《Molecular Genetics and Metabolism Reports》：POLG-related disorders: Clinical and molecular Spectrum in the Saudi population
编辑推荐：
背景：POLG相关疾病是由POLG基因变异引起的一组线粒体疾病（mitochondrial diseases），该基因对于线粒体DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）的复制和修复至关重要。这些疾病涵盖了广泛的临床表现谱，从严重的早发性疾病到
背景：POLG相关疾病是由POLG基因变异引起的一组线粒体疾病（mitochondrial diseases），该基因对于线粒体DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）的复制和修复至关重要。这些疾病涵盖了广泛的临床表现谱，从严重的早发性疾病到较轻的成年发病综合征。方法：研究人员对来自沙特阿拉伯利雅得六家不同转诊中心的16个无亲缘关系家族中，经分子确诊的19例POLG相关疾病病例进行了回顾性研究。按照标准方法进行了临床、影像学和分子分析。结果：本研究中大多数患者在12岁之前出现不同程度的神经系统症状（80%）；常见的症状包括发育迟缓和脑病（63%）、癫痫发作（58%）、共济失调和吞咽困难（各占42%）。分子分析揭示了POLG基因中八种不同的致病变异。观察到最频繁的变异是c.3286C > T; p.(Arg1096Cys)。值得注意的是，POLG c.1957G > A; p.(Glu653Lys)变异此前未在文献中报道过，并且可能影响蛋白质的折叠和稳定性。结论：尽管这些疾病的治疗在很大程度上仍以支持性为主，但对POLG相关疾病分子机制认识的深入，为未来靶向线粒体功能和稳定性的治疗策略提供了希望。本研究突显了POLG相关疾病的复杂性，并强调了继续研究其病理生理学和治疗的必要性。
本研究旨在对沙特阿拉伯人群中多聚酶γ（polymerase-γ）相关疾病的临床表现谱和基因变异特征进行系统性描述。线粒体DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）的生物发生过程高度依赖于核编码蛋白，其中DNA聚合酶γ（DNA polymerase gamma, POLG）是负责mtDNA复制与修复的关键酶，其由细胞核内的POLG基因编码。POLG基因与线粒体基因组之间的相互依赖性，凸显了细胞功能中细胞核基因组与线粒体基因组之间复杂的关系。人类POLG基因包含23个外显子，于1996年被表征和克隆。随后，首个与人类疾病——进行性眼外肌麻痹（progressive external ophthalmoplegia, PEO）相关的POLG变异于2001年被识别。mtDNA变异的根本机制主要源于两个方面：DNA复制过程中的自发错误，或无关损伤引入的错配病变，这些是mtDNA中大多数碱基替换变异的来源。此外，这些过程很可能与生物体细胞衰老过程中mtDNA点突变和缺失的逐渐累积有关。POLG在DNA复制过程中表现出极高的保真度，核苷酸掺入错误极少，这归功于其高核苷酸选择性和外切核酸酶校对活性。这些特性共同确保了POLG能够以最小的错误复制DNA，使其成为维持遗传完整性的关键组分。
