【神经肌肉病】POLG基因突变所致线粒体病五例报道

文章来源：中华神经科杂志,2018,51(12): 942-948

作者：赵旭彤 候越 郭露 冯淑艳 刘靖 王青青 张巍 袁云 王朝霞

摘要

目的

报道线粒体DNA γ-多聚酶基因（POLG）突变所致线粒体病的临床、病理和基因改变特点。

方法

回顾性分析2012年4月至2018年1月在北京大学第一医院就诊的来自不同家系的5例线粒体病患者的临床资料，对患者进行肌肉/神经活体组织检查（活检）和靶向二代测序基因检测。

结果

5例患者中男性3例，女性2例。2例显性遗传，3例呈散发或隐性遗传。发病年龄在15~40岁，病程1~26年。其中1例表现为不典型感觉性共济失调神经病伴构音障碍及眼外肌麻痹综合征伴随心脏预激综合征；有2例和1例分别表现为常染色体显性和隐性遗传性进行性眼外肌瘫痪叠加综合征；1例表现为认知发育延迟伴感觉神经病。伴随肌肉损害的4例患者肌活检均可见线粒体肌病的病理改变。表现为认知发育延迟伴感觉共济失调神经病患者的腓肠神经活检示慢性轴索性神经病。POLG基因在3例散发/隐性遗传患者为复合杂合突变，在2例显性遗传患者为单一杂合突变。其中c.914G>A、c.924G>T、c.1612G>T、c.1613A>T、c.1790 G>A和c.3002delG为尚未报道的新突变。

结论

POLG基因突变可导致不同的临床谱系。在POLG相关的线粒体神经肌肉病中，眼外肌瘫痪、肢体力弱和感觉轴索性周围神经病常见。新发现的POLG基因突变扩展了该基因的突变谱。

线粒体病是因线粒体DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）或核DNA（nuclear DNA, nDNA）的遗传缺陷引起线粒体氧化磷酸化功能障碍、ATP合成不足，而引起的一组可累及多系统的疾病。常见的线粒体病亚型如线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作（mitochondrial encephalomyopathy，lactic acidosis，and stroke-like episodes，MELAS）、肌阵挛性癫痫伴破碎红纤维（myoclonic epilepsy with ragged-red fibers，MERRF）的常见突变类型为mtDNA的点突变；而Kearns-Sayre综合征（Kearns-Sayre syndrome，KSS）和慢性进行性眼外肌瘫痪（chronic progressive external ophthalmoplegia, CPEO）的常见突变类型为mtDNA的大片段缺失。mtDNA片段缺失包括单一缺失和多发缺失，其中多发性片段缺失多为参与mtDNA复制或修复的nDNA缺陷导致的继发性改变，包括POLG[γ-多聚酶（polymerase gamma）]、ANT1、C10orf2、TP等核基因^[1]。POLG编码DNA多聚酶γ，是线粒体内唯一的DNA聚合酶，由POLG（POLG1）基因编码的一个催化亚基（p140）和由POLG2基因编码的两个辅亚基（p50）组成。POLG基因突变将导致DNA多聚酶γ的催化活性、持续合成能力以及与DNA结合能力严重下降，影响mtDNA的保真性复制以及mtDNA结构完整性的维护，导致mtDNA的多发性片段缺失、多发点突变或拷贝数量减少、线粒体功能异常从而引发线粒体疾病^[2]。自2001年Fadic等首次发现POLG基因突变造成的进行性眼外肌麻痹（progressive external ophthalmoplegia, PEO）之后^[3]，相继有文献报道POLG基因突变可导致常染色体隐性PEO（arPEO）和显性PEO（adPEO）^[3,4]、感觉性共济失调神经病伴构音障碍和眼外肌瘫痪（sensory ataxic neuropathy，dysarthria and ophthalmoparesis，SANDO）^[5]、常染色体隐性遗传性共济失调^[6,7]、脊髓小脑性共济失调伴癫痫^[8]等多种表型。但到目前为止，国内罕有POLG基因突变所致病例的报道。在此我们报道5例POLG基因突变所致线粒体疾病患者，并分析其临床、电生理、病理和基因突变特点。

