線粒體DNA及其基因突變與Leber遺傳性視神經病關系的研究進展

吳雅俊，胡裕翔，彭小蓼，吳曉蓉

(南昌大學第一附屬醫院，南昌330006)

·綜述·

線粒體DNA及其基因突變與Leber遺傳性視神經病關系的研究進展

吳雅俊，胡裕翔，彭小蓼，吳曉蓉

(南昌大學第一附屬醫院，南昌330006)

線粒體的主要功能是通過氧化磷酸化產生ATP，為生物體提供約95%的能量，線粒體內含少量遺傳物質，即線粒體DNA(mtDNA)，受精時隨母親的細胞質進入受精卵，發揮遺傳特性。mtDNA基因突變可改變呼吸鏈復合體的功能，直接影響電子傳遞過程或脫氧核苷(ADP)磷酸化，使ATP生成減少，能量代謝紊亂，引起耗能多的組織器官如大腦、心臟、脊髓、眼等受累，從而產生一系列癥狀。Leber遺傳性視神經病為細胞質母系遺傳病，其發生與mtDNA某些基因位點的突變有關，突變位點不固定，包括11778、3460、14484三個主要原發突變位點和其他繼發突變位點，患者通常僅有一個mtDNA位點的突變，也可同時合并多個位點的突變。

Leber遺傳性視神經病；線粒體DNA；基因突變；原發突變；繼發突變

Leber遺傳性視神經病又名LHON或家族性視神經病，是青壯年致盲的主要疾病之一，15～35歲人群高發，平均發病年齡24歲，男性發病率高于女性，通常有家族遺傳史[1,2]。LHON是一種主要累及視盤及視盤黃斑纖維的視神經退行性病變，臨床主要表現為急性或亞急性無痛性視力下降，雙眼同時或先后發生，常伴色覺障礙、中心視野缺損及視神經萎縮，可引起多系統并發癥[3,4]。LHON發病機制復雜，除遺傳因素外，環境因素、糖尿病、吸煙飲酒等均為發病誘因[5]。Wallace等[2]研究發現，LHON患者線粒體DNA(mtDNA)的11 778位點發生突變，鳥苷酸(G)被腺嘌呤(A)替代，呼吸鏈上還原型輔酶Ⅰ(NADHⅠ)亞單位4(ND4)基因編碼的精氨酸變成了組氨酸，首次證實LHON的發生與mtDNA基因位點突變有關，為遺傳性疾病。通常LHON患者僅有一個mtDNA基因位點突變，少數合并兩個mtDNA基因位點突變。本文就mtDNA及其基因突變與LHON的關系作一綜述。

1 mtDNA概述

線粒體是一種細胞器，存在于大部分真核生物細胞內，主要功能是通過氧化磷酸化產生ATP，為生物體提供約95%的能量[6]。線粒體也具有遺傳特性，內含少量遺傳物質，即mtDNA，受精時隨母親的細胞質進入受精卵，發揮遺傳特性。人類mtDNA全長16 596 bp，屬于細胞質DNA，有37個編碼基因，參與表達呼吸鏈復合體的13個亞基(復合體Ⅰ中的7個亞基、復合體Ⅲ中的1個亞基、復合體Ⅳ中的3個亞基和ATP合酶的2個亞基)、線粒體內的22個轉運RNA(tRNA)和2個核糖體RNA(rRNA)[7]。mtDNA基因突變可改變呼吸鏈復合體的功能，直接影響電子傳遞過程或脫氧核苷(ADP)磷酸化，使ATP生成減少，能量代謝紊亂，引起耗能多的組織器官如大腦、心臟、脊髓、眼等受累，從而產生一系列癥狀。由于mtDNA呈裸露的環形雙螺旋結構，缺乏蛋白質保護和損傷修復系統，易受損突變，其突變率遠高于細胞核DNA。mtDNA僅存在于細胞質中，精子在受精過程中細胞質不能進入受精卵，故LHON男性患者的變異遺傳物質無法傳遞給下一代，其子女均不發病，而LHON女性患者的子女均可發病，遂表現為母系遺傳病。因此在運用基因檢測如聚合酶鏈式反應(PCR)技術測定LHON患者的mtDNA序列時，最好同時提取該患者家族中母系成員的mtDNA序列以進一步明確診斷。

