董珍，徐俊

丙氨酰-tRNA合成酶2 (AARS2)基因?yàn)榫€粒體核DNA，定位于6p21.1，共包含22個外顯子，其負(fù)責(zé)編碼具有985個氨基酸的線粒體丙氨酰tRNA 合成酶(mtAlaRS)，催化線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)和丙氨酸之間的氨?；磻?yīng)[1]。雖然AARS2基因突變是較為罕見的線粒體病，但目前國外已有較多關(guān)于AARS2基因突變相關(guān)疾病的病例報道和研究。本文就AARS2基因的生物學(xué)特征、檢測方法、其基因突變導(dǎo)致不同表型疾病的研究現(xiàn)狀及成人發(fā)病的白質(zhì)腦病合并軸索球樣變和色素膠質(zhì)細(xì)胞(ALSP)與AARS2相關(guān)的白質(zhì)腦病的鑒別作一綜述，希望提高臨床醫(yī)生對該線粒體病的認(rèn)識。

1 線粒體AARS2基因的生物學(xué)特征

線粒體疾病通常是由氧化磷酸化系統(tǒng)的功能障礙引起，其導(dǎo)致細(xì)胞能量缺乏。線粒體病可以影響很多器官，特別是那些能量需求高的器官，包括神經(jīng)系統(tǒng)、骨骼肌、心肌、腎臟、肝臟和內(nèi)分泌系統(tǒng)。這組疾病具有遺傳異質(zhì)性，因?yàn)橐恍┚€粒體蛋白質(zhì)由線粒體DNA(mtDNA)編碼，而其余的是由核基因組(nDNA)轉(zhuǎn)錄的信使RNA (mRNA)所翻譯[2]。線粒體病根據(jù)突變基因?yàn)閙tDNA或核DNA的不同，遺傳方式也有差異。若因線粒體DNA突變，則為母系遺傳，若為線粒體核DNA突變，則遵循孟德爾遺傳，包括常染色體隱性遺傳、常染色體顯性遺傳和 X-連鎖遺傳。線粒體氨酰tRNA合成酶就是這樣一類核基因家族，在細(xì)胞質(zhì)中合成，然后導(dǎo)入線粒體。線粒體蛋白質(zhì)合成的準(zhǔn)確性依賴于核DNA編碼的線粒體氨酰tRNA合成酶(mtARS)和線粒體DNA編碼的tRNA的協(xié)同作用[3]。線粒體有相對獨(dú)立的蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng)，翻譯所需要的核糖體RNA(rRNA)和轉(zhuǎn)運(yùn)tRNA均由自身提供，但所需的大多數(shù)蛋白質(zhì)如核糖體蛋白、氨酰tRNA合成酶(ARS)、翻譯因子等則由核DNA編碼后轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體內(nèi)。其中ARS在蛋白質(zhì)合成中發(fā)揮重要的作用，負(fù)責(zé)將tRNA與特定的氨基酸結(jié)合，形成氨基酰-tRNA，再通過氨基酰-tRNA與mRNA配對結(jié)合，最終完成氨基酸間的正確連接，為蛋白質(zhì)的合成奠定基礎(chǔ)[4]。目前有37種ARS由核基因所編碼：17種編碼后在細(xì)胞質(zhì)中起作用的酶，17種編碼后在線粒體中起作用的酶，3種編碼后在細(xì)胞質(zhì)和線粒體中都起作用的酶。所有17種編碼線粒體ARS的雙等位基因突變都與人類的隱性表型疾病有關(guān)，并且這些突變經(jīng)常影響CNS?？梢曰贏RS在線粒體或細(xì)胞質(zhì)定位區(qū)分兩組ARS，按照標(biāo)準(zhǔn)命名法，胞質(zhì)ARS由氨基酸首字母+ARS構(gòu)成，而線粒體ARS則會在胞質(zhì)ARS后面附屬一個“2”。故本文涉及的AARS2基因?yàn)榫€粒體核DNA，定位于6p21.1，共包含22個外顯子，其負(fù)責(zé)編碼具有985個氨基酸的mtAlaRS。mtAlaRS與其他的mtARS不同，除了有氨?；瘏^(qū)域外，還有一個編輯校正區(qū)域負(fù)責(zé)水解錯誤連接的tRNA與氨基酸，另外還有一個C-末端，負(fù)責(zé)提高tRNA與氨基酸結(jié)合及氨?；乃俾?，各亞區(qū)共同作用，從而保證線粒體蛋白合成的高效及精確性[1]。