资料和方法

一、临床资料

回顾性收集2012年4月至2018年1月在北京大学第一医院就诊的5例线粒体病患者，5例患者之间无血缘关系，总结其临床资料。在获得患者或其监护人的知情同意后，对患者进行骨骼肌或腓肠神经活体组织检查（活检），对所有患者及部分家系成员进行基因检测。

二、研究方法

1．肌肉和神经活检：

肌肉标本在液氮预冷的异戊烷中快速冰冻固定，冷冻切片，进行常规组织学、酶组织化学染色，包括苏木精-伊红（HE）、改良Gomori三色（MGT）、琥珀酸脱氢酶（SDH）、还原型辅酶Ⅰ四氮唑还原酶（NADH）、细胞色素c氧化酶（COX）、三磷酸腺苷酶（ATPase）染色等。腓肠神经活检标本一部分经4%的甲醛固定后，石蜡包埋和切片，常规进行HE、快蓝髓鞘和刚果红染色。另一部分标本在2%的戊二醛中固定，1%的饿酸后固定，常规脱水和塑料包埋，半薄切片甲苯胺蓝染色，超薄切片进行电镜观察。

2．基因检测：

对5例患者采取外周血5 ml，用盐析法提取基因组DNA，送基因检测公司利用靶向二代测序技术分析线粒体病相关核基因。对发现的可疑致病突变位点进行Sanger测序和家系验证。对文献未报道的新突变进行种系进化保守性分析，在ExAc数据库检索其人群携带率，用SIFT、Polyphen2、Mutationtaster等生物信息学软件预测其致病意义。

结果

一、患者临床资料

例1　男性，50岁，于2012年4月就诊我院。10年前逐渐出现双足麻木、双足踩棉感、行走不稳，有时穿鞋上床而不自知。5年前出现双眼睑下垂，晨起或休息后略减轻，同时伴随视物模糊。曾经诊为'左眼青光眼和白内障'。3年前进行左眼白内障手术治疗，术后视物模糊改善。1年前双下肢麻木发展到大腿中部，伴随双手麻木，无法进行精细活动。行走不稳症状更为明显，但尚能蹲起、独立行走及上台阶。否认家族中类似发病者。体格检查：身高172 cm，体重62 kg，构音清晰，双上睑下垂，上睑遮盖瞳孔上部1/3，双眼球各方向活动均受限，仅可活动约3 mm，无复视。双手掌指关节远端痛、触觉减退，双大腿中部以下痛、触觉减退。双膝关节以下音叉振动觉消失，双足趾关节运动觉消失。颈屈肌力Ⅳ级。屈髋肌力Ⅴ^-级，其余肌力Ⅴ级。双上肢共济运动正常，双下肢跟膝胫试验欠稳准。行走时步基略宽，闭目难立征阳性。四肢腱反射消失，双下肢病理征阴性。血清乳酸2.8 mmol/L（正常值0.5~2.0 mmol/L），血清肌酸激酶332 IU/L（正常值38~174 IU/L）。心电图示预激综合征（WPW）A型。针极肌电图示肌肉呈神经源性损害，感觉神经传导检测双正中、桡、腓浅、腓肠神经感觉神经动作电位（SNAP）均未引出。运动神经传导显示左腓总神经和双正中神经运动传导速度（MNCV）均正常，右腓总神经MNCV轻度下降（37 m/s），远端潜伏期（DML）延长（7.4 m/s），复合肌肉动作电位（CMAP）波幅下降（1.0 mV）。头颅MRI未见明显异常。