2 mtDNA基因位點突變與LHON的關系

2.1 mtDNA基因原發突變位點與LHON的關系 約95%的LHON患者與mtDNA的三個原發突變位點突變有關，即11778、3460、14484。11778位點突變最常見，14484位點突變次之，研究表明，mtDNA基因位點11778、3460、14484突變會影響LHON患者的預后，但不影響其臨床表現[8]。4%的11778位點突變LHON患者可恢復部分視力，37%～58%的14484位點突變患者可恢復部分視力，3460位點突變患者的視力恢復情況介于兩者之間。研究表明，相比于14484位點突變的LHON患者，11778位點突變患者發病早期視神經纖維層(RNFL)水腫更嚴重，晚期RNFL萎縮更嚴重，提示預后更差[9]。除了上述三個主要原發突變位點外，新的突變位點不斷被更新報道，至今已發現有幾十個mtDNA基因位點突變與LHON發病有關[10]。

2.2 mtDNA基因繼發位點突變與LHON的關系 某些mtDNA基因突變位點可協助原發位點突變導致LHON發生，這些位點為繼發突變位點，也有患者僅發生繼發位點突變。現階段研究較多的、與LHON發病有關的mtDNA繼發位點基因主要為3472、3866。mtDNA基因3472位點突變時核苷酸堿基T被C替換，NADHⅠ第56位置上的苯丙氨酸被亮氨酸取代；此改變導致線粒體內膜上的跨膜電位降低，ADP與磷酸(Pi)結合形成ATP的過程受到影響，導致細胞能量不足，并過度產生活性氧，細胞呼吸功能障礙，進而損傷視網膜神經節細胞及軸突細胞，引起視功能障礙。有研究采集僅有3472位點突變的LHON患者及其親屬的皮膚成纖維細胞、血小板進行培養及氧消耗速率檢測，結果提示其成纖維細胞氧耗速率明顯低于正常人，證實mtDNA基因3472位點突變為LHON的致病原因[11]。mtDNA基因3866位點負責編碼ND1亞基，該位點突變可引起核苷酸堿基從T突變為C，導致異亮氨酸被蘇氨酸替代，引起呼吸酶活性降低，從而影響有氧代謝。國內一項關于LHON合并四肢畸形跛行的研究顯示，該家系5代共60人中有4人與先證者癥狀相同，1人僅四肢跛行，4人僅表現LHON眼部癥狀；對先證者行mtDNA測序發現其3866位點突變，證實3866為LHON的mtDNA突變位點[12]。

2.3 mtDNA基因原發位點合并繼發位點突變與LHON的關系 LHON患者可發生mtDNA原發位點合并繼發位點突變。國內一項研究顯示，LHON先證者原發位點3460合并繼發位點9804突變，該家系11人中僅1人有類似癥狀，表現為視力急劇下降，且 PCR測序顯示二者均存在mtDNA基因3460、9804位點突變；mtDNA基因9804位點發生從G突變成A，影響電子呼吸鏈酶復合體Ⅳ(細胞色素C氧化酶)中的亞基(線粒體細胞色素C氧化酶亞基Ⅲ)，使呼吸酶生成缺陷，ATP合成異常，細胞氧供減少，從而引起視力急劇下降[13]。國內外僅報道了1例LHON患者存在mtDNA基因4924位點突變，該患者同時有原發位點11778突變，4924位點位于11778位點旁，基因突變使堿基由G變為A，患者除了雙眼視力急劇下降外無其他不適，其余系統檢查無明顯異常，無吸煙、飲酒史；該報道認為，mtDNA 繼發位點4924突變是LHON的致病因素[14]。為了了解合并位點突變對LHON的影響，研究者對同時具有繼發位點4216/ND1、13708/ND5及原發位點11778突變的LHON患者進行大腦、骨骼肌的有氧代謝能量測定，結果顯示患者與僅發生mtDAN基因11778位點突變者比較臨床表現并無明顯差異，這兩個繼發突變位點與11778位點關聯時不會加重線粒體的氧化代謝[15]。亦有研究利用骨肉瘤來源的雜交細胞建立同時擁有3個LHON相關基因突變位點(原發位點11778、14484及繼發位點11253)的mtDNA細胞模型，以及僅有單個原發突變位點(11778、14484)的mtDNA細胞模型，并將這兩種細胞分別置于含有相同葡萄糖、半乳糖的培養基中；結果發現，兩種細胞的氧耗速率基本相同，證明兩種線粒體的功能沒有明顯差異[16]。以上研究均證實，mtDNA基因繼發位點合并原發位點突變時對LHON的臨床癥狀無明顯影響，mtDNA基因突變位點之間對線粒體的功能、LHON進展并無協同作用。

