吴雅俊，胡裕翔，彭小蓼，吴晓蓉

(南昌大学第一附属医院，南昌330006)

·综述·

线粒体DNA及其基因突变与Leber遗传性视神经病关系的研究进展

吴雅俊，胡裕翔，彭小蓼，吴晓蓉

(南昌大学第一附属医院，南昌330006)

线粒体的主要功能是通过氧化磷酸化产生ATP，为生物体提供约95%的能量，线粒体内含少量遗传物质，即线粒体DNA(mtDNA)，受精时随母亲的细胞质进入受精卵，发挥遗传特性。mtDNA基因突变可改变呼吸链复合体的功能，直接影响电子传递过程或脱氧核苷(ADP)磷酸化，使ATP生成减少，能量代谢紊乱，引起耗能多的组织器官如大脑、心脏、脊髓、眼等受累，从而产生一系列症状。Leber遗传性视神经病为细胞质母系遗传病，其发生与mtDNA某些基因位点的突变有关，突变位点不固定，包括11778、3460、14484三个主要原发突变位点和其他继发突变位点，患者通常仅有一个mtDNA位点的突变，也可同时合并多个位点的突变。

Leber遗传性视神经病；线粒体DNA；基因突变；原发突变；继发突变

Leber遗传性视神经病又名LHON或家族性视神经病，是青壮年致盲的主要疾病之一，15～35岁人群高发，平均发病年龄24岁，男性发病率高于女性，通常有家族遗传史[1,2]。LHON是一种主要累及视盘及视盘黄斑纤维的视神经退行性病变，临床主要表现为急性或亚急性无痛性视力下降，双眼同时或先后发生，常伴色觉障碍、中心视野缺损及视神经萎缩，可引起多系统并发症[3,4]。LHON发病机制复杂，除遗传因素外，环境因素、糖尿病、吸烟饮酒等均为发病诱因[5]。Wallace等[2]研究发现，LHON患者线粒体DNA(mtDNA)的11 778位点发生突变，鸟苷酸(G)被腺嘌呤(A)替代，呼吸链上还原型辅酶Ⅰ(NADHⅠ)亚单位4(ND4)基因编码的精氨酸变成了组氨酸，首次证实LHON的发生与mtDNA基因位点突变有关，为遗传性疾病。通常LHON患者仅有一个mtDNA基因位点突变，少数合并两个mtDNA基因位点突变。本文就mtDNA及其基因突变与LHON的关系作一综述。

1 mtDNA概述

线粒体是一种细胞器，存在于大部分真核生物细胞内，主要功能是通过氧化磷酸化产生ATP，为生物体提供约95%的能量[6]。线粒体也具有遗传特性，内含少量遗传物质，即mtDNA，受精时随母亲的细胞质进入受精卵，发挥遗传特性。人类mtDNA全长16 596 bp，属于细胞质DNA，有37个编码基因，参与表达呼吸链复合体的13个亚基(复合体Ⅰ中的7个亚基、复合体Ⅲ中的1个亚基、复合体Ⅳ中的3个亚基和ATP合酶的2个亚基)、线粒体内的22个转运RNA(tRNA)和2个核糖体RNA(rRNA)[7]。mtDNA基因突变可改变呼吸链复合体的功能，直接影响电子传递过程或脱氧核苷(ADP)磷酸化，使ATP生成减少，能量代谢紊乱，引起耗能多的组织器官如大脑、心脏、脊髓、眼等受累，从而产生一系列症状。由于mtDNA呈裸露的环形双螺旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤修复系统，易受损突变，其突变率远高于细胞核DNA。mtDNA仅存在于细胞质中，精子在受精过程中细胞质不能进入受精卵，故LHON男性患者的变异遗传物质无法传递给下一代，其子女均不发病，而LHON女性患者的子女均可发病，遂表现为母系遗传病。因此在运用基因检测如聚合酶链式反应(PCR)技术测定LHON患者的mtDNA序列时，最好同时提取该患者家族中母系成员的mtDNA序列以进一步明确诊断。

