線粒體DNA及其基因突變與Leber遺傳性視神經(jīng)病關(guān)系的研究進(jìn)展

吳雅俊，胡裕翔，彭小蓼，吳曉蓉

(南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院，南昌330006)

·綜述·

線粒體DNA及其基因突變與Leber遺傳性視神經(jīng)病關(guān)系的研究進(jìn)展

吳雅俊，胡裕翔，彭小蓼，吳曉蓉

(南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院，南昌330006)

線粒體的主要功能是通過(guò)氧化磷酸化產(chǎn)生ATP，為生物體提供約95%的能量，線粒體內(nèi)含少量遺傳物質(zhì)，即線粒體DNA(mtDNA)，受精時(shí)隨母親的細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入受精卵，發(fā)揮遺傳特性。mtDNA基因突變可改變呼吸鏈復(fù)合體的功能，直接影響電子傳遞過(guò)程或脫氧核苷(ADP)磷酸化，使ATP生成減少，能量代謝紊亂，引起耗能多的組織器官如大腦、心臟、脊髓、眼等受累，從而產(chǎn)生一系列癥狀。Leber遺傳性視神經(jīng)病為細(xì)胞質(zhì)母系遺傳病，其發(fā)生與mtDNA某些基因位點(diǎn)的突變有關(guān)，突變位點(diǎn)不固定，包括11778、3460、14484三個(gè)主要原發(fā)突變位點(diǎn)和其他繼發(fā)突變位點(diǎn)，患者通常僅有一個(gè)mtDNA位點(diǎn)的突變，也可同時(shí)合并多個(gè)位點(diǎn)的突變。

Leber遺傳性視神經(jīng)病；線粒體DNA；基因突變；原發(fā)突變；繼發(fā)突變

Leber遺傳性視神經(jīng)病又名LHON或家族性視神經(jīng)病，是青壯年致盲的主要疾病之一，15～35歲人群高發(fā)，平均發(fā)病年齡24歲，男性發(fā)病率高于女性，通常有家族遺傳史[1,2]。LHON是一種主要累及視盤(pán)及視盤(pán)黃斑纖維的視神經(jīng)退行性病變，臨床主要表現(xiàn)為急性或亞急性無(wú)痛性視力下降，雙眼同時(shí)或先后發(fā)生，常伴色覺(jué)障礙、中心視野缺損及視神經(jīng)萎縮，可引起多系統(tǒng)并發(fā)癥[3,4]。LHON發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，除遺傳因素外，環(huán)境因素、糖尿病、吸煙飲酒等均為發(fā)病誘因[5]。Wallace等[2]研究發(fā)現(xiàn)，LHON患者線粒體DNA(mtDNA)的11 778位點(diǎn)發(fā)生突變，鳥(niǎo)苷酸(G)被腺嘌呤(A)替代，呼吸鏈上還原型輔酶Ⅰ(NADHⅠ)亞單位4(ND4)基因編碼的精氨酸變成了組氨酸，首次證實(shí)LHON的發(fā)生與mtDNA基因位點(diǎn)突變有關(guān)，為遺傳性疾病。通常LHON患者僅有一個(gè)mtDNA基因位點(diǎn)突變，少數(shù)合并兩個(gè)mtDNA基因位點(diǎn)突變。本文就mtDNA及其基因突變與LHON的關(guān)系作一綜述。