有研究選擇了34例無血緣關系的韓國LHON患者，對其外周血白細胞進行mtDNA基因全測序，結果發現21例僅發生原發位點突變，11例僅發生繼發位點突變，2例同時發生原發和繼發位點突變，證實mtDAN基因繼發位點(11696、3394、14502)突變可能與LHON的發生有關；該研究發現，mtDNA基因原發位點與繼發位點突變的患者RNFL厚度均降低，但患者之間并無明顯差異，且mtDNA基因繼發位點突變的女性患者較多，其視力、視野、中心視野損害程度均輕于原發位點突變患者[17]。國內研究顯示，mtDNA基因繼發位點突變的LHON女性患者居多，但其RNFL變薄、視神經萎縮情況更輕[18]。以上結論提示，對于RNFL變薄的LHON患者應同時考慮mtDNA基因原發及繼發位點突變的可能；LHON女性患者多存在mtDNA基因繼發位點突變，但其視力、色覺、視野的損害更小[19,20]。

綜上所述，某些mtDNA基因位點突變可導致LHON的發生，3個主要的原發突變位點分別為11778、3460、14484；有關基因突變位點種類、突變數與臨床表現無關，但可能會影響患者預后。家族遺傳史、臨床表現、眼部檢查及mtDNA基因測序可確診該病。LHON的惟一確診依據為mtDNA全測序，該病以預防為主，目前沒有特效的治療手段，主要采取對癥治療：①一般支持療法[21]：禁煙禁酒，遠離放射性毒物，充足營養、睡眠等；②神經營養療法：服用維生素B1、B2、B12、C等；③藥物療法：服用輔酶Q、EP1-743(INN)[22]、Raxone(歐盟委員會批準LHON專用藥)[23]等；④干細胞療法：使用間充質干細胞或自體骨髓間充質干細胞[24]種植入玻璃體內替換原神經節細胞、軸突細胞；⑤基因療法[25]：視網膜下靜脈注射含有ND4基因的重組腺相關病毒載體(rAAV2-ND4)等。

[1] 王英,童繹.胡世興.Leber遺傳性視神經病病理機制及治療[J].國際遺傳學雜志,2006,28(6):436-410.

[2] Wallace DC, Singh G, Lott MT. Mitochondrial DNA mutation associated with Leber＇s hereditary optic neuropathy[J]. Science, 1988,242(4884):1427-1430.

[3] 宮曉紅,周劍,夏燕婷,等.童年期發病的Leber遺傳性視神經病變臨床研究[J].中國中醫眼科雜志,2016,26(6):355-358.

[4] Finsterer J, Zarrouk-Mahjoub S. Leber＇s hereditary optic neuropathy is multiorgan not mono-organ[J]. Clin Ophthalmol, 2016(10):2187-2190.

[5] Shimada Y, Horiguchi M. Leber hereditary optic neuropathy associated with bilateral macular holes[J]. Neuroophthalmology, 2016,40(3):125-139.

[6] 陳星,沈永義,張亞平.線粒體DNA在分子進化研究中的應用[J].動物學研究,2016,33(6):567-572.

[7] Dan L,Yaodong H, Qing Z, et al. Mitochondrial DNA study in domestic chicken[J]. Mitochondrial DNA Part A, 2017,28(1):25-29.

[8] Guo DY, Wang XW, Hong NA. Meta-analysis of the association between different genotypes (G11778A, T14484C and G3460A) of Leber hereditary optic neuropathy and visual prognosis[J]. Int J Ophthalmol, 2016,9(10):1493-1498.

[9] JH S, Hwang JM, Park SS. Comparison of retinal never fibre layers between 11778 and 14484 mutations in Leber＇s hereditary optic neuropathy[J]. Eye, 2010,24(1):107-111.

