罕見病NGLY 1型先天性去糖基化障礙CDDG的臨床和基礎研究進展

袁舒穎 鄒琳 庫爾班江·阿布都西庫爾 王建設 陳力 孫桂芹

作者單位：310053 浙江中醫(yī)藥大學醫(yī)學技術學院（袁舒穎 孫桂芹）200032 復旦大學基礎醫(yī)學院病原生物學系，醫(yī)學分子病毒學教育部/衛(wèi)生部重點實驗室（鄒琳 陳力）201102 復旦大學附屬兒科醫(yī)院（庫爾班江·阿布都西庫爾 王建設）

Need等［1］于2012年發(fā)現(xiàn)，由NGLY1基因突變導致的N-糖苷酶缺陷，會引起一種新的糖基化障礙（congenital disorder of glycosylation，CDG）。后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)，該病為常染色體隱性遺傳性疾?。?-4］，又命名為NGLY1型先天性去糖基化障礙（NGLY1-related congenital disorder of deglycosylation， 簡 寫 為 NGLY1-CDDG）［4］。NGLY1（N-glycanase 1,又稱為Peptide：N-glycanase，PNGase）是一種專一的水解酶，作用于N-糖肽或N-糖蛋白的天冬酰胺（Asn）殘基與N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）之間的酰胺鍵，生成含有天冬氨酸（Asp）的多肽鏈和游離的N-糖鏈，達到切除糖蛋白或者糖肽上N-糖鏈的目的，完成N-糖蛋白的去糖基化［5-6］。NGLY1的同工酶在酵母、線蟲、果蠅、魚、小鼠、擬南芥、植物等真核生物中分布廣泛［7］；在原核生物中罕見，僅在腦膜炎敗血伊麗莎白金菌（Elizabethkingia meningoseptica，又稱為腦膜炎膿毒黃桿菌，F(xiàn)lavobacterium meningosepticum）中發(fā)現(xiàn)［7-8］。目前，NGLY1的生物學功能尚在研究中。研究表明，細胞內(nèi)蛋白合成過程中，NGLY1在錯誤折疊N-糖蛋白的降解中起到關鍵作用，NGLY1缺陷可導致N-糖蛋白在細胞內(nèi)累積，這可能是NGLY1-CDDG患者出現(xiàn)各種臨床表現(xiàn)的原因［9］。

1 NGLY1-CDDG的臨床研究

NGLY1-CDDG是一種特殊的CDG。真核細胞的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)可通過糖基化修飾，調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)和功能、改善其穩(wěn)定性和動力學。細胞內(nèi)糖基化修飾系統(tǒng)由300多種不同功能的蛋白組成，糖基轉(zhuǎn)移酶、糖基修飾糖苷酶，以及位于細胞胞漿、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體中的轉(zhuǎn)運蛋白等。胞內(nèi)糖基化修飾發(fā)生異常，會導致一系列改變，引起疾病。1980年，比利時兒科醫(yī)師Jaeken首次報道先天性糖基化障礙（CDG）［10］。CDG主要是由常染色體隱性遺傳引起的罕見遺傳代謝性疾病，也包括常染色體顯性遺傳（EXT1-CDG，EXT2-CDG等）以及伴X性染色體遺傳（SLC35A2-CDG，SSR4-CDG等）引起的先天性糖基化障礙［11］。CDG根據(jù)糖基化缺陷類型可以分為N-糖基化缺陷、O-糖基化缺陷、糖磷脂和糖基磷脂酰肌醇錨定糖基化缺陷以及多種糖基化途徑缺陷。目前，已知的CDG類型近130種，其中約有70種N-糖基化缺陷。NGLY1-CDDG是由于N-糖苷酶NGLY1缺陷導致的去糖基化障礙，屬于N-糖基化缺陷的一種。NGLY1-CDDG也是一種常染色體隱性遺傳的CDG［12］。

