核基因突变导致儿童线粒体病的分子遗传学进展

　　线粒体病是由线粒体基因或核基因突变引起线粒体代谢酶功能缺陷，导致ATP合成障碍、能量产生不足所引起的一组多系统性疾病基因诊断是目前诊断线粒体病的金标准线粒体蛋白组包含约I500种蛋白质,线粒体基因仅编码其中的13种,大部分由核基因编码，其突变引起的线粒体病占75%~95%'。核基因突变可分为100种类型：呼吸链复合物亚基及组装因子突变，维持线粒体基因稳定性的突变，线粒体蛋白合成装置缺陷，线粒体脂质环境缺陷，线粒体运输装置缺陷,辅酶QI0缺乏，线粒体网络动态学缺陷，凋亡缺陷，丙酮酸脱氢酶缺陷，线粒体铁代谢障碍。

　　1呼吸链复合物亚基及组装因子突变

　　目前为止，氧化磷酸化亚基基因共有92个,其中79个均由核基因编码，且核基因至少编码35个组装因子6已报道的呼吸链复合物及组装因子突变基因为51个（表1)。

　　复合物丨缺陷是线粒体病最常见的生化缺陷，占所有缺陷的1/3。NDUFS1、NDUFS3'NDUFS4、NDUFS7、NDUFS8^NDUFVI、NDUFA、NDUFA2、NDUFA!0、NDUFA9、NDVFA12基因突变可导致Leigh综合征_8:。NDUFS2、NDVFS6、NDUFB3、/VZWFK2、/WWF/W/基因突变可导致线粒体心肌病和致死性新生儿脑病（MITOMAP:StructuralNuclearGenesinMitochondrialDisease)。组装因子NDUFAF2、NDUFAF5、NDUFAF6、F0XRED1突变亦导致Leigh综合征18iNDUFAFl突变导致线粒体心-脑肌病[91;NDUFAF3、NDUFAF4突变导致新生儿脑病wi;NUfiPL突变导致线粒体脑肌病-,ACAD9突变导致线粒体心肌病和脑病。

　　复合物n亚基SDHA突变可导致Leigh综合征t131，SDHB、SDHC、SUHD突变与常染色显性遗传的肾上腺嗜铬细胞瘤和神经节细胞瘤有关^,组装因子SDHAF1、SDHAF2突变分别导致脑白质病17和常染色体显性遗传的

　　作者单位首都医科大学附属北京儿童医院神经科北京，100045通讯作者方方，E-mail:fT139@<mailto:fT139@>

　　神经节细胞瘤”。

　　复合物m缺陷相对少见，目前报道4个基因与线粒体病有关+,9'20：l’UQCRB突变导致低血糖和乳酸酸中毒a';UQCRQ突变导致Leigh综合征复合物III组装因子flCS/L突变除了可导致Leigh综合征外，也可导致致死性新生儿生长迟滞、氨基酸尿、胆汁淤积、铁过多、乳酸酸中毒和早期夭折综合征_(GRACILE)和Bjamstad综合征124(感音神经性耳聋和卷发）。TTC19突变导致进行性神经退行性疾病125、Leigh综合征;、精神异常:和脊髓小脑共济失调。

　　复合物IV缺陷主要为组装因子突变，以SURF1最多见’SURFI是Leigh综合征最常见的致病基因1M国外I项回顾性多中心研究表明，在180例线粒体呼吸链酶复合物IV缺陷患儿中,47例（26.1%)发现基因突变i30i；中国研究在2/M5例（丨.4%)Leigh综合征患儿发现SIIRF1基因突变。其他复合物IV组装因子包括SC01'SC02、COXIO、COX15、00X20^LRPPRC、FASTKD2、TAC01和PET100，其中COXIO、COX15、LRPPRC、TAC01和PET100突变可导致Leigh综合征；COX2Q突变导致小脑共济失调和肌张力低下;SC01、SC02、COX10、COX15、FASTKD2突变导致多系统受累的致死性新生儿脑病，其中SC01突变主要与肝功能衰竭有关，SC02、C0X15突变与心肌病有关，COXIO突变累及肾脏。截止目前，仅报道亚基基因COX6B1和NDUFA4突变可分别导致严重性致死性新生儿脑病和Leigh综合征。

