丙酮酸脫氫酶復(fù)合物缺乏癥1家系2例臨床及遺傳特點

劉嘉琪，阮小芹，張剛，李楊

南京醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，江蘇 南京 210008

丙酮酸脫氫酶復(fù)合物（pyruvate dehydrogenase complex，PDHC）是一種分布于線粒體基質(zhì)中的多酶復(fù)合體，通過催化丙酮酸的氧化脫羧反應(yīng)生成乙酰輔酶A，有效連接糖酵解和三羧酸循環(huán)［1］。原核生物和真核生物的PDHC 含有6 種酶，丙酮酸脫羧酶（pyruvate decarboxylase，簡稱E1）、二氫硫辛酰胺乙酰轉(zhuǎn)移酶（dihydrolipoamide acetyltransferase，簡稱E2）和二氫硫辛酰胺脫氫酶（dihydrolipoamide dehydrogenase，簡稱E3）是組成PDHC 最關(guān)鍵的3 種酶，其中E1 是由兩個α和兩個β亞基組成的異四聚體［2］。丙酮酸脫氫酶復(fù)合物缺乏癥（pyruvate dehydrogenase complex deficiency，PDCD）是一種罕見的線粒體能量代謝障礙遺傳性疾病，起病隱匿，約84%的患者為定位于Xp22.1～22.2區(qū)域的PDHA1基因發(fā)生突變［3］，可導(dǎo)致E1的α亞基（E1-α）功能缺陷，出現(xiàn)高乳酸血癥、進(jìn)行性神經(jīng)肌肉損害、發(fā)育遲緩等多種臨床癥狀［4］?，F(xiàn)分析1家系2例診斷為PDHA1基因突變導(dǎo)致的PDCD女童的臨床資料及基因分析結(jié)果，為其臨床診斷、遺傳咨詢及后期治療提供依據(jù)，并以期提高臨床醫(yī)師對本病的認(rèn)識。

1 病例資料

例1：患兒，女，9 歲3 個月，2022 年1 月因“咳嗽2周，行走不穩(wěn)1周”入院，以呼吸道感染癥狀起病，病初有氣促、喘息及呼吸困難，曾外院機(jī)械通氣2 d后順利撤機(jī)，病程中有頭痛、口齒不清、行走不穩(wěn)癥狀，無明顯抽搐，四肢肌力下降?；純合礕1P1，早產(chǎn)（33 周）剖宮產(chǎn)。患兒既往學(xué)習(xí)成績處于班級中下等，語速較慢，運(yùn)動協(xié)調(diào)能力差，既往行走姿勢異常、高足弓。父母身體健康，非近親結(jié)婚，否認(rèn)家族遺傳病史及傳染病史。