摘要 Leigh综合征是一种亚急性坏死性脑肌病，经脑组织尸检分析证实，脑组织呈现海绵状病变，神经膜空泡化，随后由75个不同基因中的一个基因突变引起脱髓鞘、胶质增生和毛细血管增生，包括核和线粒体编码基因， 其中大部分与线粒体呼吸链功能有关。 在这项研究中，我们报告了一名疑似Leigh综合征患者，其表现为癫痫发作、上睑下垂、脊柱侧弯、肌张力障碍、对称性壳核异常和脑MRS上的乳酸峰，但肌肉和肝脏的MRC酶学正常，从而使诊断复杂化。 全外显子测序发现NADH脱氢酶（泛醌）黄素蛋白1基因复合杂合突变( NDUFV1型 )，约1162+4A>c( NM_007103.3号 )，导致外显子8跳跃，c.640G>A，导致氨基酸替换p.Glu214Lys，这两种情况都曾在一名复合物I缺乏症患者中报告过。 患者成纤维细胞显示NDUFV1蛋白表达显著降低，复合物CI和复合物IV组装减少，两种复合物的酶活性分别相应降低38%和67%。 通过对患者肌肉、肝脏和成纤维细胞中MRC酶复合体亚基的免疫印迹分析，进一步证实了这些变异的致病作用，我们观察到复合体CI分别减少90%、60%和95%。 这些研究共同强调了综合、多管齐下的方法对疑似Leigh综合征患者进行实验室评估的重要性。
电子补充材料 本章的在线版本（doi:10.1007/8904_2016_541）包含补充材料，可供授权用户使用。
关键词： Leigh综合征，线粒体呼吸链复合物，突变，NDUFV1，全外显子组测序
介绍 Leigh综合征主要是一种早发、进行性、神经退行性疾病，由参与丙酮酸代谢或线粒体呼吸链复合体（MRC）的至少75个核和线粒体编码基因突变引起，后者主要涉及复合体I（CI）和复合体IV（CIV）（Lake等人。 2015 ). Leigh综合征的临床特征是脑干功能障碍、脑内对称性海绵状病变、肌张力障碍、痉挛、运动障碍、视觉障碍、眼球震颤、眼睑麻痹、上睑下垂、小脑共济失调、癫痫、脊柱侧凸、， 球功能障碍和周围神经病变导致线粒体功能障碍的生化迹象，包括不同体液中的乳酸升高、尿液中的克雷布斯循环中间产物以及不同组织中线粒体呼吸链的功能障碍（Lake等人。 2015 ). 核编码线粒体CI基因的突变 NDUFV1型 [MIM 161015]之前由Schuelke等人报道( 1999 )随后，Benit等人发表了一份报告( 2001 )与本文报道的具有相同突变和Leigh综合征和CI缺乏临床表型的患者（Benit等人。 2001 ; Schuelke等人。 1999 ). 该基因编码CI黄素蛋白部分的51 kDa亚单位，包含NADH、黄素单核苷酸（FMN）和铁硫结合位点（Mimaki等人。 2012 ). NDUFV1型 在进化上高度保守，在CI的催化活性中起着关键作用（Benit等人。 2001 ). CI功能障碍是人类最常见的氧化磷酸化障碍，可能是由于其结构、功能和组装所需的亚基数量庞大（每个亚基由不同的核或线粒体基因编码），而CI组装过程中的缺陷通常是错误的（Mimaki et al。 2012 ).
为了确定先证者迟发性儿童Leigh综合征的遗传基础，我们对先证者和四个未受影响的家庭成员的DNA进行了全外显子序列测定，并确定了复合杂合子 NDUFV1型 序列变体( NM_007103.3号 )先证者。 对患者成纤维细胞的功能检测显示NDUFV1蛋白水平降低，MRC装配缺陷，CI和CIV功能障碍，导致ATP生成可能减少。 这些变化以前与血浆乳酸水平中度升高的患者的CI缺乏相关，临床特征包括小脑共济失调、持续性癫痫、精神运动退化、斜视、上睑下垂和脑干多个对称高强度区域的脑萎缩（Benit等人。 2001 ).
