甲硫氨酰-tRNA 合成酶 2; MARS2

蛋氨酸 tRNA 合成酶，线粒体
MITOCHONDRIAL METRS

HGNC 批准的基因符号：MARS2

细胞遗传学位置：2q33.1 基因组坐标（GRCh38）：2:197,705,369-197,708,395（来自 NCBI）

▼ 克隆与表达

Spencer 等人使用根据 EST 序列设计的引物（2004）从 HL-60 cDNA 扩增了人线粒体甲硫氨酰-tRNA 合成酶（mtMetRS）基因（MARS2）。该基因编码推导的 593 个氨基酸的蛋白质，具有 18 个氨基酸的线粒体输入信号序列。该蛋白与其他哺乳动物的甲硫氨酰-tRNA 合成酶具有高度的同一性，但与低等真核生物的相应酶保守性较差，并且与人类细胞质 MetRS 没有相当大的序列相似性。人类 mtMetRS 蛋白和大肠杆菌同源物具有 19% 的序列同一性。人类 mtMetRS 的结构域组织与酿酒酵母和白色念珠菌线粒体 MetRS 的结构域组织非常相似。人类 mtMetRS 包含存在于所有 I 类合成酶中的特征序列 HIGH 和 KMSKS，以及许多被认为有助于所有生物体 MetRS 中通用核心的残基。然而，与许多 MetRS 不同的是，它没有锌结合位点，也缺乏被认为对二聚化很重要的 C 末端延伸。凝胶过滤研究表明，人 mtMetRS 作为单体发挥作用，表观分子质量为 67 kD。

▼ 基因功能

Spencer 等人使用从大肠杆菌中亲和纯化的重组人酶（2004）确定了 mtMetRS 氨酰化的动力学参数。与几种已表征的线粒体氨酰基 RS 一样，人 mtMetRS 可以氨酰化异源大肠杆菌 tRNA。

▼ 基因结构

博内丰德等人（2005）确定 MARS2 是一个单外显子基因，跨度为 1.8 kb。

▼ 测绘

Gross（2014）根据 MARS2 序列（GenBank AB107013）与基因组序列（GRCh37）的比对，将 MARS2 基因对应到染色体 2q33.1。

▼ 分子遗传学

痉挛性共济失调3

来自 38 个法裔加拿大家庭的 54 名患有常染色体隐性痉挛性共济失调 3（SPAX3; 611390）的患者，其中大多数最初由 Thiffault 等人报道（2006），巴亚特等人（2012）鉴定了 MARS2 基因的复杂重复重排。单倍型分析表明，SPAX3 队列中发生了 3 个涉及 MARS2 基因的重复事件（609728.0001-609728.0003）。所有患者均以纯合或复合杂合状态携带这些重排，并且这些重排与家族中的疾病分开；此外，一名具有相似表型的巴西患者也携带纯合重复。使用 PCR、阵列 CGH、测序和 Southern 印迹分析发现了重排。这些数据表明重复元件之间的同源性导致了复杂的重排，Bayat 等人（2012）假设该基因中存在的大量重复元件会引起基因组不稳定，并导致 DNA 复制过程中的模板转换以及重组错误。与对照组相比，培养的患者细胞表现出复合物 I 活性降低、活性氧水平升高以及细胞增殖率降低。患者细胞的 MARS2 mRNA 水平升高，但蛋白质水平降低。蛋白质水平的反常下降可能是由于 RNAi 介导的机制所致。使用 shRNA 敲低 HEK293 细胞中的 MARS2 会导致线粒体翻译有所减少，只有当蛋白质水平降低超过一定水平时才会显着减少。基因型/表型相关分析显示，Dup-Del 重排（609728.0001）患者的发病年龄往往较早，Dup1 重排纯合子（609728.0002）的患者也是如此。

联合氧化磷酸化缺陷 25

Webb 等人在 2 名患有联合氧化磷酸化缺陷 25（COXPD25；616430）的同胞中（2015）鉴定了 MARS2 基因中的复合杂合突变（609728.0004 和 609728.0005）。通过全外显子组测序发现的突变与家族中的疾病分离。患者成纤维细胞显示线粒体复合物 I 和 IV 的活性降低，这与线粒体翻译缺陷一致。免疫印迹分析显示 MARS2 蛋白水平降低，以及复合物 I 和 IV 的选定亚基水平降低。无法获得肌肉活检样本。

▼ 动物模型

巴亚特等人（2012）鉴定了一种果蝇品系，该品系在人类 MARS2 基因的果蝇同源物中具有突变纯合子。突变果蝇眼睛中的光感受器出现年龄依赖性退化，这与神经元功能和存活的缺陷一致。这些果蝇的其他特征包括寿命缩短、肌原纤维和线粒体异常的肌肉退化，以及上皮组织中细胞增殖受损。对突变果蝇的细胞研究显示氧化磷酸化缺陷、活性氧增加以及线粒体未折叠蛋白反应的上调。