2 mtDNA基因位点突变与LHON的关系

2.1 mtDNA基因原发突变位点与LHON的关系 约95%的LHON患者与mtDNA的三个原发突变位点突变有关，即11778、3460、14484。11778位点突变最常见，14484位点突变次之，研究表明，mtDNA基因位点11778、3460、14484突变会影响LHON患者的预后，但不影响其临床表现[8]。4%的11778位点突变LHON患者可恢复部分视力，37%～58%的14484位点突变患者可恢复部分视力，3460位点突变患者的视力恢复情况介于两者之间。研究表明，相比于14484位点突变的LHON患者，11778位点突变患者发病早期视神经纤维层(RNFL)水肿更严重，晚期RNFL萎缩更严重，提示预后更差[9]。除了上述三个主要原发突变位点外，新的突变位点不断被更新报道，至今已发现有几十个mtDNA基因位点突变与LHON发病有关[10]。

2.2 mtDNA基因继发位点突变与LHON的关系 某些mtDNA基因突变位点可协助原发位点突变导致LHON发生，这些位点为继发突变位点，也有患者仅发生继发位点突变。现阶段研究较多的、与LHON发病有关的mtDNA继发位点基因主要为3472、3866。mtDNA基因3472位点突变时核苷酸碱基T被C替换，NADHⅠ第56位置上的苯丙氨酸被亮氨酸取代；此改变导致线粒体内膜上的跨膜电位降低，ADP与磷酸(Pi)结合形成ATP的过程受到影响，导致细胞能量不足，并过度产生活性氧，细胞呼吸功能障碍，进而损伤视网膜神经节细胞及轴突细胞，引起视功能障碍。有研究采集仅有3472位点突变的LHON患者及其亲属的皮肤成纤维细胞、血小板进行培养及氧消耗速率检测，结果提示其成纤维细胞氧耗速率明显低于正常人，证实mtDNA基因3472位点突变为LHON的致病原因[11]。mtDNA基因3866位点负责编码ND1亚基，该位点突变可引起核苷酸碱基从T突变为C，导致异亮氨酸被苏氨酸替代，引起呼吸酶活性降低，从而影响有氧代谢。国内一项关于LHON合并四肢畸形跛行的研究显示，该家系5代共60人中有4人与先证者症状相同，1人仅四肢跛行，4人仅表现LHON眼部症状；对先证者行mtDNA测序发现其3866位点突变，证实3866为LHON的mtDNA突变位点[12]。

2.3 mtDNA基因原发位点合并继发位点突变与LHON的关系 LHON患者可发生mtDNA原发位点合并继发位点突变。国内一项研究显示，LHON先证者原发位点3460合并继发位点9804突变，该家系11人中仅1人有类似症状，表现为视力急剧下降，且 PCR测序显示二者均存在mtDNA基因3460、9804位点突变；mtDNA基因9804位点发生从G突变成A，影响电子呼吸链酶复合体Ⅳ(细胞色素C氧化酶)中的亚基(线粒体细胞色素C氧化酶亚基Ⅲ)，使呼吸酶生成缺陷，ATP合成异常，细胞氧供减少，从而引起视力急剧下降[13]。国内外仅报道了1例LHON患者存在mtDNA基因4924位点突变，该患者同时有原发位点11778突变，4924位点位于11778位点旁，基因突变使碱基由G变为A，患者除了双眼视力急剧下降外无其他不适，其余系统检查无明显异常，无吸烟、饮酒史；该报道认为，mtDNA 继发位点4924突变是LHON的致病因素[14]。为了了解合并位点突变对LHON的影响，研究者对同时具有继发位点4216/ND1、13708/ND5及原发位点11778突变的LHON患者进行大脑、骨骼肌的有氧代谢能量测定，结果显示患者与仅发生mtDAN基因11778位点突变者比较临床表现并无明显差异，这两个继发突变位点与11778位点关联时不会加重线粒体的氧化代谢[15]。亦有研究利用骨肉瘤来源的杂交细胞建立同时拥有3个LHON相关基因突变位点(原发位点11778、14484及继发位点11253)的mtDNA细胞模型，以及仅有单个原发突变位点(11778、14484)的mtDNA细胞模型，并将这两种细胞分别置于含有相同葡萄糖、半乳糖的培养基中；结果发现，两种细胞的氧耗速率基本相同，证明两种线粒体的功能没有明显差异[16]。以上研究均证实，mtDNA基因继发位点合并原发位点突变时对LHON的临床症状无明显影响，mtDNA基因突变位点之间对线粒体的功能、LHON进展并无协同作用。

