综述：遗传性视神经病变中的组学研究：从综合角度对临床研究的系统回顾

《Survey of Ophthalmology》：Omics in hereditary optic neuropathies:A systematic review of clinical studies with an integrated point of view

　　拉乌尔·K·卡纳（Raoul K Khanna）|崔学豪（Xuehao Cui）|黄俊松（David Chuen Soong Wong）|拉胡尔·马卡姆（Rahul Makam）|让-巴蒂斯特·迪克洛耶（Jean-Baptiste Ducloyer）|胡安·曼努埃尔·查奥·德拉巴尔卡（Juan Manuel Chao de la Barca）|钦齐亚·博卡（Cinzia Bocca）|凯瑟琳·维尼加尔-克莱蒙（Catherine Vignal-Clermont）|海伦·布拉斯科（Hélène Blasco）|克里斯托夫·奥索（Christophe Orssaud）|帕斯卡尔·雷尼埃（Pascal Reynier）|余伟文（Patrick Yu-Wai-Man）

图尔布雷顿诺大学医院眼科；法国INSERM，成像脑与神经精神病学iBraiN U1253，37000

摘要
遗传性视神经病变的特点是由于视网膜神经节细胞退化导致双侧视力丧失，进而引起视神经退化和萎缩。尽管主要的孤立性和综合征性遗传性视神经病变的遗传起源已经明确，但其临床表型在渗透率和表达性方面存在显著且尚未完全理解的变异性。此外，影响这些视神经病变发病的遗传和环境因素仍然知之甚少，可用于预测疾病进展或作为治疗试验指标的生物标志物也非常有限。数据驱动的组学策略能够深入进行表型分析，以增进我们对病理生理机制的理解，并寻找新的生物标志物和治疗靶点。我们探讨了应用于遗传性视神经病变患者的组学策略是否提供了这样的新见解。

我们通过MEDLINE、Web of Science和EMBASE数据库筛选了与遗传性视神经病变、转录组学、表观基因组学、蛋白质组学、代谢组学和脂质组学相关的临床研究。在识别出的1244篇参考文献中，经过双盲数据审查后纳入了22篇文章。这些文章仅关注三种主要的遗传性视神经病变类型：OPA1相关显性视神经萎缩（n = 4篇）、莱伯遗传性视神经病变（n = 13篇）和沃尔夫拉姆综合征（n = 5篇）。尽管这些研究的方法设计和结果存在很大差异，但它们揭示了一些共同的病理生理机制，如能量障碍、内质网应激、蛋白质毒性应激和氧化应激、脂质重塑以及氨基酸和嘌呤代谢的改变，并提出了潜在的新生物标志物和治疗靶点。这些发现强调了综合组学方法在加深对遗传性视神经病变表型复杂性理解以及支持创新诊断和治疗策略发展方面的潜力。

1. 引言
遗传性视神经病变（HON）是一组主要由线粒体功能障碍引起的视力丧失的遗传性疾病。临床表现为双侧视神经萎缩、无痛性中心视力丧失、相对保留的周边视力、色觉异常以及视盘颞侧苍白（图1）。HON的病理特征是视网膜神经节细胞（RGCs）的选择性退化，这些细胞的轴突汇合形成视神经。越来越多的基因被发现与HON相关，其中最常见的10个核基因包括OPA1、WFS1、ACO2、SPG7、MFN2、AFG3L2、RTN4IP1、TMEM126A、NR2F1和FDXR4，均为常染色体遗传模式。最常见的两种表型是显性视神经萎缩（DOA；MIM#165500），主要由核基因突变引起，其中OPA1是最常见的致病基因；其次是莱伯遗传性视神经病变（LHON；MIM#535000），通常由致病性线粒体DNA（mtDNA）变异引起，并且为母系遗传。值得注意的是，最近也有报道了常染色体隐性形式的LHON或类似LHON的表现。

2. 方法
我们遵循了系统评价和荟萃分析的优先报告项目（PRISMA）清单进行文献筛选。系统评价已在PROSPERO注册，注册号为CRD4202510106。

2.1. 搜索策略
使用布尔运算符结合与HON和多组学相关的关键词（包括表观基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、脂质组学）进行了系统性文献搜索。未对发表日期设置限制。2025年3月18日使用的搜索公式为：
("Optic Atrophies, Hereditary" [MESH] OR "Hereditary Optic Atrophy" OR "Hereditary Optic Atrophies” OR “Autosomal Dominant Optic Atrophy” OR “Kjer” OR “Kjer's” OR “Kjers” OR “Kjer-Type” OR “Leber” OR “Lebers” OR “Wolfram” OR “DIDMOAD” OR “DIDMOADUD” OR “Diabetes Insipidus, Diabetes Mellitus, Optic Atrophy, and Deafness”) AND ("Metabolomics" [MESH] OR "Metabonomic" OR "Lipidomics"[MESH] OR "Lipidomic" OR "Lipidome" OR "Lipidomes" OR "Proteomics"[MESH] OR "Peptidomic" OR "Proteomic" OR "Proteogenomics"[Mesh] OR "Proteogenomic" OR "Gene Expression Profiling"[MESH] OR "Transcriptomics" OR "transcriptome" OR "transcriptomic" OR "Gene Expression Profilings" OR "Gene Expression Monitoring" OR "Gene Expression Monitorings" OR "Gene Expression Pattern Analysis" OR "Transcript Expression Analysis" OR "Gene Expression Analysis" OR "Gene Expression Analyses" OR "mRNA Differential Display" OR "mRNA Differential Displays")
筛选的数据库包括MEDLINE、Embase和Web of Science。通过CSV文件从MEDLINE、Embase和Web of Science自动提取数据，并将所有数据合并。

