异亮氨酰-tRNA 合成酶基因变异的研究进展

蒋劲嵩 高景波 郭 荣 曹桂芝 郭 敏 赵晨玥 张莉雪 薛慧琴

1.山西医科大学附属儿童医院儿科医学院，山西太原 030001；2.山西省儿童医院（山西省妇幼保健院）细胞遗传室，山西太原 030013

在生物体内，蛋白质的合成过程依赖于氨酰tRNA合成酶群（aminoacyl-tRNA synthetases，ARSs）的催化活性，不同的ARSs 可以通过氨酰化作用催化不同的氨基酸和与之相应的tRNA 结合以确保遗传信息的正确传递[1-2]。氨酰化和编辑是ARSs 典型功能，调控转录和翻译是ARSs 非典型功能。越来越多的研究表明，不管是ARSs 的典型功能还是非典型功能发生缺陷都会导致人类疾病[3]。目前已报道的ARSs 有24种，依据其同源保守序列及CCD 折叠方式可分为两类：Ⅰ类多以单体形式存在，Ⅱ类多以二聚体或多聚体形式存在[4]。异亮氨酰-tRNA 合成酶（recobinant isoleucyltRNA synthetase，IARS）由IARS 基因编码，是ARSs 家族成员之一，催化异亮氨酸和特异tRNA 结合[5]。此外，IARS 是人细胞中氨酰-tRNA 合成酶复合物（multisynthetase complex，MSC）的一部分，该大分子多酶复合物由9 种细胞质氨酰-tRNA 合成酶和3 种辅因子（AIMP1、AIMP2、AIMP3）组成[6]。IARS 基因突变导致的疾病是一种少见的常染色体隐性遗传病，有关IARS 基因突变的致病机制研究报道较少，其发病机制尚不明确。

1 动物中的IARS 基因变异

动物中IARS 基因纯合错义突变会导致一系列表型出现，而杂合携带者拥有维持正常生活的IARS 活性。IARS 基因中的纯合错义突变c.235G＞C（p.Val79 Leu）是日本黑牛弱犊综合征的原因，导致IARS 蛋白的氨酰化活性降低38%，进而损害蛋白质合成[7]。受影响的小牛表现出宫内生长迟缓、新生牛虚弱、严重肌无力伴失语和肝细胞脂肪变性，比未受影响的胎牛更可能在产前死亡[8]。IARS 基因变异杂合携带者和野生型奶牛的代谢谱试验（metabolic profile test，MPT）结果和生殖性能数据进行比较分析，发现携带者和野生型奶牛之间在MPT 结果或生殖性能方面比较，差异无统计学意义（P＞0.05），提示携带者奶牛具有维持最低健康和生殖潜力所必需的IARS 活性[9]。IARS 基因变异小牛在肌肉、肝脏和成纤维细胞中的氧化磷酸化活性正常，锌水平也未受到影响，因此锌水平降低和氧化磷酸化活性受损可能与IARS 基因突变不直接相关[10-11]。

IARS 基因在斑马鱼中是保守的，与人类蛋白质具有74%的同源性，且在斑马鱼早期胚胎发育中普遍表达。对斑马鱼的IARS 基因进行了原位杂交和吗啡啉敲除，实验证明IARS 基因下调导致高致死率，存活的胚胎表现出严重的脑表型和体轴缩短，提示IARS基因在胚胎发生中的重要作用[10,12]。斑马鱼中出现的脑表型和体轴缩短与人类IARS 基因变异出现的智力低下和发育迟缓相对应。

2 人类中的IARS 基因变异

IARS 基因突变患者具有表型异质性和多样性的特点，从轻度的临床表现到快速进展的多器官受累，且表型在同一家系不同成员间和不同家系间都有可能存在较大差异。IARS 基因在Clinvar、HGMD、PubMed、中国知网等国内外数据库中虽有P/LP 变异15 个，但仅有8 例先证者被详细报道。Kopajtich 等[10]发现IARS 基因突变患者3 例，分别为c.1252C＞T 合并c.3521T＞A 复合杂合变异、c.760C＞T 合并c.1310C＞T 复合杂合变异和c.1109T＞G 合并c.2974A＞G 复合杂合变异。Orenstein 等[10]发现IARS 基因c.2215C＞T 合并c.1667T＞C 变异1 例。Smigiel 等[14]发现IARS基因c.2011delC 合并c.206C＞T 变异1 例。Fuchs 等[5]发现IARS 基因c.1305G＞C 合并c.3377dup 变异2例。王国杰等[15]发现IARS 基因c.1604A＞G 变异1 例。

既往报道的8 例IARS 基因突变患者表型比较结果：宫内发育迟缓（7/8）、生后发育迟缓（8/8）、语言延迟（5/8）、智力低下（7/8）、肝脂肪变性（4/8）、肝纤维化（4/8）、肝功能异常（6/8）、肝脾肿大（3/8）、肌张力低下（6/8）、特殊面容（5/8）、小头畸形（2/8）、缺锌（5/8），个别患者还有头颅MRI 异常、癫痫发作、孤独症、胆汁淤积、感音神经性听力损失、肾积水、呼吸系统疾病、喂养不良等症状。所有报告的IARS 基因突变患者几乎均有发育迟缓和智力低下特征表型，所以IARS基因变异会导致严重的生长发育问题。

