肥大性下橄欖核變性分子遺傳學研究進展

馮佳梁, 周 慧, 沈佐廷, 李 飛, 張社卿

(1. 上海市第二軍醫大學附屬長海醫院 神經內科, 上海, 200433;2. 上海市楊浦區市東醫院 神經內科, 上海, 200433)

綜 述

肥大性下橄欖核變性分子遺傳學研究進展

馮佳梁1,2, 周 慧2, 沈佐廷2, 李 飛2, 張社卿1

(1. 上海市第二軍醫大學附屬長海醫院 神經內科, 上海, 200433;2. 上海市楊浦區市東醫院 神經內科, 上海, 200433)

肥大性下橄欖核變性; 基因診斷; POLG基因; SURF1基因; SCA1型基因; 研究進展

肥大性下橄欖核變性(HOD)是一種臨床少見的神經系統變性疾病，臨床特點為在原發病變穩定后出現頭暈、視物不清、眼震、腭肌陣攣、肢體震顫、共濟失調等表現，其中上腭震顫為其典型癥狀，通常在格莫三角損傷后數周至數月出現，約5～24周癥狀達到高峰。原發腦損傷疾病已經給患者帶來很多痛苦[1], 而HOD這一繼發病癥的出現又再次加重了軀體損傷，增加了患者精神及經濟負擔，因此，如何早期診斷并有效干預成為臨床研究熱點。研究[2-4]表明，線粒體缺陷與神經系統疾病的發生密切相關，如帕金森綜合征、Alpers綜合征、進行性眼外肌麻痹等，而HOD屬于神經系統疾病的一種，有國外學者研究[5-6]發現，外顯子測序鑒定提示純合子致病P-W748 POLG突變，SURF1基因突變與其發生也密切相關，因此，從基因角度對HOD發病時基因的反應模式進行診斷可以避免影像學檢查的滯后性，有助于為其早期診斷提供更多的幫助。本文對基因診斷HOD的研究進展進行綜述，為其早期診斷、及早干預提供依據。

1 肥大性下橄欖核變性候選基因

1.1 POLG基因

線粒體是普遍存在于真核細胞的半自主性細胞器，是氧化磷酸化的場所，線粒體的生物活動依賴于線粒體DNA編碼的蛋白的表達，線粒體DNA 是由16 569個堿基對組成的雙鏈裸露的超螺旋閉合共價環狀DNA分子, DNA聚合酶γ(pol γ)多肽位于線粒體內膜內側，由1 239個氨基酸組成的雜合二聚體，分子長度為139.5 KDa, 包括140 kDa的催化亞基及55 kDa的調節亞基，具有促進pol γ與DNA雙鏈的緊密結合啟動DNA復制的功能，其是線粒體中唯一起聚合酶作用的酶，在線粒體DNA的復制及修復中發揮重要作用[7-8]。催化亞基是由線粒體 DNA 特異性聚合酶 G(POLG)基因編碼, POLG基因位于15號染色體，包含10個連串的編碼谷氨酰胺的CAG密碼子的CAG-三核苷酸重復多態性參與神經細胞凋亡的過程，當POLG基因發生CAG-三核苷酸重復長度的突變后，線粒體DNA比率超過閾值，會使得DNA聚合酶γ的校正功能喪失，造成線粒體DNA的點突變、缺失和多發缺失以及含量的減少，線粒體不能提供足夠的能量，細胞正常的氧化磷酸化功能受到阻礙，促進反應性產物的產生，進而導致易感性神經變性疾病[9-10]。目前, POLG基因突變導致的神經系統疾病包括感覺性共濟失調、少年型脊髓小腦共濟失調、癲癇綜合征、進行性眼外肌麻痹、阿爾茨海默病等，而肥大性下橄欖核變性屬于神經系統變性疾病的一種，病變主要累及小腦、腦干，出現神經元變性，臨床表現出現震顫、共濟失調等，與感覺性共濟失調、少年型脊髓小腦共濟失調等相似。有國外學者研究[11]發現，干擾素治療丙肝后出現耳聾、嗜睡，口齒不清，步態不穩，查體水平眼震，共濟失調步態，末梢感覺消失，無腭肌陣攣, MRI提示雙側肥大性下橄欖核變性，外顯子測序鑒定提示純合子致病P-W748 POLG突變。基因突變分為純合子及雜合子突變，而POLG基因的16號外顯子上存在2492位點A→G的雜合突變與肥大性下橄欖核變性發生相關。

