異亮氨酰-tRNA 合成酶基因變異的研究進(jìn)展

蔣勁嵩 高景波 郭 榮 曹桂芝 郭 敏 趙晨玥 張莉雪 薛慧琴

1.山西醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院兒科醫(yī)學(xué)院，山西太原 030001；2.山西省兒童醫(yī)院（山西省婦幼保健院）細(xì)胞遺傳室，山西太原 030013

在生物體內(nèi)，蛋白質(zhì)的合成過程依賴于氨酰tRNA合成酶群（aminoacyl-tRNA synthetases，ARSs）的催化活性，不同的ARSs 可以通過氨?；饔么呋煌陌被岷团c之相應(yīng)的tRNA 結(jié)合以確保遺傳信息的正確傳遞[1-2]。氨?；途庉嬍茿RSs 典型功能，調(diào)控轉(zhuǎn)錄和翻譯是ARSs 非典型功能。越來越多的研究表明，不管是ARSs 的典型功能還是非典型功能發(fā)生缺陷都會(huì)導(dǎo)致人類疾病[3]。目前已報(bào)道的ARSs 有24種，依據(jù)其同源保守序列及CCD 折疊方式可分為兩類：Ⅰ類多以單體形式存在，Ⅱ類多以二聚體或多聚體形式存在[4]。異亮氨酰-tRNA 合成酶（recobinant isoleucyltRNA synthetase，IARS）由IARS 基因編碼，是ARSs 家族成員之一，催化異亮氨酸和特異tRNA 結(jié)合[5]。此外，IARS 是人細(xì)胞中氨酰-tRNA 合成酶復(fù)合物（multisynthetase complex，MSC）的一部分，該大分子多酶復(fù)合物由9 種細(xì)胞質(zhì)氨酰-tRNA 合成酶和3 種輔因子（AIMP1、AIMP2、AIMP3）組成[6]。IARS 基因突變導(dǎo)致的疾病是一種少見的常染色體隱性遺傳病，有關(guān)IARS 基因突變的致病機(jī)制研究報(bào)道較少，其發(fā)病機(jī)制尚不明確。

1 動(dòng)物中的IARS 基因變異

動(dòng)物中IARS 基因純合錯(cuò)義突變會(huì)導(dǎo)致一系列表型出現(xiàn)，而雜合攜帶者擁有維持正常生活的IARS 活性。IARS 基因中的純合錯(cuò)義突變c.235G＞C（p.Val79 Leu）是日本黑牛弱犢綜合征的原因，導(dǎo)致IARS 蛋白的氨?；钚越档?8%，進(jìn)而損害蛋白質(zhì)合成[7]。受影響的小牛表現(xiàn)出宮內(nèi)生長(zhǎng)遲緩、新生牛虛弱、嚴(yán)重肌無力伴失語和肝細(xì)胞脂肪變性，比未受影響的胎牛更可能在產(chǎn)前死亡[8]。IARS 基因變異雜合攜帶者和野生型奶牛的代謝譜試驗(yàn)（metabolic profile test，MPT）結(jié)果和生殖性能數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)攜帶者和野生型奶牛之間在MPT 結(jié)果或生殖性能方面比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），提示攜帶者奶牛具有維持最低健康和生殖潛力所必需的IARS 活性[9]。IARS 基因變異小牛在肌肉、肝臟和成纖維細(xì)胞中的氧化磷酸化活性正常，鋅水平也未受到影響，因此鋅水平降低和氧化磷酸化活性受損可能與IARS 基因突變不直接相關(guān)[10-11]。

IARS 基因在斑馬魚中是保守的，與人類蛋白質(zhì)具有74%的同源性，且在斑馬魚早期胚胎發(fā)育中普遍表達(dá)。對(duì)斑馬魚的IARS 基因進(jìn)行了原位雜交和嗎啡啉敲除，實(shí)驗(yàn)證明IARS 基因下調(diào)導(dǎo)致高致死率，存活的胚胎表現(xiàn)出嚴(yán)重的腦表型和體軸縮短，提示IARS基因在胚胎發(fā)生中的重要作用[10,12]。斑馬魚中出現(xiàn)的腦表型和體軸縮短與人類IARS 基因變異出現(xiàn)的智力低下和發(fā)育遲緩相對(duì)應(yīng)。