方法和材料 探针总结 该女性先证者是无血缘关系父母的第二个孩子，父母为高加索裔澳大利亚血统。 她有一个哥哥和一个弟弟，他们都很好。 妊娠过程简单，由于头盆不均衡，她在足月时通过选择性下段剖腹产分娩。 出生体重为3.47公斤（第50百分位），身长为50厘米（第50至75百分位。 围产期无任何问题，也无早期生长发育问题，听力和视力均正常。 她在头3-4个月接受母乳喂养。
她一直正常生活到2年，当时她出现了热性痉挛，随后出现了部分左上睑下垂。 2–3个月后，上睑下垂消失。 7岁时，她的父母注意到她似乎使用左臂和右腿的次数少于右臂。 她的父母回想起来说，与哥哥相比，她总是显得笨手笨脚。 随后，她出现了进行性不对称双侧手足肌张力障碍，右侧比左侧更严重，对巴氯芬和肉毒杆菌毒素只有部分反应。 实施生酮饮食没有明显的益处。
在接下来的12个月里，她的肌张力障碍逐渐恶化，咀嚼变得更加困难，她失去了自我喂食的能力，她的平衡和语言能力也恶化了。 她在10岁时就成了轮椅，出现了渐进性脊柱侧凸，最后一次检查时，她12岁时出现了静止性震颤、构音困难和吞咽困难，需要进行胃造口术。 她的父母认为硫胺素、辅酶Q10、， 我 -肉碱和生物素具有一定的主观益处。
7岁时进行的脑部MRI显示对称性壳核损伤，脑部MRS显示乳酸峰值（未显示图像）。 一年后的重复MRI显示壳核的变化，以及尾状体左侧和右侧四倍体板的受累（未显示图像）。 血液和脑脊液乳酸在许多情况下都正常，尿液代谢筛查、血清CPK、铜和铜蓝蛋白以及肝功能测试也正常（结果未显示）。 临床演变和脑MRI改变提示临床诊断为迟发性Leigh综合征。
分光光度分析发现肌肉和肝脏呼吸链酶活性正常（表 1 ). 她对常见的Leigh综合征突变m.8993T>C和m.8993T>G为阴性。随后对整个线粒体基因组进行测序，没有发现任何有趣的变体，并且发现成纤维细胞丙酮酸脱氢酶活性正常（结果未显示）。
表1。 骨骼肌、肝脏和成纤维细胞的分光光度法MRC酶诊断数据
酶活性 %活动 %CS比率
病人 （参考范围）
肌肉 一
CI（nmol/min/mg） 46 19–72 110 53
CII（nmol/min/mg） 121 26–63 269 126
CIII（分钟/毫克） 72.2 12.8–50.9 248 112
CIV（最小值/毫克） 11.88 3.3–9.1 180 86
CS（nmol/min/mg） 273 85–179 212 –
肝脏
CI（nmol/min/mg） 21 8–11 221 113
CII（nmol/min/mg） 166 54–73 272 138
CIII（分钟/毫克） 15.1 5.2–10.3 199 100
CIV（分钟/毫克） 0.78 0.5–0.9 110 56
CS（nmol/min/mg） 54 26–31 193 –
%活动
病人 控制
皮肤成纤维细胞 b条
成纤维细胞中的CI
38 *
100
成纤维细胞中的CIV
67 *
100
全外显子序列测定 按照制造商的说明，使用QIAamp DNA迷你试剂盒（德国希尔顿市齐根）从患者、其父母和两名未受影响的兄弟姐妹的全血中分离出基因组DNA。 如前所述，对所有样品进行了WES和生物信息学分析（Menezes等人。 2015 ).