例2　男性，47岁，于2016年11月就诊我院。10年前开始出现蹲起费力和上楼费力，行走时易摔倒，4年前逐渐出现双侧眼睑下垂，伴随发音不清，偶有进食吞咽困难。家族史阳性，患者的母亲、舅舅和妹妹有类似临床表现。体格检查：轻度构音障碍，双上睑下垂，眼球上视轻度受限，余方向活动正常。四肢深浅感觉无异常，颈屈肌Ⅴ^-级，上肢肌力Ⅴ级，下肢近端肌力Ⅳ级，足背伸肌力Ⅱ级，跖屈肌力正常。四肢腱反射减低，病理征阴性。血清肌酸激酶945 U/L。周围神经传导检测未见异常。

例3　女性，28岁，于2016年6月就诊我院。4年前开始出现双眼睑下垂，伴随眼球活动障碍，没有复视，2年前出现四肢力弱，表现为上肢上举费力，上楼和蹲起费力。1年前行双侧上睑下垂矫正术。家族中没有类似发病者。体格检查：发音清晰，双眼睑下垂，上睑遮盖瞳孔上部1/3，双侧眼球各向活动障碍，活动度约3 mm。四肢感觉无异常，颈屈肌Ⅲ级，上肢肌力近端Ⅳ⁺级，屈腕、伸腕肌力Ⅳ级，双手握力正常，下肢屈髋肌力Ⅳ⁺级，远端正常。四肢腱反射消失，病理征阴性。针极肌电图显示肌肉呈肌源性损害。周围神经传导检测未见异常。

例4　女性，61岁，于2018年1月就诊我院。26年前出现上睑下垂，无晨轻暮重现象，19年前眼睑下垂遮挡瞳孔行双侧上睑上提手术。11年前开始出现全身乏力，行走易疲劳，4年前逐渐出现蹲起费力，需双手辅助方能起身。患者育有一女，28岁，8年前诊断为'卵巢早衰'，4年前出现眼睑下垂，无眼球活动障碍、肢体无力及吞咽困难。家族中其他人无类似表现。例4的体格检查显示：全身均匀性消瘦。讲话清晰，双侧上睑下垂，眼球上视活动差，其余各向运动充分，闭目轻度力弱。四肢深浅感觉无异常。颈屈肌力Ⅲ^-级，上肢近端肌力Ⅳ级，下肢近端肌力Ⅳ级，四肢远端肌力无异常。双下肢腱反射未引出，病理征阴性。血清肌酸激酶正常。针极肌电显示右侧股四头肌、左侧胸锁乳突肌呈肌源性损害。周围神经传导检测正常。头颅MRI未见明显异常。

例5　男性，16岁，于2014年3月就诊我院。自幼智力发育落后，1年前出现四肢无力，表现为行走缓慢，上台阶和蹲起费力，伴随上肢上举费力。否认家族中有类似发病者。患者父母为近亲结婚。体格检查：高弓足，跟腱挛缩。智力差，脑神经无异常。四肢感觉体检欠配合。双上肢近端肌力Ⅳ级，双手肌力Ⅴ级，双手平举时可见细小震颤，双下肢近端肌力Ⅳ^-级，足背伸Ⅳ级。无明显肌肉萎缩。四肢腱反射未引出，病理征阴性。心电图正常。电生理检查，感觉神经传导双尺神经、双腓肠神经、左腓浅神经SNAP未引出，左正中神经感觉神经传导速度（SCV）轻度下降（45.3 m/s），右正中神经SCV轻度下降（47.2 m/s），右腓浅神经SCV下降（57.3 m/s）。运动神经传导速度检测双正中神经DML延长（左右侧分别为4.11、4.32 ms）。运动神经传导速度正常，右侧胫神经CMAP波幅减低（2.9 mV）。头颅MRI未见明显异常。

5例POLG基因突变所致线粒体病患者主要临床特点见表1。

二、病理检查结果

例1~4及例4女儿骨骼肌活检均可见破碎红纤维（RRFs）、SDH深染的破碎蓝纤维（RBFs）以及COX阴性肌纤维（图1B、图1C）。例1同时出现散在或成小组分布的小角状萎缩肌纤维（图1A）。

