联合氧化磷酸化缺陷21 型1 例报告并文献复习

邹东方 文飞球 廖建湘

深圳市儿童医院 1.神经内科，2.血液肿瘤内科（广东深圳 518038）

线粒体氨基酰-tRNA 合成酶（mitochondrial aminoacyl-tRNA synthetases，mt-ARS）由核基因ARS2编码，通过催化同源tRNA 与特定氨基酸特异性结合产生氨基酰-tRNA，参与线粒体蛋白质合成的起始阶段，将遗传信息从线粒体DNA 转移到氧化磷酸化系统（mitochondrial oxidative phosphorylation system，OXPHOS），而OXPHOS 是细胞ATP 能量的主要来源。因此，mt-ARS缺陷可影响线粒体翻译功能，引起遗传性线粒体疾病。近年来，编码mt-ARS 的基因缺陷已成为人类线粒体疾病的新病因[1]。其通常具有发病年龄早和常染色体隐性遗传的特征[2]，主要临床表现为脑病，其他包括肌病、心肌病、肾小管疾病及听力障碍。目前关于此类疾病的研究仍较少，多数为个案或小样本的临床报道，有些ARS 2基因相关疾病国内仍未见报道。目前共有17 种mt-ARS，分别由不同ARS2编码，其中TARS2基因编码线粒体苏氨酰-tRNA合成酶（mitochondrial threonyl-tRNA synthetase，mt-ThrRS），其变异所致疾病为联合氧化磷酸化缺陷21型（combined oxidative phosphorylation deficiency-21，COXPD 21），目前仅有国外文献报道3 例。深圳市儿童医院在320 例中国癫痫儿童应用全基因组测序（whole genome sequencing，WGS）进行病因学研究中，确诊1例TARS2复合杂合新变异[3]，为国内未见报道的COXPD 21 病例，扩充了COXPD 21 基因型数据库及该病的临床表型。

1 临床资料

患儿，男，6 月龄，因反复抽搐3 月余，发热5 天，频繁抽搐伴气促、发绀5 小时于2017 年4 月入院。患儿3 月龄起出现无热抽搐，主要表现为局灶性发作痉挛发作及肌阵挛发作。予左乙拉西坦口服治疗仍有反复抽搐，服药不规律。入院前5 天开始反复发热，5 小时前出现频繁抽搐，伴气促、发绀。患儿系G1P1，足月顺产，出生体质量2 800 g，无窒息产伤史，母孕期否认先兆流产史。患儿发育落后，至今不会抬头、不会翻身、不会逗笑、不会追光追物。患儿既往有先天性喉喘鸣史，无癫痫及其他遗传性疾病家族史。入院20 天前患儿有外伤史，当时有肺挫裂伤及右侧额颞顶部硬膜下出血。入院体格检查：昏迷，全身皮肤发绀，可见花纹，双侧瞳孔等大等圆，直径1.5 mm，对光反射迟钝，抽泣样呼吸，口唇颜面发绀；心音低钝，节律不齐；腹软，脐疝，肝肋下3 cm，质地软，脾未及；四肢肌张力增高，四肢末端凉，毛细血管充盈时间6 s。入院实验室检查：血气分析pH 7.071，乳酸7.1 mmol/L，剩余碱20.9 mmol/L，钠115 mmol/L，钾2.3 mmol/L；尿气相色谱-质谱及血串联质谱未见异常。头颅MRI 示双侧脑萎缩，胼胝体菲薄，幕上脑室扩张，硬膜下积液，脑干、双侧基底节、丘脑、大脑脚多发异常信号（图1）。脑电图示全导低电压，双侧半球多灶性癫痫样放电。心脏彩超示心肌弥漫性增厚，心包积液。视听觉诱发电位示双侧听觉、视觉传导通路损伤。

图1 COXPD21 患儿头颅MRI 表现

结合患儿临床特征及相关实验室检查，高度考虑线粒体病可能，送检线粒体相关基因组测序未发现明确致病变异。经医院伦理委员会审批[No.深儿医伦审（科研）2017014]，患儿监护人签署知情同意书后行WGS。用EDTA抗凝采集管取患儿及父母外周血各4 mL；从患儿外周血白细胞中提取DNA，采用华大基因研究院BGI-500 平台进行WGS，对标本进行单核苷酸变异（single nucleotide variant，SNV）和拷贝数变异测序。测序的平均深度为30 X，基因覆盖度平均为99.9%以上，使用GATK或者Edico Genome公司生物芯片进行SNV 及小片段插入/缺失变异检测，测序的数据参照GRCh37/hg19标准，使用Edico Dragen分析流程对变异进行注释[4]。在ExAC、GnomAD和G1000频率数据库[5-7]中，ClinVar、CGD、OMIM、HGMD等基因疾病数据库[8-11]中使用bcfano（V 1.4）注释变异。依据美国医学遗传学与基因组学学会（American College of Medical Genetics and Genomics，ACMG）指南[12-13]标准进行解读。最后，进行Sanger测序以验证变异和确认是否存在家系共分离。WGS 检出TARS 2（NM_025150.4）c.987_988insA（p.Arg330Lysfs*4/p.R330Kfs*4）移码变异，来源于父亲，根据ACMG判为疑似致病（PVS1+PM2）；另一TARS2（NM_025150.4）c.470 C>G（p.Thr 157 Arg/p.T 157 R）错义变异，来源于母亲，根据ACMG判为疑似致病（PM1+PM2+PM3）。患儿父母为上述2 个变异的杂合携带者，临床表型无异常。测序峰图及蛋白保守性分析见图2。