1.1 NGLY1-CDDG的病例報道 2012年發(fā)現(xiàn)全球首例NGLY1-CDDG患者。美國杜克大學醫(yī)學院人類基因組變異中心的Need等［1］首次報道了1例歐美混血NGLY1基因突變患者（3歲，男性），其臨床表現(xiàn)為發(fā)育遲緩、癲癇、肝功能異常、無淚、不自主運動等；基因檢測發(fā)現(xiàn)，該患者NGLY1基因分別存在移碼突變和無義突變；其血清中基本檢測不到N-糖苷酶NGLY1蛋白。2014年Might和Wilsey［2］報道了4歲男孩患者Bertrand Might的染色體NGLY1基因突變，確定NGLY1缺陷為一種新型罕見遺傳性疾病。2020年首次報道了亞洲前6例NGLY1-CDDG患者［13］。目前，全球共報道NGLY1-CDDG患者69例［9，13］，患者年齡范圍從新生兒到21歲［3，13］，共發(fā)現(xiàn)30種不同的NGLY1基因突變。

1.2 NGLY1-CDDG的臨床表現(xiàn) NGLY1-CDDG患者主要有發(fā)育遲緩、智力缺陷、無淚少汗、肝功能異常及運動功能障礙等臨床癥狀。（1）生長發(fā)育異常：大多患者剛出生時，身高體重符合正常標準，隨后會出現(xiàn)發(fā)育不良（手小腳小、小頭畸形、智力發(fā)育障礙、不能正常說話和行走等）的情況；存在肌肉骨骼異常（骨密度降低、復發(fā)性骨折、脊柱側(cè)凸等）［1，3］。（2）神經(jīng)系統(tǒng)異常：癲癇（主要表現(xiàn)為肌陣攣性癲癇），不自主運動（舞蹈癥、肌強直、動作震顫等），輕度至重度的阻塞性和（或）中樞性睡眠呼吸暫停，聽力障礙，進食困難（吞咽反應延遲、舌頭運動障礙等），便秘［2，13］。（3）肝功能異常：新生兒黃疸，轉(zhuǎn)氨酶（丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶）升高，肝硬化，肝纖維化，肝活檢肝細胞中有無定型的物質(zhì)存在［12-13］。（4）眼部異常：淚液分泌異常（淚少、干眼癥），斜視，上眼瞼下垂，眼距過長，角膜炎，視神經(jīng)萎縮，視網(wǎng)膜色素改變（色素顆粒和色素視網(wǎng)膜病變），錐體發(fā)育不良［3］。（5）腎上腺異常：原發(fā)性腎上腺功能不全（可能由于蛋白穩(wěn)態(tài)的破壞導致）［14］。（6）免疫系統(tǒng)：NGLY1-CDDG患者受到病毒感染的概率下降，但少數(shù)復發(fā)性嚴重呼吸道感染患者除外［4］。Yang等［15］研究發(fā)現(xiàn)，NGLY1敲除的人單核細胞THP-1內(nèi)干擾素刺激基因（ISGs）表達上調(diào)，激活機體固有免疫信號，抵抗病毒感染。

