Leber遗传性视神经萎缩病外显率的影响因素研究进展

仲俊维,陈 鼎,余新平,童 绎,谷 峰

·文献综述·

Leber遗传性视神经萎缩病外显率的影响因素研究进展

仲俊维,陈 鼎,余新平,童 绎,谷 峰

Leber遗传性视神经萎缩病(Leber's Hereditary Optic Neuropathy,LHON)的发生是由于视网膜神经节细胞死亡进而导致视神经萎缩,表现为急性或亚急性双眼视力下降,是目前研究最为广泛的由线粒体基因突变引起的母系遗传病之一。超过90%的LHON是由线粒体基因组的3个原发致病突变之一所致,即G11778A、T14484C和G3460A。LHON临床表型不同,外显率的不同以及发病率的性别差异都提示可能存在其他相关基因(核基因和线粒体基因组)在其发挥着重要作用。本文主要对近二十年来该病的分子遗传学,特别是可能的外显率影响因素的研究进展作一阐述,为该病预防与临床治疗提供参考。

LHON;外显率;影响因素

引用:仲俊维,陈鼎,余新平,等.Leber遗传性视神经萎缩病外显率的影响因素研究进展.国际眼科杂志2015;15(11):1888-1891

0 引言

Leber遗传性视神经病是一种罕见的线粒体疾病,呈急性或亚急性发病,表现为突发的无痛性视力减退。多为双眼先后发病,单侧眼发病后,对侧眼在随后的数周内发病。患者出现具有特征性的临床表现如视野中心暗点,色觉障碍,视盘旁毛细血管扩张,视网膜动静脉不同程度迂曲扩张等。发病年龄通常在18～30(平均25～29)岁,但范围可从1～80岁。LHON病情进展迅速,在多数病例中视力丧失是主要临床表现,但也可表现有其他神经异常如心律失常、心脏传导阻滞、外周神经病变、运动失调、肌张力障碍、痉挛、小脑性共济失调、多发性硬化样表现及罕见的神经退行性病变[1]。

据报道,有超过90%的LHON与mtDNA(线粒体DNA)的3个原发致病突变(G11778A、T14484C、G3460A)有关,三个突变位点分别位于线粒体的ND1、ND4和ND6基因,均编码线粒体呼吸链复合物Ⅰ亚单位[2],G11778A是LHON患者最常见的致病突变[3]。部分LHON患者缺乏这3种原发致病突变,但基因分析可发现mtDNA其他致病突变,如G3733A、C4171A、T10663C、G14459A、C14482A/G、A14495G、C14568T等。此外,部分携带有3种主要原发致病突变之一的患者还合并mtDNA其他继发突变[4]。

目前,LHON的3个主要原发致病突变(G11778A、T14484C、G3460A)已被证实,但对影响其外显率和表达的因素尚缺乏深入的了解。本文就近20a来发现的影响LHON的3个主要原发致病突变外显率及表达的因素作如下阐述。

1 m tDNA遗传背景对LHON表型影响

mtDNA的单倍群类型是由遗传学上mtDNA的差异定义而来,由于mtDNA具有突变率高、母系遗传等特点,使mtDNA单倍群类型成为区分不同地区人群的特定遗传标记。国内外研究及相关性分析表明,mtDNA的单倍群类型可以影响LHON的发病。以下是近年来关于mtDNA单倍群类型对LHON的3个原发致病突变(G11778A、T14484C、G3460A)发病影响的研究。

携带有G11778A及T14484C突变的LHON个体外显率与单倍群J有关,研究表明单倍群J增加了突变基因的外显率,G11778A主要与单倍群J2相关,T14484C则主要与单倍群J1相关。相反,若携带G11778A突变个体属于单倍群H,发病率降低。携带T14484C突变个体属于单倍群M9、M10、N9,发病率增加[5-6]。单倍群W有可能增加了携带G11778A突变个体的发病风险。单倍群A、B、J (J1及J2)、K、M、W则增加了携带G3460A突变个体的发病风险[2,7-10]。单倍型内特异突变stRNA[(Ser(AGY)] A12223G,tRNA(Thr)G15927A,tRNA(Glu)A14693G可能提高了携带突变G3460A个体视力丧失的外显率[8]。也有报道指出欧洲人种内单体型H、I、J、K、T、U、V、W和X对突变G3460A外显率无影响[6]。单体型M7b1'2及M8a对携带突变G11778A的个体疾病外显率也会产生影响[11],单倍型B5a1有可能增加突变G11778A致病的风险[3]。单体型M9a中特定突变ND1 T3394C对突变G11778A表达可能起到修饰作用[12]。

