亮氨酰-tRNA 合成酶 2; LARS2

亮氨酰-tRNA 合成酶、线粒体
线粒体LEURS

HGNC 批准的基因符号：LARS2

细胞遗传学位置：3p21.31 基因组坐标（GRCh38）：3:45,388,576-45,549,407（来自 NCBI）

▼ 说明

LARS2 基因编码线粒体亮氨酰-tRNA 合成酶（Solda 等人总结，2016）。

▼ 克隆与表达

Bonnefond 等人通过搜索含有线粒体靶向序列的氨酰基-tRNA 合成酶数据库，（2005）鉴定了 LARS2，他们将其称为线粒体 LEURS。推导的 903 个氨基酸蛋白具有 N 端线粒体靶向信号，该信号在残基 39 之后被切割。LARS2 具有 I 类氨酰基-tRNA 合成酶的特征，包括经典的罗斯曼折叠。

Li和Guan（2010）利用Northern印迹分析检测到普遍存在但可变的LARS2表达，在高代谢率的组织中表达最高，例如骨骼肌、心脏和肾脏。

▼ 基因结构

博内丰德等人（2005）确定 LARS2 基因包含 20 个外显子，跨度 153 kb。

▼ 测绘

塞莱斯等人（1997）使用一种实验系统，即消除测试，来识别大量人类肿瘤中 3p 染色体缺失中常见的 1-Mb 片段。该区域被称为染色体 3 共同消除区域 1，或 C3CER1。 Kiss 等人使用来自 C3CER1 的 2 个重叠 PAC 的序列（1999）将编码线粒体亮氨酰-tRNA 合成酶前体的 cDNA 定位于 3p21.3 区域。他们定位了第二个基因 LIMD1（604543），非常接近 LARS2 基因。

▼ 基因功能

tRNA-leu（UUR）（MTTL1；590050）中的 3243A-G 突变（590050.0001）（其中 R = A 或 G）会导致 MELAS 综合征（540000）。该突变的主要缺陷是突变 tRNA-leu（UUR）的氨酰化效率低下，导致线粒体功能障碍，RNA 加工和蛋白质合成速率降低，以及呼吸缺陷。 Li和Guan（2010）从含有来自异质MELAS患者成肌细胞的3243A-G突变体或野生型线粒体的人类细胞质杂交体（cybrids）中开发出近同质突变体cybrid系和等基因同源性野生型cybrid系。他们发现，LARS2 在突变体细胞杂种系中的过度表达（而非野生型细胞杂种系中）增加了氨酰化 tRNA-leu（UUR）的稳态水平以及 RNA 加工和转录的速率，并恢复了线粒体呼吸。

▼ 分子遗传学

佩罗综合症 4

在来自巴勒斯坦血统近亲家庭和斯洛文尼亚血统家庭的 Perrault 综合征 4（PRLTS4；615300）受影响的个体中，Pierce 等人（2013）鉴定了 LARS2 基因的纯合和复合杂合突变（分别为 604544.0001-604544.0003）。

Solda 等人是一对姐妹和兄弟，出生于无血缘关系的意大利父母，患有 PLTS4（2016）鉴定了 LARS2 基因中的复合杂合错义突变（T300M, 604544.0004 和 E638K, 603544.0005）。这些突变是通过外显子组测序发现的，并通过桑格测序证实，与家族中的疾病分开。未进行体外功能研究和患者细胞研究。

在 2 位患有 PRLTS4 的日本姐妹中，Kosaki 等人（2018）鉴定了 LARS2 基因中的复合杂合错义突变（E294K, 604655.0007 和 T519M, 604544.0008）。这些突变是通过外显子组测序发现的，并通过桑格测序证实，与家族中的疾病分开。在 2,049 个日本对照组中没有发现这两种变体，但在 ExAC 数据库中发现这两种变体的频率都非常低。尚未对这些变异进行功能研究，但根据 ACMG 标准，它们被认为可能具有致病性。这些患者还存在神经发育异常、学习困难和行为异常，从而扩大了 PLTS4 的表型谱。

van der Knaap 等人在 4 名无关患者（2 名女性和 2 名男性）中携带 PRLTS4（2019）鉴定了 LARS2 基因中的复合杂合突变（参见例如 604544.0007；604544.0009-604544.0011）。这些突变是通过全基因组或全外显子组测序发现的，在所有可获得父母 DNA 的患者中都与疾病分离。患者来源的线粒体显示 LARS2 氨酰化活性降低（约为对照的 50%）。除了耳聋和卵巢功能衰竭（女性）外，患者还存在行为和运动方面的神经系统受累，以及脑部影像学上的脑白质营养不良。