　　复合物V缺陷少见，目前仅见ATP5E亚基基因和ATPAF2JMEM70组装因子突变报道。ATP5E突变临床表现为新生儿期起病的乳酸酸中毒，伴3-甲基戊烯二酸尿、轻度精神运动发育迟滞和进展性周围神经病变;ATPAF2突变导致先天性乳酸酸中毒和致死性婴儿多系统疾病(脑、肌肉、肝脏、心脏）[38]，TMEM70突变导致ATP合成酶缺陷和新生儿脑病伴心肌病。

　　2维持线粒体基因稳定性的核基因突变

　　2.1线粒体DNA缺失综合征以骨骼肌或血液标本中线粒体DNA片段缺失为特点，主要对应3种疾病：Kearns-Sayre综合征（KSS)、进行性眼外肌麻癖（PEO)和Pearson综合征，大部分为散发病例，KSS和Pearson综合征遗传方式为母系遗传[40]。而PE0除母系遗传外，尚有常染色体显性遗传和隐性遗传。大部分显性遗传家族携带P0LG、ANT1和twinkle基因杂合突变，少部分由POLG2基因杂合突变引起。^VA7V基因编码心脏、肌肉特有的线粒体腺嘌呤核苷酸转运蛋白，基因编码mtDNA解螺旋酶;尸0/^基因编码mtDNA聚合酶7的催化亚基，P0LC2编码其配件亚基。P0LC基因是孟德尔遗传性PE0最为常见的致病基因，且可引起除PE0外的多种临床表型，包括①感觉性共济失调神经病变、构音障碍和眼肌麻痹（SAND0A)，②脊髓小脑共济失调、癫癎、伴或不伴眼肌麻痹（SCAE)，③以肌病、肝病、偏头痛、难治性癫癎和智力障碍为特征的新生儿Alpers-Huttenlocher综合征，④儿童脑肌肝病(MCHS)，⑤肌阵挛、癫癎、肌病和感觉性共济失调(MEMSA)。

　　2.2线粒体DNA耗竭综合征是一组以线粒体DNA数量严重减少导致能量产生障碍为特点的常染色体隐性遗传疾病，临床分为肌病、脑肌病、肝性脑病和神经胃肠道脑肌病4种，目前发现9种基因突变，其中TK2基因突变与肌病型关联，和基因突变与脑肌病型有失，DGUOK、P0LG、C10oifl和MPV17基因与肝性脑病型有关，TOfP基因突变与神经胄肠道脑肌病型相关。

　　神经胃肠道脑肌病的责任基因编码胸腺嘧啶磷酸化酶(TYMP)，其作用于线粒体脱氧核苷三磷酸（dNTP)合成，7TMP基因突变导致dNTP池失衡和mtDNA不稳定，表现为骨骼肌中大片段mtDNA缺失或部分mtDNA耗竭。除此之外，也有P0LG和RRM2B基因突变导致MNGIE样表现的报道[#>]。

　　3线粒体蛋白合成装置缺陷

　　线粒体蛋白合成需要tRNA、rRNA和核基因编码蛋白的参与，包括77-线粒体核糖体蛋白、tRNA成熟酶（如假尿苷合成酶-1)、氨酰基-tRNA合成酶和翻译起始、延长、终止因子。编码线粒体核糖体蛋白16、22的MRP16和MRP22基因突变，可引起氧化磷酸化联合缺陷2型、5型，表现为新生儿期起病的严重乳酸酸中毒，伴脑和（或）心脏发育不良。编码假尿苷合成酶-1的PUS1突变和编码酪氨酰-tRNA合成酶的K4ES2突变，分别导致常染色隐性遗传性线粒体肌病、乳酸酸中毒和铁粒幼细胞性贫血（MLASA)1型和2型[47]。编码门冬氨酰-tRNA合成酶的DARS2基因突变导致脑白质病变伴脑干和脊髓受累、乳酸酸中毒(LBSL)综合征。编码精氨酸-tRNA合成酶的RAHS2基因突变导致常染色体隐性遗传性脑桥小脑发育不良(PCH)，伴小头畸形和严重的精神运动发育迟滞。编码丝氨酰-tRNA合成酶的SARS2基因突变导致高尿酸血症、肺动脉高压、婴儿肾衰竭和碱中毒（HUPRA)综合征。线粒体翻译延长因子?：FG八：TSFM和7T/FM基因突变，分别可导致氧化磷酸化联合缺陷1型、3型和4型。

