原发性肉碱缺乏症发病机制及基因突变研究进展

黄倬(综述)韩连书(审校)[关键词] 原发性肉碱缺乏症;发病机制;基因突变Keywords: Primary carnitine deficiency;Pathogenesis;Gene mutation原发性肉碱缺乏症(primary carnitine deficiency,

正文

黄倬(综述)韩连书(审校)

[关键词] 原发性肉碱缺乏症;发病机制;基因突变

Keywords: Primary carnitine deficiency;Pathogenesis;Gene mutation

原发性肉碱缺乏症(primary carnitine deficiency,PCD,OMIM212140)是肉碱转运体OCTN2功能缺陷所致的脂肪酸氧化代谢病,属于常染色体隐性遗传病。肉碱缺乏导致长链脂肪酸不能进入线粒体参与β氧化,使乙酰CoA生成减少,当机体需要脂肪动员供能时,组织不能得到足够能量,且细胞内脂质蓄积,继而出现一系列生化异常及脏器损害,如低酮型低血糖、扩张型心肌病、肝肿大、肌无力等。PCD于1975年被首次报道,13年后有研究提出PCD是由于细胞膜肉碱转运障碍所致,1998年PCD的基因被定位,此后,PCD的报道日益增多。随着串联质谱技术的应用,新生儿筛查和临床高危的诊断率显著提高[1,2];左旋肉碱替代治疗的介入,使越来越多PCD患者的预后得到了改善。同时,PCD发病机制和基因突变的研究也在不断地深入。

1 发病机制

自然界中的肉碱(即3-羟-4-三甲胺基丁酸)具有左旋和右旋两种形式,其中左旋肉碱具有生理活性。人体内的肉碱约75%来自食物,25%由肝脏和肾脏合成,正常情况下,左旋肉碱通过细胞膜上的高亲和力转运体OCTN2的作用进入细胞内(肝细胞除外),在心肌和骨骼肌含量最高。体内脂肪酸的b氧化代谢是在线粒体中进行的,细胞内的长链脂肪酸不能直接进入线粒体,其活化形式长链脂酰CoA在线粒体外膜的肉碱棕榈酰基转移酶Ⅰ的催化下与肉碱结合生成脂酰肉碱,后者在线粒体内膜的肉碱脂酰肉碱转位酶的作用下进入线粒体基质,随后在线粒体内膜内侧的肉碱棕榈酰基转移酶Ⅱ的作用下分解为长链脂酰CoA及游离肉碱,长链脂酰CoA进一步参与β氧化,释出的肉碱则在肉碱脂酰肉碱转位酶的作用下被转运出,循环再利用,如图1所示。中、短链脂肪酸可直接进入线粒体。另外,肉碱可降低乙酰CoA/CoA比例,提高丙酮酸脱氢酶复合体的活性,促进葡萄糖的氧化利用;还能提高线粒体呼吸链酶复合体的活性,加速ATP的产生[3]。此外,肉碱还具有调节免疫应答、抗氧化、抑制细胞凋亡、维持线粒体超微结构及膜稳定等生理作用。OCTN2是Na+依赖性有机阳离子/肉碱转运体,由557个氨基酸组成,包含12个跨膜区,存在于心肌、骨骼肌、小肠、肾小管、皮肤成纤维细胞及胎盘等组织细胞膜上。有学者对其功能域进行研究发现[4,5]:跨膜区在肉碱的识别和转运中起关键性作用;N-末端(氨基酸序列1-193)可能存在Na+的结合位点;C-末端(氨基酸序列342-557)与Na+-肉碱复合物的转运有关,其中位于跨膜区10与跨膜区11之间细胞内环路是偶联Na+电化学梯度和Na+-肉碱复合物穿过细胞膜的重要场所,该环路中的酪氨酸残基起重要作用。其相关基因突变导致OCTN2转运肉碱的功能缺陷,肉碱不能进入到细胞内,通过肠道吸收的肉碱减少,体液中游离肉碱相应减少。同时肾小管肉碱重吸收障碍致尿液肉碱排泄增加、血浆肉碱水平降低,细胞内肉碱更加缺乏,导致长链脂肪酸不能进入线粒体进行β氧化,乙酰CoA生成减少,致使机体在需要脂肪动员供能的情况下能量供应不足,而脂质等在细胞内大量蓄积;另外,肉碱缺乏还间接影响葡萄糖等代谢途径。最终引起机体损伤,尤其在禁食或应激时,损害更甚。

