线粒体 DNA 缺失综合征 2（肌病型）； MTDPS2

TK2 相关的线粒体 DNA 缺失性肌病

▼ 描述

线粒体 DNA 耗竭综合征 2 是一种常染色体隐性遗传疾病，其主要特征是儿童时期出现与骨骼肌 mtDNA 耗竭相关的肌肉无力。临床差异较大；一些患者在婴儿期发病，并表现出快速进展的病程，并因呼吸衰竭而过早死亡，而另一些患者则在儿童期后期发病，出现缓慢进展的肌病（Oskoui 等，2006）。

有关常染色体隐性遗传 mtDNA 耗竭综合征遗传异质性的讨论，请参阅 MTDPS1（603041）。

▼ 临床特征

布斯塔尼等人（1983）报道了一名患有致命性线粒体肌病的女婴，其特征是进行性全身肌张力减退、进行性眼外肌麻痹和严重乳酸性酸中毒。先证者骨骼肌的电子显微镜显示，线粒体明显增生，其中许多含有嵴同心环，生化研究显示细胞色素c氧化酶活性严重降低（低于正常值的1%）。死后检查的肾脏、肝脏、心脏、肺和大脑的线粒体具有正常的细胞色素并保留了细胞色素c氧化酶活性。一位通过外祖父有血缘关系的表亲在 9 个月时死于肝功能衰竭，并伴有全身性氨基酸尿症，但没有乳酸性酸中毒或肌肉受累，这与该疾病的肝脑形式一致。在二表弟中，肝活检显示线粒体增大，细胞色素 C 氧化酶活性降低（低于正常值的 10%）。肾线粒体显示细胞色素正常。在附录中，作者指出，先证者的一个妹妹在 2 个月大时出现肌张力低下、眼肌麻痹和乳酸性酸中毒。肌肉和肝脏活检标本的电子显微镜和生化分析结果与先证者相同。

Boustany 等人报告的原始先证者和远房表弟的组织样本中（1983），莫赖斯等人（1991）在先证者中发现线粒体 DNA 的定量缺陷仅限于骨骼肌（对照值的 2%），而在远房表亲中则涉及肝脏（对照值的 12%）。第三名不相关的患者仅在肌肉中存在线粒体 DNA 缺陷（对照值的 3%），第四名患者仅在肌肉和肾脏中存在线粒体 DNA 缺陷（两种组织中都存在对照值的 17%）。没有证据表明 mtDNA 重链（H 链）或轻链（L 链）复制起点周围区域存在 mtDNA 突变。莫赖斯等人（1991）得出结论，受影响的个体在受影响的组织中表现出不同水平的 mtDNA 损耗（高达 98%），而未受影响的组织则具有相对正常的 mtDNA 水平。此外，

特里奇勒等人（1992）报道了 5 名患有线粒体肌病的儿童，其症状在一岁内或出生后不久就出现。肌肉活检显示参差不齐的红色纤维和呼吸链活性降低，这与肌肉线粒体 DNA 量减少（正常值的 2% 至 34%）相关。

维拉等人（2003）描述了一个不寻常的病例，一名 14 岁男孩患有肌病，他是 TK2 基因突变的复合杂合子。症状从出生起就很明显，3 岁和 8 岁时的肌肉检查显示有参差不齐的红色纤维、细胞色素 C 氧化酶缺乏和线粒体 DNA 严重缺失。当时线粒体呼吸链酶活性正常。14岁时的复查显示疾病进展，肌肉活检显示严重的肌肉萎缩，无线粒体DNA耗尽，所有呼吸链酶的活性下降。维拉等人（2003）指出，该患者的存活时间异常长，并表明随着时间的推移，线粒体 DNA 耗尽的肌肉纤维已经萎缩或死亡，而具有正常线粒体 DNA 的纤维却存活了下来。

在一项针对 2 名因 TK2 突变而患有 mtDNA 耗竭性肌病的同胞的骨骼肌纤维的研究中，Mancuso 等人之前曾报道过这两名同胞的骨骼肌纤维（2002），达勒姆等人（2005）确定每立方微米 0.01 mtDNA 的肌肉纤维 mtDNA 密度是维持残余细胞色素 C 氧化酶（COX）活性所需的最小 mtDNA 量。

奥斯库伊等人（2006）报道了 4 名无关的患者因 TK2 突变而患有肌病型 mtDNA 耗竭综合征。存在显着的临床变异：1 名患者的病程进展迅速，并在 19 个月时死亡，而其他患者的病程则更为漫长。其中一人在 6 岁时去世，另一人在 16 岁时去世。第四个孩子9岁时还活着，可以孤立行走，腰椎前凸，脚尖行走。她患有面部瘫痪、肌肉质量减少、弥漫性肌无力和肺功能正常。