2.2. 合格标准
两位审稿人（RKK和XC）独立评估了从电子搜索中获得的标题和摘要，排除了重复项、不符合标准的综述以及与主题无关的原始文章（例如非人类研究、非组学研究和其他非HON疾病）。随后对全文文章进行了资格审核。

2.3. 研究选择
在仔细审查标题和摘要后，共纳入了22篇文章（图3；有关选定文章的详细信息见补充材料1）。整个过程使用Excel 2013软件完成。我们纳入了所有采用组学方法的研究，包括表观基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学，但排除了纯基因组学研究。仅纳入经过同行评审的文章；会议摘要被排除在外。

2.4. 数据提取
采用结构化的Excel格式从选定文章中提取具体数据。提取的数据包括作者、期刊、发表年份、患者数量以及所有其他相关因素。每篇文章均由RKK和XC仔细审核。

2.5. 质量评估
为了评估纳入本综述的人类研究的方法学质量（例如病例对照研究或基于生物样本的体外研究），我们使用了Newcastle-Ottawa评分系统。该工具专门用于非随机研究，评估三个领域：研究组的选择（病例的代表性、对照组的适当性以及暴露/结果的确定）、病例和对照组的可比性（对潜在混杂因素的调整）以及暴露或结果的评估（使用的方法和盲法设计以及随访的充分性）。RKK和DC全面评估了每项研究，并在补充材料2中提供了相应的评分。RKK和DC之间的评分差异通过讨论解决。研究质量的阈值分为：≤1（低）、2-6（中等）和≥7（高）。目前尚无针对体外机制研究的验证风险偏倚工具。

3. 结果
迄今为止，只有三种常见的HON成为组学研究的对象，这可能是由于其他疾病较为罕见，难以建立足够大的队列进行组学分析。总共纳入了22项研究（OPA1相关DOA：n = 4篇；LHON：n = 13篇；沃尔夫拉姆综合征（WS）：n = 5篇）。

3.1. OPA1相关DOA
Caglayan及其同事使用CRISPR编辑的人类胚胎干细胞和患者来源的诱导多能干细胞（iPSC）分化为神经前体和神经元，研究了OPA1单倍不足的情况。RNA测序显示广泛的转录失调，尤其是GABA能谱系的分化失败，表现为DLX1/2及其下游靶基因（GAD1/2）的下调，以及关键神经发育转录因子（如FOXG1、DLX5/6、CTIP2/BCL11B和NEUROD6）的表达改变，以及NR2F1/2和NEUROD4的表达增加。这些发现表明OPA1缺乏会干扰神经元分化程序，影响对RGC和前脑回路完整性至关重要的DLX1/2阳性神经元的发育。

Zanfardino及其同事研究了一名携带c.124C>T/p.His42Tyr致病变异体的OPA1相关DOA患者，将其成纤维细胞与健康对照者的成纤维细胞进行了比较。通过RNA测序分析差异表达，并进行了通路富集，同时应用了错误发现率校正。他们发现了644个差异表达基因，这些基因在细胞周期停滞、细胞外基质调控和衰老通路中富集。功能上，患者来源的成纤维细胞表现出线粒体碎片化、自噬减少以及早衰现象，这些现象可以通过使用mTORC1抑制剂everolimus得到缓解。因此，这项研究提供了特定致病性OPA1变异与细胞衰老之间的机制联系。其主要局限性在于仅采用单例设计，仅有1名患者和1名对照者，这限制了结果的普遍性。

3.1.2. 代谢组学
Bocca及其同事使用超高性能液相色谱与高分辨率质谱联用技术进行了非靶向血浆代谢组学分析，涵盖了大约500种极性代谢物。他们研究了25名OPA1变异携带者和20名健康对照者的血浆样本。统计分析结合了单变量Wilcoxon检验和错误发现率校正、无监督的主成分分析以及有监督的正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA），并通过Biosigner（PLS-DA、随机森林和支持向量机的组合）进行了机器学习验证。在调整了与年龄相关的效应后，他们识别出一个稳健的OPA1代谢特征，主要表现为嘌呤代谢的变化，包括黄嘌呤和次黄嘌呤的减少以及肌苷的增加，同时还观察到氨基酸和脂质的改变。重要的是，这一特征在携带者中普遍存在，无论他们是单倍不足还是错义变异。这项工作强调了OPA1相关的共同系统性代谢紊乱。研究发现，OPA1相关疾病患者中烟酰胺（维生素B3的关键成分）存在缺乏，且这种缺乏的程度与疾病严重程度相关。基于这一观察结果，启动了一项治疗试验（NCT06007391），以评估烟酰胺补充的潜在益处。尽管其临床效果仍有待验证，但该试验展示了纯粹基于数据的方法（无需初始假设）如何能够为患者带来实际的治疗应用。

3.1.3. 脂质组学
Cretin及其同事将功能性小干扰RNA（siRNA）筛选与脂质组学相结合。他们使用了携带五种不同致病性OPA1变异的患者来源的成纤维细胞系，并将其与三个健康对照系进行了比较。通过针对1,531个核编码线粒体基因的高内涵成像筛选，并结合有监督的机器学习来分类线粒体网络形态。这识别出91个基因，其敲低后改变了线粒体碎片化，其中包括PGS1（参与磷脂酰甘油和心磷脂合成的关键酶）。后续的脂质组学研究证实了心磷脂的参与，将OPA1功能障碍与内膜脂质生物合成联系起来。统计方法包括有监督的分类模型、单因素方差分析（ANOVA）进行定量比较，以及盲法定量以减少偏差。研究表明，不同OPA1变异体之间的线粒体形态存在基因型依赖性差异，并发现了一种新的脂质通路调节因子。

