线粒体丙氨酰-转运RNA合成酶2基因突变相关疾病的研究进展

董珍，徐俊

丙氨酰-tRNA合成酶2 (AARS2)基因为线粒体核DNA，定位于6p21.1，共包含22个外显子，其负责编码具有985个氨基酸的线粒体丙氨酰tRNA 合成酶(mtAlaRS)，催化线粒体转运RNA(tRNA)和丙氨酸之间的氨酰化反应[1]。虽然AARS2基因突变是较为罕见的线粒体病，但目前国外已有较多关于AARS2基因突变相关疾病的病例报道和研究。本文就AARS2基因的生物学特征、检测方法、其基因突变导致不同表型疾病的研究现状及成人发病的白质脑病合并轴索球样变和色素胶质细胞(ALSP)与AARS2相关的白质脑病的鉴别作一综述，希望提高临床医生对该线粒体病的认识。

1 线粒体AARS2基因的生物学特征

线粒体疾病通常是由氧化磷酸化系统的功能障碍引起，其导致细胞能量缺乏。线粒体病可以影响很多器官，特别是那些能量需求高的器官，包括神经系统、骨骼肌、心肌、肾脏、肝脏和内分泌系统。这组疾病具有遗传异质性，因为一些线粒体蛋白质由线粒体DNA(mtDNA)编码，而其余的是由核基因组(nDNA)转录的信使RNA (mRNA)所翻译[2]。线粒体病根据突变基因为mtDNA或核DNA的不同，遗传方式也有差异。若因线粒体DNA突变，则为母系遗传，若为线粒体核DNA突变，则遵循孟德尔遗传，包括常染色体隐性遗传、常染色体显性遗传和 X-连锁遗传。线粒体氨酰tRNA合成酶就是这样一类核基因家族，在细胞质中合成，然后导入线粒体。线粒体蛋白质合成的准确性依赖于核DNA编码的线粒体氨酰tRNA合成酶(mtARS)和线粒体DNA编码的tRNA的协同作用[3]。线粒体有相对独立的蛋白质翻译系统，翻译所需要的核糖体RNA(rRNA)和转运tRNA均由自身提供，但所需的大多数蛋白质如核糖体蛋白、氨酰tRNA合成酶(ARS)、翻译因子等则由核DNA编码后转运到线粒体内。其中ARS在蛋白质合成中发挥重要的作用，负责将tRNA与特定的氨基酸结合，形成氨基酰-tRNA，再通过氨基酰-tRNA与mRNA配对结合，最终完成氨基酸间的正确连接，为蛋白质的合成奠定基础[4]。目前有37种ARS由核基因所编码：17种编码后在细胞质中起作用的酶，17种编码后在线粒体中起作用的酶，3种编码后在细胞质和线粒体中都起作用的酶。所有17种编码线粒体ARS的双等位基因突变都与人类的隐性表型疾病有关，并且这些突变经常影响CNS。可以基于ARS在线粒体或细胞质定位区分两组ARS，按照标准命名法，胞质ARS由氨基酸首字母+ARS构成，而线粒体ARS则会在胞质ARS后面附属一个“2”。故本文涉及的AARS2基因为线粒体核DNA，定位于6p21.1，共包含22个外显子，其负责编码具有985个氨基酸的mtAlaRS。mtAlaRS与其他的mtARS不同，除了有氨酰化区域外，还有一个编辑校正区域负责水解错误连接的tRNA与氨基酸，另外还有一个C-末端，负责提高tRNA与氨基酸结合及氨酰化的速率，各亚区共同作用，从而保证线粒体蛋白合成的高效及精确性[1]。

2 AARS2基因突变检测方法

2.1 Sanger测序 又称为一代测序，其利用了双脱氧核苷酸会终止PCR的原理。此测序方法一直是孟德尔疾病分子诊断的金标准，目前仍然是临床基因检测的首选测试[5]。然而，由于Sanger测序一次只能分析一个DNA片段，费力且耗时，所以目前被广泛应用在单序列测序上，其目的是确认疑似诊断及更准确的遗传咨询。