有研究选择了34例无血缘关系的韩国LHON患者，对其外周血白细胞进行mtDNA基因全测序，结果发现21例仅发生原发位点突变，11例仅发生继发位点突变，2例同时发生原发和继发位点突变，证实mtDAN基因继发位点(11696、3394、14502)突变可能与LHON的发生有关；该研究发现，mtDNA基因原发位点与继发位点突变的患者RNFL厚度均降低，但患者之间并无明显差异，且mtDNA基因继发位点突变的女性患者较多，其视力、视野、中心视野损害程度均轻于原发位点突变患者[17]。国内研究显示，mtDNA基因继发位点突变的LHON女性患者居多，但其RNFL变薄、视神经萎缩情况更轻[18]。以上结论提示，对于RNFL变薄的LHON患者应同时考虑mtDNA基因原发及继发位点突变的可能；LHON女性患者多存在mtDNA基因继发位点突变，但其视力、色觉、视野的损害更小[19,20]。

综上所述，某些mtDNA基因位点突变可导致LHON的发生，3个主要的原发突变位点分别为11778、3460、14484；有关基因突变位点种类、突变数与临床表现无关，但可能会影响患者预后。家族遗传史、临床表现、眼部检查及mtDNA基因测序可确诊该病。LHON的惟一确诊依据为mtDNA全测序，该病以预防为主，目前没有特效的治疗手段，主要采取对症治疗：①一般支持疗法[21]：禁烟禁酒，远离放射性毒物，充足营养、睡眠等；②神经营养疗法：服用维生素B1、B2、B12、C等；③药物疗法：服用辅酶Q、EP1-743(INN)[22]、Raxone(欧盟委员会批准LHON专用药)[23]等；④干细胞疗法：使用间充质干细胞或自体骨髓间充质干细胞[24]种植入玻璃体内替换原神经节细胞、轴突细胞；⑤基因疗法[25]：视网膜下静脉注射含有ND4基因的重组腺相关病毒载体(rAAV2-ND4)等。

[1] 王英,童绎.胡世兴.Leber遗传性视神经病病理机制及治疗[J].国际遗传学杂志,2006,28(6):436-410.

[2] Wallace DC, Singh G, Lott MT. Mitochondrial DNA mutation associated with Leber＇s hereditary optic neuropathy[J]. Science, 1988,242(4884):1427-1430.

[3] 宫晓红,周剑,夏燕婷,等.童年期发病的Leber遗传性视神经病变临床研究[J].中国中医眼科杂志,2016,26(6):355-358.

[4] Finsterer J, Zarrouk-Mahjoub S. Leber＇s hereditary optic neuropathy is multiorgan not mono-organ[J]. Clin Ophthalmol, 2016(10):2187-2190.

[5] Shimada Y, Horiguchi M. Leber hereditary optic neuropathy associated with bilateral macular holes[J]. Neuroophthalmology, 2016,40(3):125-139.

[6] 陈星,沈永义,张亚平.线粒体DNA在分子进化研究中的应用[J].动物学研究,2016,33(6):567-572.

[7] Dan L,Yaodong H, Qing Z, et al. Mitochondrial DNA study in domestic chicken[J]. Mitochondrial DNA Part A, 2017,28(1):25-29.

[8] Guo DY, Wang XW, Hong NA. Meta-analysis of the association between different genotypes (G11778A, T14484C and G3460A) of Leber hereditary optic neuropathy and visual prognosis[J]. Int J Ophthalmol, 2016,9(10):1493-1498.

[9] JH S, Hwang JM, Park SS. Comparison of retinal never fibre layers between 11778 and 14484 mutations in Leber＇s hereditary optic neuropathy[J]. Eye, 2010,24(1):107-111.

[10] Chiang PW, Wang J, Chen Y, et al. Exome sequencing identifies NMNAT 1 mutations as a cause of Leber congenital amaurosis[J]. Nat Genet, 2012,44(9):972-974.