3.1.4. 需要综合多组学研究来探讨OPA1相关疾病
总体而言，这些研究展示了转录组学、代谢组学和脂质组学如何为OPA1相关疾病提供互补的见解。Bocca及其同事表明，不同OPA1变异体之间存在共同的代谢特征，提示存在一种趋同的系统表型。Cretin及其同事证明脂质代谢，特别是心磷脂生物合成，可以作为OPA1驱动的线粒体碎片化的调节因子，指出了一个特定的治疗靶点。Zanfardino及其同事揭示了一种由变异体特异性转录组程序驱动的自噬失败和衰老现象，这种现象可以通过药物得到缓解。

3.2. Leber遗传性视神经病变
3.2.1. 转录组学
Abu-Amero及其同事使用Affymetrix芯片分析了4名Leber遗传性视神经病变（LHON）男性患者（m.11778G>A）和3名对照者的全血样本。他们发现了137个上调基因和152个下调基因（变化倍数≥2；p < 0.015），qPCR验证显示OPA1表达显著下调，这是DOA中最常受影响的基因，这建立了这两种疾病之间的有趣联系。相比之下，mtDNA编码的OXPHOS基因未受影响。

Danielson及其同事使用微阵列分析了LHON患者的杂交细胞系（n = 5；m.11778G>A = 3；m.3460G>A = 2）、LHON患者的Epstein-Barr病毒转化淋巴母细胞（n = 4；包括m.11778G>A和m.3460G>A致病性变异）以及对照者的样本。他们发现醛糖还原酶上调，导致山梨醇增加，这与渗透压和氧化应激激活一致，同时神经元转录本广泛下调。

Cortopassi及其同事对LHON成纤维细胞、淋巴母细胞和杂交细胞系（包括所有3种变异：m.11778G>A、m.3460G>A和m.14484T>C）进行了基于微阵列的转录组分析。他们的分析揭示了一个与其他线粒体疾病（如Friedreich共济失调、神经源性共济失调和视网膜色素变性（NARP）、肌阵挛性癫痫伴粗糙红纤维（MERF）以及Kearns-Sayre综合征（KSS）共有的转录特征，表现为未折叠蛋白反应和内质网（ER）应激通路的上调（包括ATF4、CHOP/DDIT3和GRP78/BiP的失调），以及参与囊泡分泌、蛋白质合成和少突胶质细胞分化的基因下调。

López Sánchez及其同事对成纤维细胞（每组n = 3：对照、健康携带者和受影响患者）进行了RNA测序，并测量了淋巴母细胞（n = 10对照、10携带者和15受影响者；m.11778G>A）的生物能量学。差异表达分析（应用错误发现率校正和反应组富集）显示，受影响携带者与未受影响携带者相比，糖酵解和糖异生下调，尽管复合体I功能受损且缺乏OXPHOS补偿。

Wu及其同事从一名患者（m.11778G>A）、一名无症状携带者（m.11778G>A）和一名对照者中分离出RGC iPSCs。微阵列显示受影响RGC中的神经元基因下调，细胞周期相关程序上调，两种携带者的过氧化氢酶蛋白均减少。功能测定显示无症状携带者的RGC中复合体I活性高于受影响者，表明可能存在补偿机制。

Yang及其同事研究了iPSC来源的RGC中的环状RNA（每组n = 3；对照、健康携带者和受影响患者；m.11778G>A）。他们报告LHON细胞中环状RNA_0087207上调，该环状RNA作为miR-548c-3p的结合伴侣，导致proapoptotic PLSCR1和TGFB2的表达增加。qPCR验证确认了环状RNA_0087207/miR-548c-3p/PLSCR1-TGFB2轴作为LHON的新机制和潜在生物标志物。

3.2.2. 蛋白质组学
D’Aguanno及其同事分析了2名LHON患者（m.11778G>A）、5名多发性硬化症患者和5名健康对照者的脑脊液。7个蛋白质点存在显著差异。Apolipoprotein A-IV在LHON中增加，而转甲状腺素二聚体加合物在LHON和多发性硬化症中均减少，表明存在共同的和疾病特异性的蛋白质组学改变。

Tun及其同事研究了7名受影响患者（m.11778G>A）、3名无症状携带者（m.11778G>A）和5名对照者的线粒体富集成纤维细胞部分的蛋白质组。受影响患者表现出与氧化磷酸化（SDHA、ETFA）、线粒体质量控制（LONP1和HSPA9）和嵴结构（IMMT/mitofilin）相关的蛋白质显著减少，这与能量代谢受损一致。无症状携带者显示出中间或接近对照的水平，表明可能存在部分补偿机制，而对照者在这些通路中的丰度最高。

Yao及其同事使用液相色谱与串联质谱联用技术分析了LHON患者（n = 2；m.11778G>A）和2名对照者的成纤维细胞。他们发现OXPHOS复合体I亚基、线粒体动态蛋白和伴侣蛋白显著下调，同时糖酵解酶上调。通路富集显示广泛的线粒体功能障碍，特别是氧化磷酸化、嵴重塑和蛋白质导入受到影响。

LHON患者和罗通酮处理细胞（模拟复合体I抑制）的成纤维细胞被用于进行全面的谷胱甘肽化谱分析。LHON细胞携带与疾病相关的三种常见mtDNA突变之一：m.11778G>A（8例）、m.14484T>C（2例）和m.3460G>A（1例）。蛋白质S-谷胱甘肽化是一种与氧化应激相关的翻译后修饰，可能影响蛋白质功能。在540种谷胱甘肽化蛋白质中，79种在LHON细胞中显著增加，在罗通酮处理细胞中也有增加，其中33种在两组中都存在，证实了其与复合体I缺陷的关联。受影响的蛋白质涉及能量代谢（23%）、催化活性（31%）和蛋白质质量控制（38%）以及非线粒体功能（73%）。ANT2和VDAC1是关键的线粒体转运蛋白，其谷胱甘肽化增加，影响了ATP/ADP的交换。