[10] Chiang PW, Wang J, Chen Y, et al. Exome sequencing identifies NMNAT 1 mutations as a cause of Leber congenital amaurosis[J]. Nat Genet, 2012,44(9):972-974.

[11] S L, Zhang YM, Huang XX, et al. Complete mitochondrial DNA sequence analysis in two southern Chinese pedigrees with Leber hereditary optic neuropathy revealed secondary mutations along with the primary mutation[J]. Int J Ophthalmol, 2012,1(5):28-31.

[12] Sheremet NL, Nevinisyna TA, Zhorzholadze NV. Previous unclassified mutation of mtDNA 3472T>C: evidence of pathogenicity in Leber＇hereditary optic neuropathy[J]. Biochemistry (Mosc), 2016,81(7):748-754.

[13] 劉燕,莊淑流,童繹,等.線粒體ND1基因T3866C突變可能是Leber視神經病和四肢畸形跛行相關的突變[J].遺傳,2010,32(2):141-147.

[14] Malhotra RM, Al Mejally MA, Abualela HM, et al. Leber＇s hereditary optic neuropathy: report of a simple case associated with a rare variant mutation[J]. Ann Indian Acad Neurol, 2017,20(1):78-80.

[15] Lodi R, Montagna P, Cortelli P. Secondary＇4216/ND1 and 13708/ND5 Leber＇s hereditary optic neuropathy mitochondrial DNA mutations do not further impair in vivo mitochondrial oxidative metabolism when associated with 11778/ND4 mitochondrial DNA mutation[J]. Brain, 2000,123(9):1896-1902.

[16] Cruz-Bermúdez A, Vicente-Blanco RJ, Hernández-Sierra R, et al. Functional characterization of three conomitant mtDNA LHON mutations shows no synergistic effect on mitochondrial activity[J]. PLoS One, 2016,11(1):1-19.

[17] Yum HR, Chae H, Shin SY. Pathogenic mitochondrial DNA mutations and associated clinical features in Korean patients with Leber＇s hereditary optic neuropathy[J]. Invest Ophthal Visual Sci, 2014,55(12):8095-8101.

[18] Shu L, Zhang YM, Huang XX, et al. Complet mitochondrial DNA sequence analysis in two southern Chinese pedigrees with Leber hereditary optic neuropathy revealed secondary mutations along with the primary mutation[J]. Int J Ophthalmol, 2012,5(1):28-31.

[19] Matthews L, Enzinger C, Fazekas F. MRI in Leber＇s hereditary optic neuropathy: the relationship to multiple sclerosis[J]. J Neurol Neurosurg Psychiatry, 2015,86(5):537-542.

[20] Lees F, Macdonald AM, Turner JW. Leber＇s disease with symptoms resembling disseminated sclerosis[J]. Neurol Neurosurg Psychiatry, 1964,27(27):415-421.

[21] Dimitriadis K, Leonhardt M, Yu-Wai-Man P, et al. Leber＇s hereditary optic neuropathy with late disease onset: clinical and molecular characteristics of 20 patients[J]. Orphan J Rare Dis, 2014,9(1):158.

[22] Karanjia R, Chahal J, Ammar M, et al. Treatment of Leber＇s hereditary optic neuropathy[J]. Curr Pharm Des, 2017,23(4):624-628.

[23] Metzl G, Hasham S, Catarino C. Treatment of visual impairment in patient＇s with Leber＇s hereditary optic neuropathy (LHON) using idebenone (raxone)[J]. Acta Ophthalmologica, 2016,94(256):124.

[24] Weiss JN, Levy S, Benes SC. Stem cell ophthalmology treatment study(SCOTS): bone marrow-derinved stem cells in the treatment of Leber＇s hereditary optic neuropathy[J]. Neural Regen Res, 2016,11(10):1685-1694.

[25] Yang S, Ma SQ, Wan X, et al. Long-term outcoms of gene therapy for the treatment of Leber＇s hereditary optic neuropathy[J]. E BioMedicine, 2016,10:258-268.

國家自然科學基金資助項目(81360151；81760179)；江西省自然科學基金面上項目(20171BAB205046)；江西省教育廳重點項目(GJJ160033)；江西省衛計委科技計劃項目(20141031)。

吳曉蓉(E-mail： wxr98021@126.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.44.032

R774

A

1002-266X(2017)44-0098-03

2017-06-10)