CC BY
124
Диагностика и профилактика ядерно-кодируемых митохондриальных заболеваний у детей
Е.А. Николаева
Научно-исследовательский клинический институт педиатрии, Москва
Diagnostics and prevention of nuclear-encoded mitochondrial diseases in infants
E.A. Nikolaeva
Research Clinical Institute of Pediatrics, Moscow
Представлен анализ публикаций последних лет, посвященных клиническим проявлениям, вопросам диагностики митохондриальной патологии, обусловленной дефектами ядерных генов. В научный анализ (были включены около 100 генов. В соответствии с кодируемым белком и его функцией выделены 9 групп генов, оказывающих влияние на процессы клеточной биоэнергетики. По срокам манифестации заболевания разделены на группы: болезни раннего возраста (в том числе новорожденных), детского возраста, подростков и взрослых. Обращено внимание на трудность идентификации отдельных форм заболеваний в силу клинического полиморфизма проявлений мутаций отдельных генов и в то же время большого сходства клинических симптомокомплексов, обусловленных разными энзимными и генными дефектами. Представлены дополнительные критерии дифференциальной диагностики заболеваний: 3-метилглутаконовая ацидурия, деплеция и множественные делеции митохондриальной ДНК. Сделан вывод о необходимости более широкого внедрения метода полного экзомного секвенирования, позволяющего выявлять не только часто встречающиеся, но и редкие генные мутации ядерной ДНК. Идентификация генного дефекта дает возможность медико-генетического консультирования и профилактики распространения тяжелой патологии в семье.
Ключевые слова: дети, митохондриальные заболевания, симптомы, ядерная ДНК, митохондриальная ДНК, деплеция, множественные делеции, 3-метилглутаконовая ацидурия, диагностика, полное экзомное секвенирование.
The paper analyses recent publications on the clinical manifestations and diagnosis of mitochondrial diseases caused by defects in nuclear genes. A scientific analysis included about 100 genes. According to the encoded protein and its function, the author has identified 9 gene groups that affect the processes of cellular bioenergy. By the time of their manifestation, the diseases were divided into groups: those of early childhood (including neonatality), childhood, adolescence, and adulthood. Attention is drawn to difficulties to identify some forms of the diseases in view of the clinical polymorphism of manifestations of mutations in individual genes and, at the same time, many similarities between clinical symptom complexes caused by different enzyme and gene defects. There are additional criteria for the differential diagnosis of the diseases: 3-methylglutaconic aciduria, depletions and multiple depletions of mitochondrial DNA. It is concluded that it is necessary to more extensively introduce the whole-exome sequencing test that can reveal not only common, but also rare gene mutations in nuclear DNA. Gene defect identification permits medical genetic counselling and prevention of the spread of severe pathology in the family.
Key words: children, mitochondrial diseases, symptoms, nuclear DNA, mitochondrial DNA, depletion, multiple deletions, 3-methylglu-taconic aciduria, diagnosis, whole-exome sequencing test.
Митохондриальные болезни составляют большую группу патологических состояний, связанных с генетически детерминированными нарушениями клеточной биоэнергетики. Заболевания отличаются тяжестью и прогрессирующим характером клинических проявлений, внося значительный вклад в этиологическую структуру инвалидности и смертности детей и взрослых. Первоначально митохондриальная патология рассматривалась как исключительно ред-
© Е.А. Николаева, 2014
Ros Vestn Perinatol Pediat 2014; 2:19-28
Адрес для корреспонденции: Николаева Екатерина Александровна — д.м.н., гл.н.с. отделения психоневрологии и наследственных заболеваний с нарушением психики Научно-исследовательского клинического института педиатрии
125412 Москва, ул. Талдомская, д. 2
кая, но в настоящее время ее суммарная распространенность оценивается как 1:5000—1:10 000 населения [1—3], что обусловлено улучшением диагностики, а также расшифровкой недифференцированных состояний и выделением новых форм заболеваний, связанных с дефектами биоэнергетики.
Энергетический обмен человека представляет собой сложный, многоступенчатый процесс метаболических преобразований, основные этапы которого происходят в митохондриях и ведут к аккумуляции макроэргических соединений, что обеспечивает жизнедеятельность клетки и всего организма. Выраженная гетерогенность митохондриальных заболеваний обусловлена двойным генетическим кодированием биоэнергетического метаболизма, который контролируется и ядерной, и митохондриальной ДНК.
В историческом плане при изучении данной патологии большее внимание было уделено болезням, связанным с дефектами митохондриальной ДНК. В 80-е годы ХХ века был расшифрован митохондри-альный геном человека и выявлены первые мутации митохондриальной ДНК. К началу нынешнего столетия было идентифицировано около 100 точковых мутаций и вариантов делеций митохондриального генома, и только после этого были впервые установлены мутации ядерной ДНК, ведущие к дефициту комплекса I и комплекса II дыхательной цепи и тяжелой митохондриальной энцефаломиопатии [4, 5].
Распространенность ядерно-кодируемых митохонд-риальных заболеваний
Результаты проведенных к настоящему времени исследований показали, что состояния, обусловленные мутациями митохондриальной ДНК, представляют меньшую часть рассматриваемой патологии, а большая часть — связана с дефектами генов ядерной ДНК. Частота ядерно-кодируемых состояний неизвестна. Предполагается, что у взрослых они ответственны за '/2 случаев митохондриальных болезней, у детей — до 80% [6, 7]. Например, показано, что при митохондриальных заболеваниях часто страдает комплекс I дыхательной цепи (около 25% случаев митохондриальной патологии у детей), функционирование которого, по-видимому, определяют не менее 300 генов, из них только 7 локализованы на митохондриальной ДНК [8, 9]. Однако подчеркивается трудность выявления мутаций ядерных генов.