图1 例1（A）和例2（B、C）的肌肉病理结果

A：HE染色显示少数肌纤维出现嗜碱性改变和角状萎缩肌纤维；B：琥珀酸脱氢酶染色显示深染的破碎蓝纤维（箭头）；C：琥珀酸脱氢酶/细胞色素c氧化酶双染色可见较多的细胞色素c氧化酶阴性肌纤维（蓝色肌纤维）

例5的腓肠神经活检示有髓神经纤维中~重度减少，可见个别再生簇（图2A）。电镜示有髓神经纤维轴索内线粒体空化、微小空泡增加、神经丝和神经管的结构紊乱（图2B）。

图2 例5的腓肠神经活体组织检查结果

A:甲苯胺蓝染色显示有髓神经纤维减少，可见个别有髓神经纤维再生簇（箭头）；B：电镜下可见有髓神经纤维轴索内线粒体空泡化、微小空泡增加、神经丝和神经管的结构紊乱

三、分子生物学检查结果

例1存在POLG c.2591 A>G（p.N864S）和c.1790 G>A（p.R597Q）复合杂合突变（图3A、图3B），其弟弟正常，仅携带c.2591A>G（p.N864S）单一杂合突变；例2存在c.914 G>A（p.S305N）单一杂合突变（图3C），其母亲与先证者含有相同位点杂合突变；例3出现c.924G>T（p.Q308H）（图3D）和c.3002delG（p.G1001fs）复合杂合突变，家系验证这两种突变分别来自其父母；例4出现c.2864A>G（p.Y955C）单一杂合突变，其女儿也携带该突变；例5存在c.1613A>T（p.E538V）和c.1612 G>T（p.E538^*）复合杂合突变。其中例1的c.1790 G>A、例2的c.914G>A、例3的c.924G>T、c.3002delG和例5的c.1613A>T、c.1612 G>T为新突变。ExAc数据库显示这6种突变的人群突变携带率极低（其中c.1790 G>A为2.0357E-05，c.914G>A为8.2512E-06，c.1613A>T为1.6244E-05，c.924G>T为8.340E-06，未发现c.1612 G>T具有携带率）。种系同源序列分析显示新发突变氨基酸位点S305N、R597Q、Q308H、E538V在种系发生上具有高度保守性（图4）。SIFT、Polyphen2、Mutationtaster生物信息学软件预测其具有致病性（表2）。

图3 部分患者POLG基因Sanger测序结果

例1的c.2591 A>G（A）及c.1790 G>A（B）复合杂合突变；例2的c.914 G>A单一杂合突变（C）；例3的c.924G>T单一杂合突变（D）

图4 不同种属间氨基酸保守性分析显示POLG蛋白突变氨基酸位点（S305N、R597Q、Q308H、E538V）呈现高度种系进化保守性

讨论

本研究的5例患者均存在POLG基因突变，在2例显性遗传的先证者检测到单一杂合突变，在3例散发患者中检测到复合杂合突变。在检测到的8个POLG基因突变中有2个突变为已知致病突变，已报道c.2591 A>G（p.N864S）突变导致SANDO ^[6]，c.2864A>G（p.Y955C）突变导致PEO ^[3]。其他6个突变为新突变。在这6个新突变中，c.3002delG和c.1612 G>T（p.E538^*）分别为移码突变和终止突变，其致病可能性较大。曾有文献报道c.924G>C(p.Q308H）导致PEO^[5]，我们发现该位点出现G>T，其氨基酸也是p.Q308H，在家系验证中存在基因型和表型共分离现象，支持c.924G>T是致病性突变。c.914G>A（p.S305N）、c.1790 G>A（p.R597Q）和c.1613A>T（p.E538V）为错义突变，ExAc数据库显示这几个突变的人群携带率极低，种系发生中具有高度保守性，生物软件也预测其致病性可能性大。病理检查发现例1~4的骨骼肌及例5的腓肠神经均存在线粒体形态异常的病理依据，也支持POLG基因突变导致的线粒体病的诊断。

