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【遗传病学术圈】Leber遗传性视神经病变

12岁男孩奔奔的双眼视力在两天内急剧丧失,从1.0变成仅能看到模糊的人影,奔奔平时成绩都是班里前几名,现在眼睛突然看不见,已经有一个月没法做作业了。当地医生诊断,奔奔的角膜、晶状体和视网膜没问题,是视神经有毛病了,给予糖皮质激素冲击治疗,效果不好。后来到杭州浙二眼科中心神经眼科专科主任孙主任认为“孩子双眼视力很差、视盘明显充血、水肿,但瞳孔光发射正常,应该首先考虑Leber遗传性视神经病变,经线粒体基因检测以明确诊断。,奔奔和妈妈的线粒体基因11778位点发生突变,引起线粒体功能障碍,继而导致视神经发病而造成视力永久性下降。



Leber遗传性视神经病变(Leber’s Hereditary Optic Neuropathy, LHON)为视神经退行性变的母系遗传性疾病。LHON在任意年龄可发病。集中发病与年龄在15-25岁之间男性,在女性中常见发病年龄范围更大一些。由于一些尚不清楚的原因,LHON在男性中的发病率约为女性的五倍。目前,在世界范围内,约有35000位LHON患者,但有更多的人是致病基因的携带者。临床主要表现为双眼同时或先后急性或亚急性无痛性视力减退,同时可伴有中心视野缺失及色觉障碍。视力损害严重程度差异较大,可由完全正常、轻度、中度到重度。

1871年,德国眼科医生Leber首先报告此病。1988年美国Wallace研究组确定LHON的病因,是由mtDNA突变所致,全球发病率为1/25000,而亚洲人高发,日本的发病率为1.13/10000,估计我国约有15万患者。


 

线粒体mtDNA (mitochondria DNA)

mtDNA由16,569对碱基对组成,构成人体细胞内DNA总量的1%~2%。该基因组编码了13个与氧化磷酸化紧密相关的多肽,以及与线粒体蛋白合成相关的2个rRNA和22个tRNA。虽然绝大部分的线粒体蛋白质是由细胞核基因组编码,在细胞质中合成后运送到线粒体内的,但也正因如此,有害的mtDNA突变通过减少ATP的生成,也能影响到整个细胞,从而产生一系列的疾病。

mtDNA来源于卵细胞,所以mtDNA突变造成的疾病都有母系遗传的特点。mtDNA突变与很多的临床疾病有关,比如部分肌病、听觉丧失、糖尿病、阿尔兹海默症、帕金森症都有可能是由mtDNA突变引发的。一个细胞包含了许多线粒体,每个线粒体又包含10~100个DNA分子,任何一个DNA位点突变都会使之成为异质性突变(heteroplasmy)——既包含正常DNA也包含突变DNA。但很多突变是起始于卵子发生时期的,所以个体往往是同质性的(homoplasmy),即所有mtDNA都发生突变。这种类型的个体往往会有更为严重的症状。

LHON是由mtDNA三个主要原发突变基因造成的,除此之外,还有其他次级突变会与原发突变产生协同作用,增加携带原发突变基因个体的发病几率;未被完全证实的X染色体上相关基因以及环境因素也会增加发病的可能性。

mtDNA的异质性和继发突变可能是影响LHON不完全外显的重要原因。

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临床表现

Leber遗传性视神经病,是德国眼科专家Theodore Leber在1871年最早发现的。

LHON患者首先会遭遇到一只眼或两只眼同时的突然视觉模糊,这一过程不伴随有痛感。如果是一只眼出现症状的话,另一只眼可能于数周或数月后出现相同症状。由于这一症状出现地十分突然,它又被称为acute phase(急性期)。随着病情发展,患者的视觉灵敏度(就是分辨率的倒数)以及分辨颜色的能力下降。LHON患者受影响的主要是central vision,将无法进行如分辨人脸、阅读、驾驶等需要分辨细节的活动。患者的peripheral vision通常保持完整,所以可以独立行走。出于某些未知的原因,某些患者的症状会减轻。

除了视觉受影响外,LHON患者也会出现其他症状,被称作LHON plus。这包括运动障碍,震颤和控制心跳的电信号的异常(心脏传导缺陷)。此外,LHON还会导致类似于多发性硬化的症状,表现为肌肉无力、协调性差以及麻木。

LHON患者由于一系列原因中央部分的视觉丧失,也就是两边的鼻侧半视野都会出现缺损。

下面是正常人眼中的图像:

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而LHON患者眼中的图像则可能是这样的:

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或者是这样的:

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诊断

由于LHON十分罕见,因此发病初期往往被诊断为视神经炎,并处以3-5天的激素治疗。诊断通常基于检眼镜,视神经乳头水肿、血管异常弯曲、视神经乳头周围毛细血管扩张、微血管病和视野中央失明都是LHON的征兆。此外还可通过光学相干断层扫描确诊视神经纤维层的水肿。当激素治疗后未见好转且另一只眼睛开始出现症状,则开始考虑其他致盲因素:MRI或者CT可以用于排除脑部肿瘤;腰椎穿刺可用于排除中枢神经系统炎症;此外还应当排除多发性硬化以及其他视神经病变如Wolfram综合征、常染色体显性遗传性视神经萎缩等。基因检测或遗传谱系对于LHON的确诊也是关键的。据统计,30-50%男性携带者和80-90%女性携带者不发病。