1.3 NGLY1-CDDG的臨床診斷 NGLY1-CDDG與其他遺傳性疾病的臨床表現(xiàn)相似，對機體產(chǎn)生系統(tǒng)性影響，缺乏特征性臨床癥狀，主要依靠全基因組和全外顯子基因測序才能確診。（1）常規(guī)檢查：①生長發(fā)育情況（NGLY1-CDDG患者表現(xiàn)發(fā)育遲緩，身高、體重、頭圍低于同齡平均水平，認知缺陷，不能正常行走，骨骼發(fā)育不良［3，12］）；②神經(jīng)系統(tǒng)檢查（NGLY1-CDDG患者表現(xiàn)癲癇、不自主的運動，針極肌電圖顯示不同程度的神經(jīng)源性改變［3-4］）；③頭顱磁共振掃描（NGLY1-CDDG患者有腦部萎縮現(xiàn)象［9］）；④腦電圖檢測（NGLY1-CDDG患者表現(xiàn)出廣泛異常［3］）；⑤肝功能（NGLY1-CDDG 患者表現(xiàn)肝轉(zhuǎn)氨酶升高［3，9］）。（2）特殊實驗室檢查：①血清轉(zhuǎn)鐵蛋白（transferrin，TF）等電聚焦電泳（糖基化障礙患者必篩項目，但NGLY1-CDDG患者一般表現(xiàn)為正?；蜉p度異常［1］）；②肝臟活檢（NGLY1-CDDG患者肝細胞中存在不定型物質(zhì)［1，12］）；③腦脊液（cerebrospinal fluid，CSF）實驗室檢查（NGLY1-CDDG患者總蛋白減低、腦脊液/血清白蛋白比率減低、腦脊液5-羥基吲哚乙酸、香草酸、四氫生物蝶呤水平減低［4］）；④血清N-聚糖檢測［1］。（3）基因檢測：由于NGLY1-CDDG患者缺乏特異性臨床表現(xiàn)，符合上述檢查結(jié)果，考慮遺傳性疾病應開展患者、父母及兄弟姐妹的全基因組或全外顯子基因測序，并分析其NGLY1基因是否出現(xiàn)突變。（4）NGLY1蛋白表達及酶活性檢測：基因檢測結(jié)果顯示NGLY1突變，可同時檢測其血清蛋白表達水平及酶活性。He等［16］對9例NGLY1-CDDG患者成纖維細胞中NGLY1的功能進行了檢測，研究發(fā)現(xiàn)患者細胞對轉(zhuǎn)染的N-糖蛋白ddVenus的去糖基化能力明顯降低，表明NGLY1缺陷可導致其糖苷酶活性減弱。作者于2020年建立了NGLY1突變體的酶活性的體外檢測方法。

2 NGLY1與疾病的相關研究

2.1 NGLY1的結(jié)構(gòu)和去糖基化功能 蛋白質(zhì)N-糖基化是真核生物最常見的一種翻譯后修飾，參與維持N-糖蛋白的結(jié)構(gòu)與功能。N-糖苷酶NGLY1參與清除細胞內(nèi)錯誤折疊的N-糖蛋白，能完整切割糖蛋白或者糖肽上的N-糖鏈［5-6］。（1）NGLY1的結(jié)構(gòu)：編碼N-糖苷酶NGLY1的基因（NGLY1）定位于3號染色體3p24.2，長度約70 kb，含有12個外顯子（見圖1A），蛋白質(zhì)全長為654個氨基酸［17］。人NGLY1中，有三個保守結(jié)構(gòu)域：PUB（PNGase- and ubiquitin-related）、PNG Core、PAW（PNGase and other worm proteins）（ 見 圖1B）［18］。PUB是蛋白與蛋白相互作用的區(qū)域（見圖1D）；PAW參與NGLY1與寡糖的結(jié)合；PNG Core是NGLY1核心區(qū)域，催化N-糖蛋白的去糖基化［5］，該區(qū)域物種間高度保守，其中包括與我們前期發(fā)現(xiàn)細菌來源PNGase F-II的晶體結(jié)構(gòu)相似［8］。臨床已報道患者NGLY1基因發(fā)生突變的主要區(qū)域是PNG Core。目前，NGLY1的晶體結(jié)構(gòu)尚未被解析，但是Srinivasan等［6］依據(jù)NGLY1的氨基酸序列，通過軟件模擬了NGLY1的三維結(jié)構(gòu)（見圖1C）。Allen等［19］通過基因克隆表達NGLY1的PUB部分，解析了PUB的晶體結(jié)構(gòu)（見圖1D），該結(jié)構(gòu)域由5個α-螺旋和3個反平行的β-折疊組成。（2）NGLY1的去糖基化功能：NGLY1通過切割N-連接糖蛋白的β-天冬酰胺鍵后釋放完整的N-聚糖，催化蛋白質(zhì)去糖基作用［18］。NGLY1裂解N-連接糖肽或糖蛋白上天冬酰胺（Asn）殘基與N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）之間的酰胺鍵，生成含有天冬氨酸（Asp）的多肽鏈和N-糖鏈［20］。Srinivasan等［6］對純化的NGLY1蛋白進行熱穩(wěn)定性檢測發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，穩(wěn)定性會出現(xiàn)兩次明顯的改變，第一次轉(zhuǎn)折點約38℃，第二次轉(zhuǎn)折點約52℃，這可能是由于NGLY1具有三個結(jié)構(gòu)域，不同結(jié)構(gòu)域的熱穩(wěn)定性不同。小鼠來源的PNGase，最適反應溫度為30℃，最適pH是7.0，金屬離子Zn2+、Cu2+、Fe3+對其酶活性有抑制作用［21］。PNGase具有較廣的底物特異性，能夠水解所有具有高甘露糖型、雜交型和復雜型的結(jié)構(gòu)多樣的天然糖肽底物，然而，不作用于N-乙酰氨基葡萄糖（GlcNAc）［21］。目前，用于體外分析NGLY1去糖基化能力的底物主要是核糖核酸酶B（RNase B）［20］。研究發(fā)現(xiàn)，NGLY1主要作用于高甘露糖型N-糖蛋白［22］，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中最先合成的含有N-聚糖的多肽鏈上，共有11個糖，其中9個為甘露糖，因此，甘露糖含量高的N-聚糖鏈，可以作為早期蛋白質(zhì)量控制的靶標［3］。