所有受试者的DNA桑格测序证实了通过WES分析鉴定的变异。 桑格测序是在澳大利亚基因组研究设施（AGRF）、韦斯特米德千禧年研究所（澳大利亚韦斯特米德）使用ABI PRISM BigDye Terminator Cycle sequencing Ready Reaction Kit和ABI PRIS 3100 Genetic Analyzer（美国加利福尼亚州福斯特城应用生物系统公司）进行的。
外显子跳跃 按照制造商的说明，使用Superscript III第一链cDNA合成试剂盒（Invitrogen，Mulgrave，VIC，Australia）将从成纤维细胞中提取的总RNA转化为cDNA。 每个反应包含400 ng总RNA和250 ng随机十聚体，200 U上标III和40 U RNaseOUT™（美国加利福尼亚州卡尔斯巴德生命技术公司）。 通过在50°C下培养60分钟生成全长cDNA。 用PCR扩增cDNA，以确定内含子变异是否导致外显子跳跃。 PCR产物经凝胶纯化（PCR纯化试剂盒；Qiagen）并送往AGRF进行Sanger测序。
免疫印迹法 如前所述，裂解成纤维细胞并制备蛋白质（Riley等人。 2013 ). 在4–12%Bis–Tris凝胶（Life Technologies）上分解20μg每个蛋白质样品，并转移到聚偏氟乙烯（PVDF）膜上。 用1:1000抗NDUFV1（ab174472，Abcam，Cambridge，United Kingdom）或1:500抗OXPHOS混合物（由五种抗体组成，识别五种MRC复合物中每一种的不稳定亚单位；ab110411，Abcam）探测膜。 蛋白质负载量归一化为孔蛋白（1:5000抗孔蛋白，室温下2小时；ab14734，Abcam）。 然后在室温下用1:2500抗兔或抗鼠IgG辣根过氧化物酶（HRP；英国白金汉郡Little Chalfont的GE Healthcare）对所有印迹进行2小时的探测。 然后将膜与增强化学发光（ECL）试剂一起孵育，并暴露于Hyperfilm ECL（GE Healthcare，Little Chalfont，Buckinghamshire，United Kingdom）。 使用SRX-101A（Konica Minolta Holdings，Inc.，Tokyo，Japan）扫描仪扫描胶片，并使用ImageJ 1.49版进行分析( 网址：http://rsb.info.nih.gov/ij/ ).
如前所述，从患者和对照骨骼肌和肝脏活检样本中提取蛋白质（PMID:12847163）。 通过在4–12%Bis–Tris凝胶（Life Technologies）上运行样品并用考马斯蓝染色溶液染色来估计蛋白质的相对浓度， 之后，对样品进行上述免疫印迹，但用1:2000抗鼠IgG辣根过氧化物酶检测印迹1.5小时，并使用CP1000处理器（Agfa-Gevaert，Mortsel，比利时）扫描胶片。
分光光度法测定MRC酶活性 如前所述，先证者肝脏和骨骼肌活检中的MRC酶活性测定（Frazier和Thorburn 2012 ).
成纤维细胞复合物I和IV油尺酶活性测定 按照制造商的指示，使用试纸酶分析法对患者成纤维细胞的新分离蛋白裂解物进行CI和CIV酶分析（英国剑桥Abcam）。
蓝色天然聚丙烯酰胺凝胶电泳 如其他地方所述，对患者成纤维细胞的新分离蛋白裂解物进行蓝色天然聚丙烯酰胺凝胶电泳（BN-PAGE）（McKenzie et al。 2007 ). 20μg蛋白质样品在4–16%Bis–Tris蛋白质凝胶（美国加利福尼亚州卡尔斯巴德市生命科技公司）上溶解。
统计分析 使用GraphPad Prism 5.03（GraphPad-Software，San Diego，USA）进行统计分析。 Mann–Whitney对所有变量进行了统计比较 U型 非参数测试。 双尾学生的 t吨 -措施测试至少一式三份。 统计显著性设置为 P（P） < 0.05.