Вызывают интерес результаты обследования новорожденных и детей раннего возраста с митохондри-альными заболеваниями. При наблюдении большой группы детей (п=87) на основании анализа родословных более чем у '/3 (п=31) был заподозрен аутосом-но-рецессивный характер болезни вследствие мутации ядерных генов. При молекулярно-генетическом обследовании (п=41) митохондриальные мутации были установлены более чем в '/2 случаев (у 25 детей), а ядерные — только у 8 пациентов, что, по мнению авторов, подтверждает трудность их идентификации [10]. В то же время, по данным других авторов, мутации ядерной ДНК были определены у большинства обследованных детей — у 10 из 13 и у 36 из 49; у остальных были идентифицированы митохондри-альные мутации [8, 11]. Это подчеркивает значимость дефектов ядерной ДНК в митохондриальной патологии новорожденных и детей раннего возраста.
Классификация ядерных генов, кодирующих мито-хондриальные заболевания
К настоящему моменту предполагается наличие около 1200 генов ядерной ДНК, мутации которых ведут к формированию митохондриальной патологии, причем этот список быстро пополняется генами-кандидатами [12, 13]. Хотя единой классификации указанных генов не существует, на основании сведений
литературы [6, 14—20] можно выделить, по крайней мере, 9 групп генов в соответствии с кодируемым белком и его функцией (табл. 1). При этом обращает внимание большое количество генов (более 20), обеспечивающих синтез отдельных полипептидов дыхательной цепи (большая часть из них отвечает за субъединицы комплекса I), а также генов (около 20), контролирующих факторы сборки и функционирования комплексов дыхательной цепи на митохонд-риальной мембране. Тип наследования заболеваний преимущественно аутосомно-рецессивный, реже — Х-сцепленный, в отдельных случаях — аутосомно-до-минантный.
Клинические проявления ядерно-кодируемых митохондриальных заболеваний
Большинство форм митохондриальных болезней, обусловленных мутациями ядерного генома, характеризуется мультисистемностью поражения. Клиническая симптоматика чрезвычайно разнообразна и представлена большим числом симптомокомплек-сов, или клинических фенотипов. Различные комбинации признаков обусловили появление многих акронимных названий, что не всегда оправдано, так как не отражает генез заболеваний и не вполне соответствует клиническим симптомам, в том числе манифестирующим с возрастом, по мере прогрес-сирования болезни. К тому же отдельные акронимы дублируют друг друга. Приводим некоторые акронимы: SANDO — сенсорная атактическая нейропатия, дизартрия, офтальмопарез; SCAE — спиноцеребел-лярная атаксия с эпилепсией; IOSCA — младенческая спиноцеребеллярная атаксия; MIRAS — мито-хондриальный рецессивный атактический синдром; MEMSA — миоклонус-эпилепсия, миопатия, сенсорная атаксия; DCMA — дилатационная кардиомиопа-тия с атаксией. Большинство митохондриальных заболеваний не входит в категорию акронимов.
Как показывает анализ литературы, по срокам появления первых признаков ядерно-кодируемые ми-тохондриальные заболевания можно разделить на три группы:
• болезни детей раннего возраста, в том числе новорожденных (около 20 клинических фенотипов);
• болезни детского возраста (не менее 6 фенотипов);
• болезни подростков и взрослых (не менее 4 фенотипов).
Ядерно-кодируемые митохондриальные болезни детей раннего возраста имеют раннюю манифестацию — до 2 лет, в том числе в периоде новорожденности. Наиболее часто заболевание протекает как неона-тальная/младенческая энцефаломиопатия с высокой летальностью или как энцефаломиопатия Ли (Leigh). Эти фенотипы имеют много общих черт; болезнь Ли отличается более поздним дебютом (обычно после периода новорожденности), наличием характерных
Таблица 1. Группы ядерных генов, кодирующих митохондриальные заболевания, локализация и продукты экспрессии
Символ гена Локализация Продукты генов, кодирующих митохондриальные заболевания, функция
NDUFA1 Xq24 Субъединицы комплексов I комплекс
NDUFA2 5q31.3 дыхательной цепи:
NDUFA9 12p13.32
NDUFA10 2q37.3
NDUFA12 12q22
NDUFAF2 5q12.1
NDUFS1 2q33.3
NDUFS3 11p11.2
NDUFS4 5q11.2
NDUFS7 19p13.3
NDUFS8 11q13.2
NDUFv1 11q13.2
SDHA 5p15.33 II комплекс
SDHB 1p36.13
SDHC 1q23.3
SDHD 11q23.1
UQCRQ 5q31.1 III комплекс
UQCRB 8q22.1
UQCRC2 16p12.2
TTC19 17p12
COX6B1 19q13.12 IV комплекс
ATPAF2 17p11 V комплекс
ATP5E 20q13.32
BCS1L 2q35 Факторы сборки и функционирования комплексов
SDHAF1 19q13.12 дыхательной цепи на митохондриальной мембране
SURF1 9q34.2
COX10 17p12
C12ORF62 (COX14) 12q13.12
COX15 10q24.2
C2ORF64 (COA5) 2q11.2
FASTKD2 2q33.3
SCO1 17p13-p12
SCO2 22q13
TACO1 17q23.3
TMEM70 8q21.11
CABC1 1q42.2
NUBPL 14q12
FOXRED1 11q24.2
C20ORF7 (NDUFAF5) 20p12.1
ATPAF2 17p11.2
SLC25A3 12q33.1
POLG1 15q26.1 Факторы стабильности, репликации и поддержки функции
POLG2 17q23.3 митохондриальной ДНК
DGUOK 2p13
MPV17 2p23-p21
RRM2B 8q23
SUCLA2 13q12.2-q13
SUCLG1 2p11.2
TK2 16q22
Twinkle (C10ORF2) 10q24.31
WFS1 4p16
WFS2 4q22-24
LRPRC 2p21-p16
TYMP (TP, ECGF1) 22q13.33
ANT1 (SLC25A4) 4q35
FBXL4 6q16
MGME1 20p11.23
Таблица 1. Группы ядерных генов, кодирующих митохондриальные заболевания, локализация и продукты экспрессии
