人类线粒体病的遗传学研究及治疗进展

第31卷第3期济宁医学院学报2008年9月Vol131,No.3J O URNAL OF JIN ING M EDICAL COLLEGE Sep,2008

人类线粒体病的遗传学研究及治疗进展

郭岩1陈磊2高立1综述关晶1审校

(1济宁医学院2济宁医学院附属医院)

线粒体普遍存在于真核细胞的细胞质中,它是细胞物质氧化的主要场所和能量供给中心。线粒体是细胞核外含有遗传信息和表达系统的细胞器,其遗传特点表现为非孟德尔遗传方式,具有半自主性。线粒体病(m itochondr i opa t hy)是指因遗传缺损引起线粒体代谢酶的缺陷,导致AT P合成障碍、能量来源不足而出现的一组多系统疾病,因此,也被称为线粒体细胞病(m itochondr i a lcy topathy)[1,2]。

1线粒体基因组的特点

线粒体基因组是一个环状双DNA,核酸序列和组成比较保守,人类的线粒体基因组由16569bp组成,其外环为重(H)链,内环为轻(L)链,除一段非编码区(D-loop区)外,均为编码区,共编码13个多肽、22个t R NA和2个r RNA[3]。D-loop区是一大小约1000bp的调控区,其包含有重链复制起始点、保守序列节段、轻链启动子、重链启动子及终止结合序列等,几乎所有与m t DNA复制、转录和翻译相关的调控序列都位于该区。

2线粒体病的种类

线粒体病是遗传缺损引起线粒体代谢酶缺陷,使AT P合成障碍、能量来源不足导致的一组异质性病变。m t DNA有很高的突变率[4],当一种突变产生时,细胞同时含有野生型、突变型二种m t DNA时,称为异质性。异质细胞分裂时,突变和野生m t DNA随机分布到子细胞中。经过很多代的传递, m t DNA表型向野生型或突变型m t DNA占优势方向漂变,这一过程称为复制分离。随着突变型比例的增多,细胞获得能量的能力下降直到降低至阈值,即细胞或组织正常功能所必需的最小能量输出,超过这一点,就出现疾病症状[5]。一般情况下,线粒体病患者会有以上的两个至多个病症,其中的一些往往同时发生,以至于我们把它们归类为某综合征[6]。

2.1肌阵挛性癫痫伴肌肉蓬毛样红纤维综合征(M ERR F)

是由于m t DNA8344或8356发生了点突变造成的一种罕见的、杂质性母系遗传病,具有多系统紊乱的症状,包括肌阵挛性癫痫的短暂发作、不能够协调肌肉运动(共济失调)、肌细胞减少(肌病)、轻度痴呆、耳聋、脊髓神经退化等等。患者肌纤维紊乱、粗糙,线粒体形态异常并在骨骼肌细胞中积累,用Gom or iT r ichrom e染色显示为红色,称破碎红纤维。M ER-R F病一般在童年初发,病情可持续若干年[7]。

2.2慢性进行性眼外肌麻痹综合征(K SS)

病因尚未明确,50%有家族史,认为系线粒体肌病的一个亚型;也有人提到自身免疫或脂质代谢异常。20岁前起

技术的进展,期待更敏感、更特异的方法面世,这对于病理状态中细胞凋亡的研究将具有重要意义。

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病,进展较快,表现CPEO和视网膜色素变性,常伴心脏传导阻滞[8]、小脑性共济失调、CSF蛋白增高、神经性耳聋和智能减退等。K SS型表现为眼外肌瘫痪伴视网膜色素变性和/或心脏传导阻滞,身材矮小,智能减退,神经性难听,小脑性共济失调,多由m t DNA片段缺失造成。

2.3线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作综合征(M ELAS)

m t DNA3243发生了点突变造成的疾病,患者多在5~15岁起病[9],儿童期发病较多。表现突发的卒中样发作,如偏瘫、偏盲和皮质盲、反复癫痫发作、偏头痛和呕吐等,病情逐渐加重。CT和M R I可见枕叶脑软化,病灶范围与主要脑血管分布不一致,常见脑萎缩、脑室扩大和基底节钙化;血和脑脊液乳酸增高。

2.4亚急性坏死性线粒体脑肌病(Le i gh)