水肿、乳酸酸中毒和铁粒幼细胞贫血

Riley 等人发现，一名由无关的巴基斯坦父母所生的女婴患有水肿、乳酸性酸中毒和铁粒幼细胞贫血（HLASA；617021），导致 5 天时死亡（2016）鉴定了 LARS2 基因中的复合杂合错义突变（T522N, 604544.0001 和 A430V, 604544.0006）。这些突变是通过全外显子组测序发现的，并通过桑格测序证实，与家族中的疾病分开。大肠杆菌的体外功能表达研究表明，这些变异导致催化活性出现不同程度的降低。

来自 2 个不相关家庭（家庭 1 和 2）的 3 名男孩患有 HLASA，Riley 等人（2020）鉴定了 LARS2 基因中的复合杂合错义突变（604544.0011-604544.0014）。这些突变是通过外显子组测序发现的，并通过桑格测序证实，与家族中的疾病分开。 gnomAD 数据库中不存在任何内容。这些重组变体的体外功能表达研究表明，与对照相比，所有这些重组变体都导致 LARS2 氨酰化活性降低，尽管其中一些对酶活性的影响比其他变体更严重。作者推测，酶活性受损的程度与表型的严重程度相关，因此与 PRLTS4 相关的突变相比，HLASA 相关的 LARS2 突变具有更有害的影响。然而，这两种疾病之间存在具有重叠临床特征的表型谱。

关联待确认

莱利等人（2020）报道了一名 17 岁男孩患有与 LARS2 基因（R103H 和 D518N）复合杂合错义变异相关的可逆性线粒体肌病。这些变异是通过外显子组测序发现并通过桑格测序证实的，均遗传自未受影响的父母。两者均在gnomAD数据库中找到：R103H的频率为1.6 x 10（-5），而R518N的频率为0.0039； gnomAD中有6个R518N纯合携带者。患者在婴儿期出现运动发育轻度延迟和明显的颈部肌肉无力。童年后期，他出现肌张力低下、四肢肌肉无力、高尔斯征阳性和跑步笨拙等症状。到了青春期，结构化的锻炼计划提高了他的耐力，他能够参加体育运动。 17 岁时，他的肌肉体积和力量正常，高尔斯征为负。认知功能、听力和视力均正常。实验室研究发现血乳酸和肌酸激酶增加。肌肉活检显示纤维大小变化，1 型纤维减少，中央核轻度增加，肌膜下异常堆积增大的多形性线粒体，与线粒体肌病一致。对肌肉线粒体呼吸链复合物的分析显示，与对照组相比，复合物 I 活性较低。患者肌肉中的 LARS2 蛋白水平下降（对照组的 20%），但成纤维细胞中的 LARS2 蛋白水平正常。体外研究表明，每个突变体的 LARS2 氨酰化催化效率均降低（R103H 损失 2 倍，D518N 损失 6 倍）；当 ATP 浓度降低时，R103H 的酶活性特别低。作者注意到与 LARS2 变异相关的不寻常表型。

▼ 动物模型

为了系统地识别控制线虫寿命的所有基因类别，Lee 等人（2003）在 RNA 干扰（RNAi）筛选中使用了一组超过 5,600 个基因来识别失活后可延长寿命的基因。筛选结果显示，大量线粒体功能必需的基因在决定线虫寿命方面发挥着关键作用。与这些结果一致，在延长寿命的经典遗传筛选中，他们发现线粒体亮氨酰-tRNA合成酶基因 Lrs2 中可能存在无效突变，导致寿命显着延长。线粒体受损的长寿线虫的 ATP 含量和耗氧量较低，但对自由基和其他应激的反应不同。这些数据表明，较长的寿命不能简单地归因于较低的自由基产生，并表明新陈代谢和寿命之间存在更复杂的耦合。

皮尔斯等人（2013）证实，LARS2 无效突变（T247X）纯合的线虫品系是完全不育的，根本不产生后代，而野生型蠕虫每只动物可产生 200 至 250 个后代。生殖细胞发育被抑制，因此从未观察到卵母细胞。