有体外试验证实属于单倍型J并携带G11778A或T14484C突变的细胞对2,5-HD诱导细胞死亡的敏感性增加,而携带有G11778A突变并属于单倍群H或U的细胞生存能力增强。这项研究表明mtDNA遗传背景可能与环境因素共同作用导致疾病的发生[13]。

2 合并线粒体其他基因突变对LHON表型影响

2.1 可能影响G11778A突变外显率的线粒体基因突变

可能影响G11778A突变外显率的线粒体基因突变有A1555G[14]、T14502C[15]、G6480A、T12811C、A15395G[16]、G11696A[17]、A4435G[18]。Khan等在对2个同时携带相同突变(G11778A和A1555G)但单倍群亚型不同(分别为M5a和U2e1)的LHON印度家系研究发现临床症状(视力损害)的外显率不同,而A1555G突变被认为与氨基糖苷类抗生素导致的无痛性听力丧失有关,家系内无听力损害和LHON临床表型的差异提示着其他调控因素存在[14]。虽然携带A1555G突变增加了患者听力损害的易感性,但若此印度家系患者若未接触氨基糖苷类抗生素则并不会导致听力损害,此研究不能表明A1555G突变对G11778A突变外显率产生影响。

Zhang等[15]对4个属于亚洲单倍群M10a及M7c2并携带原发突变G11778A以及合并突变T14502C的中国汉族LHON家系研究发现T14502C突变导致ND6第58位高度保守的异亮氨酸被缬氨酸取代,导致这4个家系的疾病外显率和表型严重程度高于仅携带原发突变G11778A的11个中国家系,这提示T14502C突变在LHON发病中与原发突变G11778A起协同作用,加重了疾病的严重程度。Cai等[16]对1个携带同质性原发突变G11778A和其他44个属于亚洲单倍群M7b内特异突变的具有较高外显率和家系成员视力损害程度不等的5代中国汉族LHON家系研究发现,其他突变CO1 G6480A、ND5 T12811C和Cytb A15395G位于蛋白中高度保守的位置,提示这些突变可能在疾病的发生中起着协同作用影响着疾病的外显率和表型的严重程度。Qu等[17]对一个携带原发突变G11778A和其他33个属于亚洲单倍群D4内特异突变的具有起病年龄和视力损害程度差异明显的4代中国LHON家系的研究表明,G11696A突变导致ND4蛋白跨膜区313位异亮氨酸被缬氨酸取代,进而推测此突变在疾病发生中起到了协同作用,加重了疾病的严重程度。他对一个携带同质原发突变G11778A和其他35个属于亚洲单倍群D5内特异突变的具有起病年龄和视力丧失程度差异明显的3代中国LHON家系研究表明A4435G突变(此突变临近反密码子的3'端,在tRNAMet高度保守的第37位(A37),该调控区域(A37)保证反密码子识别的高保真性以及tRNAS结构和功能稳定)。同时携带G11778A和A4435G突变导致细胞内tRNAMet稳态水平降低,A4435G突变导致线粒体tRNA代谢紊乱,增加LHON的外显率和疾病严重程度[18]。Wang等[19]对携带原发突变G11778A且同属于单倍群G2a的两个外显率截然不同的中国LHON家系的研究表明G13708A突变并不会影响疾病的外显率和表型,此突变也存在于正常中国人群。Li等[20]对一个中国家系的研究发现携带G11778A突变的个体若同时携带A15951G突变比仅携带G11778A突变患者的细胞中tRNA(Thr)稳态水平显著减少,导致线粒体内tRNA代谢紊乱,加重G11778A导致的线粒体功能紊乱,对携带原发突变G11778A的LHON患者的疾病外显率和表型起到调控作用,增加疾病外显率和疾病的严重程度。Phasukkijwatana等[21]对来自泰国的30个携带有原发突变G11778A的LHON家系研究发现疾病的表型具有一定的种族差异性,这些泰国LHON患者的疾病特点与来自加拿大和日本的患者存在着差异。这些泰国家系男患者患病率与女患者患病率的比值较低(2.6∶1),而携带G11778A突变的血液异质性较高,约37%。这些泰国患者中线粒体突变的异质性影响了疾病的表型,但并未改变发病年龄。这些泰国家系LHON外显率各不相同,同一家系其不同分支疾病外显率也存在差异。在对存活者的研究中发现合并G3316A和C3497T线粒体突变对原发突变G11778A疾病的发生具有协同的有害效应,使这些泰国患者疾病发生的年龄提早。