圖1 NGLY1的結(jié)構(gòu)（A:人NGLY1基因外顯子之間的間距。藍色豎線:NGLY1基因中的12個外顯子，橘色橫線:NGLY1基因中的內(nèi)含子［17］。B:NGLY1結(jié)構(gòu)域。PUB:與p97蛋白相互作用的位點；PNG Core:PNGase核心催化區(qū)；PAW:高甘露糖型聚糖的結(jié)合域［18］。C:NGLY1模擬三維結(jié)構(gòu)圖［6］。D:PUB結(jié)構(gòu)域的三維晶體結(jié)構(gòu)圖［19］）

2.2 NGLY1的生理及病理功能研究 （1）NGLY1在人體不同組織的表達：THE HUMAN PROTEIN ATLAS網(wǎng)站（https：//www.proteinatlas.org），從144個正常人中獲取45種不同的正常組織樣本，通過組織微陣列和免疫組化方法檢測了NGLY1蛋白表達情況。根據(jù)樣本染色強度，對其表達水平進行劃分。結(jié)果顯示NGLY1蛋白在人體的腎上腺、胃、肝臟、精囊、輸卵管等20種部位高表達；在大腦皮層、小腦、骨骼肌、淋巴結(jié)等16種部位中表達；在海馬體、食道、卵巢、子宮、骨髓部位低表達；在口腔黏膜、陰道、脂肪組織、皮膚四個組織未檢測到表達（口腔黏膜、陰道、皮膚存在大量脫落細胞，推測凋亡細胞中NGLY1低表達或不表達）。根據(jù)THE HUMAN PROTEIN ATLAS網(wǎng)站數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示了64種細胞系、37種人體組織和18種血細胞類型以及外周血單核細胞（PBMC）中編碼基因RNA表達情況。睪丸、樹突狀細胞、NK細胞、B淋巴細胞、粒細胞內(nèi)表達水平較高。免疫細胞中NGLY1的RNA高表達，推測NGLY1可能與機體免疫功能相關。綜合上述數(shù)據(jù)，NGLY1蛋白及其RNA水平均高表達的是睪丸；兩者均低表達的是卵巢、骨髓、食道；蛋白高表達而RNA低表達見于肝臟、骨骼肌、胰腺、唾液腺、精囊；在皮膚和脂肪組織中檢測到RNA，但未見蛋白表達。產(chǎn)生上述情況的原因，有待研究。分析來自216例癌癥患者的20種不同癌癥組織樣本的NGLY1蛋白表達情況。結(jié)果顯示NGLY1在＞90%的胰腺類癌、前列腺癌、卵巢癌、結(jié)直腸癌、肝癌、睪丸癌、子宮內(nèi)膜癌、乳腺癌等8種癌癥組織NGLY1蛋白呈中或高表達水平，在36%的皮膚癌、33%的肺癌是中或高表達；并同時分析17種癌癥組織中NGLY1的RNA表達情況，結(jié)果顯示較低的癌癥特異性。（2）NGLY1參與ERAD途徑：蛋白內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成過程后，正確折疊組裝的蛋白，通過囊泡運輸至特定細胞器。錯誤折疊組裝的蛋白，從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中逆轉(zhuǎn)運至細胞質(zhì)，在蛋白酶體中降解，這一過程稱為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關降解途徑（endoplasmic reticulum-associated degradation，ERAD）［18］。研究報道［18］，NGLY1 參與 ERAD途徑，在糖蛋白質(zhì)量控制、細胞功能等方面發(fā)揮重要的作用。Fujikawa等［23］發(fā)現(xiàn)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)凝集素檢測到錯誤折疊的糖蛋白后，介導錯誤折疊的糖蛋白從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)移至細胞質(zhì)中。Suzuki等［5］認為NGLY1作用于錯誤折疊的糖蛋白，使其脫糖后，β-N-乙酰氨基葡萄糖苷內(nèi)切酶（endo-β-N-acetylglucosaminidase，ENGase）及溶酶體等對自由糖鏈進行降解，蛋白酶體對多肽鏈進行降解。NGLY1的PUB結(jié)構(gòu)域，能與ATP酶p97結(jié)合［19］，與細胞凋亡蛋白FAF1（Fas-Associated Factor 1）形成復合體。