POLG相关疾病的发生涉及多种因素，包括遗传因素（mtDNA或核DNA）、免疫功能障碍以及环境因素如线粒体毒素和病毒感染。POLG变异与广泛的表型相关，具体取决于发病年龄和电子传递活性，其遗传模式被归于常染色体显性和常染色体隐性，成人发病率估计为每10万人0.3例。在POLG相关疾病中，临床表现谱具有可变的发病年龄和严重程度，从儿童期到成年期发病，遗传模式可为显性或隐性，表现包括进行性眼外肌麻痹、肌阵挛性癫痫、感觉性共济失调、难治性癫痫、精神运动发育倒退和肝功能损害。POLG相关疾病中基因型-表型关系的复杂性尚不清楚，这使得仅根据临床发现和其他因素对从生命早期到成年晚期发病的患者进行分类颇具挑战，因而难以预测疾病进展并确定有效的管理策略。携带POLG相关疾病的患者表现出广泛且重叠的临床谱，涵盖历史上被分开的表型，包括线粒体DNA耗竭综合征4A型（Alpers型）、线粒体DNA耗竭综合征4B型（MNGIE型）、线粒体隐性共济失调综合征（包括SANDO和SCAE），以及常染色体显性或隐性遗传的进行性眼外肌麻痹。儿童期发病的线粒体DNA耗竭综合征通常分为三大类：Alpers-Huttenlocher综合征（AHS）、肌脑肝病谱（myocerebrohepatopathy spectrum, MCHS）和肌阵挛性癫痫。重要的是，这些疾病的临床和生化变异性无法可靠地从POLG基因型、聚合酶-γ表型或所测酶活性中预测出来。POLG相关疾病的诊断基于多学科评估。目前没有特异性的血液或尿液生物标志物；但是，可以评估外周血乳酸和血浆丙氨酸水平。来自POLG相关疾病患者的肌肉活检可能显示典型的线粒体异常，包括缺乏细胞色素c氧化酶活性的肌纤维、破碎红纤维或过量的脂质积累。这些组织学发现是受累肌肉组织中线粒体功能障碍的特征性标志。许多POLG相关疾病患者的脑部磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）结果可能正常，但这并不能排除疾病的存在。虽然MRI在疾病早期可能表现无异常，但有时可以发现双侧黑质纹状体多巴胺能区域和枕叶（尤其是纹状皮质、基底节和丘脑）斑片状灰质的异常。AHS患者通常出现节律性高波幅δ波，叠加多棘波，而脑电图（electroencephalogram, EEG）在POLG相关疾病中可能显示非特异性异常；通常枕叶是好发区域。尽管文献中已报道了超过一百种POLG变异，但仍有新的致病变异被不断发现，这使得确定其致病性变得困难。分子基因检测是识别大多数病例中致病变异的有效方法。近几十年来，线粒体疾病的诊断取得了显著进展。线粒体靶向基因疗法已在一些疾病的动物模型中成功报道，并且是POLG相关疾病的潜在治疗方法。然而，能够改变这些疾病进程的有效治疗仍然难以捉摸。一些有前景的疗法，如脱氧核苷和脱氧胞苷/脱氧胸苷联合疗法，正在POLG相关疾病中进行试验。其真正的疗效只能通过严格的随机对照试验来确定。这些研究对于确立与POLG基因变异相关疾病的治疗效果至关重要。在本研究队列中，研究人员报告了沙特阿拉伯POLG相关疾病的临床、生化和突变谱。这项回顾性分析旨在全面了解该地区这些疾病的自然病程。
本研究的关键技术方法包括：一项针对沙特阿拉伯利雅得六家三级转诊中心经确诊的患者的回顾性研究，收集了2015年1月至2024年12月间的医疗记录。对于大多数患者，通过全外显子组测序（whole exome sequencing, WES）或全基因组测序（whole genome sequencing, WGS）确认了POLG相关疾病的诊断。对于少数家族中先前已确认的病例，则通过经认证的商业实验室的相关基因panel、单基因或桑格测序（Sanger sequencing）进行诊断。变异分类依据美国医学遗传学与基因组学学会（ACMG）指南。此外，还进行了POLG蛋白的三维（3D）结构建模以预测新变异的功能影响。本研究的样本队列全部来自沙特阿拉伯人群。