亚急性坏死性脑脊髓病又称为线粒体脑肌病,是一种进行性神经变性疾病。临床表现为不明原因的营养不良及肝、胃肠疾病症状,进行性智力衰退及听力障碍,开始可有肢体无力、视力减退(视神经萎缩或皮质盲)、眼球运动障碍、眼震及抽搐等,病情恶化后呈木僵状态,肌强直阵挛,可因球麻痹及呼吸困难而死亡。

2.5线粒体DNA缺失综合征(M D S)

通常在婴儿期发病,该病症导致肌肉无力和/或肝功能衰竭,脑损伤则非常罕见。/懒散状0,喂食困难,发育迟缓也很常见,PEO和惊厥较少见。

2.6线粒体神经消化道脑肌病(M NG IE)

发病年龄通常20岁之前,该病可导致PEO、上睑下垂症、四肢无力以及消化道(消化系统)症状,包括慢性腹泻及腹痛。另一个常见症状是外周神经疾病(周围神经障碍症状,可导致感觉丧失及肌肉无力)。

2.7神经病、共济失调及色素性视网膜炎(MAR P)

可导致神经疾病、共济失调以及色素性视网膜炎(视网膜恶性病变,导致视觉丧失)。亦能导致发育迟缓、惊厥和痴呆。

2.8L eber遗传性视神经病(LHON)

Leber遗传性视神经病(LHON)是一种主要累及黄斑束纤维,导致视神经退性变的线粒体性遗传病。本病由von G rae f e最早于1858年报道。1871年,Leber s'收集了16个家庭中55例,并明确为一种独立的遗传性疾病;E ri ksen于1972年提出本病为线粒体m t DNA的突变所致;1988年W a-l lace等人在患LHON家族中鉴定出线粒体DNA第11778碱基对发生突变。本病具有母系遗传和倾向于男性发病的特点,起病年龄一般为青少年时期[10],我国平均为20.2岁。2.9P ea rson综合征

Pearson综合征是一种发生于婴儿时期的OXPHOS疾病,主要影响骨髓,表现为严重输血依赖性大细胞性贫血,伴不同程度白细胞和血小板减少。本症为m t DNA缺失所致,患者在婴儿期死于骨髓衰竭和反复输血并发症。存活患儿可能发展成为KS综合征,有乳酸酸中毒、生长落后、胰腺功能障碍、线粒体肌病、进行性神经系统功能障碍等,其遗传缺陷与K S综合征完全一样[11]。

3线粒体病的诊断

3.1家族史分析

在做出诊断以及进行分子遗传学测试时,详细的家族史非常重要。大多数PEO或K SS成年人患者在某个家族中只出现一例。许多幼年期发病的脑肌病在某个家族中也只出现一例,其病因可能是隐性核基因缺陷或m t DNA的缺陷。如果清楚地表现出某种母系遗传方式,则可能表明潜伏有某种m t DNA缺陷[12]。

3.2分子遗传学测试

对可疑线粒体病患者进行分子遗传学检查[13],对未知是何种突变者进行m t DNA基因筛查,位点至少包括常见的m t DNA突变,如A3243G、A8344G、T8993G/C等,以及大片段重排的检测;对于强烈提示线粒体病者需要进行m t DNA全基因组扫描及实时PCR检测m t DNA衰竭;若疾病表现与某一线粒体综合征相似首先对相关基因进行检测,若结果阴性,则进行m t DNA基因筛查;出现心肌病或耳聋等特异性症状者,除进行常见位点检测外,还需要检测与该病相关的一些罕见点突变。

3.3临床检测[14]

乳酸和丙酮酸盐:空腹血乳酸盐浓度\3mmo l/L和空腹脑脊液乳酸盐浓度>1.5mmo l/L支持线粒体病的诊断,但需排除其他导致乳酸盐增高的原因,如惊厥后血液和脑脊液乳酸盐水平增高、缺血性卒中后脑脊液乳酸盐增高等。一般来说,动脉血检测优于静脉血。乳酸盐与丙酮酸盐比值>50:1时提示呼吸链代谢障碍。