3 IARS 基因突变引发疾病的机制

ARSs 基因变异可能引起其典型或非典型功能障碍，从而导致疾病的发生。ARSs 的典型功能是将氨基酸与相应的tRNA 结合，生成活化的氨基酰-AMP，然后将活化的氨基酰-AMP 转移到相应的tRNA 3’端上，使活化的氨基酰tRNA 更容易与mRNA 上的密码子结合，确保蛋白质的氨基酸序列与mRNA 上的密码子序列一致，这对于蛋白质的正确折叠和功能至关重要。ARSs 的非典型功能包括作为分子伴侣，协助其他蛋白质折叠成正确的三维结构；参与细胞内信号传导通路，调控蛋白质合成的过程；参与tRNA 的选择和识别，为翻译起始做好准备[3]。需要注意的是，虽然ARSs 具有上述非典型功能，但其主要功能仍然是催化氨基酸与tRNA 的结合，并合成肽链。

IARS 基因突变引发疾病的机制可能因突变的类型和位置而异，引起隐性IARS 缺陷的致病性变异通常位于IARS 基因的催化或反密码子结合域。有研究认为隐性IARS 缺乏症的常见临床表型是由于氨基酰化活性不足以满足特定器官或生命周期的翻译需求所致[16]。子宫内生长受限和发育不全可能与氨酰化活性降低、翻译减慢或效率低下相关。在隐性IARS缺陷中受影响最明显的是高氨基酸渗入率的器官：肝脏（2.4%/h）、肺（1.0%/h）、脑（0.6%/h）和肌肉（0.4%/h～0.7%/h）及高增殖率器官——肠道[17-18]。围生期和感染期都是高转化需求的时期，所以IARS 基因变异会导致高氨基酸渗入率及高增殖率器官出现相应症状。

4 ARS 其他基因变异

常染色体隐性ARS 缺陷代表了一组快速增长的严重遗传性疾病，涉及多个器官。所有ARS 缺陷都与中枢神经系统症状相关，包括听力和视力缺陷，大多数与发育不良、喂养和胃肠道问题有关。线粒体功能障碍和面部畸形的体征很常见，还有各种内分泌异常。肝脏和神经系统症状在生后1 年内和感染期最严重，如急性肝衰竭、癫痫持续状态和脑病[5]。还有些特定的临床特征：丝氨酰-tRNA 合成酶基因变异会导致智力残疾[19]；天冬氨酰-tRNA 合成酶基因变异会出现白质脑病和腿部痉挛[20]；精氨酰-tRNA 合成酶基因变异出现髓鞘形成不足[21]；缬氨酰-tRNA 合成酶基因变异导致神经遗传性疾病[22]；赖氨酰-tRNA 合成酶基因变异出现非综合征性听力损伤[23]。可以根据特定的临床特征对ARS 缺陷的种类进行初步判断，为疾病的诊治提供参考。

5 IARS 基因变异的特定氨基酸治疗

氨基酸治疗ARS 缺陷目前是一个研究热点，动物模型发现氨基酸治疗可以改善症状，初步研究结果令人鼓舞。如氨酰化活性降低导致隐性IARS 缺陷的患者可能通过补充相应的异亮氨酸或高蛋白质摄入改善症状[5,24]。之前报道的ARS 缺陷患者：丙氨酰-tRNA 合成酶[25]；甲硫氨酰-tRNA 合成酶[26]；异亮氨酰-tRNA 合成酶[10]；组氨酰-tRNA 合成酶[27]；丝氨酰-tRNA 合成酶[19]；谷氨酰胺酰-tRNA 合成酶[28]和赖氨酰-tRNA 合成酶[29]缺陷，均表现为氨基酰化活性降低，但从未降低至酶活性正常值以下，推测ARS 活性过低会对胎儿产生不利影响，导致胎儿无法顺利产出，从而未被报道。因此，蛋白质/氨基酸的充足供应至关重要，特别是在翻译需求增加的时期，如生命早期和感染期[30]。患者的杂合子父母不受影响的事实表明，IARS 活性存在一些过剩的能力，而且IARS 基因变异导致的疾病与缺锌有关，还可以通过补充锌来缓解症状[10]。氨基酸治疗ARS 缺陷的方法仍处于早期阶段，需要更多深入的研究评估其有效性和安全性，将来有望成为治疗的新靶点。

IARS 基因变异会导致多系统病变，其表型复杂多样，表型谱仍需不断拓展总结。目前IARS 基因新发复合杂合变异导致发育迟缓的功能实验尚鲜见报道，所以开展IARS 基因新发剪接位点变异及错义突变的功能试验来进一步验证该复合杂合变异的致病性是具有创新性的。此外，虽然有研究发现可以用整体的转录翻译解释发育迟缓的表型，但器官特异性体征的病理机制可能更加复杂，所以关于IARS 基因型与表型相关性的机制还有待进一步研究。