Символ гена Локализация Продукты генов, кодирующих митохондриальные заболевания, функция
ABC7 Xq13.1-q13.3 Факторы, влияющие на биогенез и сортинг митохондрий,
TIMM8A (DDP) Xq22 состояние внутренней мембраны и импорт белков
TAZ Xq28
DNAJC19 3q26.33
OPA1 3q29
OPA3 19q13.32
AGK 7q34
SERAC1 6q25.3
DNM1L (DLP1) 12p11.21
AFG3L2 18p11.21
MRPS22 (C3ORF5) 3q23 Рибосомальные белки
MRPS16 10q22.2
MRPL44 2q36.1
GFM1 (EFG1) 3q25.32
TUFM 16p.11.2
DARS2 1q25.1 Аминоацилсинтетазы митохондриальных транспортных РНК
HARS2 5q31.3 и факторы их модификации
SARS2 19q13.2
YARS2 12p11.21
AARS2 6p21.1
RARS2 6q15
EARS2 16p25.1
FARS2 6p12.2
PUS1 12q24.33
TRMU 22q13.31
PDHA1 Xp22.2-p22.1 Субъединицы пируватдегидрогеназного комплекса
PDHX 11p13
PDHB 3p13-q23
DLAT 11q23.1
PDP1 8q22
LIAS 4p14
PDSS1 10р12.1 Ферменты биосинтеза коэнзима Q10
PDSS2 6q21
COQ2 4q21-q22
COQ6 14q24.3
ADCK3 (COQ8,CABC1) 1q42.13
COQ9 (C16ORF49) 16q13
FXN FRDA2 ATP7A 9q13 9p23-p11 Xq12-q13 Факторы, влияющие на включение ионов железа и меди в структурные единицы дыхательной цепи
симметричных повреждений в области базальных ганглиев по данным магнитно-резонансной томографии (МРТ). Основные проявления заболеваний: задержка или регресс развития, мышечная гипотония или дистония (спастика), судороги, миоклонии, атаксия, летаргия, рвота, атрофия зрительных нервов, страбизм, повышение уровня лактата (иногда пирува-та) в крови, метаболический ацидоз. На МРТ определяется атрофия коры головного мозга, дисгенезия, изменение сигнала от подкорковых ядер, белого вещества. Нередко отмечается микроцефалия (иногда макроцефалия), нистагм, птоз век, офтальмоплегия, лицевая дизморфия, задержка внутриутробного развития. Трудность молекулярно-генетической верификации диагноза связана с тем, что представленные клинические фенотипы могут быть обусловлены му-
тациями одного из 30 ядерных генов, оказывающих влияние на митохондриальный энергообмен.
Интерес представляют результаты анализов клинических данных больших когорт пациентов, страдающих митохондриальными заболеваниями ядерного происхождения с ранней манифестацией: 130 детей с дефектами комплекса I дыхательной цепи [21], 57 детей с дефектами комплекса IV дыхательной цепи [22] и 371 ребенок с дефектами пируватдегидрогеназ-ного комплекса [23]. Авторами использованы собственные наблюдения и сведения литературы.
Дефицит комплекса I (идентифицированы мутации 23 генов) в 2/3 случаев был обусловлен мутациями структурных генов, в '/3 — мутациями генов факторов сборки (assembly). Небольшое превалирование мальчиков (1,4:1) частично может объясняться Х-сцеплен-
ным наследованием мутаций гена NDUFA1 (5 случаев), отвечающего за одну из субъединиц комплекса I.
Дефицит комплекса IV дыхательной цепи у подавляющего большинства детей был обусловлен мутациями гена SURF1, кодирующего ключевой фактор сборки этого энзимного комплекса. Дефицит пи-руватдегидрогеназного комплекса (идентифицированы мутации 6 генов) в 55% случаев был связан с мутациями Х-сцепленного гена PDHA1, ответственного за Ela-субъединицу. Гендерный анализ в указанных когортах не установил значимого превалирования мальчиков — 1,2:1.
Родственный брак был отмечен в семьях у 71% больных с дефектом комплекса I, у 23% — с дефектом IV комплекса и только у 7% — с дефектами пи-руватдегидрогеназы. В представленных когортах пациентов клинический диагноз был сформулирован как болезнь Ли или Ли-подобное заболевание в половине случаев, в подавляющем большинстве случаев и почти в У3 случаев соответственно. У большинства детей первые клинические признаки появлялись на первом году жизни. Медиана возраста манифестации составила 4, 9,5 и 5,5 мес соответственно; медиана возраста летального исхода — 10 мес (n=90), 48 мес (n=36) и 32 мес (n=108) соответственно. Основными причинами смерти служили сердечно-легочная недостаточность, множественная органная недостаточность, кардиомиопатия, лактат-ацидоз, аспирацион-ная пневмония, инфекция.
Важно подчеркнуть, что перинатальный период развития детей, как правило, протекал физиологически. Умеренная степень недоношенности или низкая масса при рождении были обнаружены не более чем у 7% детей. В большинстве случаев (около 90% во всех когортах) первыми клиническими признаками были мышечная гипотония, нарушения вскармливания, рвота, низкая прибавка массы тела, задержка или регресс развития. Судороги и миоклонии встречались у 15—26% пациентов. Более чем у 80% детей регистрировалось повышение уровня лактата в крови и ликворе.
При дефекте комплекса I чаще, чем в других когортах, были диагностированы кардиомиопатия (у 20%), приступы летаргии (у 18%), снижение слуха (у 7%). При дефекте IV комплекса (мутации гена SURF1) чаще наблюдались атаксия (у 49%), периферическая нейропатия (у 81%), хореоатетоз и тремор (у 30%), гипертрихоз (у 41%), птоз и офтальмоплегия (у 52%). В указанных когортах чаще, чем при дефиците пируватдегидрогеназы, встречались нистагм и атрофия зрительных нервов — 35—60% и около 20% детей соответственно. При дефекте пируватде-гидрогеназного комплекса чаще регистрировались микроцефалия (у 22%) и лицевая дизморфия (у 11%); отношение лактат/пируват в крови не превышало 20 [21—23].