研究结果部分总结如下。临床发现方面：本研究纳入了来自16个无亲缘关系家族的19名POLG相关疾病确诊患者（男性12名，女性7名）。19例中有10例死亡（52%）。疾病进程导致病情随时间推移稳步恶化，最终导致部分患者死亡，从症状出现到死亡的平均生存期为五年。除三个家族外，所有病例均报告了近亲结婚（84%），10例（53%）有阳性家族史。大多数患者的症状始于生命的前几年，通常在十二岁之前（16例，80%）。最年长的病例是一名45岁患者，其14岁时出现轻度肌病症状，并根据家族遗传模式被诊断为杂合子。最常见的首发体征是发育迟缓和脑病（各12例，63%）、癫痫发作（11例，58%）、共济失调和吞咽困难（各9例，42%）、肌病（7例，37%）以及构音障碍和小脑体征（各3例，16%）。47%的病例注意到视力损害。进行性眼外肌麻痹（PEO）和视神经萎缩症状分别见于25%和20%的病例。呼吸系统症状和呼吸功能不全见于两例（10%）。从实验室角度看，9例（47%）观察到持续性乳酸酸中毒，而肌酸磷酸激酶（creatine phosphokinase, CPK）升高报告不频繁。四名患者（20%）观察到肝酶（LFTs）升高，伴或不伴胆汁淤积。脑部MRI扫描的放射学检查显示4例（20%）有白质病变。本研究中POLG相关疾病癫痫的治疗极具挑战性。癫痫发作具有难治性，需要使用多种抗癫痫药物（antiepileptic medications, AEMs），包括左乙拉西坦、苯巴比妥、卡马西平和拉莫三嗪。此外，由生物素、左卡尼汀和辅酶Q10组成的线粒体药物鸡尾酒疗法被用作五例的辅助治疗。
分子研究数据方面：在本研究描述的19名个体中，共鉴定了七种不同的POLG变异。大多数病例（17例，90%）显示纯合变异，符合常染色体隐性遗传模式，仅有两例显示杂合变异。观察到最频繁的变异是常见的致病纯合变异c.3286C > T; p.(Arg1096Cys)，占11例（58%）。变异c.1156C > T; p.(Arg386Cys)和c.925C > T; p.(Arg309Cys)各在两例中被识别。另外四种变异，c.911 T > G; p.(Leu304Arg)、c.2419C > T; p.(Arg807Cys)、c.2620 T > A; p.(Leu874Met)和c.1957G > A; p.(Glu653Lys)各在一例中报道。本队列中鉴定的所有变异均被归类为致病性或可能致病性，除了c.1957G > A; p.(Glu653Lys)和c.2620 T > A; p.(Leu874Met)，它们被认为是意义未明的变异（variants of uncertain significance, VUS）。POLG c.1957G > A变异预计导致氨基酸替换p.Glu653Lys。据研究人员所知，该变异此前未在文献中报道过。该变异在gnomAD数据库中欧洲（非芬兰）裔个体中的最小等位基因频率为0.00089%。
POLG E653K突变的结构影响方面：野生型与突变型POLG蛋白的结构比较突出了E653K替换的影响。在天然蛋白中，谷氨酸（Glu653）是一个带负电荷的残基，可能参与有助于局部结构稳定性的盐桥或氢键。该变异将Glu653替换为赖氨酸（Lys），一个带正电荷的残基，导致局部静电荷发生反转。这种改变破坏了原生的静电环境，并可能干扰关键的分子内相互作用。预测的折叠自由能变化（ΔΔG = ?0.63 kcal/mol）表明蛋白质结构略有不稳定化。尽管这种能量差异不大，但它仍然可能影响蛋白质折叠、稳定性或聚合酶功能，特别是当残基653位于或靠近催化域或相互作用界面时。
讨论与结论部分总结如下：本研究呈现了迄今为止沙特阿拉伯最大的POLG相关疾病队列，大多数病例来自利雅得的转诊中心。该疾病的表型谱范围广泛，从早发的新生儿代谢性酸中毒到迟发的神经学症状，包括共济失调和肌病表现。早发性POLG相关疾病（12岁之前发病）的典型特征包括肝功能障碍、喂养困难、癫痫发作、肌张力低下和肌肉无力。目前，原始队列中仅有十名患者存活。死亡的主要原因主要与中枢神经系统表现相关，这些表现可导致吞咽困难和吞咽障碍。这些问题常导致反复的胸部感染，最终导致心肺骤停。没有病例出现与癫痫持续状态相关的死亡；然而，脑病和难治性癫痫发作是与不良预后相关的额外风险因素。