先天性鐵粒幼細胞貧血相關基因及診治研究進展*

韓 瀟，張 誠，張 曦 綜述，文 欽審校

(陸軍軍醫大學新橋醫院血液病醫學中心/創傷、燒傷與復合傷國家重點實驗室/全軍血液病中心/重慶市醫學重點學科，重慶 400037)

鐵粒幼細胞貧血(SA)是由于多種病因引起的血紅素合成障礙和鐵利用不良所致的一組異質性疾病。其特征是骨髓紅系明顯增生，細胞內、外鐵明顯增加，幼紅細胞線粒體內鐵沉積并出現較多的環形鐵粒幼細胞(RS)，伴有紅系無效造血以及出現不同程度的小細胞低色素性貧血或雙相性貧血[1]。目前主要分為遺傳性鐵粒幼細胞貧血(CSA)和獲得性鐵粒幼細胞貧血。CSA是在血紅素生物合成、鐵硫[Fe-S]簇(ISC)生物合成、線粒體蛋白合成過程中所涉及到的相關基因突變所致，臨床表現重疊，貧血常常是其唯一表現，可發生在產前、出生時、兒童期甚至成年后，具體取決于個體致病基因的突變模式以及其他因素[2]。隨著定位克隆、人類基因組計劃、固態基因分型技術和二代測序(NGS)的出現，目前超過2/3的CSA 病例可歸因于(特定)基因突變。本綜述重點分析CSA的相關致病基因，以及針對相關基因的精準治療。

1 血紅素生物合成途徑異常

1.1 ALAS2突變與XLSA

CSA最常見類型為X連鎖鐵粒幼細胞貧血(XLSA)，約占CSA的40%，由位于Xp11.21染色體上的ALAS2基因突變引起并表現出X連鎖遺傳模式。目前，人類基因突變數據庫(http://www.hgmd.cf.ac.uk/ac/index.php)中登記的117種ALAS2突變中大多位于第5至11外顯子的高度保守區，多為錯義或無義突變[1]。患者貧血嚴重程度、發病年齡及其對補充吡哆醇的反應因ALAS2蛋白結構中氨基酸改變的位置和類型的不同有很大差異。XLSA的發病機制與ALAS2表達水平的降低、催化底物或輔因子親和力的缺陷以及ALAS2的蛋白質加工有關，補充吡哆醛5′-磷酸(PLP)可能有助于減輕這些損害。但產生過早終止密碼子的無意義突變和使ALAS2蛋白失去穩定性的突變均會導致吡哆醇的無反應性，啟動子中的調控突變導致ALAS2基因轉錄調控的受損，也是吡哆醇難治性患者的病因[3]。對于維生素B6難治性SA患者，可進行異基因造血干細胞移植(HSCT)[4]。由于X染色體失活后的獲得性偏斜，女性XLSA患者發生嚴重貧血的年齡較晚，而去甲基化藥物——阿扎胞苷通過重新激活沉默的野生型ALAS2等位基因可改善女性XLSA的疾病表型，因此，阿扎胞苷(AZA)可嘗試治療維生素B6無效的女性XLSA患者[5]。目前，亦有體外研究報道，CRISPR/Cas9基因編輯技術可糾正ALAS2突變基因，有望成為新的靶向基因修復技術從而治療本病[6]。

1.2 SLC25A38突變

CSA第二常見類型為SLC25A38突變引起的常染色體隱性遺傳，該基因位于3p22.1，編碼線粒體內膜的類紅細胞特異性蛋白。突變類型包括無義、移碼、剪接體和錯義突變[7]。目前，已報道了大約47個SLC25A38-CSA突變，大多系純合突變。通常在出生時或幼兒期已有嚴重的輸血依賴性小細胞低色素性貧血和鐵過載，盡管認為SLC25A38-CSA是一種非綜合征，但也有發育或智力障礙的相關報道[8]。治療方法包括定期輸血與去鐵治療，HSCT是目前唯一可治愈本病的方法[9]。由于該突變可引起甘氨酸轉運減低，在斑馬魚Slc25a38-CSA的模型中，甘氨酸和葉酸聯合給藥具有一定療效[10]，然而，在人類中未能得到證實。

