線粒體DNA突變相關(guān)腎臟損害

吳曉梅 綜述 謝紅浪 審校

線粒體的主要功能是將氧化磷酸化產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為三磷酸腺苷(ATP),其他功能還包括儲(chǔ)存鈣,調(diào)節(jié)代謝、細(xì)胞凋亡和細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)等。線粒體存在于成熟紅細(xì)胞以外的所有真核細(xì)胞中,其功能障礙可累及任何器官,導(dǎo)致多種多樣的臨床表現(xiàn)。線粒體功能障礙所導(dǎo)致的系列疾病統(tǒng)稱為線粒體病,盡管對(duì)于線粒體DNA(mitochondria DNA,mtDNA)的了解逐漸深入,線粒體病的潛在機(jī)制至今仍未明確。

依據(jù)器官重量校正后,腎臟和心臟的能量需求最高。腎臟作為一種高能量需求器官,富含線粒體,并依賴于線粒體有氧呼吸來促進(jìn)腎小球?yàn)V過液重吸收。因此,線粒體病常累及腎臟。近端小管病是最常見的腎臟線粒體病,因?yàn)榻诵」懿粌H能量需求高,而且缺乏無氧糖酵解產(chǎn)生ATP的功能。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，線粒體病發(fā)病率為1/5 000[1]。有關(guān)線粒體病相關(guān)的遠(yuǎn)端腎小管缺陷,尤其是低鎂血癥的報(bào)道也逐漸增多。國家腎臟疾病臨床醫(yī)學(xué)中心暨全軍腎臟病研究所的回顧性研究顯示,成人慢性腎臟病患者中mtDNA突變相關(guān)腎臟損害的發(fā)生率為1.54‰[1]。日本一項(xiàng)全國性的回顧性研究對(duì)2009年～2018年覆蓋日本325家腎臟病中心的患者進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)有128例與線粒體病相關(guān)的腎臟病,基因分析提示其中69例為mtDNA突變相關(guān)[2]。由于大量線粒體病患者可能漏診,因而mtDNA突變相關(guān)腎臟損害的發(fā)病率可能被低估。在一項(xiàng)對(duì)157例終末期腎病患者的基因分析研究中顯示mtDNA突變率高達(dá)31%[3]。mtDNA及其遺傳學(xué)在許多方面不同于核DNA和孟德爾遺傳規(guī)律,導(dǎo)致了其特有的生物學(xué)和臨床表型,本文就mtDNA突變相關(guān)腎臟損害作一綜述。

mtDNA與遺傳學(xué)

基因組mtDNA是長度為16569bp的環(huán)狀雙鏈DNA分子,包含37個(gè)基因,編碼22種tRNA,2種rRNA和13種多肽(圖1)。這些多肽參與組成氧化磷酸化(oxidative phosphorylation,OXPHOS)的五種復(fù)合體。雖然,mtDNA可獨(dú)立于細(xì)胞核NDA組進(jìn)行復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯,但線粒體功能也依賴于由細(xì)胞核 DNA編碼的蛋白質(zhì)。此外,細(xì)胞核編碼的tRNA可被轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體中,這種雙重遺傳控制機(jī)制導(dǎo)致了mtDNA突變相關(guān)腎臟損害臨床表型的異質(zhì)性。

圖1 人類線粒體基因圖譜[4]A、C、D、E、F、G、H、I、L、M、N、W、K、P、Q、R、S、T、V、Y:tRNA基因;ND: NADH脫氫酶;COX: 細(xì)胞色素C氧化酶;ATP: ATP合酶基因;Cytochrome:細(xì)胞色素

遺傳學(xué)真核細(xì)胞中存在多個(gè)線粒體,每個(gè)線粒體含有的mtDNA拷貝數(shù)不同。mtDNA突變可為同質(zhì)(影響所有mtDNA拷貝)或異質(zhì)(突變型和野生型共存)。導(dǎo)致特定組織和器官功能障礙的mtDNA突變的最小拷貝數(shù)稱為閾值。由于能量依賴性不同,該閾值在不同組織間可能是不同的,突變閾值對(duì)于疾病的臨床表現(xiàn)具有重要意義。