　　氧化磷酸化联合缺陷（C0XPD)是一组由于线粒体蛋白合成受阻，导致氧化磷酸化系统缺陷，进而引起多系统功能障碍的疾病,多于新生儿期或婴儿期发病，表现为严重的乳酸酸中毒、脑肌病、心肌病和肝功能障碍等。C0XPD具有显著的遗传异质性，目前共报道了19个基因突变导致的19型氧化磷酸化联合缺陷（C0XPD1-19)，大部分为常染色隐性遗传，也有X连锁隐性遗传的报道（http：//)。

　　4线粒体脂质环境缺陷

　　目前报道2种基因突变导致线粒体脂质环境缺陷，一种是编码taffazins蛋白家族成员的G4.5基因突变，导致Barth综合征。Barth综合征是以线粒体肌病、肥厚型或扩张型心肌病、心肌致密化不全、生长迟缓、白细胞减少和甲基戊烯二酸为特征的X-隐性遗传性线粒体病。taffazins蛋白与磷脂酰转移酶作用类似，参与心磷脂的合成，心磷脂位于线粒体内膜上，在呼吸链复合物V的结构稳定和功能调制方面都是必需的。也作用于磷脂酰甘油重构，在线粒体功能和细胞内胆固醇转运中起着重要作用的SERAC1基因突变，引起常染色体隐性遗传性3-甲基戊烯二酸、耳聋、脑病和Leigh样(MEGDEL)综合征。

　　5线粒体运输装置缺陷

　　目前报道4种基因突变导致线粒体运输装置缺陷^9’201，①编码线粒体内膜运输蛋白的Z>Z>P7基因，引起X-连锁隐性遗传性耳聋-肌张力障碍综合征（DDS)，又称为Mohr-Tranebjaerg综合征，表现为儿童期起病的渐进性耳聋，肌张力障碍，痉挛状态，智力倒退和失明编码线粒体内膜移位酶的DNAJC19基因，引起扩张型心肌病伴共济失调(DCMA)综合征，表现为早发性扩张型心肌病伴传导阻滞，非进行性小脑共济失调，生长缓慢，睾丸发育不全和3-甲基戊烯二酸尿;③编码ATP结合体运输家族成员的ABCB7基因，ABCB7负责将铁从线粒体运输至细胞质中，其突变引起X-连锁隐性遗传性铁粒幼细胞性贫血伴共济失调（XLSA/A)；④线粒体磷酸盐载体SLC25A3基因，引起婴儿期乳酸酸中毒、肥厚型心肌病和肌张力减退，肌肉酶活性测定提示ATP合成受损。

　　6辅酶Q10缺乏

　　辅酶Q10是所有细胞膜的脂溶性组成成分，为呼吸链酶复合物I、n至m传递电子，并起着稳定呼吸链复合物m的作用。辅酶qio缺乏主要与6种疾病表型有关:①脑肌病型，伴抽搐和共济失调，②严重的新生儿多系统线粒体病，③小脑共济失调，④单纯性肌病，⑤Leigh综合征，⑥激素抵抗性肾病综合征，目前尚未发现明显的基因型-临床表型相关性。目前共报道6个基因与原发性辅酶Q10缺乏有关，包括C0Q2、PDSS1、PDSS2、C0Q8(ADCK3)、C0Q9、(戊二酸尿症nc型）和狀ra(共济失调、动眼神经失用综合征i,aoai综合征）基因突变与继发性辅酶Qio缺乏有关。呼吸链酶活性测定表现为I+in或n+ni的联合缺陷。