1.3 STEAP3/TSAP6突變

STEAP3/TSAP6編碼有效轉鐵蛋白依賴性鐵攝取所需的鐵還原酶，從而將成熟紅細胞中的Fe3+還原為Fe2+。在TSAP6/Steap3敲除的小鼠模型中，由于鐵還原酶活性降低和紅系成熟異常，其貧血與缺鐵相關，而與珠蛋白合成缺陷無關[11]。報道的第一個人類STEAP3/TSAP6雜合突變(exon 3：c.300 C>A：p.Cys100Stop)為3例同胞兄妹，均表現為輸血依賴的低色素性貧血、骨髓鐵粒幼細胞和腺體功能障礙[12]，突變基因遺傳自父親。STEAP3/TSAP6是一個表達的數量性狀基因座(e-QTL)，“正常”等位基因在父親中的表達水平明顯高于受影響的子女[12]。由于遺傳自父親的突變等位基因和遺傳自母親的弱表達等位基因相結合，STEAP3/TSAP6突變導致子女嚴重貧血。LIU等[13]研究發現，STEAP3中存在多個突變，在體外表現出鐵還原酶活性受損，但它們對紅細胞表型幾乎沒有影響。因此，對于無癥狀患者無須治療，有臨床表現患者或許可補鐵對癥，亦可嘗試CRISPR/Cas9基因編輯技術。

1.4 FECH突變

FECH是血紅素生物合成途徑最后一種限速酶，已報道了220多種FECH基因突變，包括錯義、無意、剪接和移碼突變。FECH功能減低或喪失導致原卟啉IX(PPIX)在紅細胞、皮膚、肝臟等器官中沉積，同時血紅素生成受阻導致貧血，稱為紅細胞生成性原卟啉癥(EPP)[14]。患者除表現為鐵粒幼細胞性貧血外，皮膚中沉積的原卟啉被藍光激發，引起單氧自由基反應可產生神經源性疼痛，原卟啉累及肝膽系統引起膽結石及膽汁淤積性肝損害[15]。目前主要是預防及對癥治療，補鐵治療可能改善X連鎖原卟啉癥(XLP)的肝損傷和光敏性；預防光照、增加膚色和增強對自由基的抗氧化防御，可將PPIX的致病作用降至最低；因長期缺乏光照，需適當補鈣或維生素D防止骨質疏松；對于肝損害患者，盡量減少其他肝功能損害的相關因素。在嚴重肝病患者中，肝移植后可序貫骨髓移植[16]。

2 Fe-S簇(ISC)生物合成缺陷

2.1 ABCB7突變與XLSA/A

伴共濟失調的X-連鎖鐵粒幼細胞性貧血(XLSA/A)是一種罕見的CSA，由ABCB7基因突變引起，編碼ISC組裝所需的線粒體ATP結合亞家族轉運蛋白(ABCB7)，突變導致ABCB7轉運功能減弱或喪失，使鐵滯留在線粒體中，從而形成鐵粒幼細胞。目前，已報道了6個家系XLSA/A，均為錯義突變，患者均為男性，且常在2歲內發病，常見癥狀包括運動發育遲緩，輕度鐵粒幼細胞性貧血、共濟失調、構音障礙、眼球震顫、斜視和早發性共濟失調。一些攜帶者(即女性雜合子)骨髓中有環形鐵粒幼細胞，但均無神經系統癥狀[17]。目前，這種疾病尚未報道全身鐵過載現象。研究發現ABCB7轉運體可增強FECH活性，通過與FECH和ABCB10的相互作用而參與血紅素合成[18]。由于細胞中ISC依賴的酶活性水平下降，導致ALAS2翻譯受損，同時導致細胞內各種代謝機制改變，如DNA修復、糖酵解、脂肪酸合成、嘌呤分解代謝和核糖體生物合成改變等，ABCB7基因不僅在骨髓中高度表達，而且在小腦中也高度表達，這可能被認為是ABCB7缺乏癥患者誘發共濟失調的原因[17]。患者基本無輸血依賴，而口服吡哆醇亦不能改善貧血，目前主要以對癥治療及康復訓練為主，尚無確切方案可治愈該病。

