文献复习:与众不同的线粒体DNA9176位点T>C突变,携带者能否迎来生育健康后代的曙光?
线粒体DNA9176T>C突变
线粒体氧化呼吸链负责合成ATP来为机体供能。遵循母系遗传的致病性mtDNA9176T>C突变发生在编码线粒体氧化呼吸链复合物V基因的第270个氨基酸编码区,该错义突变导致ATP合成酶6亚基的羧基端一个高度保守的亮氨酸被脯氨酸替代,会引起以Leigh综合征为主要表现的一系列临床综合征。
01
是Leigh综合征,为何发病年龄如此之晚?
Leigh综合征(LS)是一种婴幼儿神经退行性疾病,具有多种临床表现和典型的神经病理表现,是影响大脑发育的各种氧化代谢缺陷的常见临床和神经病理结果。临床病程多变,但多数情况下在婴儿出生后半年内起病,预后较差,亚急性进展导致患者在数月或数年内死亡。Leigh综合征可通过独特的神经病理病变或相应的CT/MRI图像识别,包括基底神经节、丘脑、脑干和脊髓的对称坏死灶。同时伴有血清和脑脊液乳酸水平的升高。引起LS的病因通常包括X染色体隐性遗传的丙酮酸脱氢酶复合体(PDHC)缺乏、常染色体隐性遗传的细胞色素c氧化酶(复合体IV)缺乏或NADH脱氢酶(复合体I)缺乏症以及母系遗传的mtDNA8993T>G/C突变。
早在1995年,就有关于母系遗传性mtDNA9176T>C突变导致患者双侧纹状体坏死的报道。先证者是一名6岁的男孩,在16个月大时就因为出现了发育迟缓的症状而去医院就诊。最初他的生长发育都是正常的,但是在4个月大时他还不能翻身,身高、体重和头围从6个月大时的第50百分位下降到12个月大时的第5百分位,在他去医院的前几个月曾出现过5天不明原因的呼吸急促。评估发现他存在眼外肌麻痹和轻度的动眼障碍,全身肌肉张力普遍减弱,但肌腱反射灵敏,脚踝处出现非持续性阵挛。在医院进行一段时间的康复治疗后,他的状况逐渐好转,在20个月大的时候他就能自己站起来了。但是在他3岁的时候还不能正常对话与行走。
世界首例成人阶段起病的案例在2000年被报道。患者是一位29岁的母亲,突发性共济失调、头痛、视力模糊,需入院进行治疗。脑部MRI检查、血液和脑脊液乳酸水平都是正常的。与之前所报道的病例不同,她并没有经历病毒感染等相关“代谢考验”。或许是因为这个原因,她的症状在发病后的9个月逐渐缓解,目前并没有Leigh综合征的类似症状。
02
从起病到确诊,首例报道的先证者和家人经历了怎样的求索之路?
该患儿脑磁共振成像(MRI)显示双侧T1和T2信号在壳核和导水管周围区增加。动脉血浆乳酸水平升高为0.98 mmol/L(正常范围为0.30 ~ 0.80 mmol/L)。血浆丙酮酸水平是正常的。脑脊液乳酸和丙酮酸值均轻度升高。脑脊液蛋白质和葡萄糖含量正常。取该患者的成纤维细胞进行培养并完成线粒体呼吸链相关的酶学检测,包括活化的丙酮酸脱氢酶复合体,丙酮酸羧化酶在内的相关检测结果均为正常。肌肉活检显示I型和II型纤维轻度非特异性萎缩,未见破碎粗大的肌红纤维。
比该先证者大5岁的哥哥在8岁时因为病毒感染而出现头痛和精神状态的改变,同时伴有脸部肌肉的僵硬语言能力的退化。2周后,他出现了双手舞蹈样动作和肌阵挛。脑部MRI显示双侧纹状体T1、T2信号增加。11岁时他因为学习困难需要接受特殊教育,同时伴有运动协调性差。但近2年来他的病情没有继续进展。
经过基因检测,该先证者外周血、肌肉和成纤维细胞中均发现同质性mtDNA9176T>C突变,其有症状的哥哥外周血中突变比例为98%,其母亲携带7%的突变,而先证者另外两位无症状的哥哥姐姐分别携带比例为55%和76%的突变,其父亲不含有该位点突变。
图1:Leigh综合征患者典型的神经影像学表现
03
阈值效应关联临床表型,除外遗传背景,
发病是否还有其他因素和临床表现?