2 AARS2基因突變檢測方法

2.1 Sanger測序 又稱為一代測序，其利用了雙脫氧核苷酸會終止PCR的原理。此測序方法一直是孟德爾疾病分子診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，目前仍然是臨床基因檢測的首選測試[5]。然而，由于Sanger測序一次只能分析一個DNA片段，費(fèi)力且耗時，所以目前被廣泛應(yīng)用在單序列測序上，其目的是確認(rèn)疑似診斷及更準(zhǔn)確的遺傳咨詢。

2.2 新一代測序(NGS) 常包括以下幾種形式：包含若干目標(biāo)基因的基因組合檢測(Panel)，全外顯子組測序(WES)和全基因組測序(WGS)[6]。

2.2.1 Panel： 檢測區(qū)域包括目標(biāo)基因外顯子及其側(cè)翼序列(通常20 bp)。當(dāng)患者表型明確，臨床診斷高度懷疑是某種或某些疾病時，常采用此種方法。但臨床診斷不明確時，檢出率可能比WES/WGS低。

2.2.2 WES：檢測區(qū)域包括所有已知蛋白編碼基因(約22 000個)外顯子及其側(cè)翼序列(通常20 bp)。當(dāng)panel檢測陰性，或是臨床表型復(fù)雜、診斷不明時，可考慮進(jìn)行WES檢測。值得一提的是，若能夠獲得表型明確的父母樣本進(jìn)行核心家系測序，可能會進(jìn)一步提高診斷率。近幾年的研究表明WES的臨床診斷率為17.5%～30.7%，這些研究為全外顯子測序應(yīng)用到罕見病的臨床診斷提供了強(qiáng)有力的證據(jù)[7-10]。

2.2.3 WGS：檢測區(qū)域包括所有基因外顯子、內(nèi)含子、調(diào)控區(qū)等全部序列，當(dāng)Panel檢測陰性或臨床表型復(fù)雜、診斷不明時，也可考慮行WGS檢測。但其測序范圍廣、數(shù)據(jù)多、分析困難、專業(yè)性強(qiáng)、費(fèi)用昂貴，難以大規(guī)模應(yīng)用于臨床中[11]。

雖然外顯子只占基因組的1%，但人類基因組的蛋白編碼區(qū)大約包含85%的致病突變，測序深度更高，數(shù)據(jù)更有效，變異檢測更準(zhǔn)確[8]。因此，WES正迅速成為一種高效的對個體罕見遺傳性疾病進(jìn)行分子診斷測試的工具，特別是對于同時表現(xiàn)兩種不同疾病表型的患者及非特異性或異質(zhì)性表型的疾病而言[12]。

3 AARS2基因突變導(dǎo)致不同表型疾病的研究現(xiàn)狀

AARS2基因突變影響線粒體內(nèi)蛋白質(zhì)合成，氧化磷酸化(OXPHOS)系統(tǒng)缺陷，進(jìn)而引起多系統(tǒng)功能障礙[13]。至目前為止，研究發(fā)現(xiàn)了AARS2基因突變已導(dǎo)致多種不同表型的疾病，其中以兩種主要不同的表型疾病為主。