2.2 GLRX5突變

GLRX5基因位于14q32.13，編碼形成線粒體中的抗氧化蛋白GLRX5，該蛋白在ISC和輔酶A(CoA)生物合成中均必不可少[19]。GLRX5突變影響ISC的生成，隨之與鐵調節蛋白1(IRP1)結合減少，IRP1活性減弱，進一步影響與ALAS2 mRNA的5′端的鐵反應元件(IRE)的結合，并下調ALAS2 mRNA的轉錄水平，同時，ISC生物合成受損還會可逆地抑制FECH活性[20]，從而導致血紅素合成受損和細胞質鐵消耗受到抑制。至今，已發現10余種GLRX5突變，主要為錯義或無意義突變，主要為神經系統癥狀和代謝性相關疾病，并非有血液學表現。而與CSA相關的三個病例均出現貧血和鐵過載，而骨髓中環形鐵粒幼細胞比例相對較少(<40%)[20]。與GLRX5相關的ISC合成障礙相關的神經系統表型，多以對癥治療，如抗癲癇、康復訓練，其發病機制中可能存在潛在的替代途徑，需進一步研究來確定。同時，通過減少鐵依賴性有毒活性氧物質的形成，鐵螯合可以改善部分貧血。

2.3 HSPA9突變

HSPA9突變是ISC合成中最常見突變，位于5q31.1，已在11個家族中發現了該突變，包括移碼、缺失、錯義和無意義突變[21]。目前多認為該疾病是常染色體隱性遺傳，但也有些家族為假顯性遺傳。在其遺傳家族中，常有一個非編碼單核苷酸多態性 (SNP) (rs10117T) 的嚴重反式等位基因，導致HSPA9 mRNA表達下降。雖然有數據表明該變異是其致病因素，但少數患者具有更普遍的rs10117T等位基因反式的無效或嚴重錯義突變。表明T等位基因本身具有不確定性。可能受遺傳背景影響，也有可能是rs10117T與其他功能顯著的多態性變異處于連鎖不平衡。群體中出現的任何無效等位基因都有可能成為這種表達變異的反式，功能喪失后而出現鐵粒幼細胞表現[22]。由于這兩個基因在酵母中都是必需的，因此尚未描述具有純合無效等位基因的患者。先證者表現為全血細胞減少、慢性溶血性貧血[23]，大多數患者癥狀不重，多為對癥支持治療。

2.4 HSCB突變

HSCB基因位于22q12.1，其編碼的HSCB蛋白是一種與線粒體HSPA9蛋白、GLRX5蛋白一同作用促進ISC生物合成的線粒體分子伴侶蛋白。CRISPIN等[24]將HSCB確立為線粒體Fe-S相關的CSA基因，HSCB基因變異后降低HSCB的表達，從而引起ISC生物發生、細胞呼吸和紅細胞生成和分化障礙；尤其是對于斑馬魚HSCB變體胚胎和HSCB缺陷型小鼠的研究，更是突出體現了HSCB對紅細胞生成的關鍵作用，并且還可以誘導紅細胞中鐵離子的積累[25]。所報道的先證者，在10歲時發現貧血，17歲時出現輸血依賴，20歲時出現中度的粒細胞減少及血小板減少[24]，而在小鼠模型中，Hscb完全缺失導致骨髓衰竭，因此推測，HSCB不僅是紅細胞生成和血紅蛋白化所必需的，而且是造血普遍所需。

3 線粒體蛋白質合成異常

3.1 皮爾森(Pearson)骨髓-胰腺綜合征(PMPS)

PMPS是一種罕見綜合征，通常表現為大細胞性CSA，伴代謝性酸中毒、共濟失調、腎衰竭、發育遲緩和外/內分泌胰腺功能障礙，由mtDNA大規模缺失引起，最常見缺失長度為4 977 bp[26]，每個mtDNA缺失都將導致線粒體編碼亞基的缺失，從而導致血紅素合成缺陷、線粒體鐵積累和蛋白質合成受損，因此，PMPS不是單一蛋白質缺乏的結果，而是整體抑制線粒體蛋白質合成所致。目前，報道的最小發病者為胎兒，表現出線粒體疾病的產前特征：胎兒積水和羊水過少，宮內輸血可改善胎兒水腫[27]。PMPS預后極差，約75%的患者在5歲前死亡，且伴有頑固性代謝性酸中毒、肝腎功能衰竭和膿毒血癥，除了環形鐵粒幼細胞的出現，70%～90%病例的骨髓還具有早期類紅細胞和髓樣祖細胞空泡化特征[28]。此外，一些患者僅表現為血液學異常，甚至可表現為“純紅細胞再生障礙性貧血”。目前尚無治愈性治療手段，主要依靠對癥治療[26]，患兒需要輸血和補充碳酸氫鹽進行治療，對于因胰腺外分泌功能障礙導致吸收不良的患者，需要胰酶替代治療。