Клинико-генетические корреляции авторами не были выявлены. Однако показано, что более ранняя манифестация болезни обычно ведет к более тяжелому течению с высоким показателем лактата и более ранним летальным исходом. Несмотря на некоторые различия проявлений, по мнению авторов, разграничить заболевания, обусловленные разными обменными дефектами, на основании клинических данных невозможно. Для идентификации генеза патологии требуется проведение исследования энзимных комплексов в фибробластах или мышечной ткани и молекулярно-генетический анализ соответствующих генов [21—23].
Как свидетельствуют данные литературы и наш собственный опыт, симптомокомплекс энцефаломио-патии нередко дополняется признаками поражения внутренних органов (кардиомиопатия, нарушение ритма сердца, поражение печени, почек, тубулярные расстройства), скелетными нарушениями (контрактуры, кифосколиоз) и метаболическими расстройствами (гипераммониемия, органическая ацидурия с повышением экскреции 3-метилглутаконовой, 3-метилглута-ровой, метилмалоновой кислот) [6, 20, 24—27]. В табл. 2 представлены группы клинических фенотипов мито-хондриальных заболеваний с ранним дебютом, характерным признаком которых служит поражение печени, сердца, почек и органическая ацидурия. Каждая группа включает от 2 до 12 заболеваний, обусловленных определенным генным дефектом. Обращает на себя внимание сходство проявлений, что определяет трудность дифференциальной диагностики, основанной на анализе только клинических данных.
Нередко (в 11% случаев) митохондриальное заболевание сопровождается 3-метилглутаконовой аци-дурией [27]. Эта органическая кислота является продуктом катаболизма лейцина и служит характерным признаком дефицита 3-метилглутаконил-КоА гидра-тазы — наследственного заболевания из группы органических ацидемий (3-метилглутаконовая ацидемия 1-го типа). В последние годы показано, что кроме указанной формы существует еще ряд патологических состояний, сочетающихся с высокой почечной экскрецией этого вещества. Они получили наименование «3-метилглутаконовая ацидурия 2-5-го типа» и включают группу митохондриальных болезней с дефектами различных генов: TMEM70, ATP5E, ATPAF2, кодирующих субъединицы и факторы сборки АТФ-синтазы; гена риадинового рецептора RYR1, контролирующего кальциевые каналы саркоплазматическо-го ретикулума миоцитов; генов OPA3, DNAJC19, TAZ, SERAC1, связанных с состоянием митохондриальной мембраны; генов POLG1, SUCLA2, обеспечивающих стабильность и репликацию митохондриальной ДНК [7, 27—29]. Предполагается, что при этих заболеваниях 3-метилглутаконовая ацидурия является следствием нарушений клеточной биоэнергетики, прежде все-
Таблица 2. Фенотипы ядерно-кодируемых митохондриальных заболеваний, характеризующихся ранней манифестацией, поражением внутренних органов и органической ацидурией
Клинический фенотип Тип наследования Ген
Митохондриальная энцефаломиопатия с кардиомиопатией и тубулопатией Аутосомно-рецессивный MRPS22 (C3ORF5), MRPS16, COQ9
Митохондриальная энцефаломиопатия с кардиомиопатией То же NDUFS2, NDUFAF1, NDUFA11, ACAD9, SDHA, SDHB, SDHC, SDHD, SCO2, ANT1, COX15, AARS2, AGK, MRPL44, SLC25A3
Митохондриальная энцефаломиопатия с кардиомио-патией и 3-метилглутаконовой ацидурией » » TMEM70, ATP5E, ATPAF2, DNAJC19, TAZ
Митохондриальная энцефалопатия/миопатия с 3-метилглутаконовой и/или метилмалоновой аци-дурией » » RYR1, SUCLG1, SUCLA2, OPA3, SERAC1
Митохондриальная энцефалогепатопатия ±атаксия, тубулопатия ±3-метилглутаконовая ацидурия » » DGUOK, BCS1L, MPV17, Twinkle (C10ORF2), RRM2B, POLG1, TUFM, GFM1 (EFG1)
Митохондриальная энцефаломиопатия с поражением почек » » SARS2, PDSS2, COQ2
го отражая неблагополучие мембраны митохондрий. Для дифференциальной диагностики заболеваний после анализа клинических данных требуется проведение молекулярно-генетического исследования.
Для отдельных митохондриальных заболеваний раннего возраста характерным признаком является изменение формулы крови. Сидеробластная анемия наблюдается при мутациях генов PUS1, YARS2, ABC7; лейкопения (нейтропения) — при мутациях генов TAZ, SARS2 (в сочетании с тромбоцитопенией) [18, 30, 31].
Важным диагностическим маркером заболеваний, в основе которых лежат дефекты генов, участвующих в биосинтезе коэнзима Q (см. табл. 1), служит низкий уровень убихинона в биологических жидкостях и тканях. Однако при этой патологии содержание коэнзима Q снижено, прежде всего в мышцах и фи-бробластах, а в плазме и сыворотке крови может быть нормальным, что необходимо учитывать при исследовании [32, 33].
Значимым лабораторным маркером ряда мито-хондриальных болезней является деплеция (истощение, снижение количества) митохондриальной ДНК. Этот феномен, получивший наименование синдрома деплеции митохондриальной ДНК, обусловлен дефектами генов, кодирующих факторы стабильности и репликации ДНК (см. табл. 1). В раннем детском возрасте синдром деплеции митохондриальной ДНК наиболее часто протекает в виде энцефалогепато-патии, связанной с мутациями генов DGUOK (более У2 случаев энцефалогепатопатии), POLG1 (ранняя форма болезни Альперса), Twinkle [15, 34]. Кроме того, заболевания могут проявляться тяжелой энцефало-миопатией с лактат-ацидозом (гены FBXL4, SUCLG1, SUCLA2), энцефаломиопатией с кардиомиопатией (гены ANT1, AGK), энцефаломиопатией с тубулопа-тией (ген RRM2B) [15, 35].