　　7线粒体网络动态学缺陷

　　线粒体是一个动态细胞器，不断地分裂和融合，两者之间的平衡控制着线粒体的形态学改变，此过程均受核基因调控。线粒体融合需要3个GTP酶协同作用:线粒体融合蛋白1(MFN1)、MFN2和OPA1。融合基因突变导致持续裂变而不聚合，从而引起线粒体碎片的形成。MF/V2基因杂合突变除引起腓骨肌萎缩症2A型外，可能引起线粒体缺失综合征样表现:儿童早期视神经萎缩，伴有成人期轴突性神经病和线粒体肌病。基因突变导致常染色体显性遗传性视神经萎缩，其中视神经萎缩可伴有肌病、进行性眼外肌麻痹、听力损害、共济失调和骨骼肌线粒体DNA缺失等线粒体缺失综合征样表现。

　　线粒体分裂由动力蛋白样蛋白KDNM1L)所完成，分製基因突变导致过长和相互连通的通心粉样线粒体形成。DATV/il基因突变引起严重的新生儿脑病，表现为小头畸形、脑发育不良、视神经萎缩和发育不良、持续乳酸酸中毒，而且由于0/VML基因也在过氧化物酶体表达，D/VM几基因突变引起过长的线粒体和过氧化物酶体共存。

　　8线粒体凋亡缺陷

　　参与线粒体凋亡的FASTKD2基因突变可引起线粒体脑肌病，表现为发育迟滞、偏瘫、抽搐、非对称性脑萎缩和细胞色素C氧化酶缺陷（通过肌活检酶学测定）。

　　9丙酮酸脱氢酶缺陷

　　丙酮酸脱氢酶复合体催化丙酮酸（主要来自于糖）至乙酰辅酶A的转化，是糖酵解途径和三羧酸循环的连接点。丙酮酸脱氢酶缺陷是最常见的、遗传异质性较强的线粒体能量代谢缺陷之一，、歷B'PDHX等基因均导致丙酮酸脱氢酶缺陷，其中突变最常见。PDH缺陷主要有3种临床表型：代谢型、神经变性型和中间型，头颅影像学表现为对称性基底节、脑干受累，归为Leigh综合征;伴脑萎缩样改变和典型的完全或部分胼胝体缺如[64]。基因突变引起PDH缺陷并非常见的X-连锁隐性或显性遗传疾病，男女均可发病，女性携带者部分表现出临床症状，部分正常，由X染色体失活比例的髙低引起的

　　10线粒体铁代谢障碍

　　线粒体铁代谢紊乱通过影响细胞铁代谢及能量代谢而致病。在氧化磷酸化的过程中，铁硫簇起着重要的电子传递功能，铁硫簇的合成与调控是线粒体铁代谢的核心，FRDA、GLRX5、ISCU、B0LA3、NFV1均参与铁硫簇的生物合成。FKZM基因突变可引起Friedreich共济失调。ISCU基因突变导致遗传性肌病伴乳酸酸中毒（HML)。NFU1和B0LA3基因突变可引起常染色体隐性遗传性多重线粒体呼吸链功能障碍综合征（MMDS)。GLm基因突变引起常染色隐性遗传性铁粒幼细胞性贫血，形态学特征为环形铁粒幼细胞存在和骨髓红系祖细胞线粒体内病理铁沉积_。

　　综上所述，线粒体核基因数目庞大，临床表现多样，异质性强，致使线粒体病的分子诊断困难且复杂。近几年来，随着分子生物学技术的发展，二代测序技术不仅能同时对大量候选核基因甚至全外显子进行平行测序，发现新的致病基因，而且能一步完成mtDNA点突变（检测出15%以下的突变频率)及大片段缺失的检测，将使线粒体病的诊断发生革命性的变化。

作者：刘志梅，方方