帕拉达斯等人（2013）报道了一名 22 岁男性，由近亲父母出生，患有基因证实的 MTDPS2（T108M; 188250.0003）且病程有些迁延。直到 24 个月大时，他的发育一直正常，当时他表现出下肢近端肌肉无力，导致步态蹒跚。20 岁时，他出现鼻音，手臂近端轻度无力。因肺炎引发呼吸骤停后，他的肌肉无力迅速恶化，只能坐在轮椅上。他有严重的轴向和近端肌肉无力、面部无力但无下垂、胸肌萎缩、翼状肩胛和踝关节挛缩。他还患有不明原因的明显男性乳房发育症。实验室研究显示血清肌酸激酶升高，血清乳酸正常。肌肉样本显示营养不良特征、肌内膜纤维化、线粒体形状异常、线粒体复合物 I 活性降低（正常值的 35%）和多个 mtDNA 缺失（45% 残留 mtDNA）。家族史显示，一名3岁的妹妹因肌营养不良症而死于呼吸衰竭，前几代也有2名婴儿死亡。该报告因显着的家族内表型异质性而引人注目。

临床变异性

贝欣等人（2012）报道了 3 名无关的、经基因证实的 MTDPS2 患者，他们的病程比通常与这种疾病相关的情况更温和，进展也更慢。尽管所有患者均报告在儿童早期出现某种形式的肌张力低下、早期疲劳或行走迟缓，并且有 2 名患者在儿童时期出现近端肌无力，但所有患者均在 30 岁出头时出现更严重的损伤。特征包括蹒跚步态、远端和近端肌肉无力、轴向无力和呼吸功能不全。一名患者坐轮椅，一名患者步行时间不能超过 15 分钟。更多变化的特征包括上睑下垂、发声减退和面部无力。所有患者的认知、听力和心功能均正常。肌电图显示肌源性模式，肌肉活检显示与线粒体肌病一致的营养不良变化，包括复合物 I、III 和 IV 的缺乏。肌肉 mtDNA 消耗很明显，mtDNA 水平约为正常对照的 30%。该报告扩展了 MTDPS2 的表型谱，将进展缓慢得多的患者纳入其中，这可能是由于与受影响更严重的患者相比，残余肌肉 mtDNA 保存得更好。然而，不存在基因型/表型相关性，因为 2 名患者的先前报告的突变（T108M；188250.0003）是纯合的，这种突变在患有更严重疾病的儿童中观察到。该报告扩展了 MTDPS2 的表型谱，将进展缓慢得多的患者纳入其中，这可能是由于与受影响更严重的患者相比，残余肌肉 mtDNA 保存得更好。然而，不存在基因型/表型相关性，因为 2 名患者的先前报告的突变（T108M；188250.0003）是纯合的，这种突变在患有更严重疾病的儿童中观察到。该报告扩展了 MTDPS2 的表型谱，将进展缓慢得多的患者纳入其中，这可能是由于与受影响更严重的患者相比，残余肌肉 mtDNA 保存得更好。然而，不存在基因型/表型相关性，因为 2 名患者的先前报告的突变（T108M；188250.0003）是纯合的，这种突变在患有更严重疾病的儿童中观察到。

▼ 分子遗传学

对于肌病型 mtDNA 耗竭综合征患者，Saada 等人（2001）鉴定了线粒体胸苷激酶基因 H90N 和 I181N 的突变，现在分别为 H163N（188250.0001）和 I254N（188250.0002）。

为了进一步描述致病突变的频率和临床谱，Mancuso 等人（2002）筛选了 20 名患有肌病 mtDNA 耗竭综合征的患者。没有患者出现脱氧鸟苷激酶基因（DGUOK；601465）突变，但来自2个家族的4名患者出现TK2突变。两个同胞是先前报道的 H163N 突变（188250.0001）和新的 T77M 突变（现在的 T150M；188250.0003）的复合杂合子。另一对同胞携带纯合 I22M 突变（现为 I95M；188250.0004），其中 1 人有下运动神经元疾病的证据。因此，TK2突变的临床表达并不局限于肌病。这些突变的致病性通过肌肉中 TK2 活性的降低（对照组为 28% 至 37%）得到证实。

在 Tritschler 等人最初描述的一个家庭中（1992）其中 3 名同胞患有肌病 mtDNA 耗竭综合征，Mancuso 等人（2003）鉴定了 T150M 突变的纯合性。这些患者的肌肉活检标本中 80% 至 90% 的 mtDNA 被耗尽，并且全部在 40 个月大时死亡。作者指出，外显子 5 是 TK2 突变的热点。

