双等位基因MRPL49变异与多系统表型相关：氧化磷酸化联合缺陷的新病因

本文发现双等位基因MRPL49变异可致多系统表型，是氧化磷酸化联合缺陷（COXPD）新病因。

　　

一、线粒体核糖体与相关疾病背景

线粒体核糖体（mitoribosome）是由大小亚基组成的 55S 核糖核蛋白复合物，在细胞能量供应中起着关键作用。它负责合成线粒体基因组编码的 13 种蛋白质，这些蛋白质是氧化磷酸化（OXPHOS）酶复合物的重要组成部分 。人类线粒体核糖体通过其 39S 大亚基（mt - LSU）与线粒体内膜相连，mt - LSU 由 16S 核糖体 RNA（rRNA）、mt - tRNA^Val和 52 种蛋白质构成，而 28S 小亚基（mt - SSU）则由 30 种蛋白质和 12S rRNA 组成。

许多人类疾病是由编码线粒体核糖体蛋白的基因种系变异引起的。尽管 mt - LSU 包含众多蛋白质，但目前仅在少数编码基因中发现了双等位基因致病性变异。携带 mt - LSU 基因致病性变异的个体临床表现多样，涵盖心肌病、肝功能障碍、神经系统症状和卵巢功能不全等。在除MRPL50外的所有报道个体中，都存在线粒体 OXPHOS 的可测量缺陷，符合氧化磷酸化联合缺陷（COXPD；MIM：609060）疾病的定义。

二、MRPL49双等位基因变异个体的临床特征

研究人员报告了来自九个不相关家庭的个体，他们携带MRPL49（MIM：606866）双等位基因变异，呈现出多样的临床表型，包括双侧感音神经性听力损失（SNHL）、原发性卵巢功能不全（POI；Perrault 综合征，MIM：233400）、小头畸形、学习障碍、发育迟缓、白质营养不良和视网膜疾病。

在家庭 1（F1）中，两名巴基斯坦裔英国女性被怀疑患有 Perrault 综合征。先证者 16 岁，患有双侧高频重度 SNHL，4 岁时确诊，且无月经初潮。生化分析显示促性腺激素升高（促黄体生成素 [LH]：24 IU/L [正常范围（N）：5 - 25]，促卵泡生成素 [FSH]：109 IU/L [N：0.3 - 10]），雌二醇降低（<37 pg/mL） 。经检查，先证者及其姐姐均携带MRPL49基因的罕见纯合变异（c.275A>C [GenBank：NM_004927.4]；p.His92Pro），其父母和未患病的兄弟为杂合子。

家庭 2（F2）中，一对来自近亲家庭的兄妹携带与 F1 相同的错义变异MRPL49 c.275A>C（p.His92Pro），他们患有智力障碍和面部畸形。虽然无法正式评估听力状况，但没有听力缺陷的证据。女性成员月经周期正常，男性成员有夜盲症、骨骼异常、身材矮小（?1.8 SD）、癫痫发作等症状，最初评估时有边缘性小头畸形，目前头围正常。通过单倍型分析发现，F1 和 F2 的患病个体共享 1.24 Mb 的单倍型，表明该变异可能来自共同祖先。

家庭 3（F3）的一名 5 岁印度男孩患有听力损失，携带MRPL49基因的纯合变异（c.262C>T [GenBank：NM_004927.4] [p.Arg88Cys]）。他出生时体重低（2.25 kg，?3.37 SD），发育迟缓，5 岁时只能说单音节词，还有发热伴意识丧失的症状，需要用抗惊厥药治疗。此时他体重、身高、头围均低于正常范围，还存在多种面部和身体异常。

在家庭 4（F4）、家庭 5（F5）、家庭 6（F6）、家庭 7（F7）中，均发现了相同的MRPL49基因纯合变异 c.262C>T（p.Arg88Cys）。F4 的两名土耳其姐妹分别在 3 岁和 6 岁时被诊断为双侧 SNHL；F5 的 12 岁土耳其女孩出生时低血糖，6.5 岁时发现严重听力损失，12 岁时未月经初潮，且有高促性腺激素性性腺功能减退的生化证据；F6 的 33 岁伊朗女性无听力障碍，但有原发性闭经和中度智力障碍；F7 的 14 岁巴基斯坦男性 14 岁时被诊断为中重度双侧 SNHL，伴有中度智力障碍和乳酸酸中毒发作。

此外，家庭 8（F8）的一名澳大利亚女性是MRPL49基因的复合杂合子，携带与 F3 - 7 相同的错义变异 c.262C>T（p.Arg88Cys）和一个预测的功能丧失移码变异（c.125_126delTG [GenBank：NM_004927.4] [p.Val42Glyfs^?2]） 。她 37 岁时因智力障碍、癫痫、视网膜色素变性等多种疾病进行临床遗传学评估，病情持续恶化，最终死亡。家庭 9（F9）的两名沙特阿拉伯兄弟携带MRPL49基因在 88 位残基处的不同错义变异（c.263G>A [GenBank：NM_004927.4] [p.Arg88His]），患有发育迟缓、SNHL 和共济失调，弟弟还存在肾功能异常等问题。

对部分患病个体进行脑磁共振（MR）成像检查发现，所有接受检查的 8 名个体均显示苍白球对称受累，表现为 T2 高信号，部分伴有扩散受限或囊性改变。此外，部分个体还存在脑干、小脑和脑白质的异常改变，且这些改变与疾病进展相关。