先证者的病情与Leigh综合征非常相似,只是其病程没有像Leigh综合征一样快速进展。他的哥哥体内检测到少量野生型的mtDNA,病情明显较轻。如果不是病毒感染引起发热症状导致病情演变,或许会一直表现为慢性疾病,我们可以根据其特征的影像学表现将它称为“婴儿双侧纹状体病变”。显然,在这个家系中发现的线粒体ATP合成酶6的基因突变是致病性的,突变mtDNA的百分比与临床严重程度密切相关,且这个家系的检测结果表明mtDNA9176T>C突变的致病性存在“阈值效应”。值得注意的是,在先证者成纤维细胞系中并未检测到ATP合成与分解相关酶的缺陷,或许这种缺陷存在于大脑中,当出现病毒感染等“代谢应激”时才会出现相应的临床表型。与此同时,这种病例的存在提示我们,在婴儿期和儿童期的其他惰性神经疾病(通常称为静态脑瘫)中也应考虑mtDNA突变的可能性。
图2 复制分离与阈值效应
除了较晚发病和较为温和的临床表现,也有因为病毒感染导致发热从而使患者病情在短期内急剧进展最后死亡的报道。2007年,有学者提出m.9176T>C突变可能是Leigh综合征儿童白质营养不良的新病因,这也再一次拓展了人们对该突变致病谱系的认知。2011年,法国学者报道称该突变可导致家族遗传性痉挛性截瘫。该家族中5位患者均为同质性突变,成纤维细胞中ATP合成或水解也存在缺陷,但起病时间均超过了30岁,发病症状也与之前的报道存在较大的差异。究竟是什么原因导致了该家族的表型变异呢?进一步分析发现,该家族属于欧洲线粒体单倍群J2,此前被证明在调节线粒体疾病的表型中发挥作用,并与长寿有着密切关联。这也进一步暗示其他因素如核修饰基因或mtDNA单倍型的差异可能与疾病的表型相关。此外,该家族中其中一位患者在起病早期开始酗酒,后进一步发展为糖尿病、心肌病变以及小脑综合征,这些症状可能与酒精中毒和线粒体功能缺陷的共同作用有关。
04
既然是遗传性疾病,产前诊断能否担当起
阻断疾病传递的屏障?
在2000年,国际上提出针对mtDNA点突变导致的线粒体遗传病的产前诊断,需满足以下三个条件:①野生型mtDNA的比例(突变负荷)与疾病严重程度之间的密切联系;②突变mtDNA在所有组织中分布均匀;③无论是在孕期还是胎儿出生以后随着时间的推移突变负载没有变化。由于线粒体遗传存在复制分离和遗传瓶颈效应,对于大多数mtDNA点突变而言都无法满足以上三点要求,这无疑对线粒体遗传病的产前诊断提出了巨大的挑战。
正因如此,对于无症状的母系亲属自然妊娠后产前诊断的报道在2005年才首次出现在大众视野之中。该孕妇是在一个来自荷兰家系中筛查发现的,她本人携带55%的异质性mtDNA。她的姨妈先后自然妊娠生下了两个儿子和一个女儿,三人均携带90%以上的mtDNA9176T>C突变。在当时仍旧缺乏足够的基因型——临床表型之间相关性的可靠数据,经过充分的知情同意之后,该患者接受了绒毛活检和羊水穿刺,测序结果分别为87%和88%。根据既往的病例报道,有症状的患者突变比例均大于90%,因此该患者夫妇选择继续妊娠,最终剩下了一个看似健康的女婴。该婴儿在1岁时生长发育都是正常的。尽管现有技术能够保证产前诊断检测突变比例的准确性,但是该携带者在成长过程中是否发病,我们仍然保持担忧。出于伦理原因,并未对该婴儿进行后续的生化或基因检测,但仍然需要对其成长严密监测,因为相当一部分携带mtDNA9176T>C突变的儿童是在2岁以后才出现症状的。
05
产前诊断无法降低自然妊娠后的流产风险,
突变携带者能否迎来健康生育的曙光?
图3:胚胎植入前遗传学诊断(PGD)技术
从既往的研究数据中我们不难发现,携带低比例mtDNA9176T>C突变的育龄期女性如果自然妊娠,可能会生下超过90%异质性的后代而导致疾病的发生。目前还没有异质性在90%以下携带者出现临床症状的报道。因此,突变携带者要想拥有健康子代,通过胚胎植入前遗传学诊断(PGD)技术筛选不含突变或较低比例突变胚胎进行移植,可以有效降低患者孕中期发现胎儿突变比例较高而被迫引产的风险。未来我们希望有数据能揭示mtDNA9176T>C突变在人类卵子和胚胎中的遗传规律。考虑到当下卵子捐赠资源的极度紧缺,对于无法获得可移植胚胎的患者来说,线粒体置换技术(MRT)或许就是她们生育健康子代的最后一根稻草。
主要参考文献:
1 Thyagarajan D, Shanske S, Vazquez-Memije M, et al. A novel mitochondrial ATPase 6 point mutation in familial bilateral striatal necrosis. Ann Neurol. 1995 Sep;38(3):468-72. doi: 10.1002/ana.410380321. PMID: 7668837.
2 Jacobs LJ, de Coo IF, Nijland JG, et al, Smeets HJ. Transmission and prenatal diagnosis of the T9176C mitochondrial DNA mutation. Mol Hum Reprod. 2005 Mar;11(3):223-8. doi: 10.1093/molehr/gah152. Epub 2005 Feb 11. PMID: 15709156.
3 Wei Y, Wang L. Adult-onset Leigh syndrome with central fever and peripheral neuropathy due to mitochondrial 9176T>C mutation. Neurol Sci. 2018 Dec;39(12):2225-2228. doi: 10.1007/s10072-018-3541-9. Epub 2018 Aug 22. PMID: 30136164.
4 王丽辉,郑华城,杨花芳,等.儿童Leigh综合征4例临床分析[J].临床儿科杂志,2016,34(02):111-114.
撰稿人:安徽医科大学第一临床医学院 张智康,张颖
编 辑:安徽医科大学第一临床医学院 张宁
指导老师:安徽医科大学第一附属医院 纪冬梅
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