3.1AARS2相關(guān)的致命性早發(fā)型心肌病 2011年常染色體隱性遺傳的AARS2基因突變首先在患有致命性早發(fā)型心肌病和多種氧化磷酸化缺陷的患者中被描述，此為AARS2基因突變和人類疾病相關(guān)的第一個報道。G?tz 等[1]通過外顯子測序證實(shí)了AARS2基因突變可導(dǎo)致嚴(yán)重的嬰兒期肥厚性心肌病，這些患兒幾乎全部合并線粒體氧化呼吸鏈缺陷的心肌病。隨后國外相繼報道了該表型的其他患者[3, 14-17]。上述所有患者的基因檢測分析中均包含純合或復(fù)合雜合c.1774C>T(p.Arg592Trp)錯義突變，并且認(rèn)為該突變是由具有致命性早發(fā)型心肌病表型的每個患者均攜帶的突變[16]，此位點(diǎn)突變位于保守的編輯結(jié)構(gòu)域，功能異常后導(dǎo)致錯誤連接的tRNA與氨基酸不能及時水解，使氨?；某潭蕊@著降低[3]。但2019年Sommerville等[18]報道了2例致命性早發(fā)型心肌病、乳酸性酸中毒和呼吸衰竭的患兒，伴有嚴(yán)重的多種氧化磷酸化缺陷，但通過新一代測序均未發(fā)現(xiàn)c.1774C>T(p.Arg592Trp)突變，反而這2例患者都攜帶了一種新的c.1738C>T(p.Arg580Trp)錯義復(fù)合雜合突變，而c.1774C>T(p.Arg592Trp)和c.1738C>T(p.Arg580Trp)突變均位于mtAlaRS編輯結(jié)構(gòu)域的β-桶形結(jié)構(gòu)域。該研究團(tuán)隊(duì)通過分子研究、計算機(jī)模擬和體外測定驗(yàn)證了這種共有的新型mtAlaRS編輯結(jié)構(gòu)域突變的致病性，所得數(shù)據(jù)支持β-桶形結(jié)構(gòu)域突變[c.1774C>T(p.Arg592Trp)和c.1738C>T(p.Arg580Trp)]與AARS2相關(guān)的致命性心肌病的基因型-表型相關(guān)性。

迄今為止，國外已報道了16例患有常染色體隱性遺傳性AARS2基因突變相關(guān)的致命性早發(fā)型心肌病的患者[1, 3, 15-18]以及1例在子宮內(nèi)死亡的患有肌病、肌張力減退和多發(fā)性骨折的患者[14]，而國內(nèi)目前尚未有相關(guān)的報道。以上所有患者，在出生前1周或出生后不到1年的時間內(nèi)便出現(xiàn)致命的心肌病。

3.2AARS2相關(guān)的遲發(fā)性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良 2014年Dallabona等[13]提出了6例由AARS2突變引起的新表型，以腦白質(zhì)營養(yǎng)不良為特征，且在女性患者中都存在卵巢功能衰竭，所有患者均沒有心肌病表現(xiàn)。6例患者起病年齡不同，但病程普遍較長，均有不同程度的神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙，包括不對稱性、進(jìn)展性痙攣癱瘓，小腦性共濟(jì)失調(diào)，認(rèn)知功能進(jìn)行性下降，癲癇，行為不振和其他行為改變，以及抑郁癥和其他精神病學(xué)特征等。MRI提示廣泛腦白質(zhì)營養(yǎng)不良，呈進(jìn)行性加重，累及左右大腦半球，可橫跨胼胝體，有胼胝體變薄，小腦萎縮。比較臨床和MRI結(jié)果，表明患者的臨床癥狀取決于受影響的部位。P2，P4和P6有明顯的運(yùn)動功能障礙跡象，MRI提示累及錐體束。P3和P5主要表現(xiàn)為行為和認(rèn)知功能障礙，病變主要累及額葉。這6例患者中只有P2為男性，其他 5例女性都存在卵巢功能衰竭。而這6例患者的基因突變位點(diǎn)并不完全相同(見表1)，提示AARS2基因不同的位點(diǎn)突變或者不同的復(fù)合雜合突變可導(dǎo)致相似的臨床表型，即同一基因突變臨床表型具有一定的同質(zhì)性。

2016年Hamatani 等[19]首次報道了 1 例亞洲AARS2突變引起的腦白質(zhì)營養(yǎng)不良，通過WES方法，確定了由c.1145C>A和c.2255 + 1G>A組成的復(fù)合雜合突變,而上述6例患者均未涉及這兩個位點(diǎn)的突變(詳見表1)，從而進(jìn)一步證明了同一基因不同的復(fù)合雜合突變，可以產(chǎn)生一定的臨床表型同質(zhì)性[13]。迄今為止，國內(nèi)外總共報道了24例該表型的患者(詳見表1)，國外18例[2, 13, 19-22]以及我國6例[23-28]。AARS2基因突變的平均年齡為26歲，所有患者一旦發(fā)病，病情即呈現(xiàn)快速惡化的趨勢，其中認(rèn)知功能障礙和運(yùn)動功能障礙是該病最常見的癥狀，且?guī)缀跛械呐远加新殉补δ芩ソ撸薙un等[25]和Wang等[26]報道的2例中國女性患者未表現(xiàn)出卵巢功能衰竭。所以長期隨訪是很必要的，以確定卵巢功能衰竭是否最終發(fā)生。AARS2相關(guān)的遲發(fā)性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良在影像上顯示出以額頂葉為主的，略微不對稱，融合的 T2WI高信號，T1WI低信號的側(cè)腦室周圍白質(zhì)信號異常，DWI示異常白質(zhì)中存在受限擴(kuò)散區(qū)域，ADC示相應(yīng)區(qū)域低信號，伴有皮質(zhì)下U型纖維保留，可累及錐體束及胼胝體(特別是胼胝體壓部)，可有輕度的腦萎縮[27]。迄今為止，c.595C>T(p.Arg199Cys)是AARS2相關(guān)的遲發(fā)性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良患者所最常見的突變位點(diǎn)。