1.1 心脏损伤机制

患儿常见的心肌损害有心室扩大、心肌肥厚、心功能下降甚至衰竭、心律失常等。其发病机制主要与能量缺乏和脂肪酸等的毒性作用有关。正常心肌能量供应的60%~90%来自脂肪代谢[6],肉碱缺乏导致细胞能量不足,引起心肌收缩力降低,促进心肌重构,而脂肪酸的堆积加速了心肌不可逆的损伤过程。且游离脂肪酸可改变心肌细胞电活动导致心律失常[7]。心肌脂肪酸代谢障碍导致主要能量来源由脂肪酸向葡萄糖转变[6],尤其在心肌细胞缺血缺氧时,能量代谢以无氧酵解为主,心肌细胞内ATP和磷酸肌酸生成更少,H+增多,加重心肌细胞结构和功能损害。Allard等明确指出,肉碱缺乏是扩张型心肌病发病的根本原因之一[8]。

1.2 骨骼肌损伤机制

骨骼肌受累的患儿常表现为肌无力、肌张力减退、运动不耐受或肌痛等,血中肌肉型肌酸激酶升高,肌肉活检显示肌纤维内大量脂滴沉积, 主要见于Ⅰ型纤维,而Ⅱ型纤维多出现萎缩[9]。其损害机制同样涉及供能不足及脂质沉积。对于持续时间较长的低到中等强度的运动,长链脂肪酸是能量的主要来源[10]。骨骼肌细胞内肉碱缺乏导致线粒体脂肪酸氧化障碍,不能提供机体运动所需的能量,导致运动强度和耐力下降,抗疲劳能力减退。而肌痛可能与脂肪酸及代谢中间产物蓄积有关。Ohkuma等通过病理学分析从形态学角度揭示了脂质沉积对肌纤维及线粒体的损害作用[11]:肌纤维间大量脂肪颗粒充填,密集区相应的肌纤维呈破碎样改变;线粒体数目增加但结构松散、嵴不清晰,脂滴紧靠线粒体排列,使其受压变形。

1.3 肝脏损伤机制

肝脏不同于其他组织,肝细胞具有单独的低亲和力的肉碱转运体[7],故损伤较心脏及骨骼肌少见。患儿主要表现为肝肿大、肝酶升高。其机制与肝脏脂肪变性有关。当血浆肉碱极度缺乏,影响到被动扩散进入肝细胞的肉碱量时,肝脏脂肪酸代谢障碍,蓄积的游离脂肪酸在内质网中合成的甘油三酯增多,血脂升高的同时,肝细胞发生脂肪变性,这在早期的动物实验中已得到证实[12]。研究进一步发现,肝内过多的脂肪酸的毒性作用直接介导肝脏损害的进展,诱导肝细胞凋亡,下调其增殖能力,并增加对内毒素的易感性[13]。此外,肝脏受损使其合成肉碱的能力减退,进一步造成机体肉碱缺乏,而肝细胞再生所需能量供应不足,导致损伤更加恶化。另外,肝脏受损使酮体生成及糖异生减少,长期饥饿或糖供应不足时,葡萄糖耗尽后不能得到内源性补充,导致严重的低血糖,大脑缺乏葡萄糖及酮体的能量供应,使功能受损,出现意识障碍。

1.4 其他损伤机制

部分患儿有腹痛、腹泻、胃食管反流等消化道症状,机制可能与胃肠道粘膜脂质沉积有关,且胃肠道高度依赖脂肪酸β-氧化供能。幼年内脏脂肪变性老鼠模型揭示肉碱对于维持肠道的正常结构和形态必不可少,此外,OCTN2基因启动子区域的突变有导致克罗恩病的倾向,但肉碱转运缺陷与克罗恩病发病机制的相关性有待进一步研究[14]。高氨血症可能由于脂酰CoA蓄积造成尿素循环的酶表达受到抑制所致[15]。部分PCD患者贫血,可能因为肉碱参与红细胞的代谢,有稳定红细胞膜、增加渗透阻力的作用[16]。

2 基因突变

2.1 基因突变的特点

肉碱转运体OCTN2的编码基因为SLC22A5,定位于常染色体5q31,由10个外显子组成。已报道的突变位点涉及外显子1-9及内含子3、7和8。有研究发现突变最频繁的编码区为外显子1 [17]。大多数突变影响OCTN2的跨膜区及细胞内环路[18,19]。目前已发现80余种突变类型,多为错义突变,无义突变及移码突变次之,剪接位点突变最少见。大多数家族具有独特的突变类型,但也有无血缘关系的患者或杂合子携带相同突变的报道,如N32S突变已分别在法罗群岛、日本以及其他地区的患儿中发现[20]。突变谱在不同种族人群中存在差异,R282X常见于高加索人群,R169W在意大利患者中多见,Y211C在西非人群中多次被观察到;S467C和W132X在日本秋田市人群中频发,检出率分别为4/9和3/9;我国台湾地区人群中R254X最常见,约占临床病例中总等位基因突变的50%[21]。通过共轭显微镜研究发现,SLC22A5错义突变导致OCTN2缺陷有如下三种情况[19]:(1)使转运体不能在细胞膜上成熟定植,几乎全部滞留在高尔基体或内质网内,如R83L;(2)导致大部分在细胞质中滞留,分布较为扩散,少数可到达细胞膜,如G242V;(3)不影响转运体在细胞膜上的定植,但使其功能区不同程度受损,如R169W。