3.2 PUS1和YARS2引起的MLASA1和MLASA2

MLASA是一種主要影響骨骼肌和骨髓紅細胞譜系的疾病，其典型特征是肌無力、代謝性酸中毒和正常至大細胞性鐵粒幼細胞貧血的三聯征。主要由假尿苷合酶1(PUS1)和線粒體酪氨酰-tRNA合成酶(YARS2)基因突變引起，分別稱為MLASA1和MLASA2[29-30]。PUS1在tRNA的假尿苷修飾中起作用并提高兩個隔室中蛋白質合成的效率，而假尿苷影響tRNA結構并增強堿基配對，因此，假尿苷修飾失敗可能導致異常翻譯。目前報道的PUS1突變已有16個家族，其中大多數是近親結婚，多為錯義等位基因突變，也報道了2對同胞中的純合無意義突變[29,31]，表明PUS1可能不是哺乳動物所必需。YARS2酶的氨基酰化活性降低導致線粒體蛋白質合成降低，從而導致線粒體呼吸鏈功能障礙。CARREO-GAGO等[30]報道的先證者攜帶YARS2變異體，最初根據其表現臨床診斷為PMPS，具有異常的良性病程，隨著二代測序的出現，最終被診斷為MLASA2。目前主要為對癥治療，先證者中，有用左旋肉堿和輔酶Q治療維持良好者，亦有對癥治療效果仍欠佳而死亡者。對于肌無力患者需規律鍛煉及補充蛋白質保持肌肉含量。

3.3 MT-ATP6突變與MLASA3

BURRAGE等[32]在2014年報道的病例中首次將MLASA表型與MT-ATP6(m.8969G>A:p.Ser148Asn)關聯，該患兒具有復雜多系統障礙，包括發育遲緩、線粒體肌病、代謝性酸中毒、鐵粒幼細胞貧血、聽力損失、癲癇、中風樣發作等。與線粒體基因組突變引起的其他疾病一樣，臨床表現可能受到其他變異的共同遺傳影響，包括核編碼線粒體蛋白中的變異。臨床表現可能受到其他變異的共同遺傳影響，包括核編碼線粒體蛋白中的變異。先證者對促紅細胞生成素和吡哆醇治療無反應，需長期輸血聯合鐵螯合治療，對于癥狀嚴重者，HSCT或許可改善癥狀[33]。由于骨髓和其他組織中不同程度的異質性，ATP6-SA是高度可變的，因此，目前將MT-ATP6突變引起的CSA分類在MLASA的范圍內仍有爭議。

3.4 LARS2突變與Perrault綜合征

LARS2位于3p21.3上，編碼線粒體亮氨酰-tRNA合成酶，該酶通過亮氨酸與其同源tRNA連接來進行線粒體的tRNA修飾，以支持線粒體蛋白質合成。迄今為止，已經報道了與Perrault綜合征相關的19種LARS2突變，潛在分子機制可能是該突變導致復雜的I蛋白水平降低，其臨床表現具有多樣性，多表現為卵巢早衰和感音神經性耳聾[34]；有報道純合突變(p.Thr522Asn)及復合雜合突變(p.Thr629Met和c.1077delT)表現為鐵粒幼細胞貧血；也有些雜合突變表現出積液、乳酸性酸中毒和多器官衰竭[35]。對聽力下降的兒童進行遺傳篩查可以及早識別Perrault綜合征，同時需定期進行內分泌監測和管理，防止繼發的并發癥。

