线粒体DNA突变相关肾脏损害

吴晓梅 综述 谢红浪 审校

线粒体的主要功能是将氧化磷酸化产生的能量转化为三磷酸腺苷(ATP),其他功能还包括储存钙,调节代谢、细胞凋亡和细胞信号传导等。线粒体存在于成熟红细胞以外的所有真核细胞中,其功能障碍可累及任何器官,导致多种多样的临床表现。线粒体功能障碍所导致的系列疾病统称为线粒体病,尽管对于线粒体DNA(mitochondria DNA,mtDNA)的了解逐渐深入,线粒体病的潜在机制至今仍未明确。

依据器官重量校正后,肾脏和心脏的能量需求最高。肾脏作为一种高能量需求器官,富含线粒体,并依赖于线粒体有氧呼吸来促进肾小球滤过液重吸收。因此,线粒体病常累及肾脏。近端小管病是最常见的肾脏线粒体病,因为近端小管不仅能量需求高,而且缺乏无氧糖酵解产生ATP的功能。

据统计，线粒体病发病率为1/5 000[1]。有关线粒体病相关的远端肾小管缺陷,尤其是低镁血症的报道也逐渐增多。国家肾脏疾病临床医学中心暨全军肾脏病研究所的回顾性研究显示,成人慢性肾脏病患者中mtDNA突变相关肾脏损害的发生率为1.54‰[1]。日本一项全国性的回顾性研究对2009年～2018年覆盖日本325家肾脏病中心的患者进行分析,发现有128例与线粒体病相关的肾脏病,基因分析提示其中69例为mtDNA突变相关[2]。由于大量线粒体病患者可能漏诊,因而mtDNA突变相关肾脏损害的发病率可能被低估。在一项对157例终末期肾病患者的基因分析研究中显示mtDNA突变率高达31%[3]。mtDNA及其遗传学在许多方面不同于核DNA和孟德尔遗传规律,导致了其特有的生物学和临床表型,本文就mtDNA突变相关肾脏损害作一综述。

mtDNA与遗传学

基因组mtDNA是长度为16569bp的环状双链DNA分子,包含37个基因,编码22种tRNA,2种rRNA和13种多肽(图1)。这些多肽参与组成氧化磷酸化(oxidative phosphorylation,OXPHOS)的五种复合体。虽然,mtDNA可独立于细胞核NDA组进行复制、转录和翻译,但线粒体功能也依赖于由细胞核 DNA编码的蛋白质。此外,细胞核编码的tRNA可被转运到线粒体中,这种双重遗传控制机制导致了mtDNA突变相关肾脏损害临床表型的异质性。

图1 人类线粒体基因图谱[4]A、C、D、E、F、G、H、I、L、M、N、W、K、P、Q、R、S、T、V、Y:tRNA基因;ND: NADH脱氢酶;COX: 细胞色素C氧化酶;ATP: ATP合酶基因;Cytochrome:细胞色素

遗传学真核细胞中存在多个线粒体,每个线粒体含有的mtDNA拷贝数不同。mtDNA突变可为同质(影响所有mtDNA拷贝)或异质(突变型和野生型共存)。导致特定组织和器官功能障碍的mtDNA突变的最小拷贝数称为阈值。由于能量依赖性不同,该阈值在不同组织间可能是不同的,突变阈值对于疾病的临床表现具有重要意义。

mtDNA突变多遗传自母源卵细胞,少数为新发。后代患病的风险取决于突变的类型和异质性。母亲携带同质突变时,其后代都将遗传突变的mtDNA。然而,患者的外显率是不同的,因为这也依赖于与细胞核DNA的相互作用。环境因素也可以促进表型的显现。母亲携带异质突变时,突变的mtDNA随机分布到子代细胞中,可导致后代之间的mtDNA突变水平不同。突变mtDNA在受精卵细胞分裂过程中的随机分布,则会导致后代中不同组织之间不同的突变负荷。另外,突变的mtDNA的分布可受瓶颈效应影响:mtDNA分子在生殖细胞发育过程中减少,仅少量存在于卵母细胞中。根据特定细胞随机选择的突变mtDNA数量,在不同的卵母细胞中存在不同比例的野生型和突变型线粒体。此外,突变mtDNA可被自噬破坏,具有高载荷突变线粒体的细胞也可能由于适应性降低而被清除。上述因素是mtDNA突变不会均质地影响所有后代、甚至同一个体器官的原因。

mtDNA缺乏保护性组蛋白和有效的内部修复机制,因此电子传递过程中产生的活性氧(ROS)诱导的mtDNA突变率很高。这些突变又可导致线粒体功能障碍、ROS产物进一步增加。mtDNA的渐进性损伤及随之而来的mtDNA拷贝数减少是导致衰老的原因之一[5],并与心血管疾病和慢性肾脏病有关。通常,mtDNA的突变主要位于参与维持、转录与翻译的基因(例如tRNA和rRNA),而不是编码OXPHOS亚基的基因。多个mtDNA位点突变均可导致肾脏损害,特别是近端肾小管病变(表1)。