入院查體：神志清，精神反應(yīng)欠佳，面色正常，呼吸促，可見輕度吸凹，雙側(cè)瞳孔等大等圓，對光反射靈敏，咽部稍充血，頸軟，雙肺呼吸音粗，可聞及少許痰鳴音及喘鳴音，心腹未見明顯異常，四肢肌力Ⅳ級，雙下肢肌張力減低，腦膜刺激征陰性，雙側(cè)巴氏征陰性，雙側(cè)腱反射可引出。輔助檢查：血常規(guī)、生化全套、凝血、血沉、自身抗體、腫瘤4 項、微量元素、甲狀腺功能基本正常；EB病毒、單純皰疹病毒、流感病毒、肺炎支原體等病原學(xué)檢查陰性；腦脊液白細(xì)胞1 個/μL，淋巴細(xì)胞70%，單核細(xì)胞30%，腦脊液葡萄糖及蛋白正常；血清及腦脊液中樞神經(jīng)系統(tǒng)脫髓鞘疾病自身抗體：水通道蛋白4（aquaporin4，AQP4）抗體IgG、髓鞘少突膠質(zhì)細(xì)胞糖蛋白（myelin oligodendrocyte glycoprotein，MOG）抗體IgG、髓鞘堿性蛋白（myelin basic protein，MBP）抗體IgG均陰性；血尿遺傳代謝篩查：血丙氨酸增高（923.21 μmol/L），血乳酸增高（6.6 mmol/L），尿乳酸及丙酮酸增高；眼底檢查正常；WISC-R 學(xué)齡兒童智力測驗量表：常識1分、填圖5分、類同2分、積木6分，測試總量表14分，智商IQ 58分（輕度弱智），配合良好；視頻腦電圖提示異常兒童腦電圖，清醒期左側(cè)前頭部尖波、慢波發(fā)放；肌電圖提示輕度神經(jīng)源性損害肌電改變；視覺聽覺誘發(fā)電位正常；體感誘發(fā)電位正常；全脊柱MRI未見明顯異常；頭顱MRI（2022 年1 月4 日）提示兩側(cè)小腦、基底節(jié)區(qū)及側(cè)腦室旁多發(fā)異常信號（圖1）。入院診斷：病毒性腦炎？代謝性腦??？重癥肺炎。予阿昔洛韋抗病毒、頭孢地嗪抗感染、地塞米松抗炎、甘露醇脫水降顱壓、維生素B1、輔酶Q10、左卡尼汀等治療，治療后血乳酸明顯下降至2.3 mmol/L，患兒行走不穩(wěn)、肌力肌張力下降等癥狀好轉(zhuǎn)后出院?；純撼鲈汉蠖ㄆ谟诒驹嚎祻?fù)科行康復(fù)訓(xùn)練治療，并口服維生素B1、輔酶Q10、左卡尼汀及生酮飲食等治療，運(yùn)動能力較前改善，能獨站，獨走稍不穩(wěn)、雙手抓物輕度震顫、反應(yīng)遲鈍、言語口齒欠清。出院后定期本院神經(jīng)內(nèi)科復(fù)診，復(fù)查頭顱MRI（2022年8月29日）提示兩側(cè)小腦、基底節(jié)區(qū)及側(cè)腦室旁多發(fā)異常信號較前好轉(zhuǎn)，局部軟化灶形成（圖2）。近期隨訪發(fā)現(xiàn)患兒運(yùn)動及認(rèn)知能力較前改善，目前獨走穩(wěn)，言語較前清晰。