2.2 新一代测序(NGS) 常包括以下几种形式：包含若干目标基因的基因组合检测(Panel)，全外显子组测序(WES)和全基因组测序(WGS)[6]。

2.2.1 Panel： 检测区域包括目标基因外显子及其侧翼序列(通常20 bp)。当患者表型明确，临床诊断高度怀疑是某种或某些疾病时，常采用此种方法。但临床诊断不明确时，检出率可能比WES/WGS低。

2.2.2 WES：检测区域包括所有已知蛋白编码基因(约22 000个)外显子及其侧翼序列(通常20 bp)。当panel检测阴性，或是临床表型复杂、诊断不明时，可考虑进行WES检测。值得一提的是，若能够获得表型明确的父母样本进行核心家系测序，可能会进一步提高诊断率。近几年的研究表明WES的临床诊断率为17.5%～30.7%，这些研究为全外显子测序应用到罕见病的临床诊断提供了强有力的证据[7-10]。

2.2.3 WGS：检测区域包括所有基因外显子、内含子、调控区等全部序列，当Panel检测阴性或临床表型复杂、诊断不明时，也可考虑行WGS检测。但其测序范围广、数据多、分析困难、专业性强、费用昂贵，难以大规模应用于临床中[11]。

虽然外显子只占基因组的1%，但人类基因组的蛋白编码区大约包含85%的致病突变，测序深度更高，数据更有效，变异检测更准确[8]。因此，WES正迅速成为一种高效的对个体罕见遗传性疾病进行分子诊断测试的工具，特别是对于同时表现两种不同疾病表型的患者及非特异性或异质性表型的疾病而言[12]。

3 AARS2基因突变导致不同表型疾病的研究现状

AARS2基因突变影响线粒体内蛋白质合成，氧化磷酸化(OXPHOS)系统缺陷，进而引起多系统功能障碍[13]。至目前为止，研究发现了AARS2基因突变已导致多种不同表型的疾病，其中以两种主要不同的表型疾病为主。

3.1AARS2相关的致命性早发型心肌病 2011年常染色体隐性遗传的AARS2基因突变首先在患有致命性早发型心肌病和多种氧化磷酸化缺陷的患者中被描述，此为AARS2基因突变和人类疾病相关的第一个报道。Götz 等[1]通过外显子测序证实了AARS2基因突变可导致严重的婴儿期肥厚性心肌病，这些患儿几乎全部合并线粒体氧化呼吸链缺陷的心肌病。随后国外相继报道了该表型的其他患者[3, 14-17]。上述所有患者的基因检测分析中均包含纯合或复合杂合c.1774C>T(p.Arg592Trp)错义突变，并且认为该突变是由具有致命性早发型心肌病表型的每个患者均携带的突变[16]，此位点突变位于保守的编辑结构域，功能异常后导致错误连接的tRNA与氨基酸不能及时水解，使氨酰化的程度显著降低[3]。但2019年Sommerville等[18]报道了2例致命性早发型心肌病、乳酸性酸中毒和呼吸衰竭的患儿，伴有严重的多种氧化磷酸化缺陷，但通过新一代测序均未发现c.1774C>T(p.Arg592Trp)突变，反而这2例患者都携带了一种新的c.1738C>T(p.Arg580Trp)错义复合杂合突变，而c.1774C>T(p.Arg592Trp)和c.1738C>T(p.Arg580Trp)突变均位于mtAlaRS编辑结构域的β-桶形结构域。该研究团队通过分子研究、计算机模拟和体外测定验证了这种共有的新型mtAlaRS编辑结构域突变的致病性，所得数据支持β-桶形结构域突变[c.1774C>T(p.Arg592Trp)和c.1738C>T(p.Arg580Trp)]与AARS2相关的致命性心肌病的基因型-表型相关性。

迄今为止，国外已报道了16例患有常染色体隐性遗传性AARS2基因突变相关的致命性早发型心肌病的患者[1, 3, 15-18]以及1例在子宫内死亡的患有肌病、肌张力减退和多发性骨折的患者[14]，而国内目前尚未有相关的报道。以上所有患者，在出生前1周或出生后不到1年的时间内便出现致命的心肌病。