表1 AARS2相關(guān)的遲發(fā)性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良的不同復(fù)合雜合突變病例序號性別發(fā)病年齡首先出現(xiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)癥狀小腦癥狀認(rèn)知障礙精神癥狀錐體束征卵巢衰竭肌張力障礙癲癇AARS2基因突變位點(diǎn)氨基酸改變P1[13]女3平衡受損+++-+--c.149T>G;c.1561C>Tp.Phe50Cys; p.Arg521*P2[13]男7學(xué)習(xí)障礙(尤指智障者與正常同齡人相比的學(xué)習(xí)困難)++-+男性+-c.2893G>A; c.1213G>Ap.Gly965Arg; p.Glu405LysP3[13]女33抑郁和認(rèn)知減退+++++-+c.1609C>T & c.2350del;c.595C>T & c.2188G>Ap.Gln537 & p.Glu784Serfs*9; p.Arg199Cys &p.Val730MetP4[13]女24震顫++++++-c.230C>T;c.595C>T &c.2188G>Ap.Ala77Val; p.Arg199Cys &p.Val730MetP5[13]女40抑郁和認(rèn)知減退-++-+--c.595C>T&c.2188G>A;c.390_392delp.Arg199Cys & p.Val730Met; p.Phe131delP6[13]女22痙攣性下肢癱瘓和抑郁+-+++--c.595C>T &c.2188G>A;c.2611dupp.Arg199Cys & p.Val730Met;p.Thr871Asnfs*21P7[19]女31認(rèn)知減退和異常行為-++++--c.1145C>A;c.2255+1G>A*p.Thr382LysP8[2]男18精神癥狀++++男性--c.578T>G;c.595C>Tp.Leu193*; p.Arg199CysP9[20]女40焦慮和認(rèn)知減退-++++--c.1041-1G>A*;c.595C>Tp. Arg199CysP10[20]男>30認(rèn)知減退-+++男性--c.1188G>A*;c.1709delGp. Gly570Afs*21P11[20]男>20快速運(yùn)動能力下降++++男性--c.1188G>A*;c.1709delGp. Gly570Afs*21P12[20]男15認(rèn)知減退和精神癥狀++++男性+-c.892-894del;c.2234_2235 delp.298_298delGln; p.Ser745Cysfs*60P13[20]男>40右上肢肌張力障礙和構(gòu)音障礙-+++男性+-c.595C>T(純合子)p. Arg199CysP14[21]女33卵巢衰竭和認(rèn)知減退-+-++--c.963C>A;c.452T>Cp.Tyr321*;p.Met151ThrP15[21]男35肌張力障礙++-+男性+-c.963C>A;c.452T>CTyr321*; p.Met151ThrP16[22]女44步態(tài)共濟(jì)失調(diào)和認(rèn)知減退++-++--c.595C>T;c.390_392delp.Arg199Cys;p.Phe131delP17[22]女32認(rèn)知減退-+--+--c.595C>T;c.236T>Ap.Arg199Cys; p.Met79LysP18[22]女23共濟(jì)失調(diào)和痙攣步態(tài)+--++--c.595C>T;c.2611_2612 insAp.Arg199Cys;p.Thr871AsnfsP19[23]女28認(rèn)知減退-+-+++-c.2557C>T;c.595C>Tp.R853W;p.R199CP20[24]男27走路不穩(wěn)、肢體抖動++-+男性+-c.1871G>A;c.452T>Cp.W624*;p.M151TP21[25]女26痙攣性共濟(jì)失調(diào)步態(tài)和認(rèn)知減退++-+-+-c.452T>C;c.1871G>Ap.M151T;p.W624XP22[26]女32右上肢肌張力障礙-+++-+-c.1691T>C;c.179C>A p.F564S;p.P60HP23[27]男29右下肢運(yùn)動功能障礙++-+男性+-c.179C>A; c.1703_1704delp.Arg199Cys; p.Val730MetP24[28]男17肢體震顫++++男性--c.2265dupA; c.650C>Tp.Arg756fs; p.Pro217Leu