结果 由于临床怀疑迟发性Leigh综合征，我们最初在肝脏和骨骼肌中进行了MRC复合物分光光度测定（表 1 ). 由于这些结果在参考范围内，并且患者具有强烈指示Leigh综合征的表型，我们进行了全外显子组测序，并在MRC CI黄蛋白亚基编码基因中鉴定了复合杂合突变（c.1162+4A>c和c.640G>a） NDUFV1型 桑格测序证实了这两种突变，父母双方各携带一种突变（图 1a和c ). 生物信息学 对c.640G>A变异体的综述预测它会影响蛋白质功能，并具有最大的破坏性得分，表明p.Glu214位置在许多物种中都是完全保守的（图 1亿 ). 生物信息学 对c.1162+4A>c变异的分析预测它会引起疾病，影响供体剪接位点。 这些变异具有非常低的次要等位基因频率( http://www.1000genomes.org &ExAc公司 http://exac.broadinstitute.org ). 由患者成纤维细胞mRNA逆转录产生的患者cDNA扩增在琼脂糖凝胶电泳上显示出两条带：一条密集的高全长带和一条较短的转录物（微弱的低带）（图 1天 ). 较短转录物的Sanger测序证实了外显子8的跳跃（图 第1页 )患者mRNA中较高全长带中存在错义c.640G>A突变。
图1。
( 一 )桑格测序剖面图 NDUFV1型 来自先证者和先证者父母的复合杂合突变，包括c.640G>A（p.Glu214Lys；母亲杂合）和c.1162+4A>c（父亲杂合）。 ( b条 )改变的氨基酸残基（p.Glu214）的进化序列保守性用 红色矩形 . ( c（c） )cDNA扩增显示先证者有两条带：一条强烈的高分子量带和一条微弱的低分子量带。 ( d日 )对扩增cDNA的微弱条带进行Sanger测序，显示患者第8外显子跳跃。 ( e（电子） )RT-PCR的代表性图像和外显子8跳跃的测序分析
我们检测了患者成纤维细胞中NDUFV1蛋白水平及其对MRC复合物水平的影响。 免疫印迹分析显示，与对照组相比，患者成纤维细胞中NDUFV1水平降低了72%（图 2a个 ). 根据MRC复合物形成的蛋白质稳定性，对MRC酶复合物亚单位进行免疫印迹分析，发现患者成纤维细胞中CI（95%）、CIII（45%）和CIV（60%）严重减少（图 2亿 ). 然而，在患者骨骼肌和肝脏中，只有CI分别减少了90%和60%，这表明CI是我们患者最脆弱的复合体（图 2厘米 和补充图1）。 我们尚不清楚哪些因素可能导致我们的患者携带组织特异性 NDUFV1型 突变。
图2。
( 一 )免疫印迹显示，与对照组相比，先证者培养成纤维细胞中NDUFV1表达降低（P）。 ( b条 )免疫印迹显示与对照组（C）相比，先证者（P）的肌肉和肝脏中OXPHOS的表达。 ( c（c） )免疫印迹显示先证者培养成纤维细胞中OXPHOS的表达（P）与对照组（C）相比。 ( d日 )使用针对复合物I的NDUFA9亚基、复合物II的SDHA亚基、复合物III的UQCRC1亚基和复合物IV的COX1亚基的抗体，对在1%洋地黄素中裂解的皮肤成纤维细胞线粒体进行BN-PAGE免疫印迹，显示复合物I、III、IV和超复合物CI/CII减少
自从 NDUFV1型 突变只会影响CI，我们通过蓝色天然聚丙烯酰胺凝胶电泳（BN-PAGE）检测患者成纤维细胞中的MRC聚集。 观察到CI（60%）、CIII（35%）、CIV（51%）和超复合体I/III（95%）的相对减少（图 二维 ). 然而，我们无法检查患者骨骼肌和肝脏中是否也存在这些组装缺陷，因为我们没有足够的组织材料来进行这些研究。
总之，这些结果证实了 NDUFV1型 预测的变量 生物信息学 分析，有力证据表明NDUFV1亚单位水平的变化影响了我们患者的CI装配。 然后通过试纸酶分析重新评估线粒体呼吸链酶功能，以确定患者成纤维细胞裂解物中免疫捕获CI和CIV的相对比活性。 结果表明，与对照组相比，患者成纤维细胞中CI和CIV的活性分别降低了67%和38%（表 1 ). 通过试纸酶分析降低的CI和CIV活性与患者成纤维细胞免疫印迹上观察到的CI和CIDV水平降低一致（图 2b–d日 ).
