線粒體丙氨酰-轉(zhuǎn)運RNA合成酶2基因突變相關疾病的研究進展

董珍，徐俊

丙氨酰-tRNA合成酶2 (AARS2)基因為線粒體核DNA，定位于6p21.1，共包含22個外顯子，其負責編碼具有985個氨基酸的線粒體丙氨酰tRNA 合成酶(mtAlaRS)，催化線粒體轉(zhuǎn)運RNA(tRNA)和丙氨酸之間的氨?；磻猍1]。雖然AARS2基因突變是較為罕見的線粒體病，但目前國外已有較多關于AARS2基因突變相關疾病的病例報道和研究。本文就AARS2基因的生物學特征、檢測方法、其基因突變導致不同表型疾病的研究現(xiàn)狀及成人發(fā)病的白質(zhì)腦病合并軸索球樣變和色素膠質(zhì)細胞(ALSP)與AARS2相關的白質(zhì)腦病的鑒別作一綜述，希望提高臨床醫(yī)生對該線粒體病的認識。

1 線粒體AARS2基因的生物學特征

線粒體疾病通常是由氧化磷酸化系統(tǒng)的功能障礙引起，其導致細胞能量缺乏。線粒體病可以影響很多器官，特別是那些能量需求高的器官，包括神經(jīng)系統(tǒng)、骨骼肌、心肌、腎臟、肝臟和內(nèi)分泌系統(tǒng)。這組疾病具有遺傳異質(zhì)性，因為一些線粒體蛋白質(zhì)由線粒體DNA(mtDNA)編碼，而其余的是由核基因組(nDNA)轉(zhuǎn)錄的信使RNA (mRNA)所翻譯[2]。線粒體病根據(jù)突變基因為mtDNA或核DNA的不同，遺傳方式也有差異。若因線粒體DNA突變，則為母系遺傳，若為線粒體核DNA突變，則遵循孟德爾遺傳，包括常染色體隱性遺傳、常染色體顯性遺傳和 X-連鎖遺傳。線粒體氨酰tRNA合成酶就是這樣一類核基因家族，在細胞質(zhì)中合成，然后導入線粒體。線粒體蛋白質(zhì)合成的準確性依賴于核DNA編碼的線粒體氨酰tRNA合成酶(mtARS)和線粒體DNA編碼的tRNA的協(xié)同作用[3]。線粒體有相對獨立的蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng)，翻譯所需要的核糖體RNA(rRNA)和轉(zhuǎn)運tRNA均由自身提供，但所需的大多數(shù)蛋白質(zhì)如核糖體蛋白、氨酰tRNA合成酶(ARS)、翻譯因子等則由核DNA編碼后轉(zhuǎn)運到線粒體內(nèi)。其中ARS在蛋白質(zhì)合成中發(fā)揮重要的作用，負責將tRNA與特定的氨基酸結合，形成氨基酰-tRNA，再通過氨基酰-tRNA與mRNA配對結合，最終完成氨基酸間的正確連接，為蛋白質(zhì)的合成奠定基礎[4]。目前有37種ARS由核基因所編碼：17種編碼后在細胞質(zhì)中起作用的酶，17種編碼后在線粒體中起作用的酶，3種編碼后在細胞質(zhì)和線粒體中都起作用的酶。所有17種編碼線粒體ARS的雙等位基因突變都與人類的隱性表型疾病有關，并且這些突變經(jīng)常影響CNS?？梢曰贏RS在線粒體或細胞質(zhì)定位區(qū)分兩組ARS，按照標準命名法，胞質(zhì)ARS由氨基酸首字母+ARS構成，而線粒體ARS則會在胞質(zhì)ARS后面附屬一個“2”。故本文涉及的AARS2基因為線粒體核DNA，定位于6p21.1，共包含22個外顯子，其負責編碼具有985個氨基酸的mtAlaRS。mtAlaRS與其他的mtARS不同，除了有氨?；瘏^(qū)域外，還有一個編輯校正區(qū)域負責水解錯誤連接的tRNA與氨基酸，另外還有一個C-末端，負責提高tRNA與氨基酸結合及氨酰化的速率，各亞區(qū)共同作用，從而保證線粒體蛋白合成的高效及精確性[1]。