圖1 例1患兒入院時頭顱MRI檢查圖像

圖2 例1患兒復(fù)診時頭顱MRI檢查圖像

圖3 例2患兒入院時頭顱MRI檢查圖像

圖4 例2患兒復(fù)診時頭顱MRI檢查圖像

圖5 患兒及其父母的基因測序圖

例2：患兒，女，2歲，2022 年1 月因“咳嗽1周，間斷發(fā)熱伴抽搐4 d”入院?；純号c其胞姐同期以呼吸道感染癥狀起病，有發(fā)熱、咳嗽、意識障礙、行走不穩(wěn)，病程中出現(xiàn)多次抽搐發(fā)作，表現(xiàn)為意識喪失，雙眼上翻，四肢抽動，無口吐白沫，無大小便失禁，持續(xù)數(shù)分鐘至1 h?；純合礕2P2，足月剖宮產(chǎn)，新生兒期有“肺炎”病史，于當(dāng)?shù)蒯t(yī)院住院治療10余天后好轉(zhuǎn)出院。既往生長發(fā)育落后于一般同齡兒，18月齡會走路，目前只能說疊字單詞、不會說長句。父母身體健康，非近親結(jié)婚，否認(rèn)家族遺傳病史及傳染病史。入院查體：神志欠清，精神反應(yīng)欠佳，面色正常，呼吸平穩(wěn)，雙側(cè)瞳孔等大等圓，對光反射靈敏，咽部充血，頸軟，雙肺呼吸音粗，可聞及少許細(xì)濕啰音，心腹未見明顯異常，四肢肌力Ⅳ級，肌張力減低，腦膜刺激征陰性，雙側(cè)巴氏征陰性，雙側(cè)腱反射可引出。輔助檢查：血常規(guī)、生化全套、凝血、血沉、自身抗體、腫瘤4項、微量元素、甲狀腺功能基本正常；EB 病毒、單純皰疹病毒、流感病毒、肺炎支原體等病原學(xué)檢查陰性；腦脊液白細(xì)胞28個/μL，中性粒細(xì)胞27%，淋巴細(xì)胞46%，單核細(xì)胞27%，腦脊液葡萄糖及蛋白正常，腦脊液二代測序陰性；血清及腦脊液中樞神經(jīng)系統(tǒng)脫髓鞘疾病自身抗體：AQP4抗體IgG、MOG 抗體IgG、MBP 抗體IgG 均陰性；血尿遺傳代謝篩查：血乳酸增高（5.0 mmol/L），尿乳酸及丙酮酸正常；眼底檢查正常；DST 兒童發(fā)育篩查：DQ 51分（發(fā)育商低下）、MI 77分（智力指數(shù)可疑低下），其中運(yùn)動智齡=21個月、社會適應(yīng)智齡=18個月、智力智齡=27個月；視頻腦電圖提示異常幼兒腦電圖，背景活動減慢，清醒期雙側(cè)額極1.5～2.5 Hz δ活動發(fā)放；肌電圖提示輕度多發(fā)性周圍神經(jīng)源性損害肌電改變（運(yùn)動和感覺神經(jīng)軸索損害為主）；視覺聽覺及體感誘發(fā)電位正常；全脊柱MRI未見明顯異常；頭顱MRI（2022年1月6日）提示兩側(cè)基底節(jié)區(qū)及側(cè)腦室旁多發(fā)異常信號（圖3）。入院診斷：病毒性腦炎？驚厥持續(xù)狀態(tài)、代謝性腦病？支氣管肺炎。予阿昔洛韋抗病毒、頭孢地嗪抗感染、甘露醇脫水降顱壓、維生素B1、輔酶Q10、果糖二磷酸鈉、左卡尼汀等治療，治療后血乳酸下降至3.8 mmol/L，患兒抽搐、行走不穩(wěn)等癥狀好轉(zhuǎn)后出院?；純撼鲈汉蠖ㄆ谟诒驹荷窠?jīng)內(nèi)科復(fù)診，繼續(xù)口服維生素B1、輔酶Q10、左卡尼汀及生酮飲食治療，仍獨走稍不穩(wěn)，語言發(fā)育遲緩，只會說短疊詞，復(fù)查頭顱MRI（2022年9 月5 日）提示兩側(cè)基底節(jié)區(qū)異常信號明顯好轉(zhuǎn)（圖4）。近期隨訪發(fā)現(xiàn)患兒運(yùn)動及認(rèn)知能力較前改善，獨走穩(wěn)，語言可以說短句。