В подавляющем большинстве случаев рано манифестирующие митохондриальные заболевания, обусловленные мутациями ядерных генов, передаются в родословной по аутосомно-рецессивному типу. Заболевания, кодируемые генами NDUFA1, PDHA1 TAZ, ABC7, ATP7A, имеют Х-сцепленное рецессивное наследование. Аутосомно-доминантное наследование наблюдается при тяжелой энцефаломиопатии вследствие мутации гена DNM1L (DLP1).
Ядерно-кодируемые митохондриальные болезни с дебютом в детском возрасте (старше 2—3 лет) манифестируют несколькими клиническими фенотипами, которые можно представить следующими сочетаниями симптомов:
• мозжечковая атаксия изолированная или в сочетании с миоклонус-эпилепсией, миопати-ей, полиневропатией, кардиомиопатией, костными деформациями и др.;
• митохондриальная миопатия/энцефаломио-патия;
• атрофия зрительных нервов и тугоухость в сочетании с другими нарушениями (умственная отсталость, спастика, дизартрия, офтальмоплегия, боли в мышцах и др.).
Наиболее частым клиническим проявлением служит мозжечковая атаксия, которая доминирует при болезни Фридрейха 1-го и 2-го типов (гены FXN, FRDA2), лейкоэнцефалопатии с преимущественным поражением ствола мозга, спинного мозга и повышенным уровнем лактата (ген DARS2) и при прогрессирующей мозжечковой атаксии, связанной с дефицитом биосинтеза коэнзима Q (ген ADCK3) [33, 36, 37]. Атаксия с миопатией и миоклонус-эпилеп-сией — проявления синдрома MEMSA1 (ген POLG1). Кроме того, атаксия в сочетании с эпилепсией, мио-
1 Миоклонус-эпилепсия, миопатия, сенсорная атаксия.
клониями, спастическими парезами, поражением печени встречается при поздней форме болезни Аль-перса (также ген POLG1) [38, 39].
Течение заболевания в виде митохондриаль-ной энцефаломиопатии или миопатии наблюдается при мутациях генов TK2 (сопровождается деплецией митохондриальной ДНК), NDUFS3, ACAD9. Атрофия зрительных нервов и тугоухость могут сопровождаться сахарным и несахарным диабетом при синдроме Вольфрама (гены WFS1, CISD2), сочетаться с прогрессирующей наружной офтальмоплегией, мио-патией, атаксией, нейропатией при доминантной оптической атрофии — DOA (ген OPA1), признаками нейродегенеративной патологии при синдроме Мора—Транеберга (Mohr—Tranebjaerg; ген TIMM8A) [40, 41].
Перечисленные заболевания наследуются ауто-сомно-рецессивно. Исключение составляют синдром Мора — Транеберга с Х-сцепленным рецессивным наследованием и доминантная оптическая атрофия с аутосомно-доминантным типом передачи.
Ядерно-кодируемые митохондриальные болезни с поздним дебютом (в подростковом периоде и старше) также проявляются несколькими клиническими фенотипами. Наиболее часто наблюдается синдром прогрессирующей наружной офтальмоплегии, которая обычно сопровождается птозом, низкой переносимостью физической нагрузки, атаксией, депрессией, иногда кардиомиопатией, нарушениями ритма сердца и др. Заболевания могут быть обусловлены мутациями генов POLG1, POLG2, ANT1, Twincle (C10ORF2), RRM2B [15, 42, 43]. Для данного синдрома характерен аутосомно-доминантный тип наследственной передачи. Однако связанные с мутациями гена POLG1 формы синдрома прогрессирующей наружной офтальмоплегии с тяжелым, мультисистем-ным поражением могут демонстрировать аутосомно-рецессивное наследование.
Несколько реже встречается другой фенотип — мионейрогастроинтестинальная энцефаломиопа-тия. При этом клиническом варианте доминируют нарушения моторики желудочно-кишечного тракта, псевдообструкция, кахексия в сочетании с лейкоэн-цефалопатией, нейропатией, атаксией, мышечной слабостью; также характерны птоз и офтальмоплегия. Заболевания связаны с дефектами гена TYMP, реже — POLG1, RRM2B [15, 44] и наследуются аутосомно-рецессивно.
Кроме того, мутации гена POLG1 (в отдельных случаях — мутации гена Twincle) могут обусловить клинические проявления в виде атаксии, нейропа-тии, эпилепсии, офтальмопареза, которые получили наименование синдромов MIRAS и SANDO. В редких случаях мутации данного гена дают симптоматику синдрома MELAS и симптомокомплекса, включающего депрессию, нарушение походки, кардиомиопа-
тию [15]. Указанные состояния также наследуются аутосомно-рецессивно.
Заболевания, обусловленные мутациями генов, контролирующих процессы репликации и обеспечивающих стабильность ДНК (POLG1, Twincle, ANT1, RRM2B, TYMP), сочетаются с деплецией или множественными крупными делециями (иногда точковы-ми мутациями) митохондриальной ДНК. Выявление этих нарушений определяет направление молекуляр-но-генетических исследований для идентификации основного генного дефекта.
Идентификация отдельных форм ядерно-кодируемых митохондриальных заболеваний
По мнению многих клиницистов, установление диагноза и уточнение формы митохондриального заболевания представляют трудную задачу, что связано с рядом обстоятельств. В первую очередь это обусловлено клинико-генетическим полиморфизмом патологии. Некоторые заболевания отличаются достаточно специфическими проявлениями и кодируются определенным геном — например, синдромы Барта (Barth), Сенгерса (Sengers), Костеффа (Costeff), Бьернстада (Bjornstad), болезнь Менкеса (Menkes), GRACILE синдром и др. (табл. 3). В такой ситуации несложно обосновать молекулярное исследование данного гена.