2 人類中的IARS 基因變異

IARS 基因突變患者具有表型異質(zhì)性和多樣性的特點(diǎn)，從輕度的臨床表現(xiàn)到快速進(jìn)展的多器官受累，且表型在同一家系不同成員間和不同家系間都有可能存在較大差異。IARS 基因在Clinvar、HGMD、PubMed、中國(guó)知網(wǎng)等國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)庫(kù)中雖有P/LP 變異15 個(gè)，但僅有8 例先證者被詳細(xì)報(bào)道。Kopajtich 等[10]發(fā)現(xiàn)IARS 基因突變患者3 例，分別為c.1252C＞T 合并c.3521T＞A 復(fù)合雜合變異、c.760C＞T 合并c.1310C＞T 復(fù)合雜合變異和c.1109T＞G 合并c.2974A＞G 復(fù)合雜合變異。Orenstein 等[10]發(fā)現(xiàn)IARS 基因c.2215C＞T 合并c.1667T＞C 變異1 例。Smigiel 等[14]發(fā)現(xiàn)IARS基因c.2011delC 合并c.206C＞T 變異1 例。Fuchs 等[5]發(fā)現(xiàn)IARS 基因c.1305G＞C 合并c.3377dup 變異2例。王國(guó)杰等[15]發(fā)現(xiàn)IARS 基因c.1604A＞G 變異1 例。

既往報(bào)道的8 例IARS 基因突變患者表型比較結(jié)果：宮內(nèi)發(fā)育遲緩（7/8）、生后發(fā)育遲緩（8/8）、語言延遲（5/8）、智力低下（7/8）、肝脂肪變性（4/8）、肝纖維化（4/8）、肝功能異常（6/8）、肝脾腫大（3/8）、肌張力低下（6/8）、特殊面容（5/8）、小頭畸形（2/8）、缺鋅（5/8），個(gè)別患者還有頭顱MRI 異常、癲癇發(fā)作、孤獨(dú)癥、膽汁淤積、感音神經(jīng)性聽力損失、腎積水、呼吸系統(tǒng)疾病、喂養(yǎng)不良等癥狀。所有報(bào)告的IARS 基因突變患者幾乎均有發(fā)育遲緩和智力低下特征表型，所以IARS基因變異會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的生長(zhǎng)發(fā)育問題。

3 IARS 基因突變引發(fā)疾病的機(jī)制

ARSs 基因變異可能引起其典型或非典型功能障礙，從而導(dǎo)致疾病的發(fā)生。ARSs 的典型功能是將氨基酸與相應(yīng)的tRNA 結(jié)合，生成活化的氨基酰-AMP，然后將活化的氨基酰-AMP 轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的tRNA 3’端上，使活化的氨基酰tRNA 更容易與mRNA 上的密碼子結(jié)合，確保蛋白質(zhì)的氨基酸序列與mRNA 上的密碼子序列一致，這對(duì)于蛋白質(zhì)的正確折疊和功能至關(guān)重要。ARSs 的非典型功能包括作為分子伴侶，協(xié)助其他蛋白質(zhì)折疊成正確的三維結(jié)構(gòu)；參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)通路，調(diào)控蛋白質(zhì)合成的過程；參與tRNA 的選擇和識(shí)別，為翻譯起始做好準(zhǔn)備[3]。需要注意的是，雖然ARSs 具有上述非典型功能，但其主要功能仍然是催化氨基酸與tRNA 的結(jié)合，并合成肽鏈。

IARS 基因突變引發(fā)疾病的機(jī)制可能因突變的類型和位置而異，引起隱性IARS 缺陷的致病性變異通常位于IARS 基因的催化或反密碼子結(jié)合域。有研究認(rèn)為隱性IARS 缺乏癥的常見臨床表型是由于氨基酰化活性不足以滿足特定器官或生命周期的翻譯需求所致[16]。子宮內(nèi)生長(zhǎng)受限和發(fā)育不全可能與氨酰化活性降低、翻譯減慢或效率低下相關(guān)。在隱性IARS缺陷中受影響最明顯的是高氨基酸滲入率的器官：肝臟（2.4%/h）、肺（1.0%/h）、腦（0.6%/h）和肌肉（0.4%/h～0.7%/h）及高增殖率器官——腸道[17-18]。圍生期和感染期都是高轉(zhuǎn)化需求的時(shí)期，所以IARS 基因變異會(huì)導(dǎo)致高氨基酸滲入率及高增殖率器官出現(xiàn)相應(yīng)癥狀。