1.2 SURF1基因

線粒體DNA 包含編碼氧化磷酸化呼吸鏈復合體必需的13個多肽，線粒體呼吸鏈相關蛋白由核基因和線粒體基因共同編碼，呼吸鏈氧化磷酸化亞基基因共有 92 個，線粒體基因僅編碼其中的13 種，剩余79個均由核基因編碼[12]。線粒體呼吸鏈由5種酶復合物組成，呼吸鏈復合物IV即細胞色素C氧化酶，存在于真核生物細胞的線粒體內膜上，由13個多肽亞單位組成，其中3個由線粒體基因編碼，其余均由核基因編碼，在細胞呼吸中處于細胞色素系統的末端，通過氧化磷酸化為細胞提供能量[13-14]。當編碼氧化磷酸化系統中蛋白質的核基因發生致病性突變時，導致相關呼吸鏈酶功能喪失或降低，引起線粒體組裝或功能障礙，線粒體蛋白合成障礙和呼吸鏈組分和功能異常，使能量消耗很大的神經系統出現功能障礙和組織壞死[15-16]。呼吸鏈復合物亞基及組裝因子突變屬于核基因突變的一種，人SURF1蛋白的第25～299位氨基酸構成的肽鏈形成SURF1家族，含有300個氨基酸殘基，有兩個跨膜結構域，參與調節細胞色素C氧化酶復合物的組裝以及維持其正常活性，人類SURF1基因包含9個外顯子，位于9q34.2, 基因組序列全長4695 bp, 具有進化上的保守性，從原核到真核生物都發現有SURF1基因的同源序列。人類SURF1基因異常，如604G→C突變導致的SURF1蛋白第202位氨基酸殘基由酸性天冬氨酸轉變為堿性組氨酸，或者574C→G的顛換為雜合性的錯義突變導致的第192位氨基酸由堿性的精氨酸變為中性的甘氨酸，會導致細胞色素C氧化酶功能缺陷，細胞色素C氧化酶功能缺陷影響ATP生成，均可直接或者間接對神經通路造成影響，累及中樞神經系統，特別是腦，出現視力障礙、構音障礙、吞咽困難、上肢共濟失調、站立及行走困難等癥狀[17-18]。

1.3 SCA1型基因

脊髓小腦共濟失調(SCA)基因共定位28種致病基因, 7種為基因編碼區CAG-三核苷酸重復擴增突變，導致編碼產生的多聚谷氨酰胺異常集聚，導致表現為共濟失調、步態不穩、言語不清、構音障礙、眼球震顫等癥狀的橄欖腦橋小腦萎縮的發生，由于橄欖腦橋小腦萎縮與肥大性下橄欖核變性的病變均主要累及小腦、腦干，出現神經元變性，臨床表現也頗為相似，因此部分學者[19-20]認為橄欖腦橋小腦萎縮與肥大性下橄欖核變性的發病機制存在一定的共性。SCA1位于染色體6q22～23, 基因組跨度450 kb, cDNA長11kb, 含有9個外顯子，編碼816個氨基酸殘基組成ataxia-1蛋白，該蛋白位于細胞核，橄欖腦橋小腦萎縮患者第8號外顯子發生CAG突變后其重復擴增的拷貝數為40～83, 正常人為6～38[21-22]。SCA2 型基因定位在染色體12q23～q24.1上，正常等位基因含有 17～29 個 CAG-三核苷酸重復和1～3 個 CAA 重復，橄欖腦橋小腦萎縮患者5′端外顯子 1 編碼區發生CAG突變后其重復擴增的拷貝數為37～63。CA3型基因定位在染色體14q32.1, 正常人 CAG 重復 13～36 次，橄欖腦橋小腦萎縮患者重復 68～79次。