Однако во многих случаях отмечается различие клинических фенотипов митохондриальных заболеваний, детерминированных мутациями одного гена. Природа этого явления не выяснена; предполагается, что в его основе лежит различие позиций мутации в экзонах, что влечет за собой разную степень нарушения кодируемого полипептида. Например, ген POLG1 контролирует фермент ДНК-полимеразу-у, который обеспечивает репликацию митохондриаль-ного генома. Мутации данного ядерного гена ведут к различным патологическим фенотипам — болезни Альперса, полиневропатии-атаксии, энцефаломиоге-патопатии, миоклонус-эпилепсии с миопатическим синдромом и атаксией, синдрому прогрессирующей наружной офтальмоплегии. Указанные варианты клинических фенотипов отличаются возрастом манифестации, основными проявлениями и даже типом наследования [38, 39]. Мутации гена BCS1L, кодирующего внутримитохондриальный фактор сборки комплекса III дыхательной цепи, также ответственны за несколько фенотипов: синдром Ли; синдром GRACILE; синдром Бьернстада (см. табл. 3); летальная неонатальная энцефаломиопатия с тубулопатией, поражением печени и лактат-ацидозом; нарушение поведения, психические расстройства с поздней манифестацией [45].
В то же время чаще наблюдаются ситуации, когда сходный фенотип служит результатом разных ключевых генетических и энзимных дефектов. Феномен фенотипического сходства существенно затрудняет
Таблица 3. Митохондриальные синдромы, кодируемые ядерными генами
Нозологическая форма Основные признаки Тип наследования Ген
Синдром Барта, или 3-ме-тилглутаконовая ацидурия 2-го типа Низкорослость, миопатический синдром, кардиомио-патия, нейтропения, 3-метилглутаконовая ацидурия Х-сцепленный рецессивный TAZ
Синдром Сенгерса Катаракта, миопатический синдром, гипертрофическая кардиомиопатия, лактат-ацидоз, деплеция митохондриальной ДНК Аутосомно-ре-цессивный AGK
Синдром Костеффа, или 3-метилглутаконовая ацидурия 3-го типа Атрофия зрительных нервов, экстрапирамидная симптоматика и спастика, снижение интеллекта, 3-метил-глутаконовая ацидурия То же OPA3
Синдром GRACILE* Нарушение внутриутробного развития, гемосиде-роз печени, тяжелый лактат-ацидоз, гипогликемия, повышение уровня ферритина и конъюгированного билирубина, аминоацидурия » » BCS1L
Синдром Бьернстада Врожденная сенсоневральная тугоухость, аномалии волос (рШ toгti) » » BCS1L
Болезнь Менкеса Гипотермия, плохая прибавка массы, судороги, миоклонии, нарушение психомоторного развития, дистония, аномалии волос (сухие, жесткие, ломкие, рШ toгti) Х-сцепленный рецессивный ATP7A
Синдром Мора—Транебер-га (Mohr—Tranebjaerg) С 3—5 лет тугоухость, миопия, катаракта, сужение полей зрения, аномальная электроретинограмма, спастичность, дизартрия, дисфагия, гипереактив-ность, переломы, умственная отсталость, дегенерация базальных ганглиев То же TIMM8A (DDP)
Примечание. * Growth retardation, aminoaciduria, cholestasis, iron overload, lactacidosis, early death.
идентификацию генеза патологии на клиническом уровне. Характерные клинические и нейроради-ологические проявления ранней формы болезни Альперса, для которой типичен дефект гена POLG1, наблюдаются также при мутациях гена FARS2 [46]. Симптомокомплексы летальной неонатальной эн-цефаломиопатии или болезни Ли могут развиться при многообразных энзимных и структурных дефектах: нарушениях любого комплекса дыхательной цепи, дефектах митохондриальных транспортных РНК, пируватдегидрогеназного комплекса, недостаточности биосинтеза коэнзима Q и др. [21—23, 33], т. е. заболевание может быть следствием различных мутаций нескольких десятков ядерных (и митохон-дриальных) генов. На основании клинико-лабора-торных данных, даже после установления дефицита конкретного энзимного комплекса практически невозможно разделить пациентов по генетическому дефекту [9, 10].
Повышенный уровень лактата и пирувата в крови наблюдается у большинства больных с митохондри-альной патологией. Морфологическое исследование мышечной ткани во многих случаях демонстрирует признаки нарушения функции и строения митохондрий, которые подтверждают митохондриальное заболевание, но не позволяют уточнить его форму. В то же время указанные нарушения могут отсутствовать, особенно у детей раннего возраста.
На основании комплекса клинических данных и дополнительного обследования, с учетом результатов анализа экскреции органических кислот, выявления деплеции или множественных делеций мито-хондриальной ДНК можно определить направление молекулярно-генетического исследования с анализом тех генов, дефекты которых наиболее вероятно лежат в основе болезни у наблюдаемого пациента. Более широкое внедрение молекулярных методов анализа как митохондриальной, так и ядерной ДНК даст возможность улучшить диагностику митохонд-риальных заболеваний и значительно повысит процент больных с идентифицированным генным дефектом, который в настоящее время колеблется от 22 до 40% [8, 11]. В связи с очень большим числом ядерных генов, дефекты которых могут вести к митохон-дриальной патологии, заслуживает внимания более широкое внедрение метода полного экзомного секве-нирования, позволяющий выявлять не только часто встречающиеся, но и редкие генные мутации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, анализ научных публикаций, особенно последних лет, указывает на существование множества генов ядерной ДНК, существенно влияющих на митохондриальные энергетические процессы. Сведения литературы позволяют выделить клини-
ческие фенотипы ядерно-кодируемых митохондри-альных заболеваний. Однако их дифференциальная диагностика остается трудной в силу недостаточно специфичных проявлений и большого клинического сходства состояний, обусловленных разными генетическими дефектами.