 

分子遗传

线粒体DNA的位点突变被认为是LHON的特异性病征,国外已报道25个位点突变,一般公认原发突变位点有11778(G→A)占40%,3460(G→A)占6%~25%和14484(T→C)占10%~15%。亦有少数4146及14459位点突变被认为是与LHON相关致病性突变。调查显示中国LHON患者主要是由ND6 T14484C的突变引起的。

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ND6 T14484C:使低度保守的ND6编码蛋白第64位甲硫氨酸被缬氨酸替代,在白人患者中占15%,它也通常是同质性,只在少数的家庭里被发现为异质性。男性外显率为82%,可见治愈率为37%。

ND4 G11778A: 此突变引起高度保守的ND4 编码的蛋白质中第340位处的精氨酸变为组氨酸。在约50%的白种人和90%的日本人LHON家庭中,发病都与该位点突变直接相关。该突变引起了82%的男性外显率,并且只有约4%的自主治愈率。

ND1 G3460A:使中度保守的ND1编码的多肽第52位丙氨酸变为苏氨酸。15%的白种人LHON与该原发突变相关,并且通常是同质性。69%携带该突变基因的男性出现病状,约22%的患者可以自我治愈。

还有其他研究表明,一些常染色体的基因也会影响发病率,如OPA1 基因,它的主要功能参与调节线粒体内膜和嵴的融合及分裂过程,此基因的突变会破坏线粒体的机构,导致常染色体显性遗传性视神经萎缩。增大LHON的发病率。

环境因素被用来解释LHON的高发年龄是青壮年时期。有研究调查过吸烟,酗酒等不良习惯与LHON发病率之间的联系,虽然不同的调查之间存在矛盾,但是也指出这些不良习惯会导致LHON发病率的提高。另外这些因素也可以用来解释性别差异。

 

致病机制

三个原发突变都会导致线粒体内膜上电子传递链复合体Ⅰ的亚基的某个氨基酸的替换。也有的突变会导致转录的延迟终支,导致翻译出的蛋白质多出几个氨基酸并导致功能受到影响。其最终结果都会导致复合体Ⅰ的功能降低,进而降低氧化磷酸化的速率,影响细胞的能量供应。此外,由于复合体Ⅰ的功能降低,导致电子传递受到影响,电子无法经过完整的电子传递链便与氧分子结合,进而产生自由基。由于神经细胞尤其是神经节细胞对能量的依赖性和自由基的敏感性,导致其最先出现损伤甚至凋亡,由此导致LHON的一系列症状。

 

治疗

发病年龄和致病基因是决定病情的因素。年轻病人通常预后效果更好,MT-ND6突变的病人恢复率最大。有些病人,尤其是14484突变者在发病后1-2年出现了自发性的部分恢复。完全失明非常罕见。虽然视野通常无法完全恢复,但视觉敏锐度可以达到很高的恢复程度。

目前没有通过批准的临床治疗手段,一切处理都仅以缓解症状与恢复功能为主。视力一旦有所恢复通常很少会再减退。所以对任何治疗效果的评价均应慎重。

有些病人自己企图通过食用抗氧化食品治疗,然而早期研究发现抗氧化剂并无治疗作用,相关研究也已停止。为减少对视神经的毒性损害,保持有益的主要是健康的生活习惯:戒烟戒酒,吃新鲜而非加工过的食物,经常锻炼。同时,避免使用一些干扰线粒体氧化磷酸化的抗生素也很重要。

虽然临床有使用神经营养药物治疗,但并无肯定的疗效。日本对于急性期病例使用血管扩张剂艾地苯醌联合维生素B2、维生素C、泛癸利酮(辅酶Q10)和前列腺素类的降眼压药异丙乌诺前列酮,旨在缩短视力恢复的时间。

目前有一些药物在恢复视力方面得到了正面结果,但尚处于临床试验阶段:Idebenone,辅酶Q10,EPI-743,Bendavia等。此外一些醌类化合物也处于试验阶段。

LHON被作为基因治疗的重点研究对象之一。同济医院眼科李斌教授设计了ND4的核酸序列,由专业的生物公司人工合成,将其装载进一种对人体无害的病毒中去,几年来,对这个合成载体无数次在兔子,老鼠等动物身上进行试验。通过注射的方式,让这个病毒把DNA送进病变的细胞。2012年,李斌团队获得了相关的中国国家专利证书。完成了9例LHON患者的基因治疗。经临床观察,有6例患者视力显著提高,安全性和有效性得到初步验证。2016年2月,临床基因治疗的初步结果发表在《EBioMedicine》杂志上。

之后美国和法国的眼科专家也开始临床试验,研究结果相继发表,与李斌教授团队的结果相近,特别有趣的是,3个团队都是单眼治疗,双眼视力提高。


参考文献

http://www.lhonsociety.org/about-lhon

https://www.lhon.org/lhon-101

https://ghr.nlm.nih.gov/condition/leber-hereditary-optic-neuropathy

Yang,et al, Long-term outcomes of gene therapy for the treatment of Leber’s hereditary optic neuropathy, EbioMedicine, 2016

We57

 G11778A LHON NCT 02161380,Ophthalmology,2016