讨论 这项研究强调了在临床上患有Leigh综合征但临床上未受影响的组织中MRC酶活性正常的患者的诊断中面临的几个挑战。 这些发现加强了使用大规模平行测序鉴定这种遗传异质性疾病潜在遗传基础的价值，并证明了验证性结构和功能分析对建立基因型和表型关联的证据库的重要性。
在大多数情况下，MRC疾病的诊断依赖于识别一种或多种MRC酶的异常活性（Hui等人。 2006 ). 然而，使用MRC酶活性作为主要诊断工具是有局限性的。 这些主要与稀释水分析系统有关，该系统不完美地反映了膜包埋酶的功能，并且难以区分初级和次级MRC缺陷，如其他地方所讨论的（Thorburn等人。 2004 ). 因此，在67例疑似澳大利亚Leigh综合征病例中，只有29例MRC复合体活性显著降低， 强调在MRC疾病的诊断中，酶活性调查应该是对其他结构和功能证据的补充和补充，并且应该谨慎解释（Rahman等人。 1996 ).
然而，实施MRC酶学联合方法，如分光光度分析和极谱或试纸酶分析，目前不适合作为一线诊断分析，但可用于确认和评估新突变的影响以及研究动物模型（Calvo等人。 2010 ; Wenchic等人。 2003 ). 这些互补方法在方法上有所不同，可能允许对所涉及的路径进行差异化查询（Barrientos等人。 2009 ; Tang等人。 2013 ; Wenchic等人。 2003 ).
Benit等人( 2001 )据报道，一名患者患有相同的复合杂合子变异，1岁时出现癫痫发作，血浆乳酸轻度升高，神经功能退化，斜视，上睑下垂，病程进展导致3年死亡。 MRI显示典型的双侧对称基底节和脑干病变。 尸检后组织病理学证实Leigh综合征（Benit等人。 2001 ). 他们报告称肌肉和肝脏CI缺乏。 然而，CI在培养的皮肤成纤维细胞中是正常的（Benit等人。 2001 ). 与Benit等人报道的病例相比，我们描述的患者具有不同的临床表现( 2001 )发病较晚，进展较慢，不对称性上睑下垂和肌张力障碍，但无癫痫发作。 确诊后，患者仍活了10年。 值得注意的是，尽管我们在当前研究中显示，培养的成纤维细胞中复合物I和IV显著减少，肌肉和肝脏中复合物Ⅰ显著减少，但对肝脏线粒体CI和CIV酶活性的总体评估， 肌肉和成纤维细胞被认为对Leigh病的诊断没有帮助。
在哺乳动物中，所有44个CI亚基必须按照正确的顺序正确组装，以形成成熟的功能复合体。 在这些成分中，CI的14个核编码结构亚单位的致病突变( NDUFS1型 , NDUFS2型 , NDUFS3型 , NDUFS4型 , NDUFS7型 , NDUFS8型 , NDUFV2型 , NDUFS6系列 , NDUFV1型 , NDUFA1型 , NDUFA2型 , NDUFA9号机组 , NDUFA10型 , NDUFA12型 )，四个装配因子缺陷( NDUFAF2、NDUFAF5、NDUFAF6、FOXRED1 )和6个mtDNA亚单位以前与Leigh综合征有关（Ogilvie等人。 2005 ; Mimaki等人。 2012 ; 勒米尔 2015 ; 莱克等人。 2015 ). 四个CI亚单位（NDUFV1、NDUFS1、NDUWS4和NDUFS6）的突变均位于CI的基质臂（N模块）中，导致BN-PAGE分析显示CI亚单位复合体约为830 kDa，似乎失去了CI的基质手臂（Mimaki et al。 2012 ; Ogilvie等人。 2005 ; Tuppen等人。 2010 ; Leong等人。 2012 ). 