3.2.3. 代谢组学
Chao de la Barca及其同事对16名携带三种主要mtDNA突变之一的LHON患者（m.11778G>A（n = 11）、m.3460G>A（n = 3）或m.14484T>C（n = 2）的成纤维细胞进行了靶向代谢组学研究，并将其与8名健康对照者的成纤维细胞进行了比较。他们的分析揭示了LHON成纤维细胞中独特的代谢特征，表现为所有蛋白质生成氨基酸的全球性减少，多胺（如精胺和腐胺）水平降低，特定酰基肉碱（C3和C5）和鞘磷脂浓度降低。相反，10种磷脂酰胆碱显著增加。改变的脂质和氨基酸谱表明存在内质网应激，这一点通过PERK和eIF2α的磷酸化增加、CHOP表达升高以及XBP1剪接增强得到证实。这些标志物通过牛磺熊去氧胆酸（TUDCA，一种内质网应激抑制剂）的治疗得到逆转，表明LHON中的内质网应激是可药理调节的。这项研究表明，LHON不仅与线粒体功能障碍相关，还与潜在的可逆内质网应激反应相关。重要的是，这种无偏见的组学方法揭示了先前未知的机制，表明LHON影响超出线粒体的更广泛的细胞功能。

Morvan及其同事对10名LHON患者（m.11778G>A）和8名对照者的成纤维细胞进行了1H-NMR代谢组学研究，并通过酶测定进行了支持。他们发现脂肪酸、多不饱和脂肪酸和磷脂酰胆碱增加，而甘氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺和丙氨酸减少。复合体I活性降低了43%（p < 0.01）。Idebenone和白藜芦醇治疗使复合体I活性增加了40%到44%，部分逆转了脂质和氨基酸的异常。

Bocca及其同事对18名处于疾病慢性期的LHON患者（m.11778G>A = 14，m.3460G>A = 3，m.14482C>A = 1）和18名健康对照者的血浆样本进行了非靶向代谢组学分析。使用UHPLC-HRMS筛选了500种代谢物，并准确检测到了156种。统计建模基于13种关键判别代谢物揭示了一个稳健的预测特征。这些代谢物包括饮食相关化合物（如牛磺酸、烟酰胺（维生素B3）、胆碱、1-甲基组氨酸和马尿酸），以及线粒体能量底物（如乙酰乙酸、谷氨酸和富马酸）和嘌呤代谢中间体（如肌苷）。牛磺酸和烟酰胺的缺乏尤为显著。LHON患者中的牛磺酸减少了25%，它在线粒体膜稳定性和氧化还原平衡中起作用，其缺乏可能影响RGC存活。烟酰胺参与NAD/NADH代谢，也减少，这可能是由于复合体I功能障碍导致的过度消耗。

这些不同的研究强调了组学研究在揭示先前未知机制和探索细胞结构和功能全谱方面的效用。

3.2.3. 代谢组学
Chao de la Barca及其同事对16名携带三种主要mtDNA突变之一的LHON患者（m.11778G>A（MT-ND4；n = 11）、m.3460G>A（MT-ND1；n = 3）或m.14484T>C（MT-ND6；n = 2）的成纤维细胞进行了靶向代谢组学研究，并将其与8名健康对照者的成纤维细胞进行了比较。他们的分析揭示了LHON成纤维细胞中独特的代谢特征，表现为所有蛋白质生成氨基酸的全球性减少，多胺（如精胺和腐胺）水平降低，特定酰基肉碱（C3和C5）和鞘磷脂浓度降低。相反，10种磷脂酰胆碱显著增加。改变的脂质和氨基酸谱表明存在内质网应激，这一点通过PERK和eIF2α的磷酸化增加、CHOP表达升高以及XBP1剪接增强得到证实。这些标志物通过TUDCA治疗得到逆转，表明LHON中的内质网应激是可药理调节的。这项研究表明，LHON不仅与线粒体功能障碍相关，还与潜在的可逆内质网应激反应相关。

Morvan及其同事对10名LHON患者（m.11778G>A）和8名对照者的成纤维细胞进行了1H-NMR代谢组学研究，并通过酶测定进行了支持。他们发现脂肪酸、多不饱和脂肪酸和磷脂酰胆碱增加，而甘氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺和丙氨酸减少。复合体I活性降低了43%（p < 0.01）。Idebenone和白藜芦醇治疗使复合体I活性增加了40%到44%，并部分逆转了脂质和氨基酸的异常。

Bocca及其同事对18名处于疾病慢性期的LHON患者（m.11778G>A = 14，m.3460G>A = 3，m.14482C>A = 1）和18名健康对照者的血浆样本进行了非靶向代谢组学分析。使用UHPLC-HRMS筛选了500种代谢物，并准确检测到了156种。统计建模基于13种关键判别代谢物揭示了一个稳健的预测特征。这些代谢物包括饮食相关化合物（如牛磺酸、烟酰胺（维生素B3）、胆碱、1-甲基组氨酸和马尿酸），以及线粒体能量底物（如乙酰乙酸、谷氨酸和富马酸）和嘌呤代谢中间体（如肌苷）。牛磺酸和烟酰胺的缺乏尤为显著。LHON患者中的牛磺酸减少了25%，它在线粒体膜稳定性和氧化还原平衡中起作用，其缺乏可能影响RGC存活。烟酰胺参与NAD/NADH代谢，也减少，这可能是由于复合体I功能障碍导致的过度消耗。这些缺乏被认为是潜在的治疗靶点，因为它们在RGC中已显示出神经保护作用。值得注意的是，同一研究团队对DOA或LHON患者血浆进行的两次代谢组学研究都发现了烟酰胺缺乏症。与DOA类似，目前正在进行一项治疗性试验（NCT07258667）。该研究还强调了系统性氧化应激和内质网应激在LHON病理生理学中的作用。克雷布斯循环中间体的浓度变化反映了细胞对复合体I缺乏的代谢适应。此外，在LHON中观察到的嘌呤代谢失调与其他视神经病变（包括OPA1相关的DOA）的发现一致，表明视网膜杆细胞（RGCs）存在共同的代谢脆弱性。尽管存在样本量小和仅关注疾病慢性期的局限性，但这些研究为针对牛磺酸和烟酰胺途径的治疗干预提供了有力的证据。