▼ 等位基因变异体（14 个选定示例）：

.0001 佩罗综合征 4
包括水肿、乳酸中毒和铁粒幼细胞贫血
LARS2、THR522ASN

佩罗综合症 4

Pierce 等人的一名姐妹和 2 名兄弟患有 Perrault 综合征（PRLTS4；615300），来自巴勒斯坦血统的近亲家庭（2013）鉴定了 LARS2 基因中 chr3:45,537,808C-A（GRCh37）处 c.1565C-A 颠换的纯合性，导致催化结构域中高度保守残基处的 thr522 至 asn（T522N）取代α 螺旋的 N 末端，形成口袋的一部分，tRNA 链的 3 引物末端与该口袋结合。该突变在其未受影响的父母中以杂合性存在，但在 NHLBI 外显子组变异服务器中的 239 名巴勒斯坦人或 362 名斯洛文尼亚人对照，或 6,500 名欧洲裔美国人或非裔美国人血统对照中未发现。酵母互补测定中的功能分析显示，T522N 变体仅部分挽救了红色素的产生，表明相对于野生型，活性降低。

水肿、乳酸酸中毒和铁粒幼细胞贫血

Riley 等人发现，一名由无关的巴基斯坦父母所生的女婴患有水肿、乳酸性酸中毒和铁粒幼细胞贫血（HLASA；617021），导致 5 天时死亡（2016）鉴定了 LARS2 基因中的复合杂合错义突变：催化结构域中的 T522N 取代和 c.1289C-T 转换，导致部分保守残基处的 ala430 至 val（A430V）取代（604544.0006）在CP1编辑域中。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，并且在外显子组变异服务器数据库或 345 个对照外显子组中没有发现。 ExAC 数据库中未发现 A430V，而 T522N 的发现频率较低（0.0002）。大肠杆菌的体外功能表达研究表明，与野生型相比，A430V 变体导致催化活性降低 18 倍，而 T522N 变体导致催化活性降低 9 倍。免疫印迹分析显示患者肌肉中的 LARS2 水平正常，但患者肝脏中的 LARS2 水平下降约 50%。患者肝脏中线粒体复合蛋白（尤其是复合物 I）的水平下降，患者肌肉中的下降程度较小，但患者成纤维细胞中的线粒体复合蛋白水平没有下降。患者成纤维细胞或诱导肌管的线粒体蛋白质合成没有缺陷，这表明这些变异只影响能量需求较高的组织。

.0002 佩罗综合症 4
LARS2，THR629MET

Pierce 等人在一位患有卵巢早衰和严重听力损失的斯洛文尼亚裔女性中（PRLTS4; 615300）（2013）鉴定了 LARS2 基因中 2 个突变的复合杂合性：chr3:45,557,610（GRCh37）处的 c.1866C-T 转换，导致哺乳动物中保守的残基处的 thr629 到 met（T629M）取代，以及chr3:45,527,241（GRCh37）处 1-bp 缺失（c.1077delT; 604544.0003），预计会产生 373 个氨基酸的截短蛋白，在 C 末端有 14 个新氨基酸（Ile360PhefsTer15）。她未受影响的父母各有一种突变的杂合子，在 NHLBI 外显子组变异服务器中的 239 名巴勒斯坦人或 362 名斯洛文尼亚人对照中，或在 6,500 名欧洲裔美国人或非裔美国人血统对照中均未发现这两种突变。酵母互补测定中的功能分析表明，1077delT 变体无法挽救红色素的产生，这表明它代表了一种非功能性变体；相比之下，T629M 变体产生了足够的活性来支持野生型红色素的产生。皮尔斯等人（2013）表明 LARS2 T629M 和 1077delT 的复合杂合组合会降低 LARS2 的总活性，导致卵巢和内耳线粒体功能不足。

.0003 佩罗综合症 4
LARS2，1-BP DEL，1077T

讨论 Pierce 等人在患有卵巢早衰和严重听力损失的女性（PRLTS4; 615300）中以复合杂合状态发现的 LARS2 基因（c.1077delT）中的 1-bp 缺失（2013），参见 604544.0002。

.0004 佩罗综合征 4
LARS2、THR300MET

Solda 等人的一对兄弟姐妹，出生于无血缘关系的意大利父母，患有 Perrault 综合征 4（PRLTS4；615300）（2016）鉴定了 LARS2 基因中的复合杂合错义突变：c.899C-T 转换（c.899C-T, NM_015340.3），导致编辑域中的 thr300-to-met（T300M）替换，以及c.1912G-A 转变，导致催化结构域中 glu638-to-lys（E638K；604655.0005）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确认的，根据 dbSNP（版本 135）、1000 基因组计划和外显子组测序计划数据库进行筛选，并与家族中的疾病进行分离。 ExAC 数据库或包含 3,500 名种族匹配对照的内部数据库中均未发现这些突变。 E638 残基高度保守，而 T300 残基在哺乳动物中保守，但在关系较远的物种中则不然。基于大肠杆菌结构的分子模型表明，这两种突变都是有害的。未进行体外功能研究和患者细胞研究。