mtDNA突變多遺傳自母源卵細(xì)胞,少數(shù)為新發(fā)。后代患病的風(fēng)險(xiǎn)取決于突變的類型和異質(zhì)性。母親攜帶同質(zhì)突變時(shí),其后代都將遺傳突變的mtDNA。然而,患者的外顯率是不同的,因?yàn)檫@也依賴于與細(xì)胞核DNA的相互作用。環(huán)境因素也可以促進(jìn)表型的顯現(xiàn)。母親攜帶異質(zhì)突變時(shí),突變的mtDNA隨機(jī)分布到子代細(xì)胞中,可導(dǎo)致后代之間的mtDNA突變水平不同。突變mtDNA在受精卵細(xì)胞分裂過程中的隨機(jī)分布,則會(huì)導(dǎo)致后代中不同組織之間不同的突變負(fù)荷。另外,突變的mtDNA的分布可受瓶頸效應(yīng)影響:mtDNA分子在生殖細(xì)胞發(fā)育過程中減少,僅少量存在于卵母細(xì)胞中。根據(jù)特定細(xì)胞隨機(jī)選擇的突變mtDNA數(shù)量,在不同的卵母細(xì)胞中存在不同比例的野生型和突變型線粒體。此外,突變mtDNA可被自噬破壞,具有高載荷突變線粒體的細(xì)胞也可能由于適應(yīng)性降低而被清除。上述因素是mtDNA突變不會(huì)均質(zhì)地影響所有后代、甚至同一個(gè)體器官的原因。

mtDNA缺乏保護(hù)性組蛋白和有效的內(nèi)部修復(fù)機(jī)制,因此電子傳遞過程中產(chǎn)生的活性氧(ROS)誘導(dǎo)的mtDNA突變率很高。這些突變又可導(dǎo)致線粒體功能障礙、ROS產(chǎn)物進(jìn)一步增加。mtDNA的漸進(jìn)性損傷及隨之而來的mtDNA拷貝數(shù)減少是導(dǎo)致衰老的原因之一[5],并與心血管疾病和慢性腎臟病有關(guān)。通常,mtDNA的突變主要位于參與維持、轉(zhuǎn)錄與翻譯的基因(例如tRNA和rRNA),而不是編碼OXPHOS亞基的基因。多個(gè)mtDNA位點(diǎn)突變均可導(dǎo)致腎臟損害,特別是近端腎小管病變(表1)。

表1 線粒體DNA突變相關(guān)腎臟損害

mtDNA突變相關(guān)腎臟損害

腎小管疾病

近端腎小管 近端小管功能廣泛受損的表現(xiàn)為Fanconi綜合征(FS),其特點(diǎn)為近端腎小管多種物質(zhì)重吸收障礙(包括電解質(zhì)、糖、氨基酸和蛋白質(zhì)),典型臨床表現(xiàn)為低分子量蛋白尿、廣泛性氨基酸尿、腎性糖尿、低磷血癥(伴或不伴骨病)、低尿酸血癥和近端腎小管酸中毒。根據(jù)腎小管功能障礙的嚴(yán)重程度,FS表型可能不同。典型的病理表現(xiàn)為電鏡下可見大小不一、形態(tài)不規(guī)則的異常線粒體。

由于近端小管細(xì)胞高度依賴ATP的供能,因此腎臟損害可能是線粒體病的首發(fā)表現(xiàn)。但最終可能會(huì)影響多個(gè)器官,導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)癥狀、肌病、耳聾或心臟問題。然而,由于其臨床表現(xiàn)通常較輕微或被更嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)癥狀所掩蓋,腎小管損害常被忽視。最初診斷為鐵粒幼細(xì)胞性貧血和胰腺功能障礙的Pearson綜合征(Pearson’s marrow-pancreas syndrome,PMPS)的患者可合并FS[11-12]。Kearns-Sayre綜合征(KSS,線粒體腦肌病一種亞型,以眼外肌麻痹、視網(wǎng)膜色素變性、完全性房室傳導(dǎo)阻滯三聯(lián)征為特征)[9]和Leigh綜合征(又稱為亞急性壞死性腦脊髓病,一種遺傳性進(jìn)行性神經(jīng)系統(tǒng)變性病)也有類似的報(bào)道[8]。多項(xiàng)研究顯示,mtDNA的大片段(2.7～7.4 kbp)缺失是這類疾病根本病因[6-7,10,13],其腎臟受累的相關(guān)表現(xiàn)與Pearson綜合征相似。此外,FS可源于細(xì)胞色素C氧化酶缺乏,有研究通過肌肉活檢分析呼吸鏈復(fù)合體后顯示復(fù)合體Ⅲ和Ⅳ的活性降低[28]。