4 AARS2相關(guān)的ALSP的鑒別

ALSP是由集落刺激因子1受體(CSF1R)基因中的常染色體顯性突變引起的最常見的成人發(fā)病性白質(zhì)腦病。ALSP以前被稱為遺傳性彌漫性腦白質(zhì)病伴軸索球樣變(HDLS)或色素型正染性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良(POLD)，基于HDLS和POLD具有相似的臨床及病理特點(diǎn)，且這兩種疾病均由CSF1R基因中的常染色體顯性突變所致，因此將這兩種疾病視為同一種疾病譜，即ALSP[29]。

ALSP和AARS2相關(guān)的遲發(fā)性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良最常見的癥狀均為認(rèn)知功能障礙和運(yùn)動功能障礙，且二者一旦發(fā)病，病情呈快速惡化，影像學(xué)上均可表現(xiàn)以額頂葉為主的側(cè)腦室周圍白質(zhì)信號異常。不同的是，ALSP起病相對較晚，平均發(fā)病年齡為42歲，胼胝體變薄和腦白質(zhì)鈣化是其特征性影像學(xué)表現(xiàn)[30]，此外，患有AARS2相關(guān)的遲發(fā)性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良的女性常表現(xiàn)為卵巢功能衰竭，這一特征在ALSP中未見，可用于鑒別。

5 結(jié)語與診療展望

迄今為止，國內(nèi)外已報道的常染色體隱性遺傳性AARS2基因突變可表現(xiàn)為兩種主要不同的表型，即早發(fā)型致命性心肌病，遲發(fā)性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良和女性的卵巢功能衰竭。近兩年由于新一代測序技術(shù)的高速發(fā)展，極大地擴(kuò)展了了AARS2基因突變的表型譜，包括具有其他臨床特征或缺乏先前認(rèn)為突出特征的患者。2017年Bruwer等[31]報道了5例通過全外顯子組測序由AARS2基因中的c.2027A>C (p.Gln676Pro) 純合突變引起的致命的非免疫性胎兒水腫。2018年P(guān)eragallo等[32]報道了1例因視神經(jīng)萎縮而視力下降的韓國男孩，該報告中描述了患者具有視神經(jīng)萎縮、視網(wǎng)膜病變、白質(zhì)腦病和脫髓鞘性多發(fā)性神經(jīng)病，全外顯子組測序揭示了AARS2基因中的兩個錯義突變[c.1519G>C (p.V507L)和c.2165G>A (p.R722Q)]。2019年， Kiraly-Borri等[33]報道了一對新生的親姐弟，均出生后不到2 h死于原發(fā)性肺發(fā)育不全而沒有心肌病的證據(jù)，通過全外顯子組測序證實(shí)了AARS2突變[c.1774C>T(p.Arg592Trp)和c.647 dupG(p.Cys218Leufs*6)]，這些突變位點(diǎn)與之前報道的致命性早發(fā)型心肌病有關(guān)。這表明，盡管特定基因位點(diǎn)的突變可能在很大程度上決定表型，如早發(fā)性或晚發(fā)性疾病，但可能還有其他修飾基因、表觀遺傳因素或環(huán)境修飾劑進(jìn)一步確定確切的臨床表現(xiàn)[34]，但這些都還待于進(jìn)一步研究與發(fā)現(xiàn)。

目前，了AARS2基因突變相關(guān)的疾病尚無切實(shí)有效的治療方法，還有待于深入研究。在那之前更重要的還在于預(yù)防，通過孕前檢查和產(chǎn)前診斷，可以確定是否存在致病基因突變，以避免缺陷患兒出生，改變未來的疾病風(fēng)險。相信在不久的將來，越來越多的線粒體病得到診斷，該疾病的治療難題亦將會被攻克。