第3篇第19章 苯丙酮尿症

第十九章苯丙酮尿症分型实验室与其他检查病因与发病机制诊断与鉴别诊断临床表现治疗与预防苯丙酮尿症（phenylketonuria，PKU）是由于肝脏苯丙氨酸羟化酶（phenylalamine hydroxylase，PAH）缺乏或活性减低而导致苯丙氨酸代谢障碍的一种遗传性疾病。

在遗传性氨基酸代谢缺陷疾病中比较常见。

本病遗传方式为常染色体隐性遗传。

临床表现不均一，主要临床特征为智力低下、精神神经症状、湿疹、皮肤抓痕征及色素脱失和鼠气味等，脑电图异常。

如果能得到早期诊断和早期治疗，则前述临床表现可不发生，智力正常，脑电图异常也可得到恢复。

【分型】苯丙氨酸为人体所需必需氨基酸之一。

从饮食中摄入的苯丙氨酸被肠道吸收进入血循环后，大概有一半被利用作为蛋白质合成的基质，另一半则在肝脏中经苯丙氨酸羟化酶氧化成酪氨酸。

后者通过不同酶的作用可产生黑色素、甲状腺素和乙酰乙酸[1]。

如果苯丙氨酸羟化酶缺乏或活性降低，则苯丙氨酸被代谢为苯丙酮酸。

苯丙氨酸和苯丙酮酸在体内堆积使神经系统受到损害，另外还抑制酪氨酸代谢过程中的某些酶，如抑制酪氨酸酶而阻止黑色素的产生；抑制色氨酸代谢过程中的羟化酶使5-羟色胺生成减少。

人的PAH基因定位于12q24.1[2]。

其突变则引起其表达的PAH酶的活性减低或缺如，导致PKU症的发生。

PAH基因不同的突变，使PAH酶活性减低的程度有所不同，因此PKU 临床表现也轻重不一，故可分为轻型、中型与重型，甚至有些人只有高苯丙氨酸血症[3，4]。

PAH突变的基因型是高苯丙氨酸血症生化代谢表型的主要决定因素。

PAH的正常活性还有赖于辅因子参与，这些辅因子（或称辅酶）有四氢蝶呤（tetrahydropterin）和NADPH。

Kure等[5]报告4例高苯丙氨酸血症病人在给予四氢蝶呤负荷后，血中苯丙氨酸浓度下降，病人有PAH基因突变，而尿中排出的蝶呤和二氢蝶呤（dihydropteridine）还原酶活性正常。

这种对补充辅因子治疗有反应的病人可能是PKU新的亚型，同时意味着这4例病人残存的PAH活性比较高，在补充大量辅因子情况下可以将血中增高的苯丙氨酸氧化为酪氨酸。

【病因与发病机制】随着年龄的增大，摄入的苯丙氨酸用于合成蛋白的量逐渐减少。

出生以后，每日摄入的苯丙氨酸约为0.5g，儿童和成人增加到4g。

其中较大部分被氧化成酪氨酸，这一过程主要依赖于苯丙氨酸羟化酶（PAH），但也需要辅因子参与。

如果这一氧化过程发生障碍，则有苯丙氨酸在体内堆积，在此情况下，苯丙氨酸则通过其他途径进行代谢而产生苯丙酮酸有害物质。

苯丙酮尿（PKU）就是因为PAH活性减低或缺如而引起的一种遗传性疾病[5]。

PAH 活性减低还可使酪氨酸受抑而使黑色素生成减少，羟苯丙酮酸酶受抑而使羟苯酮酸在体内堆积。

苯丙氨酸羟化酶的基因定位于12q24.1，前已提及。

其突变可使表达的PAH活性减低或缺如，不同的突变影响PAH活性减低的程度不同。

人的PAH基因含有13个外显子，由内含子分开，内含子大小范围1~23kb，PAH编码区长约90kb。

在3’端约一半的外显子排列比较密，5’端的外显子则被较大的内含子间开。

人PAH基因编码约2.4kb的成熟的mRNA，其非编码和编码区的DNA比值是在迄今为止新确定特性的真核基因中最高的。

PAH基因有9个多态性限切酶位点：在基因的5’端有Bg III、PVU II（a）和PVU II（b），在3’端有EcoRI、Xmn I、MSPI(a)、MSP I(b)、EcoRV和Hind III[6]。