▼ 发病机制

人类线粒体转录因子 A（TFAM; 600438）是一种 25 kD 的蛋白质，可能是 mtDNA 转录和复制的重要调节因子。酵母同源物 ABF2 的缺乏与线粒体 DNA 的丢失有关。这促使 Poulton 等人（1994）研究了实验性 mtDNA 缺失细胞系和肌病性 mtDNA 缺失患者中该因子的蛋白质和 mRNA 水平，以确定这些情况是否与 TFAM 缺乏有关。他们发现，3 名患者的骨骼肌中 mtDNA 与核 DNA 的比率较低，而 1 名患者的其他组织中，TFAM 的比率较低。此外，在永久或暂时耗尽 mtDNA 的细胞中，TFAM 较低，而且这种下降与 mtDNA 水平大致平行。他们得出的结论是，TFAM 缺乏可能是以下标志：

王等人（2003）发现具有 H163N（188250.0001）或 I254N（188250.0002）突变（分别称为 H121N 和 I212N）的重组人 TK2 与野生型 TK2 相比具有相似的亚基结构。与具有所有脱氧核苷的野生型 TK2 相比，I212N 突变酶显示出小于 1% 的活性。H121N 突变酶对胸苷和脱氧胞苷具有正常的 Km 值，但与野生型 TK2 相比，Vmax 值分别低 2 倍和 3 倍，并且 ATP 的 Km 值显着增加，导致酶效率降低。竞争实验表明，与野生型 TK2 相比，胸苷和脱氧胞苷与 H121N 突变体的相互作用不同。

▼ 动物模型

阿克曼等人（2008）创造了 Tk2 基因中含有 his126 至 asn（H126N）突变的小鼠，该突变与人类的 H163N 突变（188250.0001）同源。以预期的孟德尔频率获得纯合突变小鼠（Tk2 -/-），并且出生时表现正常。然而，在出生后第 10 天，它们表现出相对于野生型和杂合突变同窝小鼠的一些缺陷，包括生长迟缓、自发活动减少、全身粗大震颤和步态受损。它们迅速变得虚弱，导致两周大时承受严重压力或死亡。Tk2 -/- 动物在所有分析的组织中均表现出 Tk2 活性降低，大脑（受影响最严重的组织）的活性降低至野生型的 1.7%。在 Tk2 -/- 小鼠中，脑线粒体的 dTTP 浓度约为野生型的 20%，肝脏线粒体的 dTTP 和 dCTP 水平均降低。这些组织中其他dNTP的含量没有变化，其他组织中的dNTP水平不受影响。mtDNA 的消耗在大脑中最为明显，为野生型的 12.5%，并且只有大脑显示呼吸链酶（主要是复合物 I 和 IV）活性降低，并且 ATP 水平和 ATP/ADP 比率降低。脊髓神经元出现异常空泡变化，脊髓和皮质白质显示出胶质细胞活化的证据。阿克曼等人（2008）的结论是，与 H163N 突变患者中观察到的肌肉特异性表型相反，H126N 突变纯合子小鼠表现出快速进展的脑脊髓病。其他组织中的 dNTP 水平不受影响。mtDNA 的消耗在大脑中最为明显，为野生型的 12.5%，并且只有大脑显示呼吸链酶（主要是复合物 I 和 IV）活性降低，并且 ATP 水平和 ATP/ADP 比率降低。脊髓神经元出现异常空泡变化，脊髓和皮质白质显示出胶质细胞活化的证据。阿克曼等人（2008）的结论是，与 H163N 突变患者中观察到的肌肉特异性表型相反，H126N 突变纯合子小鼠表现出快速进展的脑脊髓病。其他组织中的 dNTP 水平不受影响。mtDNA 的消耗在大脑中最为明显，为野生型的 12.5%，并且只有大脑显示呼吸链酶（主要是复合物 I 和 IV）活性降低，并且 ATP 水平和 ATP/ADP 比率降低。脊髓神经元出现异常空泡变化，脊髓和皮质白质显示出胶质细胞活化的证据。阿克曼等人（2008）的结论是，与 H163N 突变患者中观察到的肌肉特异性表型相反，H126N 突变纯合子小鼠表现出快速进展的脑脊髓病。并降低 ATP 水平和 ATP/ADP 比率。脊髓神经元出现异常空泡变化，脊髓和皮质白质显示出胶质细胞活化的证据。阿克曼等人（2008）的结论是，与 H163N 突变患者中观察到的肌肉特异性表型相反，H126N 突变纯合子小鼠表现出快速进展的脑脊髓病。并降低 ATP 水平和 ATP/ADP 比率。脊髓神经元出现异常空泡变化，脊髓和皮质白质显示出胶质细胞活化的证据。阿克曼等人（2008）的结论是，与 H163N 突变患者中观察到的肌肉特异性表型相反，H126N 突变纯合子小鼠表现出快速进展的脑脊髓病。