综合来看，这些组学研究揭示了LHON病理生理学的核心机制：复合体I的功能障碍导致脂质代谢（鞘磷脂减少、磷脂酰胆碱和多不饱和脂肪酸增加）、氨基酸稳态（多种氨基酸和短链酰基肉碱耗竭）以及氧化还原平衡（蛋白质S-谷胱甘肽化增加和内质网应激激活）的继发性紊乱。转录组学和蛋白质组学研究显示，核反应涉及应激和凋亡途径、神经元程序下调以及线粒体蛋白稳态受损。重要的是，无症状携带者表现出代偿性适应，例如视网膜杆细胞中复合体I活性增强，这可能解释了疾病的不完全外显率。这些综合发现还指出了血浆牛磺酸和烟酰胺、脑脊液ApoA-IV以及成纤维细胞代谢特征等生物标志物，这些标志物可用于监测疾病进展或评估治疗反应。

Wolfram综合征（WS）是一种罕见的遗传性神经退行性疾病，主要由WFS1基因的致病性隐性变异引起，该基因于1998年被发现。Wolframin是一种内质网中的跨膜糖蛋白，在调节内质网应激反应、维持钙离子稳态、促进蛋白质折叠和成熟以及保护细胞免受内质网应激诱导的凋亡方面起着关键作用。WS历史上被称为DIDMOAD综合征，因为其症状包括尿崩症、糖尿病、视神经萎缩和耳聋。WS患者会发展为早期发病的进行性视神经病变，导致不可逆的视力丧失。此外，还会伴随显著的神经退行性改变和脑干及小脑萎缩，部分患者会出现认知和心理缺陷。虽然最初认为WFS1变异会导致隐性遗传，但现在也有证据表明致病性显性变异也会导致仅表现为视神经萎缩或伴有糖尿病/耳聋的较轻症状。WS的治疗主要是支持性的，患者的预期寿命通常为30至40年，主要原因是神经退行性导致的呼吸衰竭。

Ahuja及其同事使用患者来源的iPSC模型研究了WS中的转录变化。从两名患者中获得的iPSC被分化为少突胶质细胞前体和髓鞘形成前少突胶质细胞，并与同基因型对照组进行了比较。RNA测序发现了与内质网应激相关的转录改变，但没有明显的线粒体功能障碍转录特征。这些结果表明少突胶质细胞的固有功能障碍较为轻微。K?ks及其同事使用人类胚胎肾（HEK293）细胞提供了补充证据。这些细胞被转染了三种针对WFS1的siRNA，并在24、48、72和96小时时收集样本。全基因组表达谱分析显示11个基因发生显著变化，主要涉及线粒体功能障碍和凋亡途径。结果通过定量PCR和Western blot得到验证。时间序列分析表明转录变化具有可重复性，表明WFS1沉默直接导致了促退行性转录程序。

Zmys?owska及其同事还在WS患者的iPSC来源的神经干细胞（NSCs）中进行了转录组学分析。RNA测序显示线粒体转运机制、氧化磷酸化基因以及内质网-线粒体相互作用途径的表达改变，这与继发性线粒体功能障碍一致。这些转录组学发现为后来在蛋白质组学水平上观察到的能量代谢障碍提供了独立验证。

Zmys?owska及其同事将转录组学和蛋白质组学分析整合到WS的人类iPSC来源的NSC模型中。来自两名携带无义WFS1变异的患者和两名健康对照者的皮肤成纤维细胞被重新编程为iPSC并分化为NSCs。通过tunicamycin诱导内质网应激。使用液相色谱与串联质谱联用的蛋白质组学分析显示线粒体呼吸链亚基下调，糖酵解和三羧酸循环酶上调，表明存在与线粒体功能障碍一致的代谢转变。

最早的WS代谢组学研究之一由Zmys?owska及其同事开展，他们使用液相色谱与质谱联用技术分析了12名携带致病性隐性WFS1变异的患者和年龄匹配的对照者的血清样本。OPLS-DA分析和假发现率校正后的单变量测试发现了一种独特的鞘氨醇异构体（17:0）的增加，这可能是一个潜在的生物标志物。鉴于鞘脂在神经元发育和存活中的作用，鞘脂代谢可能与中枢神经系统和视神经退化有关。在后续研究中，Majander及其同事整合了37名WFS1相关视神经病变患者的临床和代谢组学数据。通过对部分患者（n=9）进行血清超高效液相色谱与高分辨率质谱联用的代谢组学分析，发现了多个途径的系统性失调，包括脂质代谢（鞘脂和磷脂重塑）、氨基酸代谢（尤其是支链氨基酸和谷氨酸），以及碳水化合物代谢（与1型糖尿病典型的特征重叠）。

人类转录组学研究发现了与内质网应激相关的转录程序，并支持神经元-胶质细胞相互作用在WS病理中的作用。患者来源的iPSC模型中的蛋白质组学分析显示线粒体氧化磷酸化机制的一致性下调以及向糖酵解的代偿性转变，提供了线粒体功能障碍的直接证据。代谢组学研究揭示了鞘脂途径和系统性代谢标志物的变化，为生物标志物的发现和纵向监测提供了有希望的途径。这些基于人类的多组学研究共同指向一个机制级联：WFS1缺乏破坏了内质网稳态和线粒体代谢，导致视网膜杆细胞逐渐受损和视神经退化。值得注意的是，尽管WS起源于内质网异常，但这些无先验假设的组学研究揭示了线粒体缺乏成分，将其与LHON和OPA1相关的DOA联系起来。