Murales等[7]克隆出编码果蝇（Drosophila melenogaster）PAH的cDNA及其核苷酸序列和表达，并观察到当用32P-标记的人PAH cDNA去探查果蝇DNA时，在基因组印染中有很强的杂交信息，提示在人和果蝇PAH基因之间存在高度序列的相似性。

果蝇PAH基因组片断约30~40kb，cDNA含有84bp的5’-非翻译区，1359bp的编码蛋白区和87bp的3’区，只有一个多腺苷化信号。

在核苷酸水平，果蝇与人PAH cDNA的相似为57.9%，在人PAH 基因的头3个外显子与果蝇PAH基因相同部分核苷酸无相似性。

在氨基酸水平，在假定的羟化区的相似性为88.5%，并发现有两个结构AGLLSS×××L基序（motifs）（×代表任何氨基酸）。

正常人PAH蛋白有折叠，并有铁结合位点。

铁结合位点结构的保持与位于与活性位点相关的3D结构中的第349位的丝氨酸有关，这个位点的丝氨酸与PAH结构的稳定性聚合和PAH的催化性质也具重要性[8]。

Fusetti等[9]测定了人PAH（残基118~452）的结晶结构，发现此酶与组成催化和四聚体化区的每个单聚体以四聚体结晶出来。

在四聚体化区的特性是存在与其他单聚体相互作用的交换臂，因而形成一反平行的盘旋卷，而且明显的不对称，这是由于在导致盘旋卷螺旋的螯合区有两个交替构形所引起。

最常见的PAH突变中的某些突变即发生于催化区和四聚体区的交界处。

不同的PAH基因的突变使PAH活性受影响的程度不同，对PAH结构的影响也不一样。

Gamez等[8]用不同的表达系统揭示PAH突变：Leu348Val、Ser349Leu、V al388Met引起PAH 蛋白有折叠缺陷。

将突变的PAH蛋白在大肠杆菌中表达显示比野生型PAH蛋白有对热不稳定，降解的时间过程也不相同。

Bjorgo等[10]研究了7种PAH突变，即Arg252Gly/Gln、Leu255Val。

另外还有一种突变为甘氨酸272停止编码。

当将这些突变的PAH蛋白与麦芽糖酶以融合蛋白形式共同表达于大肠杆菌中，证明人PAH蛋白折叠和聚合为同种四聚体/二聚体的能力有缺陷，大多数回收为无活性聚集型。

Arg252Gln和Leu255V al回收到具有催化活性的四聚体和二聚体，Arg252Ala回收到一些二聚体。

前述3种突变使PAH活性分别只有野生型活性的20%、44%和4.4%。

当在体外以偶联的转录—翻译系统表达时，所有突变的PAH均回收到具有低同种特异性活性的非磷酸化和磷酸化型的混合物。

所有这些PAH基因突变所表达的变异的人PAH蛋白在寡聚化方面均有缺陷，在体外实验对限制性蛋白溶解的敏感性增加，在细胞中的稳定性减低，催化活性也有不同程度的减低。

所有前述作用看来是由于单聚体结构紊乱的结果。

根据人PAH催化区的晶体结构，突变对折叠和单聚体寡聚体化的影响提供一种解析。

以上是一些肝PAH基因突变所引起的PAH蛋白结构和活性变异的相关性。

99%的高苯丙氨酸血症或PKU都是由于PAH基因突变引起，只有1%是由于辅因子生物合成或再生有障碍所致[2，11]。

PAH基因突变可累及外显子和内含子，可为错义突变或无义突变。

突变类型有点突变、插入或缺失、提前停止编码、剪接和多态性。

突变的基因型有纯合子、杂合子和复合性杂合子。

Scriver等[11]于1996年综述了PAH基因突变，在全世界26个国家，81位研究者分析了3986突变的染色体，确定了243种不同的突变。

到1999年3月Zekanowski 等[4]在论文中指出：世界上PAH基因突变已达350种以上。

该作者研究了编码PAH酶调节区：部分的外显子3突变可引起经典的PKU、轻度的PKU和轻度的高苯丙氨酸血症，后者的突变常位于71~94位的氨基酸残基。