1 mtDNA概述

線粒體是一種細(xì)胞器，存在于大部分真核生物細(xì)胞內(nèi)，主要功能是通過(guò)氧化磷酸化產(chǎn)生ATP，為生物體提供約95%的能量[6]。線粒體也具有遺傳特性，內(nèi)含少量遺傳物質(zhì)，即mtDNA，受精時(shí)隨母親的細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入受精卵，發(fā)揮遺傳特性。人類(lèi)mtDNA全長(zhǎng)16 596 bp，屬于細(xì)胞質(zhì)DNA，有37個(gè)編碼基因，參與表達(dá)呼吸鏈復(fù)合體的13個(gè)亞基(復(fù)合體Ⅰ中的7個(gè)亞基、復(fù)合體Ⅲ中的1個(gè)亞基、復(fù)合體Ⅳ中的3個(gè)亞基和ATP合酶的2個(gè)亞基)、線粒體內(nèi)的22個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)和2個(gè)核糖體RNA(rRNA)[7]。mtDNA基因突變可改變呼吸鏈復(fù)合體的功能，直接影響電子傳遞過(guò)程或脫氧核苷(ADP)磷酸化，使ATP生成減少，能量代謝紊亂，引起耗能多的組織器官如大腦、心臟、脊髓、眼等受累，從而產(chǎn)生一系列癥狀。由于mtDNA呈裸露的環(huán)形雙螺旋結(jié)構(gòu)，缺乏蛋白質(zhì)保護(hù)和損傷修復(fù)系統(tǒng)，易受損突變，其突變率遠(yuǎn)高于細(xì)胞核DNA。mtDNA僅存在于細(xì)胞質(zhì)中，精子在受精過(guò)程中細(xì)胞質(zhì)不能進(jìn)入受精卵，故LHON男性患者的變異遺傳物質(zhì)無(wú)法傳遞給下一代，其子女均不發(fā)病，而LHON女性患者的子女均可發(fā)病，遂表現(xiàn)為母系遺傳病。因此在運(yùn)用基因檢測(cè)如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)技術(shù)測(cè)定LHON患者的mtDNA序列時(shí)，最好同時(shí)提取該患者家族中母系成員的mtDNA序列以進(jìn)一步明確診斷。

2 mtDNA基因位點(diǎn)突變與LHON的關(guān)系

2.1 mtDNA基因原發(fā)突變位點(diǎn)與LHON的關(guān)系 約95%的LHON患者與mtDNA的三個(gè)原發(fā)突變位點(diǎn)突變有關(guān)，即11778、3460、14484。11778位點(diǎn)突變最常見(jiàn)，14484位點(diǎn)突變次之，研究表明，mtDNA基因位點(diǎn)11778、3460、14484突變會(huì)影響LHON患者的預(yù)后，但不影響其臨床表現(xiàn)[8]。4%的11778位點(diǎn)突變LHON患者可恢復(fù)部分視力，37%～58%的14484位點(diǎn)突變患者可恢復(fù)部分視力，3460位點(diǎn)突變患者的視力恢復(fù)情況介于兩者之間。研究表明，相比于14484位點(diǎn)突變的LHON患者，11778位點(diǎn)突變患者發(fā)病早期視神經(jīng)纖維層(RNFL)水腫更嚴(yán)重，晚期RNFL萎縮更嚴(yán)重，提示預(yù)后更差[9]。除了上述三個(gè)主要原發(fā)突變位點(diǎn)外，新的突變位點(diǎn)不斷被更新報(bào)道，至今已發(fā)現(xiàn)有幾十個(gè)mtDNA基因位點(diǎn)突變與LHON發(fā)病有關(guān)[10]。