根据我们的经验，这些基因突变的患者和小鼠通常对BN-PAGE上完全组装的CI数量的影响明显大于分光光度法CI活性或功能分析（如ATP合成）（Leong等人。 2012 ). 这可能是由于完整内膜中完全组装的CI的量高于BN-PAGE和酶研究所暗示的，其中膜已被洗涤剂、冻融或超声破坏（Leong等人。 2012 )这四个CI亚单位基因普遍表达，但对CI酶活性和功能的影响也因组织而异（Bird等人。 2014 ). 此外，正如我们的案例所示，CI基因突变可以影响其他线粒体复合体的稳定性，这可能解释了患者成纤维细胞中CIII和CIV水平降低以及CIV活性降低的原因（Ugalde等人。 2004 ; Suthamarak等人。 2010 ). 在所有基因突变的患者中检测孤立CI缺陷的能力存在一些模糊性，如 NDUFV1型 考虑到个体突变的不同严重程度、遗传背景效应以及评估44种蛋白质与其他膜复合物相互作用的膜包埋复合物的活性和组装的不同方法所带来的潜在变异性，这并不奇怪。
总之，我们已经介绍了 生物信息学 研究和异常 NDUFV1型 骨骼肌、肝脏和培养的成纤维细胞中CI蛋白水平随之降低。 在之前的研究中也观察到患者骨骼肌和肝脏中CIV和CIII蛋白水平正常（Benit等人。 2001 )强调了研究原发组织的必要性，因为单靠成纤维细胞可能会导致误导性结果。 我们还强调了OXPHOS复合物CI、CIII、CIV和超复合物I/III中的组装缺陷。考虑到对具有迟发性Leigh综合征临床表现的儿童进行生化诊断的局限性，实施了多方面的诊断流程， 包括整个外显子序列测定和互补的结构和功能研究，有助于确认 NDUFV1型 这个病人的基因突变。
致谢 本研究得到了澳大利亚NHMRC向J.C.提供的1026891号拨款、NHMRC首席研究员向D.R.T.提供的奖学金、澳大利亚线粒体疾病基金会（AMDF）向M.N.提供的博士奖学金以及中国深圳市政府向X.X提供的研究拨款（编号：CXB201108250094A）的支持。 我们还要感谢H.H.的机构发展基金。最后，我们还感谢Crane和Perkins家族对J.C.的捐赠。
遵守道德准则 遵循的所有程序都符合人体实验责任委员会（机构和国家）的道德标准以及2000年修订的1975年《赫尔辛基宣言》。 所有参与研究的患者均获得知情同意。
简介 通过对一例晚发性儿童Leigh综合征患者的全外显子组测序和功能研究，以及正常的肌肉和肝脏线粒体RC酶活性，提供了明确的基因诊断。
利益冲突 Michael Nafisinia、Yiran Guo、Xiao Dang、Li Jiankang、Yulan Chen、Jiango Zhang、Nicole J Lake、Wendy A Gold、Lisa G Riley、David R Thorburn、Brendan Keating、Xun Xu、Hakon Hakonarson和John Christodoulou声明他们没有利益冲突。
个人作者的贡献详情 迈克尔·纳菲西尼亚：结构和功能研究、数据分析和手稿准备的设计和实施
郭一冉、肖丹、李建康、陈玉兰、张建国、布伦丹·基廷、徐迅、哈克顿·哈克纳森：全外显子序列测定、生物信息学实施、数据分析和手稿准备
Wendy Gold、Lisa Riley：对结构和功能研究设计、数据分析和手稿准备的贡献
Nicole J.Lake：结构和功能研究的实施
David Thorburn：分光光度分析、数据分析和手稿准备的监督
约翰·克里斯托杜鲁：全面监督研究项目、临床界面、数据分析和手稿准备
工具书类
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