3.2AARS2相关的迟发性脑白质营养不良 2014年Dallabona等[13]提出了6例由AARS2突变引起的新表型，以脑白质营养不良为特征，且在女性患者中都存在卵巢功能衰竭，所有患者均没有心肌病表现。6例患者起病年龄不同，但病程普遍较长，均有不同程度的神经系统功能障碍，包括不对称性、进展性痉挛瘫痪，小脑性共济失调，认知功能进行性下降，癫痫，行为不振和其他行为改变，以及抑郁症和其他精神病学特征等。MRI提示广泛脑白质营养不良，呈进行性加重，累及左右大脑半球，可横跨胼胝体，有胼胝体变薄，小脑萎缩。比较临床和MRI结果，表明患者的临床症状取决于受影响的部位。P2，P4和P6有明显的运动功能障碍迹象，MRI提示累及锥体束。P3和P5主要表现为行为和认知功能障碍，病变主要累及额叶。这6例患者中只有P2为男性，其他 5例女性都存在卵巢功能衰竭。而这6例患者的基因突变位点并不完全相同(见表1)，提示AARS2基因不同的位点突变或者不同的复合杂合突变可导致相似的临床表型，即同一基因突变临床表型具有一定的同质性。

2016年Hamatani 等[19]首次报道了 1 例亚洲AARS2突变引起的脑白质营养不良，通过WES方法，确定了由c.1145C>A和c.2255 + 1G>A组成的复合杂合突变,而上述6例患者均未涉及这两个位点的突变(详见表1)，从而进一步证明了同一基因不同的复合杂合突变，可以产生一定的临床表型同质性[13]。迄今为止，国内外总共报道了24例该表型的患者(详见表1)，国外18例[2, 13, 19-22]以及我国6例[23-28]。AARS2基因突变的平均年龄为26岁，所有患者一旦发病，病情即呈现快速恶化的趋势，其中认知功能障碍和运动功能障碍是该病最常见的症状，且几乎所有的女性都有卵巢功能衰竭，除了Sun等[25]和Wang等[26]报道的2例中国女性患者未表现出卵巢功能衰竭。所以长期随访是很必要的，以确定卵巢功能衰竭是否最终发生。AARS2相关的迟发性脑白质营养不良在影像上显示出以额顶叶为主的，略微不对称，融合的 T2WI高信号，T1WI低信号的侧脑室周围白质信号异常，DWI示异常白质中存在受限扩散区域，ADC示相应区域低信号，伴有皮质下U型纤维保留，可累及锥体束及胼胝体(特别是胼胝体压部)，可有轻度的脑萎缩[27]。迄今为止，c.595C>T(p.Arg199Cys)是AARS2相关的迟发性脑白质营养不良患者所最常见的突变位点。

表1 AARS2相关的迟发性脑白质营养不良的不同复合杂合突变病例序号性别发病年龄首先出现的神经系统症状小脑症状认知障碍精神症状锥体束征卵巢衰竭肌张力障碍癫痫AARS2基因突变位点氨基酸改变P1[13]女3平衡受损+++-+--c.149T>G;c.1561C>Tp.Phe50Cys; p.Arg521*P2[13]男7学习障碍(尤指智障者与正常同龄人相比的学习困难)++-+男性+-c.2893G>A; c.1213G>Ap.Gly965Arg; p.Glu405LysP3[13]女33抑郁和认知减退+++++-+c.1609C>T & c.2350del;c.595C>T & c.2188G>Ap.Gln537 & p.Glu784Serfs*9; p.Arg199Cys &p.Val730MetP4[13]女24震颤++++++-c.230C>T;c.595C>T &c.2188G>Ap.Ala77Val; p.Arg199Cys &p.Val730MetP5[13]女40抑郁和认知减退-++-+--c.595C>T&c.2188G>A;c.390_392delp.Arg199Cys & p.Val730Met; p.Phe131delP6[13]女22痉挛性下肢瘫痪和抑郁+-+++--c.595C>T &c.2188G>A;c.2611dupp.Arg199Cys & p.Val730Met;p.Thr871Asnfs*21P7[19]女31认知减退和异常行为-++++--c.1145C>A;c.2255+1G>A*p.Thr382LysP8[2]男18精神症状++++男性--c.578T>G;c.595C>Tp.Leu193*; p.Arg199CysP9[20]女40焦虑和认知减退-++++--c.1041-1G>A*;c.595C>Tp. Arg199CysP10[20]男>30认知减退-+++男性--c.1188G>A*;c.1709delGp. Gly570Afs*21P11[20]男>20快速运动能力下降++++男性--c.1188G>A*;c.1709delGp. Gly570Afs*21P12[20]男15认知减退和精神症状++++男性+-c.892-894del;c.2234_2235 delp.298_298delGln; p.Ser745Cysfs*60P13[20]男>40右上肢肌张力障碍和构音障碍-+++男性+-c.595C>T(纯合子)p. Arg199CysP14[21]女33卵巢衰竭和认知减退-+-++--c.963C>A;c.452T>Cp.Tyr321*;p.Met151ThrP15[21]男35肌张力障碍++-+男性+-c.963C>A;c.452T>CTyr321*; p.Met151ThrP16[22]女44步态共济失调和认知减退++-++--c.595C>T;c.390_392delp.Arg199Cys;p.Phe131delP17[22]女32认知减退-+--+--c.595C>T;c.236T>Ap.Arg199Cys; p.Met79LysP18[22]女23共济失调和痉挛步态+--++--c.595C>T;c.2611_2612 insAp.Arg199Cys;p.Thr871AsnfsP19[23]女28认知减退-+-+++-c.2557C>T;c.595C>Tp.R853W;p.R199CP20[24]男27走路不稳、肢体抖动++-+男性+-c.1871G>A;c.452T>Cp.W624*;p.M151TP21[25]女26痉挛性共济失调步态和认知减退++-+-+-c.452T>C;c.1871G>Ap.M151T;p.W624XP22[26]女32右上肢肌张力障碍-+++-+-c.1691T>C;c.179C>A p.F564S;p.P60HP23[27]男29右下肢运动功能障碍++-+男性+-c.179C>A; c.1703_1704delp.Arg199Cys; p.Val730MetP24[28]男17肢体震颤++++男性--c.2265dupA; c.650C>Tp.Arg756fs; p.Pro217Leu