新castle-Ottawa量表用于评估本系统评价中包含的七项研究的质量。其中1项研究被评为中等质量，6项被评为高质量（评分范围：6至9分）。总体而言，研究质量普遍较高，主要限制是对照组缺乏基因分型。对于其余15项机制研究，目前尚无经过验证的偏倚风险工具。

多组学深度表型分析表明，HON表现出不同的主要病变（例如LHON中的线粒体复合体I缺乏、OPA1相关DOA中的线粒体动力学受损以及WFS1 WS中的内质网蛋白稳态失败），这些病变共同表现为视网膜杆细胞的代谢脆弱性，其特征是氧化磷酸化（OXPHOS）效率低下、氧化还原应激以及脂质和氨基酸/碳水化合物途径的适应性重塑。

OPA1相关DOA的组学研究揭示了其病理生理学的互补见解。转录组学分析显示神经发育程序受损，特别是影响GABA能中间神经元分化和细胞衰老途径。代谢组学分析发现OPA1变异类型中存在一致的系统性特征，尤其是嘌呤代谢和烟酰胺缺乏，后者与疾病严重程度相关，并促使开展了一项治疗性试验。脂质组学方法发现了基因型依赖的线粒体膜脂质组成改变，特别是心磷脂生物合成，将脂质重塑与线粒体碎片化联系起来。功能性siRNA筛选进一步确定了核编码的线粒体基因作为潜在的调节因子。在多组学层面，这些发现表明OPA1相关DOA是由涉及神经元分化受损、代谢失衡和线粒体膜功能障碍的多种机制共同驱动的。

代谢组学研究一致将基因型映射到氧化还原-代谢表型。患者成纤维细胞中的氧化还原蛋白质组学显示广泛的蛋白质S-谷胱甘肽化，包括复合体I亚基，表明硫醇氧化还原应激是致病性变异的直接生化后果。线粒体富集成纤维细胞部分的蛋白质组学分析显示OXPHOS成分和线粒体蛋白稳态成分减少，表明线粒体呼吸链的继发性功能障碍。

Wolfram综合征（WS）的组学研究首先由Zmys?owska及其同事开展，他们使用液相色谱与质谱联用技术分析了12名携带致病性隐性WFS1变异的患者和年龄匹配的对照者的血清样本。OPLS-DA分析和假发现率校正后的单变量测试发现了一种独特的鞘氨醇异构体（17:0）的增加，这可能是一个潜在的生物标志物。鉴于鞘脂在神经元发育和存活中的作用，鞘脂代谢可能与中枢神经系统和视神经退化有关。在后续研究中，Majander及其同事整合了37名WFS1相关视神经病变患者的临床和代谢组学数据。对部分患者（n=9）进行了血清超高效液相色谱与高分辨率质谱联用的代谢组学分析，该方法能够无针对性地检测脂质、氨基酸和碳水化合物途径中的小分子。统计分析采用了多变量建模和途径富集，并进行了多重比较校正。代谢组学数据揭示了多个途径的系统性失调，包括脂质代谢（鞘脂和磷脂重塑）、氨基酸代谢（特别是支链氨基酸和谷氨酸）以及碳水化合物代谢（与1型糖尿病的特征重叠）。

人类转录组学研究发现了与内质网应激相关的转录程序，并支持神经元-胶质细胞相互作用在WS病理中的作用。患者来源的iPSC模型中的蛋白质组学分析显示线粒体氧化磷酸化机制的一致性下调以及向糖酵解的代偿性转变，提供了线粒体功能障碍的直接证据。代谢组学研究揭示了鞘脂途径和系统性代谢标志物的变化，为生物标志物的发现和纵向监测提供了有希望的途径。这些基于人类的多组学研究共同指向一个机制级联：WFS1缺乏破坏了内质网稳态和线粒体代谢，导致视网膜杆细胞逐渐受损和视神经退化。值得注意的是，尽管WS起源于内质网异常，但这些无先验假设的组学研究揭示了线粒体缺乏成分，将其与LHON和OPA1相关的DOA联系起来。

新castle-Ottawa量表用于评估本系统评价中包含的七项研究的质量。其中1项研究被评为中等质量，6项被评为高质量（评分范围：6至9分）。总体而言，研究质量普遍较高，主要限制是对照组缺乏基因分型。对于其余15项机制研究，目前尚无经过验证的偏倚风险工具。

多组学深度表型分析表明，HON表现出不同的主要病变（例如LHON中的线粒体复合体I缺乏、OPA1相关DOA中的线粒体动力学受损以及WFS1 WS中的内质网蛋白稳态失败），这些病变共同表现为视网膜杆细胞的代谢脆弱性，其特征是氧化磷酸化效率低下、氧化还原应激以及脂质和氨基酸/碳水化合物途径的适应性重塑。

OPA1相关DOA的组学研究揭示了其病理生理学的互补见解。转录组学分析显示神经发育程序受损，特别是影响GABA能中间神经元分化和细胞衰老途径。代谢组学分析发现OPA1变异类型中存在一致的系统性特征，尤其是嘌呤代谢和烟酰胺缺乏，后者与疾病严重程度相关，并促使开展了一项治疗性试验。脂质组学方法发现了基因型依赖的线粒体膜脂质组成改变，特别是心磷脂生物合成，将脂质重塑与线粒体碎片化联系起来。功能性siRNA筛选进一步确定了核编码的线粒体基因作为潜在调节因子。在多组学层面，这些发现表明OPA1相关DOA是由涉及神经元分化受损、代谢失衡和线粒体膜功能障碍的多种机制共同驱动的。