2 AARS2基因突變檢測方法

2.1 Sanger測序 又稱為一代測序，其利用了雙脫氧核苷酸會終止PCR的原理。此測序方法一直是孟德爾疾病分子診斷的金標準，目前仍然是臨床基因檢測的首選測試[5]。然而，由于Sanger測序一次只能分析一個DNA片段，費力且耗時，所以目前被廣泛應用在單序列測序上，其目的是確認疑似診斷及更準確的遺傳咨詢。

2.2 新一代測序(NGS) 常包括以下幾種形式：包含若干目標基因的基因組合檢測(Panel)，全外顯子組測序(WES)和全基因組測序(WGS)[6]。

2.2.1 Panel： 檢測區(qū)域包括目標基因外顯子及其側(cè)翼序列(通常20 bp)。當患者表型明確，臨床診斷高度懷疑是某種或某些疾病時，常采用此種方法。但臨床診斷不明確時，檢出率可能比WES/WGS低。

2.2.2 WES：檢測區(qū)域包括所有已知蛋白編碼基因(約22 000個)外顯子及其側(cè)翼序列(通常20 bp)。當panel檢測陰性，或是臨床表型復雜、診斷不明時，可考慮進行WES檢測。值得一提的是，若能夠獲得表型明確的父母樣本進行核心家系測序，可能會進一步提高診斷率。近幾年的研究表明WES的臨床診斷率為17.5%～30.7%，這些研究為全外顯子測序應用到罕見病的臨床診斷提供了強有力的證據(jù)[7-10]。

2.2.3 WGS：檢測區(qū)域包括所有基因外顯子、內(nèi)含子、調(diào)控區(qū)等全部序列，當Panel檢測陰性或臨床表型復雜、診斷不明時，也可考慮行WGS檢測。但其測序范圍廣、數(shù)據(jù)多、分析困難、專業(yè)性強、費用昂貴，難以大規(guī)模應用于臨床中[11]。

雖然外顯子只占基因組的1%，但人類基因組的蛋白編碼區(qū)大約包含85%的致病突變，測序深度更高，數(shù)據(jù)更有效，變異檢測更準確[8]。因此，WES正迅速成為一種高效的對個體罕見遺傳性疾病進行分子診斷測試的工具，特別是對于同時表現(xiàn)兩種不同疾病表型的患者及非特異性或異質(zhì)性表型的疾病而言[12]。

3 AARS2基因突變導致不同表型疾病的研究現(xiàn)狀

AARS2基因突變影響線粒體內(nèi)蛋白質(zhì)合成，氧化磷酸化(OXPHOS)系統(tǒng)缺陷，進而引起多系統(tǒng)功能障礙[13]。至目前為止，研究發(fā)現(xiàn)了AARS2基因突變已導致多種不同表型的疾病，其中以兩種主要不同的表型疾病為主。