表1 线粒体DNA突变相关肾脏损害

mtDNA突变相关肾脏损害

肾小管疾病

近端肾小管 近端小管功能广泛受损的表现为Fanconi综合征(FS),其特点为近端肾小管多种物质重吸收障碍(包括电解质、糖、氨基酸和蛋白质),典型临床表现为低分子量蛋白尿、广泛性氨基酸尿、肾性糖尿、低磷血症(伴或不伴骨病)、低尿酸血症和近端肾小管酸中毒。根据肾小管功能障碍的严重程度,FS表型可能不同。典型的病理表现为电镜下可见大小不一、形态不规则的异常线粒体。

由于近端小管细胞高度依赖ATP的供能,因此肾脏损害可能是线粒体病的首发表现。但最终可能会影响多个器官,导致神经系统症状、肌病、耳聋或心脏问题。然而,由于其临床表现通常较轻微或被更严重的神经系统症状所掩盖,肾小管损害常被忽视。最初诊断为铁粒幼细胞性贫血和胰腺功能障碍的Pearson综合征(Pearson’s marrow-pancreas syndrome,PMPS)的患者可合并FS[11-12]。Kearns-Sayre综合征(KSS,线粒体脑肌病一种亚型,以眼外肌麻痹、视网膜色素变性、完全性房室传导阻滞三联征为特征)[9]和Leigh综合征(又称为亚急性坏死性脑脊髓病,一种遗传性进行性神经系统变性病)也有类似的报道[8]。多项研究显示,mtDNA的大片段(2.7～7.4 kbp)缺失是这类疾病根本病因[6-7,10,13],其肾脏受累的相关表现与Pearson综合征相似。此外,FS可源于细胞色素C氧化酶缺乏,有研究通过肌肉活检分析呼吸链复合体后显示复合体Ⅲ和Ⅳ的活性降低[28]。

远端肾小管 远端小管功能障碍常表现为低镁血症和低钾血症等电解质紊乱。调节镁重吸收的关键肾单位是远曲小管(DCT),其高能量消耗的特点使其易受线粒体功能障碍的影响。除了电解质紊乱,DCT功能障碍的患者可伴多系统疾病,如KSS或Leigh综合征[29]。

多数患者同时存在甲状旁腺功能减退,并导致低钙血症和高磷血症[29-30]。另外,镁是甲状旁腺激素释放的重要辅助因子,因此,低镁血症亦可导致甲状旁腺功能低下。许多甲状旁腺功能减退的患者都伴血镁水平显著下降[16,30]。此外,大多数低镁血症患者还伴低钾血症[16,19]。这些患者常合并感音神经性耳聋和肌病。在少数病例中,发现了mtDNA大片段(6～8.8 kbp)缺失突变(表1)[14,16-18,20]。

Wilson等[15]在一个大家系中描述了具有DCT功能障碍的线粒体病。其临床症状包括高血压、高胆固醇血症、低镁血症伴低钾血症和低钙尿症,电解质异常是DCT功能障碍的典型表现。其他症状还包括偏头痛、感音神经性耳聋和肥厚性心肌病,都是与线粒体功能障碍相关的表型,与位于线粒体tRNAIle基因反密码子5’端的mtDNA突变T4291C有关(表1)[31]。

肾小管间质性肾炎(TIN)TIN的特征是肾间质炎症细胞浸润,最终导致肾脏排泌及内分泌功能降低。临床表现通常为低分子量蛋白尿和肾功能不全。需要与药物、感染或全身性疾病引起的TIN相鉴别。

细胞凋亡失调被认为是线粒体相关TIN中的炎症过程的发病机制。肾小管上皮细胞的mtDNA突变可能导致肾小管间质的炎症,在TIN患者中发现了多个tRNAPhe突变[21,32]。此外,在1例临床表现为间质纤维化和进行性肾功能不全的家族性TIN患者中检出mtDNA A5656G突变[22]。

肾小球疾病mtDNA突变相关肾小球病常表现为肾病综合征。研究显示,多例肾病综合征患者中检测到mtDNA突变,局灶节段性肾小球硬化(FSGS)是肾小球病变的典型组织学特征。此外,IgA肾病、肾小球轻微病变以及糖尿病肾病、肾小球缺血硬化、肾小球囊性肾病也有报道[1-2,8]。另外,激素抵抗的肾病综合征是与辅酶Q缺乏相关的线粒体功能障碍的常见表现,可通过补充辅酶治疗,故其诊断尤为重要[8]。