代谢组学研究一致将基因型映射到氧化还原-代谢表型。患者成纤维细胞中的氧化还原蛋白质组学显示广泛的蛋白质S-谷胱甘肽化，包括复合体I亚基，表明硫醇氧化还原应激是致病性变异的直接生化后果。线粒体富集成纤维细胞部分的蛋白质组学分析显示OXPHOS成分和线粒体蛋白稳态成分减少，表明结构呼吸缺陷与质量控制不足有关。无标记蛋白质组学进一步支持了OXPHOS/动力学的广泛失调。在全血和细胞转录组学中，应激反应激活和神经元程序下调被观察到，而来自携带者和患者的iPSC来源的视网膜杆细胞在细胞周期/神经发生轴上有所不同，功能检测表明携带者的复合体I活性部分得到补偿，这可能解释了疾病的不完全外显率。非编码和表观转录组信号（环状RNA和m6A机制）增加了另一个调节层次，可能调节外显率和细胞韧性。最后，成纤维细胞和血浆中的代谢组学显示许多氨基酸和短链酰基肉碱的协调减少，鞘磷脂减少而磷脂酰胆碱和多不饱和脂肪酸增加，以及系统特征（例如低牛磺酸/烟酰胺和高酮体）表明能量/氧化还原补偿。idebenone和白藜芦醇对复合体I活性的原理验证和部分代谢组学纠正加强了线粒体呼吸衰竭与代谢物重塑之间的因果关系。

Wolfram综合征的组学研究将内质网蛋白稳态作为WS的标志，并揭示了下游的线粒体后果。在HEK细胞中沉默WFS1会产生可重复的转录变化，这些变化富含线粒体功能障碍和凋亡，直接将WFS1缺乏与促退行性程序联系起来。从患者来源的NSCs中分离出的细胞进行定量蛋白质组学分析显示复合体I-V呼吸链亚基下调，同时糖酵解和克雷布斯循环上调。还报告了线粒体蛋白导入和呼吸电子传输的减少。这些数据定义了继发于内质网应激的OXPHOS失败。WFS1 WS的血清代谢组学发现了一种独特的鞘氨醇（17:0）信号，该信号与神经退行性负担相关，并与视网膜厚度（未指定视网膜层）呈负相关。

基因型特异性触发因素（例如LHON中的复合体I损伤、OPA1相关DOA中的融合/嵴缺陷以及WFS1 WS中的内质网蛋白稳态崩溃）共同涉及以下核心机制：(a) 氧化磷酸化受损和氧化还原应激及翻译后硫醇修饰；(b) 脂质重塑（心磷脂/磷脂酰胆碱和鞘脂），这些改变重塑了膜和信号传导；(c) 支持氧化还原缓冲和核苷酸经济的氨基酸和嘌呤代谢重编程；(d) 不仅存在于WS中，也存在于LHON中的蛋白毒性应激。这些核心机制在独立的人类样本和细胞系中的转录组、蛋白质组和代谢组研究中反复出现，解释了为什么视网膜杆细胞（能量需求高且与线粒体动力学紧密耦合）会优先且早期受到影响。

在OPA1相关DOA、LHON和WS中，多组学方法一致发现了对诊断、预后和治疗开发高度相关的可测量系统性分子特征。这些特征集中在四个方面：(a) 基因变异的功能验证；(b) 超出基因型的预后分层；(c) 识别可进行基于机制的治疗的靶点途径；(d) 开发作为疾病进展（自然史）和临床试验替代结局指标的药效生物标志物。

如引言中所述，组学在这类疾病中的一个核心目标是阐明其显著的表型异质性，包括视觉障碍的严重程度和眼部以外的表现。多组学谱型，特别是代谢组和脂质组学特征，显示出作为OPA1变异的功能分类器的潜力，有助于区分致病性变异和意义不明确的变异。烟酰胺缺乏与临床严重程度之间的相关性表明，选定的代谢组学标志物可能作为疾病负担和可能的进展率的预后指标。基于组学的发现导致了治疗假设，这些假设正在进入临床评估阶段，例如通过烟酰胺补充（NCT07258667）增强烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）的治疗策略。血浆代谢组学特征在未来干预性试验中也可能作为药效学生物标志物，提供目标参与度的客观分子读数，超越传统的视觉功能终点，这些终点在OPA1相关视神经病变（DOA）患者中通常变化缓慢。5.7 LHON 这种疾病的中心问题是其不完全的外显率以及男性中观察到的更高外显率。然而，在我们回顾的研究中，按性别和外显率分层的亚组通常样本量不足，限制了识别与外显率和疾病发作风险相关的组学特征的能力。专门为解决这一问题而设计的组学研究，如果具有足够大的队列以确保足够的统计功效，未来可能会提供更可靠的答案40。尽管如此，多组学研究已经发现无症状携带者和受影响个体之间的一些分子差异，包括在RGC模型中的补偿性生物能量30, 48和转录组特征45。反映氧化应激59、内质网应激14和氨基酸耗竭33的分子特征可能作为转化风险和视觉恢复潜力的候选预测标志物。这些发现表明，基于组学的生物标志物可能有助于在视觉转化前识别高风险携带者。根据系统性代谢应激谱型对患者进行分层可以改善预测模型，而不仅仅是基于基因型和人口统计因素。一些由组学发现的途径可以直接用于治疗，包括氧化应激失衡59、内质网应激14以及烟酰胺和牛磺酸的缺乏8。这些发现的转化相关性通过一项正在进行的试点临床研究得到了强调，该研究评估了在LHON患者中补充烟酰胺的效果（NCT07258667），这项研究直接来源于基于组学的系统性烟酰胺缺乏的识别。