3.1AARS2相關的致命性早發(fā)型心肌病 2011年常染色體隱性遺傳的AARS2基因突變首先在患有致命性早發(fā)型心肌病和多種氧化磷酸化缺陷的患者中被描述，此為AARS2基因突變和人類疾病相關的第一個報道。G?tz 等[1]通過外顯子測序證實了AARS2基因突變可導致嚴重的嬰兒期肥厚性心肌病，這些患兒幾乎全部合并線粒體氧化呼吸鏈缺陷的心肌病。隨后國外相繼報道了該表型的其他患者[3, 14-17]。上述所有患者的基因檢測分析中均包含純合或復合雜合c.1774C>T(p.Arg592Trp)錯義突變，并且認為該突變是由具有致命性早發(fā)型心肌病表型的每個患者均攜帶的突變[16]，此位點突變位于保守的編輯結構域，功能異常后導致錯誤連接的tRNA與氨基酸不能及時水解，使氨?；某潭蕊@著降低[3]。但2019年Sommerville等[18]報道了2例致命性早發(fā)型心肌病、乳酸性酸中毒和呼吸衰竭的患兒，伴有嚴重的多種氧化磷酸化缺陷，但通過新一代測序均未發(fā)現(xiàn)c.1774C>T(p.Arg592Trp)突變，反而這2例患者都攜帶了一種新的c.1738C>T(p.Arg580Trp)錯義復合雜合突變，而c.1774C>T(p.Arg592Trp)和c.1738C>T(p.Arg580Trp)突變均位于mtAlaRS編輯結構域的β-桶形結構域。該研究團隊通過分子研究、計算機模擬和體外測定驗證了這種共有的新型mtAlaRS編輯結構域突變的致病性，所得數(shù)據(jù)支持β-桶形結構域突變[c.1774C>T(p.Arg592Trp)和c.1738C>T(p.Arg580Trp)]與AARS2相關的致命性心肌病的基因型-表型相關性。

迄今為止，國外已報道了16例患有常染色體隱性遺傳性AARS2基因突變相關的致命性早發(fā)型心肌病的患者[1, 3, 15-18]以及1例在子宮內(nèi)死亡的患有肌病、肌張力減退和多發(fā)性骨折的患者[14]，而國內(nèi)目前尚未有相關的報道。以上所有患者，在出生前1周或出生后不到1年的時間內(nèi)便出現(xiàn)致命的心肌病。

3.2AARS2相關的遲發(fā)性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良 2014年Dallabona等[13]提出了6例由AARS2突變引起的新表型，以腦白質(zhì)營養(yǎng)不良為特征，且在女性患者中都存在卵巢功能衰竭，所有患者均沒有心肌病表現(xiàn)。6例患者起病年齡不同，但病程普遍較長，均有不同程度的神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙，包括不對稱性、進展性痙攣癱瘓，小腦性共濟失調(diào)，認知功能進行性下降，癲癇，行為不振和其他行為改變，以及抑郁癥和其他精神病學特征等。MRI提示廣泛腦白質(zhì)營養(yǎng)不良，呈進行性加重，累及左右大腦半球，可橫跨胼胝體，有胼胝體變薄，小腦萎縮。比較臨床和MRI結果，表明患者的臨床癥狀取決于受影響的部位。P2，P4和P6有明顯的運動功能障礙跡象，MRI提示累及錐體束。P3和P5主要表現(xiàn)為行為和認知功能障礙，病變主要累及額葉。這6例患者中只有P2為男性，其他 5例女性都存在卵巢功能衰竭。而這6例患者的基因突變位點并不完全相同(見表1)，提示AARS2基因不同的位點突變或者不同的復合雜合突變可導致相似的臨床表型，即同一基因突變臨床表型具有一定的同質(zhì)性。

2016年Hamatani 等[19]首次報道了 1 例亞洲AARS2突變引起的腦白質(zhì)營養(yǎng)不良，通過WES方法，確定了由c.1145C>A和c.2255 + 1G>A組成的復合雜合突變,而上述6例患者均未涉及這兩個位點的突變(詳見表1)，從而進一步證明了同一基因不同的復合雜合突變，可以產(chǎn)生一定的臨床表型同質(zhì)性[13]。迄今為止，國內(nèi)外總共報道了24例該表型的患者(詳見表1)，國外18例[2, 13, 19-22]以及我國6例[23-28]。AARS2基因突變的平均年齡為26歲，所有患者一旦發(fā)病，病情即呈現(xiàn)快速惡化的趨勢，其中認知功能障礙和運動功能障礙是該病最常見的癥狀，且?guī)缀跛械呐远加新殉补δ芩ソ撸薙un等[25]和Wang等[26]報道的2例中國女性患者未表現(xiàn)出卵巢功能衰竭。所以長期隨訪是很必要的，以確定卵巢功能衰竭是否最終發(fā)生。AARS2相關的遲發(fā)性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良在影像上顯示出以額頂葉為主的，略微不對稱，融合的 T2WI高信號，T1WI低信號的側(cè)腦室周圍白質(zhì)信號異常，DWI示異常白質(zhì)中存在受限擴散區(qū)域，ADC示相應區(qū)域低信號，伴有皮質(zhì)下U型纖維保留，可累及錐體束及胼胝體(特別是胼胝體壓部)，可有輕度的腦萎縮[27]。迄今為止，c.595C>T(p.Arg199Cys)是AARS2相關的遲發(fā)性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良患者所最常見的突變位點。