巴特萨吉等人（2010）证明，小鼠体内 Tk2 活性丧失会导致严重的共济失调表型，同时伴有 mtDNA 拷贝数减少和大脑中电子传递链蛋白稳态水平降低。在 Tk2 缺陷的小脑神经元中，这些异常与线粒体生物能功能受损、线粒体超微结构异常和选定神经元类型的退化有关。

洛佩兹-戈麦斯等人（2021）在 Tk2 缺陷小鼠模型中评估了使用或不使用嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷（dC）和胸苷（dT））治疗的 AAV 基因治疗的效果。在出生后第 1 天，AAV9 将 TK2 cDNA（AAV9-TK2）传递给突变小鼠，可以挽救肝脏、大脑和肌肉中的 Tk2 活性，但不能挽救肾脏中的 Tk2 活性。与未经治疗的突变小鼠相比，经过治疗的突变小鼠的疾病发作延迟，寿命更长。当小鼠连续接受 AAV 给药（即出生后第 1 天给予 AAV9-TK2 剂量，然后在第 29 天给予 AAV2-TK2 剂量）时，与仅用 AAV9-TK2 治疗的小鼠相比，肾脏中的载体诱导并未增加，而大脑和肌肉中每个核的载体基因组有所减少。然而，与AAV9-TK2处理和未处理的突变小鼠相比，AAV9-TK2/AAV2-TK2处理的小鼠的存活率显着增加。AAV9-TK2/AAV2-TK2 治疗的小鼠和 AAV9-TK2 治疗的小鼠的生长曲线、运动功能和力量相似，并且两个治疗组均未出现头部震颤。突变小鼠还接受连续 AAV9-TK2/AAV2-TK2 给药以及从出生后第 21 天开始口服 dC 和 dT 治疗，与其他治疗组的突变小鼠相比，它们的生长、存活率以及肝脏和肾脏的 mtDNA 拷贝数都有所改善。洛佩兹-戈麦斯等人（2021）得出的结论是，补充 dC 和 dT 可以增强 TK2 基因治疗的效果，并支持未来对 TK2 缺陷患者进行联合治疗的潜力。AAV9-TK2/AAV2-TK2 治疗的小鼠和 AAV9-TK2 治疗的小鼠的强度和强度相似，并且两个治疗组均未出现头部震颤。突变小鼠还接受连续 AAV9-TK2/AAV2-TK2 给药以及从出生后第 21 天开始口服 dC 和 dT 治疗，与其他治疗组的突变小鼠相比，它们的生长、存活率以及肝脏和肾脏的 mtDNA 拷贝数都有所改善。洛佩兹-戈麦斯等人（2021）得出的结论是，补充 dC 和 dT 可以增强 TK2 基因治疗的效果，并支持未来对 TK2 缺陷患者进行联合治疗的潜力。AAV9-TK2/AAV2-TK2 治疗的小鼠和 AAV9-TK2 治疗的小鼠的强度和强度相似，并且两个治疗组均未出现头部震颤。突变小鼠还接受连续 AAV9-TK2/AAV2-TK2 给药以及从出生后第 21 天开始口服 dC 和 dT 治疗，与其他治疗组的突变小鼠相比，它们的生长、存活率以及肝脏和肾脏的 mtDNA 拷贝数都有所改善。洛佩兹-戈麦斯等人（2021）得出的结论是，补充 dC 和 dT 可以增强 TK2 基因治疗的效果，并支持未来对 TK2 缺陷患者进行联合治疗的潜力。突变小鼠还接受连续 AAV9-TK2/AAV2-TK2 给药以及从出生后第 21 天开始口服 dC 和 dT 治疗，与其他治疗组的突变小鼠相比，它们的生长、存活率以及肝脏和肾脏的 mtDNA 拷贝数都有所改善。洛佩兹-戈麦斯等人（2021）得出的结论是，补充 dC 和 dT 可以增强 TK2 基因治疗的效果，并支持未来对 TK2 缺陷患者进行联合治疗的潜力。突变小鼠还接受连续 AAV9-TK2/AAV2-TK2 给药以及从出生后第 21 天开始口服 dC 和 dT 治疗，与其他治疗组的突变小鼠相比，它们的生长、存活率以及肝脏和肾脏的 mtDNA 拷贝数都有所改善。洛佩兹-戈麦斯等人（2021）得出的结论是，补充 dC 和 dT 可以增强 TK2 基因治疗的效果，并支持未来对 TK2 缺陷患者进行联合治疗的潜力。