異亮氨酰-tRNA 合成酶基因變異的研究進展

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]。氨酰化和編輯是ARSs 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)生缺陷都會導(dǎo)致人類疾病[3]。目前已報道的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 基因突變的致病機制研究報道較少，其發(fā)病機制尚不明確。

1 動物中的IARS 基因變異

動物中IARS 基因純合錯義突變會導(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（metabolic profile test，MPT）結(jié)果和生殖性能數(shù)據(jù)進行比較分析，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)。對斑馬魚的IARS 基因進行了原位雜交和嗎啡啉敲除，實驗證明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，從輕度的臨床表現(xiàn)到快速進展的多器官受累，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、中國知網(wǎng)等國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫中雖有P/LP 變異15 個，但僅有8 例先證者被詳細(xì)報道。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。王國杰等[15]發(fā)現(xiàn)IARS 基因c.1604A＞G 變異1 例。

既往報道的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），個別患者還有頭顱MRI 異常、癲癇發(fā)作、孤獨癥、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基因變異會導(dǎo)致嚴(yán)重的生長發(fā)育問題。

3 IARS 基因突變引發(fā)疾病的機制

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?；钚圆蛔阋詽M足特定器官或生命周期的翻譯需求所致[16]。子宮內(nèi)生長受限和發(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)化需求的時期，所以IARS 基因變異會導(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的嚴(yán)重遺傳性疾病，涉及多個器官。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 合成酶基因變異會導(dǎo)致智力殘疾[19]；天冬氨酰-tRNA 合成酶基因變異會出現(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]?？梢愿鶕?jù)特定的臨床特征對ARS 缺陷的種類進行初步判斷，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 缺陷目前是一個研究熱點，動物模型發(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?；钚越档蛯?dǎo)致隱性IARS 缺陷的患者可能通過補充相應(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?；钚越档?，但從未降低至酶活性正常值以下，推測ARS 活性過低會對胎兒產(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期，如生命早期和感染期[30]。患者的雜合子父母不受影響的事實表明，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估其有效性和安全性，將來有望成為治療的新靶點。

IARS 基因變異會導(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)育遲緩的功能實驗尚鮮見報道，所以開展IARS 基因新發(fā)剪接位點變異及錯義突變的功能試驗來進一步驗證該復(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)性的機制還有待進一步研究。