citrin 缺陷病(NICCD或瓜氨酸血症II型)发病机制的研究进展

以下论文将于2010年5月国际儿科学杂志发表邢雅智 综述 邱文娟 审校(上海交通大学医学院附属新华医院,上海市儿科医学研究所,内分泌遗传代谢病研究室,上海 200092)[摘要] Citrin 缺乏症是由SLC25A13基因突变引起的一种常染色体隐性遗传性疾病。 Citrin作为

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以下论文将于2010年5月国际儿科学杂志发表

邢雅智 综述 邱文娟 审校

(上海交通大学医学院附属新华医院,上海市儿科医学研究所,内分泌遗传代谢病研究室,上海 200092)

[摘要] Citrin 缺乏症是由SLC25A13基因突变引起的一种常染色体隐性遗传性疾病。 Citrin作为一种线粒体内钙结合天冬氨酸/谷氨酸载体蛋白,在尿素合成以及NADH的转运中发挥重要作用。Citrin缺乏症包含成人发作Ⅱ型瓜氨酸血症(CTLN2)及Citrin缺乏所致新生儿肝内胆内淤积症(NICCD)两种不同临床表型,最初发现于日本,目前认为是一种多种族疾病。

[关键词] citrin 缺乏症; SLC25A13基因; CTLN2; NICCD; 发病机制

基金项目:上海市教委科研创新项目(09YZ99);上海交通大学校基金(2008XJ040);国家高技术发展计划(2007AA02Z447);十一五国家科技支撑计划课题(2006BAI05A05, 2006BAI05A07);上海市卫生局联合攻关重大研究项目(2008ZD001)

Citrin是一种线粒体内钙结合天冬氨酸/谷氨酸载体(Aspartate/ Glutamate Carrier, AGC)蛋白,在尿素循环及其他代谢过程中发挥重要作用。Citrin缺乏症包含成年发作Ⅱ型瓜氨酸血症(Adult Onset Type Ⅱ Citrullinemia , CTLN2)和Citrin缺乏所致新生儿肝内胆汁淤积症( Neonatal Intrahepatic Cholestasis caused by Citrin Deficiency, NICCD)两种不同表型,为常染色体隐性遗传。近年对Citrin缺乏症的临床表现、诊断方法、发病机制以及治疗等有诸多研究进展,本文将就其发病的病理生理学机制进展综述如下。

1. NICCD和CTLN2概述

NICCD 和CTLN2均由SLC25A13基因突变导致Citrin缺陷,但临床表现差异大,故分开概述。

1.1 CTLN2的定义及临床表现

1968年Miyakashi等报道CTLN2,该病发病较迟(11~79 岁),故称为成年发作瓜氨酸血症Ⅱ型[1]。临床主要有突发意识障碍、精神错乱等肝性脑病表现,实验室检查有肝功能损害及高氨血症,肝脏特异性精氨酸琥珀酸合成酶活性下降。发病前多有应激、感染、酒精或大量蛋白摄入等诱因,病情进展迅速,半数以上初次发作后存活不超过17个月,最终多死于脑水肿[2]。患者多有嗜食豆类、花生等,厌食碳水化合物的饮食倾向[3]。

1.2 NICCD的定义及临床表现

2001年Ohura等发现了伴有高氨血症及半乳糖血症的肝内胆汁淤积患儿存在SLC25A13基因的突变,故将本病定义为Citrin缺乏导致的新生儿肝内胆汁淤积症[4]。NICCD多于生后数月内发病,最常见表现为黄疸、血瓜氨酸升高以及脂肪肝,此外还有半乳糖血症、低蛋白血症、出血倾向、低血糖以及甲胎蛋白明显升高,可有瓜氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸等多种氨基酸升高 [5]。早期检测并发现瓜氨酸升高对确诊有重要意义,但并非所有NICCD患者均有瓜氨酸的升高。近来研究发现患儿有“Chubby Face”表现,面部丰满指数显著高于正常同龄儿,提示其面部特征也可作为参考诊断指标[7]。NICCD患儿症状多在1岁内消失,各项生化指标亦随之趋于正常,此时患者的确诊只能通过基因诊断或淋巴细胞及皮肤成纤维细胞的Citrin免疫杂交来明确。部分NICCD患儿仍留有易疲劳等非特异性症状,少数有胰腺炎、高脂血症和癫痫样发作,2岁起饮食有明显嗜食豆类、花生等,厌食甜食及谷类的饮食倾向,极少数需肝移植治疗。

1.3 NICCD与CTLN2的发病率及转归

Citrin缺乏症最初见于日本,近年来在中国、韩国、以色列、捷克、英国和美国等相继发现,不同地区发病率明显不同[8]。Kobayashi发现SLC25A13基因突变杂合子携带率在东亚各国分别为:日本1/69,中国1/79,韩国1/50,提示Citrin缺乏症在东亚广泛存在,其他地区发病率明显降低[3]。研究表明日本人群中NICCD发病率与计算的纯合子比率基本一致,为1/17,000-34,000,男女发病率无明显差异,而CTLN2发病率仅为1/100,000-230,000,男女发病率比为7:3[9]。