遠(yuǎn)端腎小管 遠(yuǎn)端小管功能障礙常表現(xiàn)為低鎂血癥和低鉀血癥等電解質(zhì)紊亂。調(diào)節(jié)鎂重吸收的關(guān)鍵腎單位是遠(yuǎn)曲小管(DCT),其高能量消耗的特點(diǎn)使其易受線粒體功能障礙的影響。除了電解質(zhì)紊亂,DCT功能障礙的患者可伴多系統(tǒng)疾病,如KSS或Leigh綜合征[29]。

多數(shù)患者同時(shí)存在甲狀旁腺功能減退,并導(dǎo)致低鈣血癥和高磷血癥[29-30]。另外,鎂是甲狀旁腺激素釋放的重要輔助因子,因此,低鎂血癥亦可導(dǎo)致甲狀旁腺功能低下。許多甲狀旁腺功能減退的患者都伴血鎂水平顯著下降[16,30]。此外,大多數(shù)低鎂血癥患者還伴低鉀血癥[16,19]。這些患者常合并感音神經(jīng)性耳聾和肌病。在少數(shù)病例中,發(fā)現(xiàn)了mtDNA大片段(6～8.8 kbp)缺失突變(表1)[14,16-18,20]。

Wilson等[15]在一個(gè)大家系中描述了具有DCT功能障礙的線粒體病。其臨床癥狀包括高血壓、高膽固醇血癥、低鎂血癥伴低鉀血癥和低鈣尿癥,電解質(zhì)異常是DCT功能障礙的典型表現(xiàn)。其他癥狀還包括偏頭痛、感音神經(jīng)性耳聾和肥厚性心肌病,都是與線粒體功能障礙相關(guān)的表型,與位于線粒體tRNAIle基因反密碼子5’端的mtDNA突變T4291C有關(guān)(表1)[31]。

腎小管間質(zhì)性腎炎(TIN)TIN的特征是腎間質(zhì)炎癥細(xì)胞浸潤,最終導(dǎo)致腎臟排泌及內(nèi)分泌功能降低。臨床表現(xiàn)通常為低分子量蛋白尿和腎功能不全。需要與藥物、感染或全身性疾病引起的TIN相鑒別。

細(xì)胞凋亡失調(diào)被認(rèn)為是線粒體相關(guān)TIN中的炎癥過程的發(fā)病機(jī)制。腎小管上皮細(xì)胞的mtDNA突變可能導(dǎo)致腎小管間質(zhì)的炎癥,在TIN患者中發(fā)現(xiàn)了多個(gè)tRNAPhe突變[21,32]。此外,在1例臨床表現(xiàn)為間質(zhì)纖維化和進(jìn)行性腎功能不全的家族性TIN患者中檢出mtDNA A5656G突變[22]。

腎小球疾病mtDNA突變相關(guān)腎小球病常表現(xiàn)為腎病綜合征。研究顯示,多例腎病綜合征患者中檢測到mtDNA突變,局灶節(jié)段性腎小球硬化(FSGS)是腎小球病變的典型組織學(xué)特征。此外,IgA腎病、腎小球輕微病變以及糖尿病腎病、腎小球缺血硬化、腎小球囊性腎病也有報(bào)道[1-2,8]。另外,激素抵抗的腎病綜合征是與輔酶Q缺乏相關(guān)的線粒體功能障礙的常見表現(xiàn),可通過補(bǔ)充輔酶治療,故其診斷尤為重要[8]。

足細(xì)胞是高度分化的細(xì)胞,含有大量線粒體,其功能為能量依賴性,主要能量來源是無氧糖酵解。因此,線粒體病患者腎小球功能障礙的機(jī)制可能與腎小管功能障礙的機(jī)制不同。Brinkkoetter等[33]提出足細(xì)胞損傷的關(guān)鍵機(jī)制是足細(xì)胞代謝的變化而不是線粒體氧化磷酸化的功能障礙。tRNALeu基因中的m.3243A>G突變是最常見的導(dǎo)致腎小球功能障礙的線粒體病的mtDNA點(diǎn)突變之一[23]。攜帶該突變的患者通常表現(xiàn)為糖尿病和(或)聽力損失,除腎病綜合征外,還包括近端和(或)遠(yuǎn)端腎小管損害[34]。Shand等[24]報(bào)道1例攜帶mtA3243G突變的患者臨床表現(xiàn)為母系遺傳的糖尿病、耳聾,腎臟表現(xiàn)為腎病范圍蛋白尿,腎活檢提示FSGS伴腎間質(zhì)纖維化,并進(jìn)展至終末期腎病。而患者同卵雙生的姐妹具有類似的臨床表現(xiàn),但外周循環(huán)mt3243A>G水平更高,較mt3243A>G水平低的卵生姐妹提早10年進(jìn)展至終末期腎病。其他一些tRNA點(diǎn)突變也可導(dǎo)致FSGS[25-26]。除了點(diǎn)突變外,還發(fā)現(xiàn)一例mtDNA 2 905 bp缺失導(dǎo)致FSGS,隨后出現(xiàn)壞死性腎炎伴慢性間質(zhì)性腎炎[27]。

mtDNA突變基因型與表型的關(guān)聯(lián)