4 ARS 其他基因變異

常染色體隱性ARS 缺陷代表了一組快速增長(zhǎng)的嚴(yán)重遺傳性疾病，涉及多個(gè)器官。所有ARS 缺陷都與中樞神經(jīng)系統(tǒng)癥狀相關(guān)，包括聽力和視力缺陷，大多數(shù)與發(fā)育不良、喂養(yǎng)和胃腸道問題有關(guān)。線粒體功能障礙和面部畸形的體征很常見，還有各種內(nèi)分泌異常。肝臟和神經(jīng)系統(tǒng)癥狀在生后1 年內(nèi)和感染期最嚴(yán)重，如急性肝衰竭、癲癇持續(xù)狀態(tài)和腦病[5]。還有些特定的臨床特征：絲氨酰-tRNA 合成酶基因變異會(huì)導(dǎo)致智力殘疾[19]；天冬氨酰-tRNA 合成酶基因變異會(huì)出現(xiàn)白質(zhì)腦病和腿部痙攣[20]；精氨酰-tRNA 合成酶基因變異出現(xiàn)髓鞘形成不足[21]；纈氨酰-tRNA 合成酶基因變異導(dǎo)致神經(jīng)遺傳性疾病[22]；賴氨酰-tRNA 合成酶基因變異出現(xiàn)非綜合征性聽力損傷[23]。可以根據(jù)特定的臨床特征對(duì)ARS 缺陷的種類進(jìn)行初步判斷，為疾病的診治提供參考。

5 IARS 基因變異的特定氨基酸治療

氨基酸治療ARS 缺陷目前是一個(gè)研究熱點(diǎn)，動(dòng)物模型發(fā)現(xiàn)氨基酸治療可以改善癥狀，初步研究結(jié)果令人鼓舞。如氨酰化活性降低導(dǎo)致隱性IARS 缺陷的患者可能通過補(bǔ)充相應(yīng)的異亮氨酸或高蛋白質(zhì)攝入改善癥狀[5,24]。之前報(bào)道的ARS 缺陷患者：丙氨酰-tRNA 合成酶[25]；甲硫氨酰-tRNA 合成酶[26]；異亮氨酰-tRNA 合成酶[10]；組氨酰-tRNA 合成酶[27]；絲氨酰-tRNA 合成酶[19]；谷氨酰胺酰-tRNA 合成酶[28]和賴氨酰-tRNA 合成酶[29]缺陷，均表現(xiàn)為氨基酰化活性降低，但從未降低至酶活性正常值以下，推測(cè)ARS 活性過低會(huì)對(duì)胎兒產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致胎兒無法順利產(chǎn)出，從而未被報(bào)道。因此，蛋白質(zhì)/氨基酸的充足供應(yīng)至關(guān)重要，特別是在翻譯需求增加的時(shí)期，如生命早期和感染期[30]?；颊叩碾s合子父母不受影響的事實(shí)表明，IARS 活性存在一些過剩的能力，而且IARS 基因變異導(dǎo)致的疾病與缺鋅有關(guān)，還可以通過補(bǔ)充鋅來緩解癥狀[10]。氨基酸治療ARS 缺陷的方法仍處于早期階段，需要更多深入的研究評(píng)估其有效性和安全性，將來有望成為治療的新靶點(diǎn)。

IARS 基因變異會(huì)導(dǎo)致多系統(tǒng)病變，其表型復(fù)雜多樣，表型譜仍需不斷拓展總結(jié)。目前IARS 基因新發(fā)復(fù)合雜合變異導(dǎo)致發(fā)育遲緩的功能實(shí)驗(yàn)尚鮮見報(bào)道，所以開展IARS 基因新發(fā)剪接位點(diǎn)變異及錯(cuò)義突變的功能試驗(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)證該復(fù)合雜合變異的致病性是具有創(chuàng)新性的。此外，雖然有研究發(fā)現(xiàn)可以用整體的轉(zhuǎn)錄翻譯解釋發(fā)育遲緩的表型，但器官特異性體征的病理機(jī)制可能更加復(fù)雜，所以關(guān)于IARS 基因型與表型相關(guān)性的機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。