.0005 佩罗综合征 4
LARS2、GLU638LYS

讨论 LARS2 基因中的 c.1912G-A 转变（c.1912G-A，NM_015340.3），导致 glu638 到 lys（E638K）取代，在 2 个同胞中以复合杂合状态发现Perrault 综合征 4（PRLTS4；615300），Solda 等人（2016），参见 604655.0004。

.0006 水滴、乳酸中毒和铁粒幼细胞贫血（1 名患者）
LARS2、ALA430VAL

讨论 LARS2 基因中的 c.1289C-T 转变（c.1289C-T，NM_015349.3），导致 ala430-to-val（A430V）取代，这是在患有以下疾病的患者中以复合杂合状态发现的Riley 等人提出的水肿、乳酸性酸中毒和铁粒幼细胞性贫血（HLASA; 617021）（2016），参见 604544.0001。

.0007 佩罗综合征 4
LARS2、GLU294LYS

Kosaki 等人在 2 名患有 Perrault 综合征 4 型（PRLTS4；615300）的日本姐妹中（2018）鉴定了 LARS2 基因中的复合杂合错义突变：外显子 10 中的 c.880G-A 转换（c.880G-A，NM_015340），导致 glu294 到 lys（E294K）取代，以及 c.880G-A 转换（c.880G-A，NM_015340），导致 glu294 到 lys（E294K）取代。外显子 14 中的 1556C-T 转变，导致 thr519 至 met（T519M；604544.0008）取代。这两种突变都发生在 tRNA 合成酶的编辑域中。这些突变是通过外显子组测序发现的，并通过桑格测序证实，与家族中的疾病分开。在 2,049 个日本对照组中没有发现这两种变体，但在 ExAC 数据库中发现这两种变体的频率都非常低。尚未对这些变异进行功能研究，但根据 ACMG 标准，它们被认为可能具有致病性。这些患者还存在神经发育异常、学习困难和行为异常，从而扩大了 PLTS4 的表型谱。

van der Knaap 等人在一名患有 PRLTS4 的 48 岁女性（患者 4）中进行了研究（2019）鉴定了 E294K 突变和 R228H 的复合杂合性（参见 604544.0011）。这些突变是通过外显子组测序发现的：E294K 在 gnomAD 数据库中的出现频率较低（0.0016%）。患者来源的线粒体显示 LARS2 氨酰化活性降低（约为对照的 50%）。除了耳聋和卵巢功能衰竭之外，患者成年后还出现进行性神经运动异常，这些异常与脑成像中的脑白质营养不良有关。

.0008 佩罗综合症 4
LARS2，THR519MET

讨论 LARS2 基因外显子 14 中的 c.1556C-T 转变（c.1556C-T，NM_015340），导致 thr519-to-met（T519M）取代，在 2 姐妹中以复合杂合状态发现Kosaki 等人患有 Perrault 综合征 4（PRLTS4；615300）（2018），参见 604544.0007。

.0009 佩罗综合症 4
LARS2、ARG663TRP

van der Knaap 等人对一名患有 Perrault 综合征 4（PRLTS4; 615300）的 37 岁男性（患者 2）进行了研究（2019）鉴定了 LARS2 基因中的复合杂合错义突变：c.1987C-T 转换（c.1987C-T，NM_015340.3），导致催化和 tRNA 之间的 arg663 至 trp（R663W）取代结合域和 c.371A-T 颠换，导致催化域中 asn124 至 ile（N124I；604544.0010）取代。两种突变均发生在保守残基处。通过全外显子组测序发现的这些突变均遗传自未受影响的父母。 R663W 变体在 gnomAD 数据库中的发现频率较低（0.0012%），而 N124I 不存在。纯化重组变体的体外功能表达研究显示，与对照相比，LARS2 催化氨酰化活性损失了 3 倍。与 tRNA 的结合不受突变的影响。患者来源的线粒体也显示出 LARS2 活性降低（约为对照的 50%），但对线粒体呼吸链复合物没有影响。除了耳聋之外，患者还存在进行性神经系统异常，包括行为和运动方面的异常，以及脑部影像学上的脑白质营养不良。