回顧mtDNA突變相關(guān)腎臟損害,并未發(fā)現(xiàn)基因型-表型的相關(guān)性:大段的mtDNA缺失可與近端和遠(yuǎn)端腎小管功能障礙以及腎病綜合征相關(guān)。最常見的mtDNA突變A3243G最初主要與FSGS相關(guān),但一項(xiàng)更全面的研究顯示,A3243G所致線粒體病患者的表現(xiàn)還可包括低磷血癥、尿視黃醇結(jié)合蛋白升高和低鎂血癥,也可無明顯腎臟受累[35]。其腎外表現(xiàn)的差異也極大,有母系遺傳的糖尿病、耳聾、乳酸酸中毒和腦卒中樣發(fā)作、肌陣攣性癲癇伴破碎紅纖維綜合征等多種表型。

診斷與治療

診斷患者具有以下特征時(shí),應(yīng)考慮線粒體病的可能:(1)除腎臟外多個(gè)需氧器官(如心臟、中樞神經(jīng)系統(tǒng))受累;(2)母系遺傳性家族性糖尿病;(3)伴感音神經(jīng)性耳聾的糖尿病。

疑診患者可通過血清學(xué)生物標(biāo)志物和酶學(xué)檢測(血清乳酸、丙酮酸、肌酶,腦脊液乳酸,尿氨基酸和有機(jī)酸,呼吸鏈酶復(fù)合物活性等),病理檢測(骨骼肌、心肌、腎臟活檢)協(xié)助診斷。PCR檢測mRNA點(diǎn)突變或Southern印記法檢測基因缺失是診斷線粒體病的金標(biāo)準(zhǔn)。

治療線粒體病當(dāng)前療法主要通過旁路傳遞電子(維生素K、C,琥珀酸、輔酶Q10)、補(bǔ)充呼吸鏈底物、輔酶及輔助因子(維生素B1、B2,硫辛酸、葉酸等)、清除自由基(維生素E、輔酶Q10等)以及減少毒性代謝產(chǎn)物促進(jìn)ATP產(chǎn)生,減輕癥狀和延緩疾病的進(jìn)展。另外器官特異性干預(yù)(如腎移植),效果較好。然而,線粒體病的治療仍具有挑戰(zhàn)性,因?yàn)槊總€(gè)家族中疾病的表型都具異質(zhì)性,對(duì)治療的反應(yīng)也不同。核DNA遺傳修飾因子也可顯著影響療效。目前線粒體病尚無治愈的方法,但已有線粒體病適應(yīng)證的在研新藥進(jìn)入臨床試驗(yàn),如Sonlicromanol(KH176,具有口服活性的ROS調(diào)節(jié)劑), Elamipretide(MTP131,一種心肌過氧化酶抑制劑和線粒體靶向肽)等。另外,基因編輯技術(shù)(如對(duì)mtDNA進(jìn)行基因編輯的MitoTALEN和mtZFN技術(shù))也為mtDNA治療帶來了曙光。

線粒體病患者需進(jìn)行遺傳咨詢,以預(yù)防遺傳缺陷患兒出生。最可靠的方法是使用健康供體卵母細(xì)胞,其主要缺陷在于無法擁有與父母雙方在生物學(xué)上都有親緣關(guān)系的子代。另一種方法是原核移植:將原核從一個(gè)受精卵轉(zhuǎn)移到另一個(gè)受精卵,使受精卵含有父母的核DNA和供體的mtDNA。

總之,mtDNA突變相關(guān)腎小管損害中,近端小管病變是最常見的表現(xiàn),但其他電解質(zhì)異常也有報(bào)道,提示累及其他小管節(jié)段,尤其是DCT。此外,mtDNA突變導(dǎo)致TIN和腎小球疾病也時(shí)有報(bào)道。對(duì)于線粒體病,目前仍需要更好地了解其精確的疾病機(jī)制,以改進(jìn)其治療方法,改善患者的生活質(zhì)量和遠(yuǎn)期預(yù)后。