本研究獲得本院倫理委員會批準(zhǔn)（倫理號：202210189-1），在獲得患兒父母知情同意后，治療期間抽取2例患兒及其父母外周靜脈血各2 mL，分別保存于EDTA-K2抗凝管中，委托北京邁基諾醫(yī)學(xué)檢驗所對2例患兒應(yīng)用高通量測序進(jìn)行全外顯子組基因檢測及線粒體基因組測序，從而發(fā)現(xiàn)可能存在的致病突變，再通過Sanger 測序?qū)純杭案改鸽p方可疑致病突變位點進(jìn)行驗證。應(yīng)用高通量測序在2例患兒的X染色體上PDHA1基因（NM_000284）的第3外顯子發(fā)現(xiàn)一錯義突變c.223G＞C（p.E75Q），223號核苷酸鳥嘌呤G 變?yōu)榘奏，該變異導(dǎo)致第75 位氨基酸由谷氨酸變?yōu)楣劝滨０?，為可疑致病性突變，檢索相關(guān)文獻(xiàn)提示與PDHC E1-α亞單位缺陷相關(guān)，將2例患兒與其父母樣本進(jìn)行Sanger測序驗證，發(fā)現(xiàn)其父親該位點無變異，其母親該位點雜合變異（圖5），可分析出該家系遺傳系譜圖（圖6）。查詢?nèi)祟惢蛲蛔償?shù)據(jù)庫HGMD（Human Gene Mutation Database，http：//www.hgmd.org）、Clinvar 數(shù)據(jù)庫，無該位點致病性分析結(jié)果，查閱文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫未有該位點的相關(guān)性報道，c.223G＞C為未報道過的新變異位點。同時進(jìn)行跨物種氨基酸保守性分析提示該位點在長臂猿、狨猴、非洲爪蛙等多物種間高度保守（圖7），說明該氨基酸可能具有重要的生物化學(xué)功能，在此區(qū)域發(fā)生變異可能會引起蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能異常。采用PyMOL 軟件分析對比野生型與突變型蛋白的三級結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)此變異可引起PDHA1基因編碼蛋白結(jié)構(gòu)明顯改變，突變型蛋白中75位谷氨酸（Glu）突變成谷氨酰胺（Gln），突變后導(dǎo)致其無法通過氫鍵與94 位半胱氨酸（Cys）結(jié)合，故會影響其功能活性（圖8）。檢索HGMD數(shù)據(jù)庫、PubMed及Clinvar 數(shù)據(jù)庫，參考相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)美國醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)與基因組學(xué)學(xué)會（the American College of Medical Genetics and Genomics，ACMG）2015 年發(fā)布的基因變異解讀標(biāo)準(zhǔn)和指南進(jìn)行致病性判讀，c.223G＞C判定為疑似致病性變異，PM1+PM2+PM5+PP3（PM1：該變異位于突變熱點區(qū)域；PM2：在正常人群數(shù)據(jù)庫中為低頻變異；PM5：相同位置的突變在文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫/Clinvar 數(shù)據(jù)庫已有報道，但氨基酸變化不同；PP3：生物信息學(xué)蛋白功能綜合性預(yù)測軟件REVEL 預(yù)測結(jié)果為有害，SIFT、PolyPhen_2、Mutation Taster、GERP+預(yù)測結(jié)果均為有害）。因此，此新變異可能為致病性變異，結(jié)合2 例患兒臨床表現(xiàn)，確診為PDCD。

圖6 患兒及其父母PDCD家族遺傳系譜圖

圖7 氨基酸跨物種保守性分析

圖8 蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)比對

2 討論

PDCD 最早于1970 年被報道，是一種線粒體能量代謝障礙的X 連鎖遺傳性疾病，最常見的臨床表現(xiàn)包括神經(jīng)系統(tǒng)癥狀綜合征（先天性小頭畸形、肌張力障礙、癲癇、共濟(jì)失調(diào)）、腦成像異常（胼胝體發(fā)育不良、Leigh 綜合征）和代謝異常（血漿丙酮酸升高、高乳酸血癥或代謝性酸中毒），大多數(shù)患者均存在精神運(yùn)動發(fā)育遲緩［5］。PDCD 的體征和癥狀在不同患者之間有顯著差異，一般來說，發(fā)病年齡和臨床癥狀譜之間存在相關(guān)性，通常在嬰幼兒和兒童早期發(fā)病，病情輕重及存活時間的長短與乳酸酸中毒的嚴(yán)重程度密切相關(guān)，男女發(fā)病比例無明顯差異，但一些嚴(yán)重癥狀對男性的影響往往比對女性的影響更大，男性病死率高于女性。PDCD 新生兒期的典型表現(xiàn)為嚴(yán)重的致死性高乳酸血癥［6］、伴有呼吸急促、肌張力減退和昏迷，常伴大腦發(fā)育不全，在男性和女性中都可見。嬰兒期起病患者的臨床表現(xiàn)：嚴(yán)重的發(fā)育遲緩、常伴有癲癇，多見于嬰兒早期發(fā)病的女性；發(fā)病于嬰兒期的男性更有可能出現(xiàn)Leigh綜合征或腦干功能障礙等。少數(shù)患者起病時癥狀較輕微，多見于年齡較大的兒童和青少年［7］，在給予高碳水化合物飲食后出現(xiàn)復(fù)發(fā)性共濟(jì)失調(diào)，緩慢發(fā)展為Leigh 綜合征。另外，部分女性患者也可出現(xiàn)先天畸形表現(xiàn)，包括小頭畸形、寬鼻梁、喇叭狀鼻孔、鼻孔前翻、長人中、低位耳、手指短、四肢近端短及肛門前移等。罕見的遲發(fā)性PDCD在國外已被報道，兩兄弟在40 多歲時出現(xiàn)運(yùn)動障礙，包括非典型帕金森病、舞蹈運(yùn)動、刻板動作、共濟(jì)失調(diào)和構(gòu)音障礙，在皮膚成纖維細(xì)胞分析試驗中發(fā)現(xiàn)了PDHC 的缺乏［8］。

