线粒体复合体I核基因隐性变异致视神经萎缩的遗传谱系拓展与机制新解

《Brain》：Recessive variants in mitochondrial Complex I nuclear subunits are an underrated cause of optic atrophy

本研究聚焦遗传性视神经病变(ION)的分子诊断盲区，发现隐性遗传的线粒体复合体I(CI)核基因变异是导致孤立性或综合征性视神经萎缩(OA)的重要病因。通过对23个家系进行靶向测序与结构建模，研究人员首次将NDUFAF4、NDUFAF8等基因与常染色体隐性莱伯氏遗传性视神经病变(arLHON)表型关联，并揭示CI核心亚基变异多导致孤立OA，而辅助亚基/组装因子缺陷则呈现表型谱系更广。该研究将CI相关基因筛查纳入ION标准诊断流程，为精准诊疗提供新依据。

　　

在神经眼科疾病领域，遗传性视神经病变(ION)一直因复杂的遗传异质性给临床诊断带来巨大挑战。虽然线粒体DNA(mtDNA)突变导致的莱伯氏遗传性视神经病变(LHON)和核基因OPA1突变引发的常染色体显性视神经萎缩(ADOA)已被充分认识，但仍有大量病例无法用已知基因解释。近年来研究发现，呼吸链复合体I(CI)的功能障碍与视神经变性密切相关——不仅LHON最常见的三种mtDNA突变(MT-ND1、MT-ND4、MT-ND6)均影响CI核心催化功能，新发现的核基因DNAJC30亦通过影响CI质量调控导致常染色体隐性LHON(arLHON)。这些线索提示，CI核基因缺陷可能是ION遗传拼图中长期被低估的关键碎片。

为系统揭示CI核基因在ION中的作用，由意大利博洛尼亚神经科学研究所Leonardo Caporali与英国摩尔菲尔兹眼科医院Gavin Arno共同领导的多国研究团队，对836例不明原因视神经萎缩患者进行大规模基因筛查。研究创新性地整合临床表型分析、神经影像评估与分子结构建模，最终在《Brain》发表重磅成果，证实隐性遗传的CI核基因变异是ION的重要病因，极大拓展了该疾病的遗传谱系。

研究团队采用多层次技术路线：首先通过全外显子组测序(WES)、临床外显子组捕获与全基因组测序(WGS)对患者队列进行系统性基因筛查；利用AlphaFold 3预测蛋白质结构，结合DynaMut2、DUET工具计算错义变异的自由能变化(ΔΔG)；通过PDBePISA分析蛋白质相互作用界面，并运用Alpha Missense与PrimateAI-3D算法优化ACMG致病性判定标准；对特定变异（如NDUFAF8 p.L15R）还开展定量蛋白质组学验证，通过TMT标记质谱技术检测线粒体蛋白表达水平。

核心CI亚基缺陷导致孤立性视神经萎缩

在8例来自7个家系的患者中，发现NDUFS7、NDUFV1、NDUFV2三个核心亚基的隐性变异。这些患者主要表现为孤立性OA，其中半数呈现典型的LHON样急性/亚急性视力丧失（16-25岁发病）。结构建模显示，NDUFS7的OA相关变异（如p.R100C、p.R105C）聚集于N端区域，与Leigh综合征(LS)相关变异（如p.L126F、p.R145H）在空间分布上形成显著分区——后者多位于辅酶Q10(CoQ10)结合位点附近的Fe-S簇N2周围，提示不同结构域变异可能导致差异性表型。

辅助CI亚基缺陷呈现表型谱系扩展

10例患者携带NDUFA1、NDUFA10、NDUFA12、NDUFB11等辅助亚基变异，表型从孤立OA（家系M、N）扩展至综合征型OA伴听力障碍、智力残疾、基底节异常等神经系统症状。值得注意的是，X连锁遗传的NDUFA1 p.S10P变异虽被预测工具评估为良性，但在两个独立家系中反复出现且gnomAD数据库无记录，支持其致病性；而NDUFA10 p.R337C变异在同一家族中仅引起孤立OA，但文献报道该变异可导致多系统受累，凸显修饰因子对表型的影响。

组装因子缺陷关联arLHON新基因

最具突破性的发现来自NDUFAF2、NDUFAF3、NDUFAF4、NDUFAF8四个CI组装因子的变异分析。13例患者中，6例呈现LHON样表型，首次将NDUFAF4、NDUFAF8基因与arLHON明确关联。例如家系S携带NDUFAF4 p.I138T变异，家系U携带NDUFAF8 p.L15R变异——后者定位于线粒体靶向序列(MTS)，实验证实该变异导致NDUFAF8蛋白导入障碍，并引起下游组装因子NDUFAF5表达显著降低（折叠变化0.18），最终破坏CI组装完整性。

线粒体基因组背景的修饰作用

研究还发现6个家系同时携带mtDNA CI基因的错义变异（如家系I的m.3394T>C/MT-ND1），这些曾报道与LHON外显率修饰相关的变异，可能与核基因变异产生协同效应，共同塑造临床表型异质性。然而如家系A同时存在的m.9025G>A/MT-ATP6变异，虽在酵母模型中验证过致病性，但其在人群频率较高（gnomAD v4.1中45/56418例同质存在），其真实贡献仍需谨慎评估。

这项研究通过精密的基因型-表型-结构关联分析，确立了CI核基因缺陷在ION致病机制中的重要地位。其临床意义在于：将arLHON/OA的遗传诊断范围从传统基因扩展至全部CI相关核基因；揭示LS/LLS与OA/arLHON实为CI功能障碍谱系的两极；为患者提供idebenone等旁路治疗的理论依据——该药物可通过将电子从NADH直接传递至复合体III，绕过CI缺陷恢复氧化磷酸化。最终，研究者呼吁将CI核基因筛查列为ION标准诊断流程，推动这类“罕见病集合”的精准医疗实践。