多数NICCD患儿通过代偿适应临床症状可自行缓解[10],但部分患者在十几年后失代偿发展为CTLN2,已有报道证实CTLN2患者婴儿期存在NICCD典型症状[11,12]。但CTLN2发病率明显低于SLC25A13基因突变纯合子比率,其原因部分可能与患者因肝肿瘤、胰腺炎或高脂血症等忽略了原发病的诊断,或被误诊为精神性疾病,也可能与NICCD患儿症状缓解后终生未再发病有关。但至今对Citrin缺乏症的转归以及哪些因素可使NICCD发展为CTLN2尚不明确。

2. Citrin及作用机制

2.1 SLC25A13基因及其突变

CTLN2 的致病基因SLC25A13是1999 年由Kobayashi等克隆,位于染色体7q21.3,含18个外显子,长约200kb, 编码一种线粒体内钙结合天冬氨酸/谷氨酸载体(Aspartate/ Glutamate Carrier, AGC)蛋白Citrin[13]。现已报道54种SLC25A13基因突变,包括13种无义,17种错义,5种插入,5种缺失,14种剪切突变 [14,15]。正常人群SLC25A13基因突变筛查结果显示851del4(20%)、S225X(25%)、IVS11+1G﹥A(45%)在日本人中常见,851del4(70%)、1638ins23(3%)和IVS6+5G﹥A(23%)在中国人中常见。其中,851del4、IVS16ins3kb几乎在所有东亚患者中都有,提示这两种突变遗传学上在东亚地区较早出现。

2.2 Citrin的结构和功能

Citrin分子量约为74kDa,含675个氨基酸,在肝脏、肾脏及心脏中均有表达,位于线粒体内膜。Citrin的N端有4个EF手型结构域,可结合钙离子,C端作为线粒体载体活性部位有6个跨膜结构。研究还发现,Citrin的类似物-Aralar,同为天冬氨酸/谷氨酸载体蛋白,虽氨基酸序列与Citrin有77.8%的同源性,但组织分布明显不同,Citrin主要在肝脏而Aralar 主要在骨骼肌和脑中表达,提示Citrin缺乏症是一种局限于肝脏的疾病[10]。

Citrin作为肝内主要的天冬氨酸/谷氨酸载体蛋白,其功能有3方面,其一,将线粒体中天冬氨酸转运至胞浆中,参与尿素、蛋白和核酸的合成。其二,将天冬氨酸转运至胞浆,作为苹果酸/天冬氨酸穿梭的一个环节,将胞浆中糖酵解生成的NADH还原当量运至线粒体内,参与能量、氨基酸、糖和脂代谢。其三,在NADH形成及利用的同时促进乳糖糖异生[5]。

2.3 Citrin缺乏症的发病机制

Citrin缺乏时,一方面可使尿素循环受阻,导致瓜氨酸积聚及高氨血症。另一方面天冬氨酸减少将使草酰乙酸生成减少,造成NADH/NAD+升高,引发各种代谢紊乱,抑制了糖酵解、糖异生、UDP半乳糖差向异构酶,扰乱了蛋白质及核酸合成,同时抑制脂肪酸氧化, 促进脂肪合成[10]。

Citrin缺乏所造成的代谢紊乱及NICCD和CTLN2的各种症状的发生机制分述如下:

Citrin缺乏症患者瓜氨酸等氨基酸代谢异常和高氨血症主要与尿素循环受阻有关。正常人天冬氨酸与瓜氨酸在精氨酸琥珀酸合成酶(Argininosuccinate Synthetase, ASS)作用下生成精氨酸琥珀酸,并通过精氨酸琥珀酸裂解酶(ASL)生成精氨酸。Citrin缺乏时,线粒体内转入的天冬氨酸减少,尿素循环受阻,瓜氨酸蓄积。在高浓度瓜氨酸刺激下肾脏及小肠内精氨酸合成增加并代偿性升高[8]。Citrin缺乏症患者喜食豆类及花生等富含天冬氨酸和精氨酸的食物,这可能与摄入此类食物可刺激尿素合成,降低血氨,改善其症状有关。对于缓解后的NICCD患儿的饮食情况调查也发现,患儿与对照组相比每日摄入总能量无明显差别,但脂类(45%),蛋白质(20%)在饮食中供能比例显著升高,碳水化合物(35%)则较同龄儿明显降低[6]。

NICCD患儿甲胎蛋白升高与低蛋白血症同时存在。一般认为蛋白的表达模式反映了肝脏发育的成熟程度,而甲胎蛋白与白蛋白具有极高的同源性和相似的保守序列,从甲胎蛋白到白蛋白的延迟转化过程说明NICCD患儿的肝脏发育不够成熟 [16]。

NICCD患儿有低血糖发作和半乳糖血症,低血糖发作主要与NADH/NAD+升高抑制了糖酵解和糖异生有关,升高的NADH/NAD+抑制UDP-半乳糖表位酶,引起半乳糖蓄积[17]。患者虽有低血糖发作,但过多食用甜食及谷类将增加胞浆中NADH/NAD+,加重其代谢紊乱,因此患者厌食甜食及谷类。CTLN2患者发作时高糖治疗会加重其高氨血症,饮酒可诱发CTLN2的发作,也与上述发病机制有关。