表1 AARS2相關的遲發(fā)性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良的不同復合雜合突變病例序號性別發(fā)病年齡首先出現(xiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)癥狀小腦癥狀認知障礙精神癥狀錐體束征卵巢衰竭肌張力障礙癲癇AARS2基因突變位點氨基酸改變P1[13]女3平衡受損+++-+--c.149T>G;c.1561C>Tp.Phe50Cys; p.Arg521*P2[13]男7學習障礙(尤指智障者與正常同齡人相比的學習困難)++-+男性+-c.2893G>A; c.1213G>Ap.Gly965Arg; p.Glu405LysP3[13]女33抑郁和認知減退+++++-+c.1609C>T & c.2350del;c.595C>T & c.2188G>Ap.Gln537 & p.Glu784Serfs*9; p.Arg199Cys &p.Val730MetP4[13]女24震顫++++++-c.230C>T;c.595C>T &c.2188G>Ap.Ala77Val; p.Arg199Cys &p.Val730MetP5[13]女40抑郁和認知減退-++-+--c.595C>T&c.2188G>A;c.390_392delp.Arg199Cys & p.Val730Met; p.Phe131delP6[13]女22痙攣性下肢癱瘓和抑郁+-+++--c.595C>T &c.2188G>A;c.2611dupp.Arg199Cys & p.Val730Met;p.Thr871Asnfs*21P7[19]女31認知減退和異常行為-++++--c.1145C>A;c.2255+1G>A*p.Thr382LysP8[2]男18精神癥狀++++男性--c.578T>G;c.595C>Tp.Leu193*; p.Arg199CysP9[20]女40焦慮和認知減退-++++--c.1041-1G>A*;c.595C>Tp. Arg199CysP10[20]男>30認知減退-+++男性--c.1188G>A*;c.1709delGp. Gly570Afs*21P11[20]男>20快速運動能力下降++++男性--c.1188G>A*;c.1709delGp. Gly570Afs*21P12[20]男15認知減退和精神癥狀++++男性+-c.892-894del;c.2234_2235 delp.298_298delGln; p.Ser745Cysfs*60P13[20]男>40右上肢肌張力障礙和構音障礙-+++男性+-c.595C>T(純合子)p. Arg199CysP14[21]女33卵巢衰竭和認知減退-+-++--c.963C>A;c.452T>Cp.Tyr321*;p.Met151ThrP15[21]男35肌張力障礙++-+男性+-c.963C>A;c.452T>CTyr321*; p.Met151ThrP16[22]女44步態(tài)共濟失調(diào)和認知減退++-++--c.595C>T;c.390_392delp.Arg199Cys;p.Phe131delP17[22]女32認知減退-+--+--c.595C>T;c.236T>Ap.Arg199Cys; p.Met79LysP18[22]女23共濟失調(diào)和痙攣步態(tài)+--++--c.595C>T;c.2611_2612 insAp.Arg199Cys;p.Thr871AsnfsP19[23]女28認知減退-+-+++-c.2557C>T;c.595C>Tp.R853W;p.R199CP20[24]男27走路不穩(wěn)、肢體抖動++-+男性+-c.1871G>A;c.452T>Cp.W624*;p.M151TP21[25]女26痙攣性共濟失調(diào)步態(tài)和認知減退++-+-+-c.452T>C;c.1871G>Ap.M151T;p.W624XP22[26]女32右上肢肌張力障礙-+++-+-c.1691T>C;c.179C>A p.F564S;p.P60HP23[27]男29右下肢運動功能障礙++-+男性+-c.179C>A; c.1703_1704delp.Arg199Cys; p.Val730MetP24[28]男17肢體震顫++++男性--c.2265dupA; c.650C>Tp.Arg756fs; p.Pro217Leu