В то же время ряд форм патологии характеризуется четким клиническим симптомокомплексом, а некоторые заболевания отличаются наличием лабораторных маркеров (деплеция или делеции ми-тохондриальной ДНК, органическая ацидурия), что позволяет проводить целенаправленную генети-
ческую диагностику. Имеется насущная необходимость создания алгоритмов клинико-лабораторной диагностики митохондриальной патологии для осуществления молекулярно-генетического исследования, в том числе с использованием полного экзом-ного секвенирования. Отсутствие эффективного лечения при большинстве форм митохондриальных болезней делает особенно актуальным вопросы медико-генетического консультирования и прена-тальной диагностики, которые невозможно решить без точного выявления генного дефекта у конкретного больного ребенка.
ЛИТЕРАТУРА
1. Schaefer A.M., McFarland R., Blakely E.L. et al. Prevalence of mitochondrial DNA disease in adults. Ann Neurol 2008; 63: 35—39.
2. Chinnery P.F. Elliott H.R., Hudson G. et al. Epigenetics, epidemiology and mitochondrial DNA diseases. Int J Epidemiol 2012; 41: 1: 177—187.
3. Bannwarth S., Procaccio V., Lebre A.S. et al. Prevalence of rare mitochondrial DNA mutations in mitochondrial disorders. J Med Genet 2013; 50: 10: 704—714.
4. Rahman S., Leonard J.V. Mitochondrial disorders. Curr Pediatr 1997; 7: 123—127.
5. Loeffen J., Smeitink J., Triepels R. et al. The first nuclear-encoded complex I mutation in a patient with Leigh syndrome. Am J Hum Genet 1998; 63: 1598—1608.
6. Finsterer J. Overview on visceral manifestations of mitochondrial disorders. Netherland J Med 2006; 64: 3: 61—71.
7. Shchelochkov O.A.. Li F.Y., Wang J. et al. Milder clinical course of type IV 3-methylglutaconic aciduria due to a novel mutation in TMEM70. Mol Genet Metab 2010; 101: 2—3: 282—285.
8. Calvo S.E., Tucker E.J., Compton A.G. et al. High-throughput, pooled sequencing identifies mutations in NUBPL and FOXRED1 in human complex I deficiency. Nat Genet 2010; 42: 10: 851—858.
9. Rahman S, Thorburn D.R. 189th ENMC International workshop Complex I deficiency: Diagnosis and treatment. 20— 22 April 2012, Naarden, The Netherlands. Neuromuscular Disorders 2013; 23: 6: 506—515.
10. Taylor R.W., Swalwell H., Kirby D.M. et al. The molecular genetic basis of respiratory chain complex I deficiency: clinical presentations and mtDNA mutations. J Inherit Metab Dis 2006; 29: Suppl. 1: 16.
11. Honzik T., Tesarova M., Magner M. et al. Neonatal onset of mitochondrial dosorders in 129 patients: clinical and laboratory characteristics and a new approach to diagnosis. J Inherit Metab Dis 2012; 35: 749—759.
12. Prokisch H., Andreoli C., Ahting U. et al. MitoP2: the mitochondrial proteome database—now including mouse data. Nucleic Acids Res 2006; 34: 705—711.
13. Scharfe C., Horng-Shing Lu H., Neuenburg J.K. et al. Mapping gene associations in human mitochondria using clinical disease phenotypes. PLOS Computational Biology 2009; 5: 4: e1000374.
14. Valente L., Tiranti V., Marsano R.M. et al. Infantile encephalopathy and defective mitochondrial DNA translation in patients with mutations of mitochondrial elongation factors
EFG1 and EFTu. Am J Hum Genet 2007; 80: 44—58.
15. Copeland W.C. Inherited mitochondrial diseases of DNA replication. Annu Rev Med 2008; 59: 131—146.
16. Angelini C, Bello L, Spinazzi M, Ferrati C. Mitochondrial disorders of the nuclear genome Acta myologica 2009; 28: 16—23.
17. Smith P., Smeitink J., van den Heuvel L. Mitochondrial Translation and Beyond: Processes Implicated in Combined Oxidative Phosphorylation Deficiencies. J Biomed Biotechnol 2010; 2010: 737385. doi: 10.1155/2010/737385.
18. Chrzanowska-Lightowlers Z.M.A., Horvath R, Lightowlers R.N. 175th ENMC International Workshop: Mitochondrial protein synthesis in health and disease. 25—27th June 2010, Naarden, The Netherlands. Neuromuscular Disorders 2011; 21: 2: 142—147.
19. Diaz, F., Kotarsky H, Fellman V., Moraes C.T. Mitochondrial disorders caused by mutations in respiratory chain assembly factors. Semin Fetal Neonatal Med 2011; 16: 4: 197—204.
20. Kemp J.P., Smith P.M., Pyle A. et al. Nuclear factors involved in mitochondrial translation cause a subgroup of combined respiratory chain deficiency. Brain 2011; 134: Pt 1: 183—195.
21. Koene S., Rodenburg R.J., van der Knaap M.S. et al. Natural disease course and genotype-phenotype correlations in Complex I deficiency caused by nuclear gene defects: what we learned from 130 cases. J Inherit Metab Dis 2012; 35: 5: 737—747.
22. Wedatilake Y, Brown R.M, McFarland R. et al. SURF1 deficiency: a multi-centre natural history study. Orphanet J Rare Dis 2013; 8: 96. doi: 10.1186/1750-1172-8-96.
23. Patel K.P., O'Brien T.W., Subramony S.H. et al. The spectrum of pyruvate dehydrogenase complex deficiency: clinical, biochemical and genetic features in 371 patients. Mol Genet Metab 2012; 105: 1: 34—43.
24. Spinazzola A., Viscomi C., Fernandez-Vizarra E. et al. MPV17 encodes an inner mitochondrial membrane protein and is mutated in infantile hepatic mitochondrial DNA depletion. Nat Genet 2006; 38: 570—575.