.0010 佩罗综合征 4
LARS2、ASN124ILE

讨论 LARS2 基因中的 c.371A-T 颠换（c.371A-T，NM_015340.3），导致 asn124 至 ile（N124I）替换，该替换在患有以下疾病的患者中以复合杂合状态发现： Perrault 综合征 4（PRLTS4；615300），作者：van der Knaap 等人（2019），参见 604544.0009。

.0011 佩罗综合症 4
包括水肿、乳酸中毒和铁粒幼细胞贫血
LARS2、ARG228HIS

佩罗综合症 4

van der Knaap 等人对一名患有 Perrault 综合征 4（PRLTS4; 615300）的 48 岁女性（患者 4）进行了研究（2019）鉴定了 LARS2 基因中的复合杂合错义突变：c.683G-A 转换（c.683G-A，NM_015340.3），导致催化结构域中的 arg228 到 his（R228H）取代，以及E294K（604544.0007）。 R228H 不存在于 gnomAD 数据库中。这些突变是通过全外显子组测序发现的；该患者未受影响的母亲携带R228H变异，但无法获得其父亲的DNA。患者来源的线粒体显示 LARS2 氨酰化活性降低（约为对照的 50%）。除了耳聋和卵巢功能衰竭之外，患者成年后还出现进行性神经运动异常，这些异常与脑成像中的脑白质营养不良有关。

水肿、乳酸酸中毒和铁粒幼细胞贫血

Riley 等人在一名患有水肿、乳酸性酸中毒和铁粒幼细胞贫血（HLASA; 617021）的 18 个月大男孩（患者 1）中进行了研究（2020）鉴定了 LARS2 基因中的复合杂合错义突变：R228H 和 D438G（604544.0012）。这些突变是通过外显子组测序发现的，并通过桑格测序证实，与家族中的疾病分开。这两者都不存在于 gnomAD 数据库中。这些重组变体的体外功能表达研究表明，与对照相比，两者均导致 LARS2 氨酰化活性降低，其中 R228H 的影响比 D438G 更严重。

.0012 水滴、乳酸中毒和铁粒幼细胞贫血
LARS2，ASP438GLY

Riley 等人发现，一名 18 个月大的男孩，其父母为日本人和白人（家庭 1），患有水肿、乳酸性酸中毒和铁粒幼细胞贫血（HLASA; 617021）（2020）鉴定了 LARS2 基因中的复合杂合错义突变：a.1313A-G 转变，导致编辑域中的 asp438 到甘氨酸（D438G）替换，以及催化域中的 R228H（604544.0011）。这些突变是通过外显子组测序发现的，并通过桑格测序证实，与家族中的疾病分开。这两者都不存在于 gnomAD 数据库中。这些重组变体的体外功能表达研究表明，与对照相比，两者均导致 LARS2 氨酰化活性降低，其中 R228H 的影响比 D438G 更严重。

.0013 水滴、乳酸中毒和铁粒幼细胞贫血
LARS2、ALA130THR

Riley 等人在 2 个兄弟中出生，父母无亲缘关系的中东人（家庭 2），患有水肿、乳酸性酸中毒和铁粒幼细胞贫血（HLASA; 617021）（2020）鉴定了 LARS2 基因中的复合杂合错义突变：c.388G-A 转变，导致催化结构域中的 ala130 到 thr（A130T）取代，以及 c.2099C-T 转变，导致反密码子结合域中的 thr700-to-ile（T700I; 604544.0014）替换。这些突变是通过外显子组测序发现的，并通过桑格测序证实，与家族中的疾病分开。这两者都不存在于 gnomAD 数据库中。这些重组变体的体外功能表达研究表明，与对照相比，两者均导致 LARS2 氨酰化活性降低，其中 A130T 的影响更为严重。一个兄弟在出生第一天就去世了，另一个兄弟幸存下来，但在 8 个月大时出现发育迟缓和感音神经性听力损失。

.0014 水滴、乳酸中毒和铁粒幼细胞贫血
LARS2、THR700ILE

讨论 LARS2 基因中的 c.2099C-T 转变，导致 thr700 到 ile（T700I）取代，该取代在患有水肿、乳酸性酸中毒和铁粒幼细胞的 2 个兄弟（家族 2）的复合杂合状态中发现Riley 等人提出的贫血（HLASA；617021）（2020），参见 604544.0013。