PDHC是一個多酶復(fù)合物，主要由3個功能亞基E1、E2和E3組成，其中E1是一種異四聚體，由2個α亞基和2 個β亞基組成，PDHC 的核心結(jié)構(gòu)E1-α由PDHA1 基因編碼［9］。PDHA1 基因是PDCD 最常見的突變基因，其位于X 染色體短臂Xp22.1～22.2上，全長約1.75 kb，含有11 個外顯子，當(dāng)其發(fā)生突變時使E1從丙酮酸脫羧基及剩余的乙?；D(zhuǎn)移到E2的過程受阻，導(dǎo)致PDHC 失活，出現(xiàn)丙酮酸代謝障礙，進(jìn)而出現(xiàn)高乳酸血癥、進(jìn)行性神經(jīng)肌肉損害、發(fā)育遲緩等一系列臨床癥狀。本文2例同胞患兒分別因呼吸道癥狀伴運(yùn)動障礙、呼吸道癥狀伴癲癇發(fā)作就診，查體均發(fā)現(xiàn)肌張力障礙，血乳酸明顯增高，例1患兒尿液有機(jī)酸分析提示丙酮酸明顯增高，血丙氨酸增高，頭顱核磁檢查提示兩側(cè)小腦、基底節(jié)區(qū)及側(cè)腦室旁多發(fā)異常信號。例2 患兒血乳酸增高，頭顱核磁檢查提示兩側(cè)基底節(jié)區(qū)及側(cè)腦室旁多發(fā)異常信號。2 例患兒PDHA1 基因均檢出c.223G＞C 錯義突變，生物信息學(xué)預(yù)測分析為疑似致病突變，證實為PDHC E1-α亞單位缺陷，其母親該位點雜合變異，其父親該位點無變異?；純耗赣H既往體健，無明顯相關(guān)癥狀，考慮與女性X 染色體的隨機(jī)失活模式相關(guān)，導(dǎo)致不同患者間的PDHC 殘存酶活性存在差異，故PDHA1基因突變的女性可能癥狀不明顯或無癥狀［10］。多數(shù)PDHA1基因為自發(fā)突變，僅少數(shù)突變來源于遺傳，本研究2例患兒PDHA1基因檢測均發(fā)現(xiàn)與其母親存在同一位點相同突變。通過查閱HGMD數(shù)據(jù)庫，目前已報道的PDHA1基因突變類型超過210種，包括錯義突變、無義突變、剪接突變、插入突變和缺失突變等，其中錯義突變?yōu)橹饕绞?。本研?例患兒為c.223G＞C錯義突變，223號核苷酸由鳥嘌呤G 變?yōu)榘奏（c.223G＞C），導(dǎo)致第75 位氨基酸由谷氨酸變?yōu)楣劝滨０罚╬.E75Q），REVEL、Polyhen_2、SIFT、Mutation Taster、GERP+軟件均預(yù)測此突變可能具有致病性。目前尚未有該位點的相關(guān)文獻(xiàn)報道，Clinvar 數(shù)據(jù)庫尚無該位點致病性分析結(jié)果。通過檢索PubMed數(shù)據(jù)庫、萬方數(shù)據(jù)庫及中國知識基礎(chǔ)設(shè)施工程（CNKI）數(shù)據(jù)庫，以“丙酮酸脫氫酶復(fù)合物缺乏癥”、“PDCD”、“PDHA1”等為關(guān)鍵詞查找中國人PDCD 病例，自建庫至2022 年12月，共檢索出16 種變異類型，包括本例研究，共有17種變異類型，其中錯義突變14 種（R72C、E75Q、R126C、A136V、E143K、A169V、N202S、F205L、C214T、R263G、R270G、G278E、R378H、R378C），插 入突變3 種（c.1111_1158dup48bp，p.S371_F386dup16；c.1243_1257dup15，p.V415-N419dup；c.1159_1162dupAAGT，p.S388Terfs，圖9）。本例c.223G＞C（p.E75Q）突變?yōu)橹袊巳篜DHA1 基因變異數(shù)據(jù)庫增添了新的研究樣本。