25. Rodenburg R. Biochemical diagnosis of mitochondrial disorders. J Inherit Metab Dis 2011; 34: 2: 283—292.
26. Николаева Е.А., Козина А.А., Леонтьева И.В. и др. Системное митохондриальное заболевание: проблема дифференциальной диагностики и лечения. Рос вестн пери-натол и педиат 2012; 4: 2: 36—43. (Nikolaeva Е.А., Kozina А.А., Leont'eva I.V. et al. System mitochondrial disease: differential diagnosis and treatment problems. Ros vestn perinatol i pediatr 2012; 4: 2: 36—43).
27. Wortmann S.B., Kluijtmans L.A., Rodenburg R.J. et al. 3-Methylglutaconic aciduria-lessons from 50 genes and 977
patients. J Inherit Metab Dis 2013; 36: 6: 913—921.
28. Wortmann S.B., Rodenburg R.J., Jonckheere A. et al. Biochemical and genetic analysis of 3-methylglutaconic aciduria type IV: a diagnostic strategy. Brain 2009; 132: 1: 136—146.
29. Wortmann S.B., Kluijtmans L.A., Engelke U. et al. The 3-methylglutaconic acidurias: what's new? J Inherit Metab Dis 2012; 35: 1: 13—22.
30. Spencer C.T, Bryant R..M, Day J. et al. Cardiac and clinical phenotype in Barth syndrome. Pediatrics 2006; 118: 2: e337—346.
31. Riley L.G., Cooper S, Hickey P. et al. Mutation of the mitochondrial tyrosyl-tRNA synthetase gene, YARS2, causes myopathy, lactic acidosis, and sideroblastic anemia--MLASA syndrome. Am J Hum Genet 2010; 87: 1: 52—59.
32. Николаева Е.А., Мамедов И.С. Дефицит коэнзима Q10 у детей: клинико-генетические варианты, диагностика и лечение. Рос вестн перинатол и педиатр 2012; 2: 77—83. (Nikolaeva Е.А., Mamedov I.S. Q10 deficiency in children: clinical and genetic variants, diagnosis and treatment. Ros vestn perinatol i pediatr 2012; 2: 77—83).
33. Rahman S., Clarke C.F., HiranoM. 176th ENMC International Workshop: Diagnosis and treatment of coenzyme Q10 deficiency. Neuromuscular Disorders 2012; 22: 1: 76—86.
34. Freisinger P., Futterer N, Lankes E. et al. Hepatocerebral mitochondrial DNA depletion caused by deoxyguanosine kinase (DGUOK) mutations. J Inherit Metab Dis 2006; 29: Suppl. 1: 16.
35. Wong L.J., Naviaux R.K., Brunetti-Pierri N. et al. Molecular and clinical genetics of mitochondrial diseases due to POLG mutations. Hum Mutat 2008; 29: 9: E150—172.
36. Михайлова С.В, Захарова Е.Ю., Банин А.В. и др. Клинические проявления и молекулярно-генетическая диагностика лейкоэнцефалопатии с преимущественным поражением ствола мозга, спинного мозга и повышенным лактатом у детей. Журн неврол и психиат 2009; 9: 16—22. (Mikhaïlova S.V., Zakharova E.Iu., Banin A.V. et al. Clinical and molecular genetic diagnosis of leukoencephalopathy with brainstem and spinal cord involvement and lactate elevation in children. Zhurn nevrol i psikhiat 2009; 9: 16—22.)
37. Liu Y.T., Hersheson J., Plagnol V. et al. Autosomal-recessive cerebellar ataxia caused by a novel ADCK3 mutation that elongates the protein: clinical, genetic and biochemical characterisation. J Neurol Neurosurg Psychiatry 2013; doi: 10.1136/jnnp-2013-306483.
38. Milone M, Massie R. Polymerase gamma 1 mutations: clinical correlations. Neurologist 2010; 16: 84—91.
39. Михайлова С.В., Захарова Е.Ю, Цыганкова П.Г. и др. Клинический полиморфизм митохондриальных энце-фаломиопатий, обусловленных мутациями гена поли-меразы гамма. Рос вестн перинатол и педиат 2012; 4: 2: 36—43. (Mikhajlova S.V., Zakharova E.YU., Tsygankova P.G. et al. Clinical polymorphism of mitochondrial encephalomyopathies due to mutation of polymerase gamma gene. Ros vestn perinatol i pediat 2012; 4: 2: 36—43.)
40. Yu-Wai-Man P., Griffiths P.G., Burke A. et al. The prevalence and natural history of dominant optic atrophy due to OPA1 mutations. Ophthalmology 2010; 117: 8: 1538—1546.
41. Ha A.D., Parratt KL, Rendtorff N.D. et al. The phenotypic spectrum of dystonia in Mohr-Tranebjaerg syndrome. Mov Disord 2012; 27: 8: 1034—1040.
42. Bohlega S, Van Goethem G, Al Semari A. et al. Novel Twinkle gene mutation in autosomal dominant progressive external ophthalmoplegia and multisystem failure Neuromuscular Disorders 2009; 19: 12: 845—848.
43. Lax N.Z., Whittaker R.G., Hepplewhite P.D. et al. Sensory neuronopathy in patients harbouring recessive polymerase Y mutations. Brain 2012; 135: Pt1: 62—71.
44. Massa R, Tessa A., Margollicci M. et al. Late-onset MNGIE without peripheral neuropathy due to incomplete loss of thymidine phosphorylase activity. Neuromuscular Disorders 2009; 19: 12: 837—840.
45. Al-Owain M, Colak D, Albakheet A. et al. Clinical and biochemical features associated with BCS1L mutation. J Inherit Metab Dis 2013; 36: 5: 813—820.
46. Elo J.M., Yadavalli S.S., Euro L. et al. Mitochondrial phenylalanyl-tRNA synthetase mutations underlie fatal infantile Alpers encephalopathy. Hum Mol Genet 2012; 21: 20: 4521—4529.
Поступила 23.12.13