2.2 可能影响T14484C突变外显率的线粒体基因突变

可能影响T14484C突变外显率的线粒体基因突变有T14502C[22]、G10680A[23]。Zhang等[22]通过对一个具有完全外显率的中国LHON家系的研究发现,该家系患者具有不同于普通LHON患者的临床特征,基因测序发现该家系存在原发突变T14484C并且此原发突变合并临近位点突变T14502C,T14502C导致ND6蛋白中第58位异亮氨酸变为缬氨酸,此突变存在于该家系内所有患者,但不存在于未受累的4个家庭成员以及200名对照个体。T14502C突变可能在原发突变T14484C的致病过程中起协同作用,两个突变共存解释了该家系患者疾病的完全外显率,不存在显著患病性别差异及视力恢复的困难性。同样Yang等[23]对一个中国LHON家系(合并其他27个属于东亚单倍群B4b'd的特异突变)的研究发现一个新突变G10680A导致ND4L中的71位高度保守的丙氨酸被苏氨酸取代,而在未受累的家庭成员和100个正常对照个体中未发现。这提示G10680A突变可能在原发突变T14484C的致病过程中起到协同作用,导致该家系患者具有完全疾病外显率。

3 核基因组对LHON表型影响

目前为止,尚未发现任何一个核调控基因的存在,但是数个敏感的区域被发现,这些区域表现出与X染色体相关的基因变异。目前,一个位于Xp21-Xq21的视神经疾病易感位点被报道。通过对属于单倍型J并携带有同质突变G11778A的一个大的巴西家系进行X染色体连锁分析证实Xq25-27.2与LHON易感性相关[24]。

Giordano等[25]对PPARGC1A(PGC-1α),PPARGC1B (PGC-1β),TP53(p53),TFAM,PARL的编码基因的9个有文献报道与疾病相关的SNP进行研究发现只有PARL基因的两个SNP在一个意大利LHON家族中存在着显著关联,而其余被认为可能参与核调控作用SNP与疾病不存在关联。

PARL基因(Presenilins-associated rhomboid-like protein)在LHON发病过程中可能起调控作用。在对泰国LHON患者的研究中PARL基因被认为对LHON的表达起到调控作用,研究表明,PARL基因的变异是LHON在发病机理过程中影响其外显率的调控机制之一[26]。

OPA1(Optic Atrophy 1)基因编码的蛋白为线粒体内源发动蛋白,属于线粒体塑形蛋白,OPA1基因作为DOA的主要基因座,在线粒体形态结构、呼吸作用和细胞凋亡中起重要作用[27]。Abu-Amero在对62例携带有G11778A突变的LHON患者进行了全基因组表达谱分析,在患者中发现了137个表达上调的基因以及152个表达下调的基因。OPA1基因被发现在携带有G11778A突变的LHON患者中表达量较对照个体明显下调[28]。OPA1基因在携带有G11778A突变的LHON患者中的表达下调提示OPA1基因可能作为核调控基因在疾病发生的病理生理方面起协同作用,加重疾病的严重程度。