且p97、FAF1與PUB的結(jié)合可能存在競爭，推測PUB與FAF1結(jié)合后，可能通過ERAD途徑進行蛋白降解。Tickotsky等［24］分析人體內(nèi)FAF1與NGLY1的比例顯示，骨骼肌和腦組織中比例最高，超過3∶1。上述研究結(jié)果提示，NGLY1缺陷可能會影響骨骼肌和腦組織細胞功能，從而部分解釋NGLY1-CDDG患者表現(xiàn)為神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉骨骼異常的原因。（3）NGLY1參與生長發(fā)育：Fujihira等［22］觀察到，C57BL/6 Ngly1+/-缺陷的雌雄小鼠配交后，無法產(chǎn)生Ngly1-/-的后代。在胚胎發(fā)育過程出現(xiàn)室間隔缺損現(xiàn)象，是可能發(fā)生胚胎致死的原因之一。果蠅NGLY1同源基因Pngl與骨骼形態(tài)生成蛋白（BMP，bone morphogenetic protein）信號通路有關，參與果蠅胚胎期消化道的形成，該基因缺陷會導致幼蟲消化道畸形［25］。Habibi-Babadi等［26］研究發(fā)現(xiàn)，秀麗線蟲中NGLY1的同源基因png-1與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育相關，png-1可以通過神經(jīng)元和上皮細胞，限制軸突分支，而png-1缺陷的秀麗線蟲，其產(chǎn)卵器官發(fā)育過程中出現(xiàn)軸突分支增加，導致產(chǎn)卵行為異常。根據(jù)以上研究可推測NGLY1缺陷可能是患者出現(xiàn)生長發(fā)育遲緩的主要原因。（4）NGLY1維持線粒體正常功能：Kong等［27］發(fā)現(xiàn)兩例NGLY1-CDDG兒童肌肉和肝臟細胞內(nèi)線粒體數(shù)量和功能發(fā)生改變，NGLY1缺陷導致細胞內(nèi)線粒體數(shù)量下降、膜電位受損、氧化呼吸能力下降等，影響線粒體正常生理功能，降低人肺成纖維細胞的存活率。這一研究顯示，NGLY1參與維持細胞內(nèi)線粒體的正常功能。（5）NGLY1與抗原提呈：主要組織相容性復合體（major histocompatibility complex，MHC）I類分子通過提呈抗原肽激活淋巴細胞，在識別胞內(nèi)病原體中起重要作用［28］。MHC I類分子含有一個N-聚糖的重鏈（heavy chain，HC）、可溶性輕鏈（β2微球蛋白），在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中通過結(jié)合8～10個殘基的抗原肽，進入分泌途徑，提呈于細胞表面，可被CTL識別，進行殺傷［28］。研究提示，在一定條件下，NGLY1可以參與細胞內(nèi)抗原提呈。某些病毒通過抑制MHC I類分子在細胞表面的表達，逃避免疫系統(tǒng)的攻擊。Blom等［28］報道人巨細胞病毒（human cytomegalovirus，HCMV）可以表達 US2（unique short domain 2）和US11（unique short domain 11）兩種蛋白，這兩種蛋白可以與MHC I類分子結(jié)合，將重鏈轉(zhuǎn)移至細胞質(zhì)內(nèi)，重鏈上的N-糖鏈被NGLY1去糖基化，隨后將其降解，抑制抗原提呈，逃避免疫系統(tǒng)的攻擊。（6）NGLY1與腫瘤：NGLY1在某些腫瘤細胞中高表達，如黑色素瘤細胞、卵巢癌細胞。Zolekar等［29］對黑色素瘤細胞進行研究發(fā)現(xiàn)，與人類正常黑色素細胞相比，黑色素瘤細胞NGLY1表達水平上調(diào)。NGLY1抑制劑對黑色素瘤細胞有明顯抑制作用，但對正常細胞無影響，提示NGLY1可作為治療黑色素瘤的新靶標。有研究結(jié)果提示，NGLY1可能有利于細胞毒性T淋巴細胞CTL對癌細胞的識別。Skipper等［30］研究發(fā)現(xiàn)，與抗原肽（Asn）相比，抗原肽（Asp）對酪氨酸酶特異性細胞毒性T淋巴細胞（cytotoxic T lymphocyte，CTL）更敏感。Suzuki等［17］認為，NGLY1催化的去糖基化作用可能參與從酪氨酸酶中提取黑色素瘤特異性抗原肽的過程。酪氨酸酶在NGLY1作用下，發(fā)生去糖基化，所產(chǎn)生的抗原肽上有一個氨基酸發(fā)生改變，由天冬酰胺（Asn）變?yōu)樘於彼幔ˋsp）。