该组患者的例1主要表现为中年隐袭起病、慢性进行性加重的感觉性共济失调伴眼外肌麻痹，缺乏构音障碍，符合不完全型SANDO的临床表现。SANDO这组临床三联征最早在1997年由Fadic等^[9]首次报道，2003年Van Goethem等发现其致病基因为POLG基因^[10]。此外，也有C10orf2、ANT1等基因所致SANDO的报道^[11]。SANDO可表现为完全型、不完全型或叠加综合征。起病年龄通常在16~53岁，大部分患者为逐渐缓慢进展，遗传方式包括散发、常染色体隐性、常染色体显性。首发症状以感觉性共济失调、步态不稳最为常见，随疾病发展可出现睑下垂、眼外肌麻痹、运动不耐受、构音及吞咽障碍、癫痫发作、认知功能下降及其他多系统如内分泌、心脏、消化道、自主神经等受累的多种临床表现^{[10,12,13,14,15,16]}，SANDO的核心症状为感觉性共济失调和眼外肌麻痹。文献报道心脏受累可表现为舒张性心脏病、二尖瓣脱垂等^[15]。而本组例1的心电图示WPW，提示心脏传导系统亦可受累。SANDO神经传导速度检测和周围神经病理检查常提示轴索性神经病或神经元病，感觉受累更明显^[16,17]。本组例1患者的周围神经传导显示SNAP均未引出，而运动神经受累相对轻，提示该患者为感觉神经受累为主的周围神经病，与文献报道相符。Horga等^[18]也提出，在线粒体病眼外肌瘫痪的患者中，如果出现周围神经受累，提示核基因缺陷的可能。虽然例1的肢体肌无力临床表现不重，但骨骼肌活检发现典型的线粒体病改变，为其诊断提供了重要线索。

该组患者的例2~4以成年起病的缓慢进展的双睑下垂、眼球活动障碍以及四肢近端肌无力为主要表现，而没有显著的感觉性共济失调，故诊断为PEO叠加综合征^[4]。这3例患者均属于家族性PEO，根据其遗传方式，例2和例4为adPEO，例3则为arPEO。家族性是POLG、ANT1、C10orf2等核基因突变所致，而散发性PEO是因mtDNA单一大片段缺失引起。散发性PEO多于儿童或青少年期发病，大部分患者症状一直局限在眼外肌；而家族性PEO一般为成人发病，除PEO症状外，肌无力和运动不耐受也是常见症状，部分患者可叠加出现轴索性周围神经病、听力下降、共济失调、抑郁、帕金森综合征、吞咽困难等^[8]。本组的例2出现构音障碍、例4的女儿出现卵巢功能早衰均属于POLG导致的PEO伴随改变^[8]。

还有报道POLG与多种其他神经系统疾病相关，包括早发婴幼儿起病的致死性Alpers综合征^[19]、青少年起病的MEMSA（myoclonus epilepsy, myopathy, sensory ataxia,肌阵挛癫痫、肌病、感觉性共济失调）^[19]、成年发病的MELAS ^[20]以及早发帕金森综合征等^[21]。本组例5为青少年起病，以认知发育迟滞和周围神经病为主要临床表现，没有眼外肌受累和家族史。电生理及神经活检均提示感觉受累为主的轴索性周围神经病。尽管认知和运动发育迟滞也见于POLG所致脑病患者中^[21]；而POLG导致的单纯的感觉运动性轴索性周围神经病也偶有报道^[22]，但与例5相似的临床表现尚未见报道。我们的发现扩大了POLG相关疾病的临床谱系（表1）。

总之，本组POLG基因突变相关线粒体神经肌肉病的表型不尽相同，包括不全SANDO、PEO或PEO叠加综合征、认知发育迟滞伴随周围神经病，其遗传方式可以为散发、显性或隐性遗传，尽管POLG相关疾病具有多样性，但其临床症状常以PEO、肢体无力、轴索性感觉性神经病等较为常见。神经肌肉病理检查和基因检测有助于明确诊断。