圖9 中國人PDCD病例變異類型

PDCD現(xiàn)尚無根治方法，只能對癥治療，預(yù)后較差，疾病早期給予維生素B1 及輔酶Q10 等治療，有助于改善神經(jīng)系統(tǒng)臨床癥狀及預(yù)后。生酮飲食是原發(fā)性PDCD 患者的金標(biāo)準(zhǔn)療法［11］，生酮飲食是一種高脂肪、低碳水化合物、低蛋白飲食，模仿長期禁食的代謝狀態(tài)。在PDCD 患者中，糖酵解最終產(chǎn)物丙酮酸沒有通過三羧酸循環(huán)得到最佳代謝，導(dǎo)致乳酸增加，并通過線粒體呼吸鏈損害三磷酸腺苷（ATP）酶的生產(chǎn)。在碳水化合物剝奪期間，細(xì)胞能量不再來自糖酵解，而是來自脂肪酸的分解。脂肪酸分解產(chǎn)生的酮體（β-羥基丁酸、乙酰乙酸和丙酮）可以通過血腦屏障進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)為大腦提供能量［12］。生酮飲食已被證明在控制癲癇發(fā)作，改善共濟(jì)失調(diào)、乳酸性酸中毒和睡眠障礙方面有效，Sofou等［5］研究還表明，生酮飲食能改善語言、社交、認(rèn)知和運(yùn)動發(fā)育等。施行生酮飲食療法后應(yīng)長期隨訪及健康教育，提高遵醫(yī)行為，定期監(jiān)測血酮、血糖、尿酮等，協(xié)助解決患兒家庭在生酮飲食治療期間遇到的難題。另外，國外有研究發(fā)現(xiàn)PDCD 的潛在治療方法包括二氯乙酸鹽和苯基丁酸鹽［13-14］，該兩種藥物既往用于其他疾病，如癌癥和楓糖尿癥等。二氯乙酸鹽可降低血乳酸水平，苯基丁酸鹽可通過抑制丙酮酸脫氫酶激酶（pyruvate dehydrogenase kinase，PDK）活性干擾PDHC 和其激酶之間的結(jié)合，使PDHC保持活性，故可能成為生酮飲食的替代治療，但其不良反應(yīng)尚不完全明確，如周圍神經(jīng)毒性等，由于這種先天性代謝病是一種早期疾病，因此需要詳細(xì)了解對兒童的潛在不良反應(yīng)，需要進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)、動物模型和臨床試驗的研究，以充分了解PDCD 及其治療方法。本研究中2例患兒均已予維生素B1、輔酶Q10、左卡尼汀、生酮飲食等治療，對延緩病情、改善癥狀有一定作用，使得生存質(zhì)量得到明顯提高。

綜上，PDHA1 基因突變致PDCD 為罕見遺傳性疾病，其臨床癥狀復(fù)雜多樣，臨床工作中極易誤診、漏診，臨床診斷困難且預(yù)后不佳，易在新生兒期或兒童期死亡，對臨床上高乳酸血癥及有神經(jīng)肌肉系統(tǒng)病變的患兒應(yīng)警惕此病，故應(yīng)注意進(jìn)行詳細(xì)的臨床檢查，積極完善基因檢測，定期復(fù)查頭顱核磁等。另外，對先證者家庭進(jìn)行遺傳咨詢及產(chǎn)前診斷亦非常必要。該病目前尚無根治方法，以對癥治療為主，早期診斷、及早治療對改善預(yù)后極為重要，后續(xù)應(yīng)收集及分析更多該類病例，有助于進(jìn)一步了解PDCD及進(jìn)行干預(yù)治療。