▼ 等位基因变异体（5 个精选示例）：

.0001 痉挛性共济失调 3，常染色体隐性
MARS2、DUP/268-BP DEL、NT681

在几个患有常染色体隐性痉挛性共济失调 3（SPAX3; 611390）的法裔加拿大家庭的受影响成员中，Bayat 等人（2012）在 MARS2 基因中发现了一个杂合的 268 bp 缺失，导致移码和提前终止（c.681del268bpfs236Ter）。使用PCR分析和阵列比较基因组杂交（阵列CGH）鉴定了该缺失，并确定该缺失是MARS2基因编码区复杂的部分重复的一部分；该等位基因被称为“Dup-Del”。所有患者都携带这种具有不同重复的复合杂合性特定等位基因，称为“Dup1”。影响另一个等位基因（609728.0002）上的 MARS2 基因。在 384 个对照个体中未观察到涉及 MARS2 基因的拷贝数变异。与对照相比，来自携带 Dup-Del 等位基因的患者的细胞显示野生型 MARS2 的量减少，但与对照中发现的野生型蛋白水平相比，突变截短蛋白的水平增加。与野生型相比，患者细胞还表现出复合物 I 活性降低和细胞增殖率降低。

.0002 痉挛性共济失调 3，常染色体隐性
MARS2、DUP1

在几个患有常染色体隐性痉挛性共济失调 3（SPAX3; 611390）的法裔加拿大家庭的受影响成员中，Bayat 等人（2012）鉴定了 MARS2 基因的纯合重复，称为“Dup1”。由于基因 5-prime 末端重复序列的存在以及基因的小尺寸，完整的基因组测序和断点的识别受到阻碍。定量 Southern 印迹分析表明断点距 MARS2 基因野生型拷贝超过 15 kb。在每条染色体上检测到 MARS2 的两个拷贝：第一个包含整个编码和非编码序列，而重复的拷贝仅包含编码序列。来自其他几个患有该疾病的家庭的受影响个体是 Dup1 和 Dup-Del 等位基因（609728.0001）的复合杂合子或不同的重复（Dup2; 609728.0003）。在 384 个对照个体中未观察到涉及 MARS2 基因的拷贝数变异。来自携带 Dup1 等位基因的患者的细胞显示 MARS2 mRNA 表达增加，但 MARS2 蛋白减少，范围为对照值的 40% 至 80%。来自 Dup1/Dup1 纯合子患者的细胞在淋巴母细胞系中显示出线粒体翻译的细胞缺陷；与其他患者相比，这些患者发病较早。

.0003 痉挛性共济失调 3，常染色体隐性
MARS2、DUP2

在几个患有常染色体隐性痉挛性共济失调 3（SPAX3; 611390）的法裔加拿大家庭的受影响成员中，Bayat 等人（2012）鉴定了 MARS2 基因的纯合重复，称为“Dup2”。该重复与 Dup1（609728.0002）类似，但在 3-prime 非翻译区域包含一个小缺失。在 384 个对照个体中未观察到涉及 MARS2 基因的拷贝数变异。与其他患者相比，Dup2 等位基因纯合子患者的发病年龄较晚。

.0004 联合氧化磷酸化缺陷 25（1 个家族）
MARS2、GLN184TER

Webb 等人在 2 名患有联合氧化磷酸化缺陷 25（COXPD25；616430）的同胞中（2015）鉴定了 MARS2 基因中的复合杂合突变：c.550C-T 转换（c.550C-T, NM_138395.3），导致 gln184-to-ter（Q184X）取代，以及 c.424C- T 转变，导致高度保守残基处的 arg142 至 trp（R142W；609728.0005）取代。这些突变是通过全外显子组测序发现并通过桑格测序证实的，与家族中的疾病分离，并且在 dbSNP、1000 基因组计划或外显子组变异服务器数据库中未发现。患者成纤维细胞显示线粒体复合物 I 和 IV 的活性降低，这与线粒体翻译缺陷一致。免疫印迹分析显示 MARS2 蛋白水平降低，以及复合物 I 和 IV 的选定亚基水平降低，这可以通过野生型 MARS2 的过表达来挽救。无法获得肌肉活检样本。

.0005 联合氧化磷酸化缺陷 25（1 个家族）
MARS2、ARG142TRP

讨论 MARS2 基因中的 c.424C-T 转变（c.424C-T，NM_138395.3），导致 arg142 至 trp（R142W）取代，在 2 个同胞的复合杂合状态中发现Webb 等人的联合氧化磷酸化缺陷 25（COXPD25；616430）（2015），参见 609728.0004。