血浆磷酸肌酸激酶(CK):一般情况下正常或轻微增高,增高见于慢性进行性眼外肌麻痹(CPEO)并眼睑下垂,明显增高可能见于线粒体DNA耗竭。

神经系统影像学检查:怀疑中枢神经系统疾病者CT可见基底神经节钙化和/或弥漫性萎缩,M R I可显示大脑皮层和小脑局灶性萎缩或T2相强信号,特别是在枕侧皮层。

神经生理学检查:脑病患者脑电图可显示为慢波、在具有惊厥的患者可有局灶性尖峰信号。外周神经电生理检测可指明肢体无力、感觉障碍、反射消失,肌电图通常是正常的,也可能显示肌病特征。神经传导速度可能正常或出现轴突感觉运动性多神经病。磁共振波谱学和运动试验对于发现线粒体功能异常的证据是有帮助的,同时也可检测休息状态下大脑和肌肉的乳酸水平和运动后ATP高峰恢复延迟。

心电图和超声心电图:以显示心肌受损程度,如心肌病和房室传导阻滞。

肌肉活检:用以检测骨骼肌和皮肤纤维细胞。

4线粒体病的治疗

多年以来,人们一直认同Sherratt等[15]提出的线粒体病的治疗方法,即:代谢治疗、成肌细胞互补和基因治疗。

4.1代谢治疗

代谢治疗包括:氧化磷酸化辅助因子的补充;建立代谢旁路;刺激丙酮酸脱氢酶;防止氧自由基对线粒体内膜的损害。目前已有一些成功的治疗报告,但L ili[16]通过对研究儿童的线粒体肌病的治疗发现,Co Q10多种维生素治疗线粒体肌病是基本无效的。

4.2成肌细胞移植

成肌细胞移植是近年来兴起的一种治疗方法。细胞生物学研究表明成肌细胞相互融合成肌小管而发育成成熟的肌纤维。如将患者肌细胞与正常肌细胞在体外融合,然后输

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入到患者体内,一般选用多点肌肉注射的方式,患者体内就可能有更多的野生型线粒体DNA。但目前尚未见成功的成肌细胞移植治疗线粒体病的临床报道[17]。

4.3基因治疗

Chrzano w ska提出了三种线粒体病的基因治疗途径:第一是将克隆有正常线粒体DNA的表达载体导入到核染色体内,在细胞质表达蛋白质产物,然后定向进入线粒体[18,19]。胞质蛋白进入线粒体的一个必须条件是其N末端必须连接有前导序列,引导蛋白质进入线粒体,然后被蛋白酶切除。由于线粒体DNA与核基因组的遗传密码不同,应通过定点诱变技术改造目的基因的遗传密码,使之能被核基因表达系统所接受。第二种基因治疗途径是转野生型DNA或RNA 进入线粒体,造成顺式或反式调控作用[20]。所谓反式互补是导入的核酸特异地与突变型线粒体DNA重组,成为野生型线粒体DNA。顺式互补是将外源基因通过表达载体系统导入线粒体,使之表达野生型的基因产物,以弥补其不足。外源核酸进入线粒体也需要前导肽的引导。Se i be l等成功地将一段与前导肽结合的寡核苷酸导入了鼠肝线粒体,初步证实了这种途径的可行性。第三种基因治疗途径是除去突变的线粒体DNA,在线粒体DNA复制时单链形成期,将反义的序列特异的寡核苷酸与之结合,可抑制突变型的复制。

4.4其他对症治疗[21]

饮食治疗能减少内源性毒性代谢产物的产生。高碳水化合物饮食能代偿受损的糖异生,减少脂肪分解。对于肉毒碱缺陷的患者,应限制脂肪摄入。生酮饮食有利于丙酮酸脱氢酶缺失的患者。对于丙酮酸羧化酶缺失的患者,则推荐高蛋白、高碳水化合物、低脂肪饮食。

在有肌无力或偏瘫的患者,物理治疗显得格外重要,注意维持肌肉的协调性和关节运动,重视功能锻炼,但是过度的体力活动可以促使无氧酵解,加重酸中毒,因此体育锻炼应适度。线粒体病的卒中样发作不是因为血管缺血,而与受损局部脑组织的ATP减少有关,常规血小板聚集抑制剂、抗凝和溶栓疗法不能预防这种发作。线粒体病的病人对低氧和高碳酸的反应性下降,因此麻醉时要十分慎重,避免引起心脏传导阻滞的药物。

5结语

线粒体遗传病分子发病机制还有待研究,m t DNA突变还有很多机制未阐明,而对该病的产前诊断处于摸索状态,关键问题是产前诊断的可信性和有效性尚不明确,还需要长期深入的研究。随着分子遗传学的发展,大量新兴的技术将应用于线粒体病的诊断,对线粒体病的机制、诊断、治疗起很大的帮助。

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