Citrin缺乏症患者存在脂代谢异常,包括脂肪合成过多、脂肪酸氧化障碍和脂肪肝。当胞浆内NADH/NAD+升高时,刺激了柠檬酸/苹果酸穿梭(Citrate/ Malate Shuttle, CMS),促进了3-磷酸甘油的合成;CMS激活后,柠檬酸被催化生成草酰乙酸及乙酰辅酶A,这些产物的生成促进脂肪合成。同时,胞浆中NADH/NAD+增高可使乙酰辅酶A产生的丙二酸单酰转酰辅酶A累积,抑制了脂肪酸氧化,并造成酮体合生成受损及短链、长链酰基肉碱的升高。异常增加的脂质沉积在人体深部脂肪组织,肝及面颊,造成高脂血症、脂肪肝以及Chubby Face[7]。

CTLN2患者多死于脑水肿,脑损伤机制尚不明确,高血氨并非唯一致病因素,局部缺血、能量耗竭、神经毒性及代谢失调引起氧化应激反应,均可加速脑损伤[2]。CTLN2患者多并发肝脏肿瘤,其中大部分为肝细胞癌 [18]。体外研究提示瓜氨酸的积聚对肝细胞的增生有促进作用,游离脂肪酸聚集造成的氧化应激和脂质过氧化反应对肿瘤发生也有重要作用。

2.4 Citrin基因敲除的小鼠模型

1999年,Sinasac等建立了Citrin基因敲除小鼠模型,该小鼠的离体肝灌流研究显示其存在尿素合成和乳酸糖异生缺陷,肝灌流液乳酸/丙酮酸的升高,对Citrin基因敲除小鼠治疗研究显示外源性的丙酮酸可通过使NADH再氧化及供量的两种途径改善Citrin缺乏症的高血氨及尿素生成缺陷,具体来说,丙酮酸不仅可以降低乳酸/丙酮酸比例,降低肝细胞内NADH/NAD+比例,还可通过提供胞浆内草酰乙酸和天冬氨酸来减轻对糖酵解的抑制并激活尿素生成途径[19,20],这为Citrin缺乏症的治疗提供了新思路。但Citrin基因敲除小鼠缺乏CTLN2的症状,可能由于小鼠肝内甘油3磷酸脱氢酶(mGPD)活性远高于人类,过多的NADH可通过甘油磷酸穿梭运至线粒体,代偿了Citrin缺乏引起的苹果酸天冬氨酸穿梭的缺陷。2007年,Saheki等建立了mGPD与Citrin双敲小鼠模型,该模型鼠具有高血氨、瓜氨酸血症、低血糖以及脂肪肝等的CTLN2临床表现[21]。

3. Citrin缺乏症的治疗及相关机制

NICCD患儿多数在一岁内有自然缓解,而CTLN2患者发病后却呈快速进展过程,因此对于Citrin缺乏症的两种不同表型的治疗有所不同。

对于NICCD患儿,饮食方面给予高蛋白高脂低碳水化合物饮食,有研究表明,不应限制或纠正其嗜食富含高脂高蛋白而厌食谷类的饮食倾向[6,22]。饮食中成分比例由于存在血半乳糖及短链、长链酰基肉碱增高,无乳糖奶粉、富含中链脂酰肉碱的配方奶被广泛应用于改善症状,苯巴比妥和熊脱氧胆酸用于黄疸对症处理,适当给与补充维生素E可改善氧化应激,有出血倾向患儿给予维生素K治疗。少数病情严重患儿需进行肝移植。

对于CTLN2患者,因其存在明显的高氨血症,为减轻高血氨对神经系统的毒性作用,应长期坚持低碳水化合物饮食[23,24],可给与苯甲酸钠、苯乙酸钠等降低血氨。精氨酸可改善线粒体尿素循环酶的活性,故也可用于降低血氨,但有报道认为精氨酸的使用与CTLN2患者的脊髓病变发生相关,使用量需慎重,同时可加入肌酐以减少过量精氨酸产生的胍基乙酸的毒性作用[2]。对于伴有肝性脑病的CTLN2患者,使用甘油及果糖会使体内NADH/NAD+升高,进一步加重高血氨及其他有毒物质的代谢,加重脑损伤,应选用甘露醇减轻脑水肿 [25]。目前对Citrin缺乏症唯一有效的治疗方法仍为肝移植,但对于移植后患者生存质量及时间缺乏相关调研,因此对于肝移植后的效果尚难评价。

Citrin缺乏症是一种发病率较高的遗传代谢病,尤其常见于东亚。部分NICCD患儿表现不典型,如未检测到血瓜氨酸的升高,通过生化指标难以最终确诊,而基因诊断是Citrin 缺乏症的有效检测手段,值得推广。其发病机制尚待进一步阐明,多数治疗限于对症处理。应加强对该病的宣传,及早发现并及时治疗,加强对患者的长期随访,并进一步明确其发病和进展机制。

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