2 肥大性下橄欖核變性基因診斷相關技術

隨著分子遺傳學及基因學的發展，基因診斷因其特異性強、可操作性強，已成為臨床科研的熱點，目前，根據是否對致病基因本身進行檢查分為兩類，一類是采用利用 PCR 擴增產物或者鄰近的 DNA 序列作為探針的直接基因診斷，另一類是遺傳連鎖分析的間接基因診斷[23]。肥大性下橄欖核變性常繼發于腦梗死、中毒、手術及外傷、腫瘤、血管畸形、腦出血等導致的格莫三角損傷的腦部疾病，是由于神經傳導在這個三角通路中阻斷，所發生的一種獨特的跨突觸神經變性，導致傳入細胞的突觸丟失，這種特異性的變性在原發病變后一段時期發生順行性空泡變性，導致受影響的下橄欖核部位的神經元體積增大，隨著時間的推移，肥大逐漸減輕，隨后又出現細胞萎縮，因此，臨床上將其歸于線粒體障礙性疾病，多采用直接基因診斷對治病基因進行檢測[24]。首先采用PCR-RFLP技術，取正常人群作為對照，選擇基因引物，如POLG基因正向引物為5′-ACAGTGTTGGGGACGCAG-3′, 反向引物為5′-CCTCGCCAGGCATCTCC-3′; SURF1基因引物: 正向引物為5′-TGGCTCCATGTCAGTGTTGT-3′, 反向引物為5′-AGGGCTCTGCTGTTGAACTC-3′擴增所有研究對象候選基因全部外顯子后, PCR擴增產物經HinfⅠ酶切獲得不同長度、大小、數量的限制性酶切片段，酶切產物用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測，并采用末端終止法進行測序檢測單堿基替代以及小片段核苷酸的插入或缺失，迅速而準確的解讀基因突變信息[25]。

3 展 望

1887年Oppenheim首次報道肥大性下橄欖核變性，通過尸檢發現了下橄欖核增大的特征性病理改變。1931年, Guillain和Mollaret描述了小腦齒狀核與對側的紅核和下橄欖核構成的等邊三角傳導通路，也稱之為格莫三角，正如Guillain和Mollaret所描述的，在格莫三角中的神經元聯系著對側小腦的齒狀核、同側中腦的紅核、同側延髓的下橄欖核，由齒狀核發出的神經纖維通過小腦上腳傳入對側的紅核，途中與小腦臂發生交互作用，紅核發出的神經纖維通過中央被蓋束傳入下橄欖核。下橄欖核發出神經纖維通過小腦下腳聯系對側的齒狀核，當損傷位于紅核或中央被蓋束時，常會導致同側的橄欖核肥大變性，當損傷位于小腦上腳或齒狀核時，常會導致對側的橄欖核肥大變性，如果同時損傷到紅核或中央被蓋束以及齒狀核及小腦上腳時，常會導致雙側的肥大性下橄欖核變性。

肥大性下橄欖核變性臨床特點為在原發病變穩定后出現頭暈、視物不清、眼震、腭肌陣攣、肢體震顫、共濟失調等表現，典型癥狀為上腭震顫，其為軟腭有節奏的連續的運動，有時累及其他顱神經或脊神經支配的肌肉，但是肥大性下橄欖核變性臨床表現與遺傳性脊髓小腦共濟失調、橄欖腦橋小腦萎縮等神經系統疾病表現相似，無法根據臨床癥狀對其進行診斷。影像學檢查發現，肥大性下橄欖核變性患者在MRI上有非常特征的影像學表現，在原發病損傷1月后, MRI在T2WI上通常會出現下橄欖核高信號征，并持續數年，原發損傷約半年后出現下橄欖核肥大，并持續3～4年，隨后出現萎縮，在下橄欖核肥大階段, MRI上表現為延髓腹外側局限性T2WI長信號結節灶，輪廓呈蛋形，稱之為蛋形征，是診斷此病的重要依據[26-28], 但是影像學檢查具有滯后性，不適合用于對其進行早期診斷。當前的研究[29]發現, POLG基因的突變將會影響DNA聚合酶γ的復制, Surfeit人1蛋白(SURF1)基因突變導致細胞色素C氧化酶缺陷，候選基因的突變均會造成線粒體能量生成障礙，使神經系統疾病發生的危險性會明顯增加，因此，在腦梗死、中毒、手術及外傷、腫瘤、血管畸形、腦出血等腦損傷發生后對患者基因進行檢測，有助于預測肥大性下橄欖核變性是否發生，進而對其進行早期診斷。但是，基因診斷應用于肥大性下橄欖核變性仍具有以下不足: ①基因診斷應用于肥大性下橄欖核變性容易受醫務工作人員素質、社會支持度等多種因素影響。②由于國內外的基因診斷應用于肥大性下橄欖核變性的研究報道仍較少，導致候選基因種類較少。

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2017-01-20

張社卿

R 714.14

A

1672-2353(2017)15-227-03

10.7619/jcmp.201715082