4 AARS2相关的ALSP的鉴别

ALSP是由集落刺激因子1受体(CSF1R)基因中的常染色体显性突变引起的最常见的成人发病性白质脑病。ALSP以前被称为遗传性弥漫性脑白质病伴轴索球样变(HDLS)或色素型正染性脑白质营养不良(POLD)，基于HDLS和POLD具有相似的临床及病理特点，且这两种疾病均由CSF1R基因中的常染色体显性突变所致，因此将这两种疾病视为同一种疾病谱，即ALSP[29]。

ALSP和AARS2相关的迟发性脑白质营养不良最常见的症状均为认知功能障碍和运动功能障碍，且二者一旦发病，病情呈快速恶化，影像学上均可表现以额顶叶为主的侧脑室周围白质信号异常。不同的是，ALSP起病相对较晚，平均发病年龄为42岁，胼胝体变薄和脑白质钙化是其特征性影像学表现[30]，此外，患有AARS2相关的迟发性脑白质营养不良的女性常表现为卵巢功能衰竭，这一特征在ALSP中未见，可用于鉴别。

5 结语与诊疗展望

迄今为止，国内外已报道的常染色体隐性遗传性AARS2基因突变可表现为两种主要不同的表型，即早发型致命性心肌病，迟发性脑白质营养不良和女性的卵巢功能衰竭。近两年由于新一代测序技术的高速发展，极大地扩展了了AARS2基因突变的表型谱，包括具有其他临床特征或缺乏先前认为突出特征的患者。2017年Bruwer等[31]报道了5例通过全外显子组测序由AARS2基因中的c.2027A>C (p.Gln676Pro) 纯合突变引起的致命的非免疫性胎儿水肿。2018年Peragallo等[32]报道了1例因视神经萎缩而视力下降的韩国男孩，该报告中描述了患者具有视神经萎缩、视网膜病变、白质脑病和脱髓鞘性多发性神经病，全外显子组测序揭示了AARS2基因中的两个错义突变[c.1519G>C (p.V507L)和c.2165G>A (p.R722Q)]。2019年， Kiraly-Borri等[33]报道了一对新生的亲姐弟，均出生后不到2 h死于原发性肺发育不全而没有心肌病的证据，通过全外显子组测序证实了AARS2突变[c.1774C>T(p.Arg592Trp)和c.647 dupG(p.Cys218Leufs*6)]，这些突变位点与之前报道的致命性早发型心肌病有关。这表明，尽管特定基因位点的突变可能在很大程度上决定表型，如早发性或晚发性疾病，但可能还有其他修饰基因、表观遗传因素或环境修饰剂进一步确定确切的临床表现[34]，但这些都还待于进一步研究与发现。

目前，了AARS2基因突变相关的疾病尚无切实有效的治疗方法，还有待于深入研究。在那之前更重要的还在于预防，通过孕前检查和产前诊断，可以确定是否存在致病基因突变，以避免缺陷患儿出生，改变未来的疾病风险。相信在不久的将来，越来越多的线粒体病得到诊断，该疾病的治疗难题亦将会被攻克。