3.5 TRNT1突變與周期性發燒和發育遲緩(SIFD)綜合征

TRNT1位于3p26.1，類似于線粒體核糖體RNA代謝中涉及的基因突變，TRNT1突變后導致線粒體蛋白質合成減少，從而導致紅細胞中線粒體呼吸鏈功能異常。TRNT1缺陷引起SIFD綜合征，是一種常染色體隱性遺傳病，2013年首次報道[36]，表現為鐵粒幼細胞貧血、B細胞免疫缺陷、周期性發熱和發育遲緩，其他臨床特征包括中樞神經系統異常、腎功能不全、心肌病、色素性視網膜炎和感音神經性聽力障礙。大多數在嬰兒期發病，也有宮內和兒童期發病的報道。疾病嚴重程度與變異位點和對蛋白質功能的影響有關。TRNT1缺乏影響細胞質蛋白合成和線粒體翻譯，而珠蛋白數量異常導致小細胞增多，因此，該疾病具有顯著的小細胞性貧血。然而，也有一些患者只有單獨的貧血或免疫缺陷的體征和癥狀[37]。SIFD發病和死亡的主要原因為感染引起的多器官衰竭，腫瘤壞死因子α(TNF-α)抑制劑或許可以緩解相關并發癥[38]。對于SIFD早發且癥狀較重的患兒，規律輸血后可采用鐵螯合治療鐵負荷，也可用免疫球蛋白或類固醇增強免疫力，但病死率仍居高不下，中位生存期為48個月。據報道1例 9 個月大的 SIFD 患兒接受HSCT后血液學和免疫學指標完全恢復[36]。因此，HSCT可能幫助恢復正常的免疫功能并產生紅細胞。

3.6 SLC19A2突變與硫胺素反應性巨幼細胞性貧血(TRMA)

溶質載體家族19成員2(SLC19A2)基因位于1q23.3，編碼硫胺素轉運蛋白SLC19A2。盡管尚不清楚SLC19A2突變如何導致鐵粒幼細胞形成，但硫胺素依賴性琥珀酸CoA的生成和核糖合成是環鐵粒幼細胞形成的原因。硫胺素是核糖合成的必需輔因子，而核糖對于蛋白質合成是必不可少的。此外，另外3種線粒體硫胺素依賴性酶：α-酮戊二酸脫氫酶(KGDH)、丙酮酸脫氫酶(PDH)和支鏈α-酮酸脫氫酶(BCKDC)，均需要硫胺素作為輔助因子，進一步將硫胺素代謝與 CSA 中的已知發病機制聯系起來[39]。TRMA是一種罕見的體細胞隱性遺傳性疾病，發病率極低，典型三聯征包括糖尿病、感音性耳聾和巨幼紅細胞性貧血[40]。但在不同情況下臨床表現可能有所不同，例如，有些病例無糖尿病表現，而另一些病例則表現出反復的精神癥狀或心臟異常[41]。外源性補充硫胺素(維生素B1)可治療本病，同時部分患者需胰島素控制血糖。

3.7 NDUFB11突變

有兩項研究報道了因X連鎖基因NDUFB11(泛醌氧化還原酶亞基B11)發生突變引起CSA，該基因編碼線粒體復合物Ⅰ的非催化亞基。這兩項研究均報道了NDUFB11的最常見突變：單個酪氨酸缺失(c.276_278del，p.F93del)，表現為鐵粒幼細胞貧血和多種癥狀，包括代謝性酸中毒[42]。然而，據報道，除p.F93del以外的NDUFB11突變并不伴有貧血，多數與組織細胞樣心肌病有關，其他表現包括線性皮膚缺損、神經系統癥狀、發育遲緩等[43]，且患有鐵粒幼貧血者多為男性。使用CRISPR/Cas9基因編輯技術將p.F93del重組人K562紅白血病細胞會導致增殖缺陷，同時，部分敲低斑馬魚ndufb11導致紅細胞數量和血紅蛋白減少，表明NDUFB11在紅細胞遺傳發育中具有保守作用[43]。目前，p.F93del突變誘導鐵粒幼細胞貧血的分子機制仍需進一步研究。

4 總 結

盡管CSA是一類罕見血液病，但隨著二代測序的出現，檢測突變基因有助于對CSA進行病例分類。同時，隨著遺傳學的深入研究，為這些疾病的治療提供了理論基礎。雖然對血紅素生成過程有一定了解，但目前仍不清楚這些突變基因是如何導致紅細胞的功能障礙。也許，根據細胞實驗或動物模型分析它們的功能，可以更好地了解線粒體鐵和血紅素的代謝。同時，了解這些疾病異質性的分子機制對于開發更有效的診斷方法和發現新的治療靶點亦至關重要。