综合这些家庭的患病个体临床特征，大多数有 SNHL（9/12）、青春期后女性 POI（4/6）、脑白质改变（11/11）、学习障碍（12/13）和小头畸形（5/8） 。部分个体还经历过低血糖，有肾脏或视网膜疾病的证据。不同家庭中MRPL49的不同双等位基因变异却导致相似的临床特征，符合罕见病 - 基因关联的证据标准。

三、MRPL49变异的功能研究

MRPL49基因 88 和 92 位的氨基酸在多个物种中高度保守。在 gnomAD v.4.0 数据库中，这些变异等位基因的频率与罕见单基因疾病相符，且in silico预测显示这些错义变异会对蛋白质功能产生有害影响。从结构上看，Arg88 和 His92 位于 MRPL49 蛋白的 β - 发夹环上，该环与 16S rRNA 相互作用。Arg88 是所有同源物中严格保守的氨基酸，形成重要的氢键网络；His92 在同源物中 95% 保守，与疏水核心相互作用。p.His92Pro、p.Arg88Cys 和 p.Arg88His 这些变异预计会扰乱 β - 发夹环的构象，影响与 16S rRNA 的相互作用以及 mt - LSU 中央突起的稳定性。

研究人员测量了 F1 和 F9 中患病个体皮肤成纤维细胞的 12S:16S rRNA 比率，发现与对照成纤维细胞相比，携带MRPL49变异个体的细胞中 16S rRNA 水平显著降低，这表明错义变异降低了 16S rRNA 水平，可能影响线粒体编码蛋白质的翻译。进一步检测 OXPHOS 复合物的活性和成分水平，发现患病个体成纤维细胞中复合物 I 亚基的活性降低，F9:II - 1 的成纤维细胞中复合物 I 和复合物 IV 亚基的稳态水平降低，这与该个体更严重的临床表型一致。

为了更全面地探究MRPL49错义变异对 OXPHOS 复合物组装和其他线粒体蛋白质稳态水平的影响，研究人员对患病个体成纤维细胞的线粒体进行了复合物组分析。复合物组分析是一种定量质谱（MS）方法，通过对线粒体富集组分进行蓝色原生电泳（BNE）、凝胶切片、胰蛋白酶消化和串联 MS 分析 。结果显示，与对照个体相比，患病个体成纤维细胞中单个 mt - LSU 和 mt - SSU 水平降低，表明线粒体核糖体含量普遍减少，且 F9:II - 1 的减少更为明显。同时，变异未改变任何单个成分的迁移模式。

在 OXPHOS 复合物方面，患病个体成纤维细胞中组装的呼吸超复合物 S1（I + III + IV）和更大的呼吸体（SCs）减少，复合物 I 和复合物 IV 显著降低，F9:II - 1 的降低幅度更大。此外，复合物 III 相关的超复合物也有不同程度的减少，伴随游离形式复合物 III 的积累增加，复合物 V 水平降低，复合物 II 在 F1:II - 1 中与对照相当，在 F9:II - 1 中略低，但未观察到 OXPHOS 生物发生的主要缺陷或组装中间体的明显积累。

四、研究结论与展望

综合研究结果表明，MRPL49双等位基因变异与复杂多变的线粒体表型相关，包括 SNHL、POI、白质营养不良、视网膜病变和学习障碍等。复合物组数据显示患病个体成纤维细胞中复合物 I 和复合物 IV 的显著缺陷，这与线粒体蛋白质翻译减少一致，确定了MRPL49双等位基因变异是 COXPD 的新病因。

MRPL49是 mt - LSU 中一组在细菌、叶绿体、古细菌或细胞质核糖体中无明显同源物的蛋白质之一，但在酵母中有同源物 Img2，其对线粒体基因组完整性至关重要。目前MRPL49在线粒体核糖体中的具体功能尚未明确，推测其可能补偿缺失的 rRNA 并稳定 mt - LSU 内的旁路片段 。由于除Mrpl56基因敲除小鼠外，其他Mrpl基因敲除小鼠均不可存活，预计MRPL49基因敲除小鼠也无法存活，这与研究中疾病相关变异为亚效等位基因的结果相符。

尽管目前已发现 50 多个基因的变异与 COXPD 相关，但携带MRPL49变异的个体仍表现出独特的临床特征。与其他 mt - LSU 相关疾病不同，MRPL49变异个体未出现心肌病或肝脏受累，但存在一致的进行性白质营养不良。此外，即使在这一小群携带MRPL49变异的个体中，也存在家族间的表型差异，推测可能存在未定义的遗传修饰因素。

研究还发现，MRPL49中 88 和 92 位残基的变异影响了与 16S rRNA 的相互作用，导致 16S rRNA 水平降低，进而影响线粒体蛋白质翻译。复合物组分析显示，患病个体成纤维细胞中 mt - LSU 和 mt - SSU 的含量均减少，可能是由于变异导致关键区域三维结构丧失，使整个亚基稳定性降低并可能发生降解，最终影响线粒体蛋白质翻译速率和 OXPHOS 复合物的组装，导致细胞能量危机。

未来，需要确定更多受影响的个体，以全面了解MRPL49变异的表型谱，以及是否会像 F4 中死亡的个体一样出现成人神经认知下降。这一研究不仅扩展了已知可导致 Perrault 综合征和 COXPD 表型的基因数量，还增加了与人类疾病相关的 mt - LSU 编码基因数量，为深入理解线粒体核糖体在线粒体稳态控制中的功能提供了重要线索。