4 m tDNA的杂合型及组织间的差异性

每个细胞可能含有数千个mtDNA分子,已经发现在部分LHON患者中存在杂合型mtDNA分子,即突变型mtDNA分子和野生型mtDNA分子共存于一个细胞中。Holt等发现突变型mtDNA所占的比例与LHON疾病的严重性具有一定的相关性,他发现所有表现出临床症状的患者其突变型mtDNA所占的比例超过96%,而所占比例在80%以下的男性其临床症状不明显。Holt的发现被Vilkki采用Southern印记、PCR、位点特异性寡聚核苷酸探针杂交等实验技术充分证实。Lott观察到某一LHON家系内一男一女突变型mtDNA几乎为100%,但视力正常,而另一家庭成员突变型mtDNA只占71%却视力丧失。Lott在研究中比较了携带杂合型mtDNA的成员头发、血细胞内线粒体突变的含量,发现存在较大的差异,一患者血细胞内mtDNA几乎全部为突变型,而头发内mtDNA野生型占优势[29]。这表明,在某一携带有相同mtDNA突变的LHON家系中,突变型mtDNA所占比例以及在视神经内含量差异性有可能成为同一家系不同成员疾病表型差异的重要原因。

5 环境因素

LHON患者男性明显多于女性,世界上多数地区包括经济发达地区以及经济落后地区,男性的吸烟及饮酒的比例都远远高于女性,因此,吸烟、酗酒有可能增加了LHON患者发病的可能性[25]。有研究认为,每日吸烟的数量以及吸烟的年数都与罹患LHON疾病的症状相关[30]。尽管酒精可能影响患者的症状严重程度,但其没有吸烟那么明显且没有统计学的显著差异[31]。

6 展望

LHON目前尚无有效的治疗方法,许多影响疾病表型的因素也悬而未决。疾病外显率的不同以及性别差异提示着可能存在核基因的调控,环境因素,性激素也可能参与了疾病的病理生理过程。随着分子生物学技术的不断进步,该病的发病机理将得到更加深入的阐释,进一步明确基因型和表型的关系,阐明影响线粒体突变基因外显率的因素,为以后疾病的基因治疗奠定基础。

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Progress of the factors influencing the penetrance of Leber's hereditary optic neuropathy

Jun-Wei Zhong,Ding Chen,Xin-Ping Yu,Yi Tong, FengGu

School of Ophthalmology and Optometry,Eye Hospital,Wenzhou Medical University,Wenzhou 325027,Zhejiang Province,China

Foundation items:Chinese National Program on Key Basic Research Project(973 Program,No.2013CB967502);National Natural Science Foundation of China(No.81201181/H1818);Zhejiang Provincial&Ministry of Health Research Fund for Medical Sciences (No.WKJ2013-2-023);Wenzhou Medical University PI Starting Grant(No.QTJ12011)

Feng Gu.School of Ophthalmology and Optometry,Eye Hospital,Wenzhou Medical University,Wenzhou 325027,Zhejiang Province,China.gufenguw@gmail.com

·Leber's hereditary opticneuropathy(LHON)is a maternally inherited blinding disease.The clinical phenotype of LHON is the degeneration of retinal gang lion cells(RGCs)and a progressive degeneration of the op tic nerve.Three common mutations,G11778A,T14484C and G3460A are responsible for over 90%o f cases.Differences in penetrance indicate the additional modifier genes influencing penetrance of the mitochondrial DNA mutation for LHON patients.Different types of mitochondrial haplogroups,environmental facto rs also have different effects on the penetrance of the mitochondrial DNA mutations.In the present paper,here the progress of the factors in fluencing the penetrance of Leber's hereditary optic neuropathy will be summarized.

Leber's hereditary optic neuropathy; penetrance;in fluencing factors

国家科技部973项目(No.2013CB967502);国家自然科学基金项目(No.81201181/H1818);浙江省卫生厅省部共建项目(No.WKJ2013-2-023);温州医科大学人才启动项目(No. QTJ12011)

作者单位:(325027)中国浙江省温州市,温州医科大学眼视光学院

仲俊维,在读硕士研究生,研究方向:眼科遗传学。

谷峰,博士,研究员,硕士研究生导师,基因修复与干细胞研究组组长,研究方向:基因修复新工具研究、遗传病基因突变和致病机理研究、人类胚胎干细胞定向分化为眼内细胞研究.gufenguw@gmail.com

2015-06-29

2015-10-22

:Zhong JW,Chen D,Yu XP,et al.Progress of the factors influencing the penetrance of Leber's hereditary optic neuropathy.Guoji Yanke Zazhi(Int Eye Sci)2015;15(11):1888-1891

10.3980/j.issn.1672-5123.2015.11.13

Received:2015-06-29 Accepted:2015-10-22