3 展望

NGLY1-CDDG是一種罕見的常染色體隱性遺傳病，該疾病的相關研究仍處于起步階段。研究表明，NGLY1與體內(nèi)多種生理功能相關，如糖蛋白的降解、機體的正常發(fā)育、線粒體的正常功能、抗原提呈及腫瘤發(fā)生等密切相關，但NGLY1缺陷所致疾病的機制尚未完全明確。NGLY1-CDDG的臨床和基礎研究亟待加強。

加強NGLY1發(fā)病機制的研究，如特定基因突變對NGLY1表達降低、酶活性異常、NGLY1在人體發(fā)育過程的功能等方面相關基礎性研究。提高臨床診斷效率，對NGLY1-CDDG的診斷主要依據(jù)NGLY1基因突變檢測，還需進一步分析基因突變對NGLY1酶活功能的影響，可以幫助我們快速識別特定突變位點的臨床意義。在前期研究中作者建立了NGLY1體外酶活功能快速檢測方法，發(fā)現(xiàn)R328位氨基酸（精氨酸）突變會導致其酶活功能降低［13］。臨床對出現(xiàn)NGLY1-CDDG類似臨床癥狀但病因不明的患者，應開展全基因組和全外顯子測序，并同時檢測NGLY1的酶活性，提高檢測的準確度，為NGLY1-CDDG的診斷提供更充分的數(shù)據(jù)，尤其在產(chǎn)前篩查和新生兒疾病篩查領域有潛在應用前景。

（說明：袁舒穎、鄒琳、庫爾班江·阿布都西庫爾三位作者以及王建設、陳力、孫桂芹三位作者分別對文章做出了相同貢獻。）