[11] S L, Zhang YM, Huang XX, et al. Complete mitochondrial DNA sequence analysis in two southern Chinese pedigrees with Leber hereditary optic neuropathy revealed secondary mutations along with the primary mutation[J]. Int J Ophthalmol, 2012,1(5):28-31.

[12] Sheremet NL, Nevinisyna TA, Zhorzholadze NV. Previous unclassified mutation of mtDNA 3472T>C: evidence of pathogenicity in Leber＇hereditary optic neuropathy[J]. Biochemistry (Mosc), 2016,81(7):748-754.

[13] 刘燕,庄淑流,童绎,等.线粒体ND1基因T3866C突变可能是Leber视神经病和四肢畸形跛行相关的突变[J].遗传,2010,32(2):141-147.

[14] Malhotra RM, Al Mejally MA, Abualela HM, et al. Leber＇s hereditary optic neuropathy: report of a simple case associated with a rare variant mutation[J]. Ann Indian Acad Neurol, 2017,20(1):78-80.

[15] Lodi R, Montagna P, Cortelli P. Secondary＇4216/ND1 and 13708/ND5 Leber＇s hereditary optic neuropathy mitochondrial DNA mutations do not further impair in vivo mitochondrial oxidative metabolism when associated with 11778/ND4 mitochondrial DNA mutation[J]. Brain, 2000,123(9):1896-1902.

[16] Cruz-Bermúdez A, Vicente-Blanco RJ, Hernández-Sierra R, et al. Functional characterization of three conomitant mtDNA LHON mutations shows no synergistic effect on mitochondrial activity[J]. PLoS One, 2016,11(1):1-19.

[17] Yum HR, Chae H, Shin SY. Pathogenic mitochondrial DNA mutations and associated clinical features in Korean patients with Leber＇s hereditary optic neuropathy[J]. Invest Ophthal Visual Sci, 2014,55(12):8095-8101.

[18] Shu L, Zhang YM, Huang XX, et al. Complet mitochondrial DNA sequence analysis in two southern Chinese pedigrees with Leber hereditary optic neuropathy revealed secondary mutations along with the primary mutation[J]. Int J Ophthalmol, 2012,5(1):28-31.

[19] Matthews L, Enzinger C, Fazekas F. MRI in Leber＇s hereditary optic neuropathy: the relationship to multiple sclerosis[J]. J Neurol Neurosurg Psychiatry, 2015,86(5):537-542.

[20] Lees F, Macdonald AM, Turner JW. Leber＇s disease with symptoms resembling disseminated sclerosis[J]. Neurol Neurosurg Psychiatry, 1964,27(27):415-421.

[21] Dimitriadis K, Leonhardt M, Yu-Wai-Man P, et al. Leber＇s hereditary optic neuropathy with late disease onset: clinical and molecular characteristics of 20 patients[J]. Orphan J Rare Dis, 2014,9(1):158.

[22] Karanjia R, Chahal J, Ammar M, et al. Treatment of Leber＇s hereditary optic neuropathy[J]. Curr Pharm Des, 2017,23(4):624-628.

[23] Metzl G, Hasham S, Catarino C. Treatment of visual impairment in patient＇s with Leber＇s hereditary optic neuropathy (LHON) using idebenone (raxone)[J]. Acta Ophthalmologica, 2016,94(256):124.

[24] Weiss JN, Levy S, Benes SC. Stem cell ophthalmology treatment study(SCOTS): bone marrow-derinved stem cells in the treatment of Leber＇s hereditary optic neuropathy[J]. Neural Regen Res, 2016,11(10):1685-1694.

[25] Yang S, Ma SQ, Wan X, et al. Long-term outcoms of gene therapy for the treatment of Leber＇s hereditary optic neuropathy[J]. E BioMedicine, 2016,10:258-268.

国家自然科学基金资助项目(81360151；81760179)；江西省自然科学基金面上项目(20171BAB205046)；江西省教育厅重点项目(GJJ160033)；江西省卫计委科技计划项目(20141031)。

吴晓蓉(E-mail： wxr98021@126.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.44.032

R774

A

1002-266X(2017)44-0098-03

2017-06-10)