研究结果支持以下观点：出现乳酸酸中毒和肝脏症状的婴儿期病例与最早的疾病表现相关，并与早期死亡率有关。此外，既往报告的生存分析随访数据显示，疾病发病年龄与患者生存时间之间存在强关联；早发性MCHS和AHS表型患者预后更差，死亡率为39-40%。进一步研究表明，神经系统症状的存在与较差的预后显著相关。吞咽困难和吞咽障碍等胃肠道症状见于10名患者（50%），与之前发表的患病率相似，并且通常与额外的严重神经表型相关。在成人和儿童中较少报道的胃肠道症状包括呕吐、胃排空延迟（胃轻瘫）和慢性肠假性梗阻（CIPO）。无论发病年龄如何，50-64%的POLG相关疾病患者中观察到肝脏受累。本研究也显示仅四例存在肝脏受累。例如，在病例#12中，患者在新生儿期出现快速肝功能恶化，并被发现FAH基因为纯合致病变异，确诊为常染色体隐性遗传的1型酪氨酸血症。该患者在10个月大时仍然存活。另外三例显示轻度胆汁淤积和LFTs升高，其中两名患者仍然存活。由于儿童运动发育的性质，肌张力低下、发育迟缓和喂养困难等症状很可能在疾病过程的早期出现。然而，其他症状（包括癫痫发作、周围神经病变、共济失调和肌肉无力）的发作在不同个体中差异很大。研究人员注意到该队列中55%的儿童以癫痫发作作为初始或进展性症状。这些癫痫发作表现形式多样，包括局灶性发作、全面性发作、肌阵挛发作和癫痫持续状态。其中，两例患者注意到部分性癫痫持续状态（Epilepsia Partialis Continua）发作。这与之前报道的多种癫痫表现类似，突出了AHS的复杂性以及早期识别和诊断的重要性。大多数患者接受了不同的AEMs联合线粒体鸡尾酒疗法，无论其基因型如何，疗效均不一。视觉损害导致的失明可能在其他神经系统症状出现数月甚至数年后出现。对本队列中一些POLG相关疾病患者进行的脑部MRI扫描揭示了一系列异常。这些发现范围从右侧皮层和皮层下白质区域的高信号不规则到显著的脑萎缩和体积减小。值得注意的是，这些异常的神经影像学结果与不良预后和受影响个体的生存率降低相关。此外，研究显示，线粒体疾病初步诊断评估中常用的实验室检测（如CPK、乳酸、常规酰基肉碱谱和尿有机酸分析）并未与基因型或死亡率保持一致。
本研究共鉴定出七种不同的POLG变异。大多数早发性疾病（12岁之前发病）患者携带纯合致病性POLG变异（无论变异类型如何，但主要是c.3286C > T; p.(Arg1096Cys)）。携带杂合POLG变异的个体比携带纯合变异的患者预后更好。常见的致病纯合变异c. 3286C > T; p.(Arg1096Cys)与所有受影响病例中的癫痫发作和低生存率相关。在本队列中，两例携带c. 1156C > T; p.(Arg386Cys)变异的患者仍然存活，且没有显著的神经系统或肝脏表现。支持POLG变异c.1957G > A (p.Glu653Lys)致病性的证据包括几项临床和实验室发现。该患者因出现代谢性肌病和轻度升高的CPK水平，以及阳性家族史，通过WES确诊。此外，异常的肌电图（EMG）研究提示以肌肉膜易激惹为特征的肌病，肌肉活检显示局灶性肌病特征以及NADH和SDH染色不均。超微结构检查显示局灶性肌膜下线粒体积累，提示线粒体肌病。研究人员对野生型POLG蛋白和E653K突变体进行了比较性3D结构建模，预测该突变会破坏蛋白质的二级结构，可能改变其整体构象并干扰关键的分子内相互作用，从而可能影响POLG的聚合酶功能。尽管本研究中纳入的所有患者均为沙特阿拉伯血统，但回顾性设计导致在获取某些临床数据方面存在困难，但它确实突出了一个种族群体中POLG相关疾病的临床谱。未来的系统性前瞻性研究应能提供更全面可靠的数据，以增进对这一破坏性疾病的理解，并为靶向治疗提供进一步指导。
结论部分的翻译如下：尽管这些疾病的治疗在很大程度上仍以支持性为主，但对POLG相关疾病分子机制认识的深入，为未来靶向线粒体功能和稳定性的治疗策略提供了希望。