2.2 mtDNA基因繼發(fā)位點(diǎn)突變與LHON的關(guān)系 某些mtDNA基因突變位點(diǎn)可協(xié)助原發(fā)位點(diǎn)突變導(dǎo)致LHON發(fā)生，這些位點(diǎn)為繼發(fā)突變位點(diǎn)，也有患者僅發(fā)生繼發(fā)位點(diǎn)突變?，F(xiàn)階段研究較多的、與LHON發(fā)病有關(guān)的mtDNA繼發(fā)位點(diǎn)基因主要為3472、3866。mtDNA基因3472位點(diǎn)突變時(shí)核苷酸堿基T被C替換，NADHⅠ第56位置上的苯丙氨酸被亮氨酸取代；此改變導(dǎo)致線粒體內(nèi)膜上的跨膜電位降低，ADP與磷酸(Pi)結(jié)合形成ATP的過(guò)程受到影響，導(dǎo)致細(xì)胞能量不足，并過(guò)度產(chǎn)生活性氧，細(xì)胞呼吸功能障礙，進(jìn)而損傷視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞及軸突細(xì)胞，引起視功能障礙。有研究采集僅有3472位點(diǎn)突變的LHON患者及其親屬的皮膚成纖維細(xì)胞、血小板進(jìn)行培養(yǎng)及氧消耗速率檢測(cè)，結(jié)果提示其成纖維細(xì)胞氧耗速率明顯低于正常人，證實(shí)mtDNA基因3472位點(diǎn)突變?yōu)長(zhǎng)HON的致病原因[11]。mtDNA基因3866位點(diǎn)負(fù)責(zé)編碼ND1亞基，該位點(diǎn)突變可引起核苷酸堿基從T突變?yōu)镃，導(dǎo)致異亮氨酸被蘇氨酸替代，引起呼吸酶活性降低，從而影響有氧代謝。國(guó)內(nèi)一項(xiàng)關(guān)于LHON合并四肢畸形跛行的研究顯示，該家系5代共60人中有4人與先證者癥狀相同，1人僅四肢跛行，4人僅表現(xiàn)LHON眼部癥狀；對(duì)先證者行mtDNA測(cè)序發(fā)現(xiàn)其3866位點(diǎn)突變，證實(shí)3866為L(zhǎng)HON的mtDNA突變位點(diǎn)[12]。

2.3 mtDNA基因原發(fā)位點(diǎn)合并繼發(fā)位點(diǎn)突變與LHON的關(guān)系 LHON患者可發(fā)生mtDNA原發(fā)位點(diǎn)合并繼發(fā)位點(diǎn)突變。國(guó)內(nèi)一項(xiàng)研究顯示，LHON先證者原發(fā)位點(diǎn)3460合并繼發(fā)位點(diǎn)9804突變，該家系11人中僅1人有類(lèi)似癥狀，表現(xiàn)為視力急劇下降，且 PCR測(cè)序顯示二者均存在mtDNA基因3460、9804位點(diǎn)突變；mtDNA基因9804位點(diǎn)發(fā)生從G突變成A，影響電子呼吸鏈酶復(fù)合體Ⅳ(細(xì)胞色素C氧化酶)中的亞基(線粒體細(xì)胞色素C氧化酶亞基Ⅲ)，使呼吸酶生成缺陷，ATP合成異常，細(xì)胞氧供減少，從而引起視力急劇下降[13]。國(guó)內(nèi)外僅報(bào)道了1例LHON患者存在mtDNA基因4924位點(diǎn)突變，該患者同時(shí)有原發(fā)位點(diǎn)11778突變，4924位點(diǎn)位于11778位點(diǎn)旁，基因突變使堿基由G變?yōu)锳，患者除了雙眼視力急劇下降外無(wú)其他不適，其余系統(tǒng)檢查無(wú)明顯異常，無(wú)吸煙、飲酒史；該報(bào)道認(rèn)為，mtDNA 繼發(fā)位點(diǎn)4924突變是LHON的致病因素[14]。為了了解合并位點(diǎn)突變對(duì)LHON的影響，研究者對(duì)同時(shí)具有繼發(fā)位點(diǎn)4216/ND1、13708/ND5及原發(fā)位點(diǎn)11778突變的LHON患者進(jìn)行大腦、骨骼肌的有氧代謝能量測(cè)定，結(jié)果顯示患者與僅發(fā)生mtDAN基因11778位點(diǎn)突變者比較臨床表現(xiàn)并無(wú)明顯差異，這兩個(gè)繼發(fā)突變位點(diǎn)與11778位點(diǎn)關(guān)聯(lián)時(shí)不會(huì)加重線粒體的氧化代謝[15]。亦有研究利用骨肉瘤來(lái)源的雜交細(xì)胞建立同時(shí)擁有3個(gè)LHON相關(guān)基因突變位點(diǎn)(原發(fā)位點(diǎn)11778、14484及繼發(fā)位點(diǎn)11253)的mtDNA細(xì)胞模型，以及僅有單個(gè)原發(fā)突變位點(diǎn)(11778、14484)的mtDNA細(xì)胞模型，并將這兩種細(xì)胞分別置于含有相同葡萄糖、半乳糖的培養(yǎng)基中；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種細(xì)胞的氧耗速率基本相同，證明兩種線粒體的功能沒(méi)有明顯差異[16]。以上研究均證實(shí)，mtDNA基因繼發(fā)位點(diǎn)合并原發(fā)位點(diǎn)突變時(shí)對(duì)LHON的臨床癥狀無(wú)明顯影響，mtDNA基因突變位點(diǎn)之間對(duì)線粒體的功能、LHON進(jìn)展并無(wú)協(xié)同作用。