汪宁指出到1998年4月止全世界PAH基因突变已增加到390种[12]。

在我国1996年徐陵亭等[13]报告已确定PAH基因突变有20多种，约占PAH 突变基因的80%。

大多数学者认为PAH突变的基因型与表型之间有相关，只少数病人例外。

Guldberg等[14]人认为：部分病人PAH突变的基因型与表型之间的不一致可能是由于用以检查突变的方法或者由于表型分类不同所致。

不同的国家和地区PKU患者PAH基因突变有所不同，我国北方和南方人群PAH基因突变类型分布也不一致[15]。

土耳其祖先病人的亚组中最常见突变为IVS10-11 G→A（占分析的等位基因的38%[16]）；罗马尼亚PKU病人中PAH基因突变以Arg408Trp居多（占等位基因47.72%），Lys363fsdelG (13.63%)和Phe225Thr占 6.81%，3种突变占突变等位基因的70%[17]；在捷克PKU病人中Arg408Trp突变占54.9%[18，19]。

对各地区人群PAH基因突变类型的分布的不同可能反映PAH基因突变有多种机制，包括拓荒者作用(founder effect)、遗传漂流(genetic drift)、过度互换性(hypermutability)和选择（selection）。

以上是肝脏PAH基因结构、性质和突变及突变所引起的PAH蛋白的异常。

PAH蛋白除了在肝脏细胞中表达外，在非肝脏组织中也有表达，包括肾脏、胰腺和脑。

肾脏中PAH一级结构与肝脏中者一致，只是其调节不同于肝脏中的PAH，但在机体苯丙氨酸平衡中，肾脏的PAH可能起作用[20]。

除了肝PAH活性缺如或降低可引起PKU外，还有PAH的辅因子发生变化也可引起。

参与PAH作用的主要辅因子有5、6、7、8-四氢生物蝶呤（5、6、7、8-tetra-hydrobiopterin），此物质为苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸羟化必须的辅因子。

负责编码此物质的基因为6-pyruvoyltetrahydropterin合成酶(PTPS)基因。

如果这种酶基因发生突变，则PTP缺乏，PAH 活性即使正常，也可引起PKU。

另一种可引起PKU的酶是二氢蝶呤还原酶[21]。

据此，PKU 的发病牵涉到至少3种酶基因，其中一个基因发生突变即可引起PAH活性缺如或减低，从而引起PKU。

【临床表现】PKU是一种遗传性疾病，故新生儿即有高苯丙氨酸血症，因未进食，血苯丙氨酸及其有害的代谢产物浓度不高，故出生时无临床表现。

如果对新生儿未作苯丙酮尿症筛选，随着喂食的时间延长，血中苯丙氨酸及其代谢产物逐渐升高，临床症状才渐渐表现出来。

主要临床表现有：一、生长发育迟缓除躯体生长发育迟缓外，主要表现在智力发育迟缓。

表现在智商低于同龄正常婴儿，生后4~9个月即可出现。

重型者智商低于50，约14%以上儿童达白痴水平，语言发育障碍尤为明显。

这些表现提示大脑发育障碍。

目前对于PKU引起大脑受损的发生机制仍未肯定。

从限制新生儿摄入苯丙氨酸可防止智力发育障碍来看，加之重型PKU患儿智力发育障碍比轻型者血中苯丙氨酸浓度为高，据此可以认为智力发育障碍与苯丙氨酸毒性有关，但更为详细的病理生理机制仍不清楚。

苯丙氨酸属于大的中性氨基酸，通过携带物（carrier）跨过血脑屏障流入脑内。

由于血苯丙氨酸浓度高，通过与其他大的中性氨基酸（包括缬氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸、组氨酸和色氨酸）竞争而优先流入脑中，而其他大的中性氨基酸流入大脑受阻，造成脑中大的中性氨基酸不平衡，从而损害大脑发育。