>T的患者肺和精子中mRNA表达降低。这些发现有助于扩大原发性纤毛运动障碍相关基因谱，为遗传原发性纤毛运动障碍检测的目标基因识别做出贡献，同时为深入理解原发性纤毛运动障碍的致病机制提供了新的方向。

原文信息

标题

Lack of CFAP54 causes primary ciliary dyskinesia in a mouse model and human patients

作者

MXinyue Zhao¹, Haijun Ge¹, Wenshuai Xu¹, Chongsheng Cheng², Wangji Zhou², Yan Xu², Junping Fan², Yaping Liu¹, Xinlun Tian², Kai-Feng Xu², Xue Zhang¹

机构

1. McKusick-Zhang Center for Genetic Medicine, State Key Laboratory of Medical Molecular Biology, Institute of Basic Medical Sciences, Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College, Beijing 100005, China

2. Department of Pulmonary and Critical Care Medicine, State Key Laboratory of Complex Severe and Rare Diseases, Peking Union Medical College Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College, Beijing 100730, China

通讯作者

Yaping Liu, Xinlun Tian

引用这篇文章

Xinyue Zhao, Haijun Ge, Wenshuai Xu, Chongsheng Cheng, Wangji Zhou, Yan Xu, Junping Fan, Yaping Liu, Xinlun Tian, Kai-Feng Xu, Xue Zhang. Lack of CFAP54 causes primary ciliary dyskinesia in a mouse model and human patients. Front. Med., 2023, 17(6): 1236–1249

https://doi.org/10.1007/s11684-023-0997-7

https://journal.hep.com.cn/fmd/EN/10.1007/s11684-023-0997-7

https://link.springer.com/article/10.1007/s11684-023-0997-7

感谢作者对Frontiers of Medicine的信任和支持。

期刊简介

Frontiers of Medicine是中国工程院院刊，由教育部主管，高等教育出版社、中国工程院与上海交通大学医学院附属瑞金医院共同主办。期刊聚焦医学前沿领域的学术进展，关注国际研究热点与中国优秀研究成果，主编为陈赛娟院士、张伯礼院士和王小凡院士。主要报道领域涵盖临床医学、基础医学、转化医学、流行病学、公共卫生、中医药学和人工智能医学等，刊载文章类型包括Research Article、Review、Perspective、Editorial、Case Report、Comment、Letter等。

期刊已被SCI、PubMed、Scopus、中国科技核心期刊、中国科学引文数据库（CSCD）核心库、第三批临床医学领域高质量科技期刊分级目录T1级、化学文摘数据库（CAS）等权威数据库收录，在2025中国科学院文献情报中心期刊分区表医学大类中位列二区。

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