YARS2与线粒体COX1突变协同作用导致视神经病变的机制与基因治疗研究

《Journal of Genetics and Genomics》：Optic neuropathy arising from the synergy between YARS2 and mitochondrial COX1 mutations

本研究针对Leber遗传性视神经病变（LHON）中核修饰基因与线粒体DNA（mtDNA）突变协同致病的机制不明、缺乏有效治疗手段的问题，通过构建携带Yars2G186V和COIV421A单突变及双突变的小鼠模型，发现双突变通过加剧线粒体功能障碍、氧化应激及铁死亡协同诱发视网膜病变，并首次证实AAV介导的Yars2基因治疗可逆转线粒体缺陷并恢复视网膜功能，为LHON及其他线粒体疾病提供了新的治疗策略。

　　

在我们身体这座精密的生命机器中，线粒体如同细胞的“能量工厂”，通过氧化磷酸化（OXPHOS）过程为高能耗组织持续供能。视网膜作为大脑的延伸部分，其视觉功能高度依赖线粒体产生的ATP。然而，当线粒体DNA（mtDNA）或核基因发生突变时，能量供应系统便可能崩溃，导致视网膜病变，其中Leber遗传性视神经病变（LHON）便是典型的线粒体视网膜病变。LHON好发于青壮年，表现为双侧、无痛性、亚急性中心视力丧失，但目前其发病机制尚未完全阐明，且缺乏有效治疗手段。

以往研究表明，某些LHON相关的mtDNA突变（如m.11778G>A、m.3635A>G）本身仅引起轻度线粒体功能障碍，不足以单独致病；而核修饰基因YARS2的p.Gly191V突变（对应小鼠Yars2^G186V）虽会影响线粒体翻译，但携带该突变的个体视力正常。只有当mtDNA突变与核修饰基因突变同时存在时，才可能通过协同作用突破致病阈值，导致视神经病变。这种“二次打击”机制的具体过程仍不明确，阻碍了针对性疗法的开发。

为揭示这一协同致病机制，研究人员构建了携带Yars2^G186V、COI^V421A单突变及双突变的小鼠模型，系统评估了视网膜形态与功能、线粒体结构与功能、氧化应激水平及细胞死亡方式的变化，并探索了AAV介导的Yars2基因治疗的有效性。

本研究主要采用了以下关键技术：通过CRISPR/Cas9系统构建Yars2^G186V基因敲入小鼠，并与携带同质COI^V421A突变的小鼠杂交获得双突变模型；利用光学相干断层扫描（OCT）、视网膜电图（ffERG）及组织染色分析视网膜结构与功能；通过Western blot、蓝绿原生胶电泳（BN-PAGE）评估OXPHOS复合物组装与活性；采用酶组织化学染色、电镜观察线粒体形态；通过RNA测序分析转录组变化；并使用AAV2载体进行眼内Yars2基因治疗。

Retinopathy arising from the synergy between COI^V421Aand Yars2^G186Vmutations

研究发现，双突变小鼠视网膜出现严重病变：OCT显示其光感受器细胞与视网膜色素上皮结构异常区域扩大，H&E染色及免疫荧光显示视网膜神经节细胞（RGCs）和光感受器细胞数量显著减少。ffERG分析表明，双突变小鼠的视杆细胞和视锥细胞反应波幅均显著降低，且病变程度远超单突变小鼠，模拟了临床LHON患者的病理特征。

Mitochondrial dysfunction due to synergy between COI^V421Aand Yars2^G186Vmutations

机制上，Yars2^G186V突变通过影响线粒体tRNA^Tyr氨酰化，导致复合物I、III、IV的mtDNA编码亚基（如ND1、ND6、CYTB、CO1等）合成减少；COI^V421A突变则特异性削弱复合物IV活性。双突变协同导致OXPHOS复合物组装缺陷、ATP产量下降及线粒体膜电位降低。电镜观察发现双突变小鼠RGCs中线粒体肿胀、嵴结构紊乱，且数量减少。

Elevating mitochondrial oxidative stress

线粒体功能紊乱引发氧化应激失衡：双突变小鼠视网膜中ROS水平显著升高，SOD活性增强，但谷胱甘肽（GSH/GSSG）比值下降，总抗氧化能力（T-AOC）代偿性升高，提示氧化损伤加剧。

Enhanced cell death through combined apoptosis and ferroptosis

细胞死亡分析显示，COI^V421A突变主要促进凋亡（细胞色素c释放、caspase激活），而Yars2^G186V突变更易诱发铁死亡（ACSL4上调、GPX4下调）。双突变则同时激活两条通路，加速RGCs和光感受器细胞死亡。

Transcriptional changes in the OXPHOS pathway and neurodegeneration

RNA测序进一步证实，双突变引起OXPHOS相关基因表达紊乱，并激活神经退行性变通路，而单突变小鼠未见显著富集。

AAV-mediated Yars2 expression restored mitochondrial morphology and function

基因治疗实验中，AAV2介导的Yars2表达成功逆转了双突变小鼠的线粒体缺陷：Western blot显示ND1、ND6、CO1等亚基表达恢复；电镜下线粒体形态改善；SDH、COX活性提升。更重要的是，视网膜结构修复，RGCs数量回升，ffERG波幅显著恢复，表明视觉功能部分重建。

Rescued ferroptosis and retinal dystrophy

Yars2过表达还纠正了铁死亡相关蛋白表达异常，降低脂质过氧化水平，进一步延缓了细胞死亡。

本研究首次在体内模型中揭示了YARS2与mtDNA突变协同致视神经病变的机制：双突变通过叠加效应破坏线粒体能量代谢、激化氧化应激、并行激活凋亡与铁死亡通路，最终导致视网膜细胞不可逆损伤。更重要的是，研究证实AAV介导的Yars2基因治疗可有效逆转上述病理过程，为LHON及其他线粒体疾病的治疗提供了新范式。该成果发表于《Journal of Genetics and Genomics》，不仅深化了对线粒体疾病“双基因互作”机制的理解，也为开发基于核基因矫正的疗法奠定了实验基础。