有研究選擇了34例無(wú)血緣關(guān)系的韓國(guó)LHON患者，對(duì)其外周血白細(xì)胞進(jìn)行mtDNA基因全測(cè)序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)21例僅發(fā)生原發(fā)位點(diǎn)突變，11例僅發(fā)生繼發(fā)位點(diǎn)突變，2例同時(shí)發(fā)生原發(fā)和繼發(fā)位點(diǎn)突變，證實(shí)mtDAN基因繼發(fā)位點(diǎn)(11696、3394、14502)突變可能與LHON的發(fā)生有關(guān)；該研究發(fā)現(xiàn)，mtDNA基因原發(fā)位點(diǎn)與繼發(fā)位點(diǎn)突變的患者RNFL厚度均降低，但患者之間并無(wú)明顯差異，且mtDNA基因繼發(fā)位點(diǎn)突變的女性患者較多，其視力、視野、中心視野損害程度均輕于原發(fā)位點(diǎn)突變患者[17]。國(guó)內(nèi)研究顯示，mtDNA基因繼發(fā)位點(diǎn)突變的LHON女性患者居多，但其RNFL變薄、視神經(jīng)萎縮情況更輕[18]。以上結(jié)論提示，對(duì)于RNFL變薄的LHON患者應(yīng)同時(shí)考慮mtDNA基因原發(fā)及繼發(fā)位點(diǎn)突變的可能；LHON女性患者多存在mtDNA基因繼發(fā)位點(diǎn)突變，但其視力、色覺(jué)、視野的損害更小[19,20]。

綜上所述，某些mtDNA基因位點(diǎn)突變可導(dǎo)致LHON的發(fā)生，3個(gè)主要的原發(fā)突變位點(diǎn)分別為11778、3460、14484；有關(guān)基因突變位點(diǎn)種類(lèi)、突變數(shù)與臨床表現(xiàn)無(wú)關(guān)，但可能會(huì)影響患者預(yù)后。家族遺傳史、臨床表現(xiàn)、眼部檢查及mtDNA基因測(cè)序可確診該病。LHON的惟一確診依據(jù)為mtDNA全測(cè)序，該病以預(yù)防為主，目前沒(méi)有特效的治療手段，主要采取對(duì)癥治療：①一般支持療法[21]：禁煙禁酒，遠(yuǎn)離放射性毒物，充足營(yíng)養(yǎng)、睡眠等；②神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)療法：服用維生素B1、B2、B12、C等；③藥物療法：服用輔酶Q、EP1-743(INN)[22]、Raxone(歐盟委員會(huì)批準(zhǔn)LHON專(zhuān)用藥)[23]等；④干細(xì)胞療法：使用間充質(zhì)干細(xì)胞或自體骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞[24]種植入玻璃體內(nèi)替換原神經(jīng)節(jié)細(xì)胞、軸突細(xì)胞；⑤基因療法[25]：視網(wǎng)膜下靜脈注射含有ND4基因的重組腺相關(guān)病毒載體(rAAV2-ND4)等。

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國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81360151；81760179)；江西省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(20171BAB205046)；江西省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(GJJ160033)；江西省衛(wèi)計(jì)委科技計(jì)劃項(xiàng)目(20141031)。

吳曉蓉(E-mail： wxr98021@126.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.44.032

R774

A

1002-266X(2017)44-0098-03

2017-06-10)