足细胞是高度分化的细胞,含有大量线粒体,其功能为能量依赖性,主要能量来源是无氧糖酵解。因此,线粒体病患者肾小球功能障碍的机制可能与肾小管功能障碍的机制不同。Brinkkoetter等[33]提出足细胞损伤的关键机制是足细胞代谢的变化而不是线粒体氧化磷酸化的功能障碍。tRNALeu基因中的m.3243A>G突变是最常见的导致肾小球功能障碍的线粒体病的mtDNA点突变之一[23]。携带该突变的患者通常表现为糖尿病和(或)听力损失,除肾病综合征外,还包括近端和(或)远端肾小管损害[34]。Shand等[24]报道1例携带mtA3243G突变的患者临床表现为母系遗传的糖尿病、耳聋,肾脏表现为肾病范围蛋白尿,肾活检提示FSGS伴肾间质纤维化,并进展至终末期肾病。而患者同卵双生的姐妹具有类似的临床表现,但外周循环mt3243A>G水平更高,较mt3243A>G水平低的卵生姐妹提早10年进展至终末期肾病。其他一些tRNA点突变也可导致FSGS[25-26]。除了点突变外,还发现一例mtDNA 2 905 bp缺失导致FSGS,随后出现坏死性肾炎伴慢性间质性肾炎[27]。

mtDNA突变基因型与表型的关联

回顾mtDNA突变相关肾脏损害,并未发现基因型-表型的相关性:大段的mtDNA缺失可与近端和远端肾小管功能障碍以及肾病综合征相关。最常见的mtDNA突变A3243G最初主要与FSGS相关,但一项更全面的研究显示,A3243G所致线粒体病患者的表现还可包括低磷血症、尿视黄醇结合蛋白升高和低镁血症,也可无明显肾脏受累[35]。其肾外表现的差异也极大,有母系遗传的糖尿病、耳聋、乳酸酸中毒和脑卒中样发作、肌阵挛性癫痫伴破碎红纤维综合征等多种表型。

诊断与治疗

诊断患者具有以下特征时,应考虑线粒体病的可能:(1)除肾脏外多个需氧器官(如心脏、中枢神经系统)受累;(2)母系遗传性家族性糖尿病;(3)伴感音神经性耳聋的糖尿病。

疑诊患者可通过血清学生物标志物和酶学检测(血清乳酸、丙酮酸、肌酶,脑脊液乳酸,尿氨基酸和有机酸,呼吸链酶复合物活性等),病理检测(骨骼肌、心肌、肾脏活检)协助诊断。PCR检测mRNA点突变或Southern印记法检测基因缺失是诊断线粒体病的金标准。

治疗线粒体病当前疗法主要通过旁路传递电子(维生素K、C,琥珀酸、辅酶Q10)、补充呼吸链底物、辅酶及辅助因子(维生素B1、B2,硫辛酸、叶酸等)、清除自由基(维生素E、辅酶Q10等)以及减少毒性代谢产物促进ATP产生,减轻症状和延缓疾病的进展。另外器官特异性干预(如肾移植),效果较好。然而,线粒体病的治疗仍具有挑战性,因为每个家族中疾病的表型都具异质性,对治疗的反应也不同。核DNA遗传修饰因子也可显著影响疗效。目前线粒体病尚无治愈的方法,但已有线粒体病适应证的在研新药进入临床试验,如Sonlicromanol(KH176,具有口服活性的ROS调节剂), Elamipretide(MTP131,一种心肌过氧化酶抑制剂和线粒体靶向肽)等。另外,基因编辑技术(如对mtDNA进行基因编辑的MitoTALEN和mtZFN技术)也为mtDNA治疗带来了曙光。

线粒体病患者需进行遗传咨询,以预防遗传缺陷患儿出生。最可靠的方法是使用健康供体卵母细胞,其主要缺陷在于无法拥有与父母双方在生物学上都有亲缘关系的子代。另一种方法是原核移植:将原核从一个受精卵转移到另一个受精卵,使受精卵含有父母的核DNA和供体的mtDNA。

总之,mtDNA突变相关肾小管损害中,近端小管病变是最常见的表现,但其他电解质异常也有报道,提示累及其他小管节段,尤其是DCT。此外,mtDNA突变导致TIN和肾小球疾病也时有报道。对于线粒体病,目前仍需要更好地了解其精确的疾病机制,以改进其治疗方法,改善患者的生活质量和远期预后。