4 AARS2相關的ALSP的鑒別

ALSP是由集落刺激因子1受體(CSF1R)基因中的常染色體顯性突變引起的最常見的成人發(fā)病性白質(zhì)腦病。ALSP以前被稱為遺傳性彌漫性腦白質(zhì)病伴軸索球樣變(HDLS)或色素型正染性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良(POLD)，基于HDLS和POLD具有相似的臨床及病理特點，且這兩種疾病均由CSF1R基因中的常染色體顯性突變所致，因此將這兩種疾病視為同一種疾病譜，即ALSP[29]。

ALSP和AARS2相關的遲發(fā)性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良最常見的癥狀均為認知功能障礙和運動功能障礙，且二者一旦發(fā)病，病情呈快速惡化，影像學上均可表現(xiàn)以額頂葉為主的側(cè)腦室周圍白質(zhì)信號異常。不同的是，ALSP起病相對較晚，平均發(fā)病年齡為42歲，胼胝體變薄和腦白質(zhì)鈣化是其特征性影像學表現(xiàn)[30]，此外，患有AARS2相關的遲發(fā)性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良的女性常表現(xiàn)為卵巢功能衰竭，這一特征在ALSP中未見，可用于鑒別。

5 結語與診療展望

迄今為止，國內(nèi)外已報道的常染色體隱性遺傳性AARS2基因突變可表現(xiàn)為兩種主要不同的表型，即早發(fā)型致命性心肌病，遲發(fā)性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良和女性的卵巢功能衰竭。近兩年由于新一代測序技術的高速發(fā)展，極大地擴展了了AARS2基因突變的表型譜，包括具有其他臨床特征或缺乏先前認為突出特征的患者。2017年Bruwer等[31]報道了5例通過全外顯子組測序由AARS2基因中的c.2027A>C (p.Gln676Pro) 純合突變引起的致命的非免疫性胎兒水腫。2018年Peragallo等[32]報道了1例因視神經(jīng)萎縮而視力下降的韓國男孩，該報告中描述了患者具有視神經(jīng)萎縮、視網(wǎng)膜病變、白質(zhì)腦病和脫髓鞘性多發(fā)性神經(jīng)病，全外顯子組測序揭示了AARS2基因中的兩個錯義突變[c.1519G>C (p.V507L)和c.2165G>A (p.R722Q)]。2019年， Kiraly-Borri等[33]報道了一對新生的親姐弟，均出生后不到2 h死于原發(fā)性肺發(fā)育不全而沒有心肌病的證據(jù)，通過全外顯子組測序證實了AARS2突變[c.1774C>T(p.Arg592Trp)和c.647 dupG(p.Cys218Leufs*6)]，這些突變位點與之前報道的致命性早發(fā)型心肌病有關。這表明，盡管特定基因位點的突變可能在很大程度上決定表型，如早發(fā)性或晚發(fā)性疾病，但可能還有其他修飾基因、表觀遺傳因素或環(huán)境修飾劑進一步確定確切的臨床表現(xiàn)[34]，但這些都還待于進一步研究與發(fā)現(xiàn)。

目前，了AARS2基因突變相關的疾病尚無切實有效的治療方法，還有待于深入研究。在那之前更重要的還在于預防，通過孕前檢查和產(chǎn)前診斷，可以確定是否存在致病基因突變，以避免缺陷患兒出生，改變未來的疾病風險。相信在不久的將來，越來越多的線粒體病得到診斷，該疾病的治療難題亦將會被攻克。