2.2 纯合子的临床表型

PCD纯合子患者通常具有以下特点:OCTN2转运肉碱的能力严重损坏或完全破坏,尿液肉碱排泄量增多,血浆及组织细胞内肉碱水平极低。患者可表现出不同程度的临床症状和体征,但也有部分患者被诊断时未出现任何相关症状且心功能评估正常[22,23]。PCD患者无明显性别差异,可于任何年龄发病,临床表型及首发症状各异,病情轻重及进展速度不一;也有患者终身不发病但存在急性发作及猝死的风险。部分患者于2岁以前发病,多表现为禁食诱发的低酮型低血糖急性发作,严重者出现昏迷或死亡。患者中常见的心肌病及骨骼肌病,通常发病较为隐匿,出现显著症状和体征较迟。目前PCD基因型与临床表型的关系尚未明确。有研究发现,有些突变的OCTN2残存少量转运活性,如S467C约保留11%的转运活性,其复合杂合突变的患者没有临床症状,仅个别患者经检查发现扩张型心肌病;有些突变的OCTN2其转运活性几乎不可测得,如R254X,携带该突变的患者临床表现典型,多以心肌病为主[21]。Rose等指出,在无症状患者中,至今未发现同时携带两个无效等位基因的患者,可能解释无症状患者的肉碱转运活性均值高于有症状患者;同时指出,P46S主要见于无症状患者基因中。Filippo等有类似发现[18,24]。另一些学者认为基因型与临床表型相关性很难确立。许多研究显示,相同的突变可致不同的临床表型。Spiekerkoetter等报道的1个土耳其家系,父亲和2个儿子均为R471H的纯合子(该突变的OCTN2肉碱转运活性为正常对照组的1.5%),然而仅其中1个儿子在婴儿期出现严重症状,表现为Reye综合征样发作,其28岁的父亲和5岁的哥哥均无症状[25]。Lund等报道的病例中,无血缘关系的2例N32S纯合突变患者(该突变的OCTN2肉碱转运活性无法测得),1例于4月时发病,表现为低血糖、肝肿大、肌张力减退;1例19岁时因阳性家族史被筛查出,仅诉易疲劳[20]。另外,文献中许多不同的突变可呈现相似的临床表型。如R254X、V295X、Y211C等纯合突变的PCD患者大多以心肌病为主要临床表型;F17L/R471C复合杂合突变与G234R/R254X复合杂合突变的患者首发症状相同,均表现为高血氨、低血糖、Reye综合征样发作;R254X/S467C复合杂合突变与N32S纯合突变的患者仅有体力下降的表现[20-22,26]。因此认为,不能通过基因型预测PCD患者的临床表型,也不能通过表型推测其基因型。

2.3 杂合子的临床表型

PCD杂合子血浆及组织细胞内肉碱浓度低于正常对照组均值,其尿液肉碱排泄量约正常的2~3倍,成纤维细胞肉碱吸收率为正常对照组的一半或以下,但通常无临床表现,可能与肉碱水平尚能满足机体正常代谢所需有关[7]。有学者认为,PCD杂合子在禁食、长时间运动、疾病等状态下,可能出现症状[27]。目前关于PCD杂合子的研究甚少,持续低水平的肉碱浓度对其造成的影响(表型特点、生化参数、临床过程等)还不十分明确。Sarafoglou等报道2例老年PCD杂合子存在心功能异常[27]。日本学者通过超声心动图检查,发现PCD杂合子随年龄增加,易患迟发型心肌肥厚,但心功能正常。PCD动物模型的相关研究显示:与正常小鼠相比,杂合子老鼠的左室肌细胞直径随年龄增长而增加;当压力负荷过重时,血浆及心肌内肉碱浓度处于相对低水平的杂合子老鼠,其病理性心肌肥厚和心功能衰竭的易患性增加[28]。还有动物实验发现,PCD杂合子小鼠血浆、肝脏、心肌及骨骼肌内的甘油三脂含量多于正常对照组。另外,有PCD杂合子新生儿出现呕吐、食欲下降等胃肠道症状的报道。因此, PCD杂合子可能出现某种程度的心功能不全、肠功能紊乱或血脂异常。

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