在LHON的线粒体基因治疗时代，多组学分析还可以通过识别具有保留的补偿性生物能量反应或更高代谢负担的患者来改善患者选择，这些因素最终可能会影响治疗反应性。5.8 Wolfram综合征 WS基因型的不断扩展和临床表达性的变化增加了对变异致病性评估的不确定性，而整合的多组学方法提供了一个功能框架，通过途径水平和分子内表型分析来解决意义不明确的变异31, 61。多组学在内质网应激和次级线粒体功能障碍方面的研究结果为目前正在研究的针对内质网的疗法提供了强有力的机制依据，包括化学伴侣蛋白和内质网应激调节剂，如苯丁酸钠和TUDCA（NCT05676034）。

当前研究的局限性和未来方向 6.1 需要更好的疾病模型 获取原代人视网膜神经节（RGC）非常具有挑战性，大多数研究依赖于替代组织（例如成纤维细胞和血液来源的细胞）。这一限制突显了需要更接近视网膜环境的实验模型，例如将人视网膜移植到动物宿主体内44。其他有前景的方法包括改进替代模型（例如iPSC衍生的系统、视网膜类器官和视觉系统组装体），使用替代细胞来源（如泪膜），以及通过生物库扩大对死后视网膜、视神经和大脑等相关人类组织的获取。此外，最近的一项研究表明，LHON突变携带者的终生视力丧失风险低于先前的报道，估计仅为1%47。这种较低的外显率突显了修改增加疾病表达风险因素的重要性，因此需要机制研究来探讨不完全外显率和RGC退化。在未来几年，一个协调的多组学策略可以提高我们对环境因素如何与遗传背景相互作用以触发LHON发作的理解。7. 研究设计和样本量的限制 对于相对罕见的疾病来说，样本量通常较小。在WFS1研究中，只有37名患者中的9名提供了用于代谢组学的血清31，大多数单中心细胞研究包括≤20个细胞系，这限制了研究的功效和外部有效性。同样，LHON和OPA1相关DOA的代谢组学队列规模较小（即2至25名患者），增加了过拟合的风险。这些限制强调了建立国际合作生物库的重要性，以促进协作研究。横断面设计占主导地位，而具有重复测量的纵向组学研究很少，尽管将组学数据与视觉终点联系起来可以阐明疾病进展和病理生理学的生物学基础。7.1 平台和分析流程的异质性 平台之间的异质性使得跨队列的综合分析变得复杂。虽然大多数研究应用了假发现率控制和多变量验证，但分析工作流程尚未标准化，且协变量处理（性别、年龄、糖尿病状态）的报道也不一致。专家们需要制定共识指南，以标准化数据的报告和共享。7.2 真正的多组学整合的缺乏 目前的多组学文献大多是由仅在途径水平上整合的平行单组学研究组成。需要更多的重复实验和更广泛的整合，以推进我们对基因型-表型关系的理解。此外，某些组学领域尚未得到研究（例如HON中的表观基因组学、OPA1相关DOA中的蛋白质组学和WFS1 WS中的脂质组学），包括利用新的样本来源（例如眼泪和脑脊液）。

尽管HON在遗传和表型上具有异质性，但原代RGC脆弱性的核心病理特征源于共同的代谢途径。多组学研究一致表明，线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）受损、氧化应激失衡、蛋白质毒性应激以及脂质和氨基酸代谢的重塑是RGC优先丧失的核心原因。其中一些研究明确指出了针对维生素B3、牛磺酸和内质网应激抑制剂（如TUDCA）的潜在新治疗途径；然而，由于研究队列较小且依赖于替代组织，因此需要谨慎，强调开发国际协作网络的重要性，这些网络需要患者组织的参与，并建立更复杂的HON模型，以反映受影响患者体内的实际机制。在倡导将有希望的治疗靶点和生物标志物应用于临床实践或在具有足够功效的临床试验中进行评估之前，需要在机制实验中对组学发现进行功能验证。

贡献者 RKK和XC构思并撰写了论文的第一稿。所有合作者均平等参与了文章的概念构思，并对最终版本进行了严格审查和批准。没有其他贡献者。AI辅助 本文的语言使用了ChatGPT（版本5）进行审查，但所有原始内容、分析和解释均由作者独立完成。未引用参考文献 17 资金支持 无。CRedI 作者贡献声明 Catherine Vignal-Clermont：写作——审阅与编辑、可视化、验证。Cinzia Bocca：写作——审阅与编辑、可视化、验证。Christophe Orssaud：可视化、验证。Hélène Blasco：写作——审阅与编辑、可视化、验证、概念化。Rahul Makam：写作——审阅与编辑、可视化、验证。David Chuen Soong Wong：写作——审阅与编辑、验证、方法学、研究、数据管理。Juan Manuel Chao de la Barca：写作——审阅与编辑、可视化、验证。Jean-Baptiste Ducloyer：写作——审阅与编辑、可视化、验证。Khanna Raoul Kanav：写作——审阅与编辑、写作——初稿、可视化、验证、项目管理、方法学、研究、正式分析、数据管理、概念化。Patrick Yu-Wai-Man：写作——审阅与编辑、可视化、验证、监督、项目管理、概念化。Pascal Reynier：写作——审阅与编辑、可视化、验证、监督、概念化。Xuehao Cui：写作——初稿、方法学、研究、数据管理。

尽管HON在遗传和表型上具有异质性，但原代RGC脆弱性的核心病理特征源于共同的代谢途径。多组学研究一致指出，线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）受损、氧化应激失衡、蛋白质毒性应激以及脂质和氨基酸代谢的重塑是RGC优先丧失的关键因素。一些研究明确指出了针对维生素B3、牛磺酸和内质网应激抑制剂（如TUDCA）的潜在新治疗途径；然而，由于研究队列较小且依赖于替代组织，因此需要谨慎，这强调了开发国际协作网络的重要性，这些网络需要患者组织的参与，并建立更复杂的HON模型，以反映受影响患者体内的实际机制。在提倡将这些有希望的治疗靶点和生物标志物应用于临床实践或在具有足够功效的临床试验中进行评估之前，需要在机制实验中对组学发现进行功能验证。