图2 TARS2 基因测序峰图

患儿入院后予积极扩容、呼吸机辅助呼吸、纠正电解质紊乱、止惊、抗感染、鸡尾酒疗法，辅酶Q1010 mg/(kg·d)，左卡尼汀50 mg/(kg·d)，维生素B2200 mg/d，维生素B1500 mg/d，维生素E 400 IU/d，维生素C 200 mg/d及对症支持治疗。住院期间仍有反复抽搐、高热，出现反复心率、血氧下降，住院1个月死亡。

2 讨论

本例患儿临床表现为精神运动发育落后，多种形式的癫痫发作，四肢肌张力增高，高乳酸血症，肥厚型心肌病；头颅MRI 提示双侧脑萎缩，胼胝体菲薄，幕上脑室扩张，硬膜下积液，脑干、双侧基底节、丘脑、大脑脚多发异常信号，符合线粒体病特点。WGS测序证实患儿携带TARS 2基因 c.987_988 insA 和c.470C>G复合杂合变异，该变异既往均未见文献报道，根据ACMG判为疑似致病性变异，故患儿确诊为COXPD21。

经文献检索发现，国外已报道3 例病例，国内未见报道。检索到的3例患儿中，2例为兄妹，于2014年首次报道。临床表现为四肢肌张力增高、精神运动发育迟缓以及高乳酸血症，均于生后数月因代谢危象死亡。哥哥5 月龄时头颅MRI 显示胼胝体菲薄、苍白球高信号；妹妹3 月龄时头颅MRI 未见明显异常，线粒体测序未检测出致病性变异，WES 发现TARS 2复合杂合变异，分别为TARS2（NM 025150.4）c.845C>T（p.Pro282Leu）错义变异及内含子6+3位置的TARS2（NM 025150.4）c.695+3A>G剪切变异，患儿母亲及父亲分别为上述2 个变异的杂合携带者，妹妹具有相同的复合杂合变异，家系中1 个健康同胞携带1 个剪切变异，另1 健康同胞不携带上述变异，符合家系共分离特点。细胞功能研究显示患者成纤维细胞氨基酰tRNA-Thr 含量严重减少，永生化细胞分析提示线粒体呼吸缺陷，而引入野生型TARS2可挽救线粒体的生化缺陷[14]。第3例患儿表现为肌张力低下、小脑萎缩、精神运动发育落后、高乳酸血症，WES发现TARS2上2个复合杂合变异，分别为剪切变异和错义变异，这2个变异预测会导致mt-ThrRS功能丧失，引起线粒体功能障碍，但具体变异未详细描述[15]。

mt-ThrRS 含有718 个氨基酸，主要包括3 个结构域：N-末端结构域（用于编辑的N 1 和N 2 结构域）、用于氨基酸活化和tRNA 连接的氨基酰化结构域、用于tRNA结合的反密码子结构域[16]。mt-ThrRS不能准确地选择和识别同源氨基酸，容易错误激活丝氨酸非同源序列，其N 1 结构域的编辑功能可以清除错误激活的丝氨酸，保证线粒体翻译的质量[17]。mt-ThrRS由TARS2基因编码，该基因位于染色体1q21.3上，包含18个外显子，大小为19.6 kb。该基因变异可导致编码蛋白mt-ThrRS功能异常，引起线粒体翻译质量下降，从而导致TARS2相关疾病发生。后续研究显示TARS2的Pro 282 Leu 变异，通过体内、体外实验发现mt-ThrRS-P282L突变株可导致氨基酸活化水平、氨基酰化及校对编辑水平明显下降，改变蛋白的结构和稳定性，降低酶的催化效率[18]。上述功能研究证明TARS2相关变异的致病作用。

TARS 2基因变异所致疾病为COXPD 21，常染色体隐性遗传，临床表现为严重脑病、胼胝体发育不良、脑白质营养不良、苍白球异常信号、肌张力异常、发育迟缓、周围神经病、小头等，预后差，早期死亡。本例患儿临床表型高度符合，携带的2个TARS2变异在人群中频率极低，构成复合杂合致病，符合家系共分离原则，可导致临床疾病发生。上述2 个变异既往未见文献报道，本研究扩充了TARS2基因相关疾病的基因型数据库。TARS2变异所致疾病目前所报道病例无癫痫表型，本例患儿有癫痫发作，显示TARS 2参与癫痫的发生发展，扩展了TARS2基因相关疾病的临床表型。

另外，脑病是ARS 2基因相关疾病最常见的临床特征，由于中枢神经系统对能量需求高所致，此类患者具有相对特定的MRI表现。如DARS2变异（编码线粒体天门冬氨酰-tRNA 合成酶）可导致白质脑病，脑干、脊髓受累；EARS2变异（编码线粒体谷氨酰-tRNA合成酶）所致白质脑病可累及丘脑、脑干；RARS 2变异（编码线粒体精氨酰-tRNA 合成酶）可导致严重的婴儿期脑病，桥小脑发育不全，脑萎缩[18]。而TARS 2变异既往报道表现为胼胝体发育不良、苍白球高信号、小脑萎缩。本例患儿的MRI表型更严重，表现为双侧脑萎缩，胼胝体菲薄，幕上脑室扩张，硬膜下积液，脑干、双侧基底节、丘脑、大脑脚多发异常信号，进一步丰富了COXPD21的临床表型。

综上，本研究经WGS 发现TARS 2基因2 个新发变异，明确为本例患儿的致病性基因变异，丰富了TARS2相关疾病的基因型及临床表型，为该家系遗传咨询提供了依据。

致谢：感谢深圳市华大基因研究院提供的技术支持。