Cell Reports亮点推荐丨多重组学精确诊断罕见代谢性疾病

来源：BioArt

先天性代谢缺陷包括多种罕见的遗传性疾病，主要是由于调节代谢通路的酶，辅酶或转运蛋白的功能性缺失和改变，引起代谢产物的异常聚集或终产物的缺失，从而严重影响人体器官的发育和正常生理功能【1】。人类遗传病数据库（OMIM, Online Mendelian Inheritance in Man）记录了400多种已诊断的先天性代谢缺陷病和相关的几千个基因，但是对于很多此类疾病的患者特别是婴幼儿来说，成功的临床诊断和有效的早期干预依然缺乏，导致了不可逆的发育缺陷甚至死亡。

近十年来， 第二代测序技术已经被成功地用于遗传病的分子诊断，特别是全外显子组测序 已广泛地用于筛选代谢缺陷相关的基因突变。 然而仅有四分之一的病例能够找到候选的致病基因，而且对于每个基因突变是否具有致病性往往缺少直接的功能验证【2】。

德克萨斯大学西南医学中心儿童研究所 (Children’s Research Institute at UTSW) 于2014年开始了遗传与代谢疾病研究项目（Genetic and Metabolic Disease Program），致力于先天性代谢缺陷病的临床和基础研究。4月30日，该机构Ralph DeBerardinis课题组与Min Ni课题组在 Cell Reports 上发表文章 Functional Assessment of Lipoyltransferase-1 Deficiency in Cells, Mice, and Humans ，研究了一例典型的罕见代谢症病例，该患者临床表现为发育迟缓，四肢无力，伴有乳酸性酸中毒和癫痫，该患者的父母此前还有两个女儿有同样的症状，于婴幼儿期死亡。此类症状在多种遗传代谢疾病病例中都会出现，因此正确有效的诊断类似的病症非常困难。

该病人最初诊断为丙酮酸脱氢酶缺乏症（pyruvate dehydrogenase deficiency），常规的治疗方案是使用生酮饮食（ketogenic diet），高脂肪蛋白和低碳水化合物的配方（即生酮饮食）能够降低体内乳酸水平。但是当该病人调整到生酮饮食，很短时间就出现了严重的酸中毒，这种反应并不符合丙酮酸脱氢酶缺陷症的诊断。

于是，研究人员利用全外显子组测序分析发现了LIPT1基因上的两个分别来自父母的杂合子突变。LIPT1基因产物是脂肪酸转移酶1（lipoyltransferase-1），是多种酮酸脱氢酶（ketoacid dehydrogenase）的修饰酶，对细胞糖酵解（glycolysis）、氨基酸代谢和三羧酸循环（TCA cycle）起到重要的调节作用。

为了证实这个基因突变是否直接引起了病人的代谢异常， 研究人员使用代谢组学和脂质组学技术分析了该病人和多例正常儿童血样中代谢产物和脂类成分，发现2-羟基戊二酸（2-hydroxyglutarate，2-HG）异常升高，细胞结构脂类异常降低。利用CRISPR-Cas9技术，研究人员将该病人的LIPT1突变引入了小鼠基因组，发现纯合子导致胚胎致死，受控于LIPT1的PDH酶活性在10.5天的小鼠胚胎中显著降低。从该病人皮肤组织分离的成纤维细胞（fibroblast）进一步证实了三种重要的LIPT1底物脱氢酶复合物PDH，AKGDH和 BCADH的活性都显著降低， 但是脂肪酸的氧化（fatty acid -oxidation）效率明显增加。因此，当糖和氨基酸代谢作为主要的能量来源，其降解通路由于LIPT1功能丧失被阻断时，细胞就更多依赖于脂肪代谢产生的乙酰辅酶A去维持线粒体三羧酸循环的氧化反应来提供能量，但是同时细胞内脂肪的重新合成明显降低。

DeBerardinis实验室此前发现当线粒体内的氧化代谢受阻，例如PDH功能缺失，来源于谷氨酰胺的α-戊二酸酮（α-ketoglutarate）能够通过IDH1和IDH2逆向催化的还原反应（reductive carboxylation）生成异柠檬酸盐（isocitrate），从而保证三羧酸循环的正常运转【3】。在该病人的成纤维细胞中，研究人员通过同位素示踪实验发现，虽然催化α-戊二酸酮代谢的AKGDH活性降低，但是谷氨酰胺仍然能够被氧化生成三羧酸循环下游产物，小部分被还原成柠檬酸盐。证明该病人的LIPT1基因突变并没有导致此酶活性的完全丧失。给病人的成纤维细胞补充三羧酸循环中间产物，能够有效的平衡代谢反应，维持细胞的正常生长。

综上所述，这项研究通过多种组学技术分析病人血样，发现了LIPT1缺陷症特异的代谢异常，并利用小鼠模型和病人组织来源的细胞证实了LIPT1基因突变的致病原理。该研究发现的多种代谢产物水平的异常变化可以将LIPT1缺陷症和其他临床表现类似的代谢疾病有效区分，从而提高该疾病的诊断率，同时也对相应的治疗措施提供了理论基础。