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重庆部分地区苯丙氨酸羟化酶缺乏症患儿基因突变分析
王冬娟, 张娟, 刘浩, 杨静, 万科星, 袁召建, 余朝文, 张大勇, 刘姗, 邹琳     
400014 重庆,重庆医科大学附属儿童医院临床分子医学中心,国家儿童健康与疾病临床医学研究中心,儿童发育疾病研究教育部重点实验室,儿科学重庆市重点实验室
[摘要] 目的 探讨重庆部分区域苯丙氨酸羟化酶(phenylalanine hydroxylase,PAH)缺乏症基因突变频率和特征,为PAH缺乏症的诊断及治疗提供依据。方法 回顾性分析2014年1月1日至2020年10月25日在重庆医科大学附属儿童医院确诊的45例PAH缺乏症患儿,将苯丙氨酸羟化酶缺乏症分型为经典型苯丙酮尿症(phenylketonuria,PKU)、轻度PKU及轻度高苯丙氨酸血症(hyperphenylalaninemia,HPA),分析其二代高通量测序及多重连接依赖探针扩增技术检测的PAH基因突变情况以及Sanger测序技术对其父母相应变异位点的验证结果。结果 ① 45例高苯丙氨酸血症患者中43例均检出2个变异位点(40例为复合杂合突变,3例为纯合突变),且所检测突变位点均来自父母;另外2例为杂合突变,仅检测到1个变异位点。②45例PAH缺乏症患者共检出34种突变,主要以错义突变(52.9%)为主,c.728G>A突变频率最高(15.9%,14/88),其次为c.158G>A(11.4%,10/88)、c.1197A>T(9.1%,8/88)及c.721C>T(9.1%,8/88)。高频突变的区域在第7外显子,包含4种突变,26个变异位点(29.5%)。③13例经典型PKU患者检测到11种PAH基因突变,其中突变频率最高的为c.728G>A(8/25,32%);8例轻度PKU患者检测到9种PAH基因突变,c.728G>A(3/15,20%)突变频率最高;24例轻度HPA患者共检出24种PAH基因突变,其中c.158G>A(10/48,20.8%)突变频率最高。结论 重庆市PAH缺乏症患者PAH基因突变以复合杂合为主,主要变异类型为错义突变,具有明显的热点突变(c.728G>A、c.158G>A、c.721C>T及c.1197A>T)。
[关键词] 高苯丙氨酸血症    新生儿疾病筛查    苯丙氨酸羟化酶    基因突变    
Gene mutations in children with phenylalanine hydroxylase deficiency: an analysis of 45 cases in some regions of Chongqing
WANG Dongjuan, ZHANG Juan, LIU Hao, YANG Jing, WAN Kexing, YUAN Zhaojian, YU Chaowen, ZHANG Dayong, LIU Shan, ZOU Lin     
Center of Clinical Molecular Medicine, National Clinical Research Center for Child Health and Disorders, Key Laboratory of Child Development and Disorders of Ministry of Education, Chongqing Key Laboratory of Pediatrics, Children's Hospital of Chongqing Medical University, Chongqing, 400014, China
[Abstract] Objective To explore the gene mutation frequency and characteristics of phenylalanine hydroxylase (PAH) in PAH deficiency children in some regions of Chongqing in order to provide scientific reference for the diagnosis and treatment of the disease. Methods A retrospective analysis was conducted on 45 children with PAH deficiency who were diagnosed in our hospital from January 1, 2014 to October 25, 2020. They was assigned into classic phenylketonuria (PKU), mild PKU and mild hyperphenylalaninemia (HPA). We analyzed the mutations of PAH gene by second-generation high-throughput sequencing and multiplex ligase probe dependent amplification (MLPA) technique, and the results were verified by the detection of corresponding mutation sites of their parents by Sanger sequencing. Results ① There were 2 mutation sites in 43 cases, including 40 cases of compound heterozygous mutation and 3 cases of homozygous mutation. All mutations were detected in the corresponding mutation sites of their parents. The left 2 cases had heterozygous mutations, and had only 1 mutation site. ② There were 34 types of mutations detected in 45 patients with PAH deficiency. Missense mutation was the main mutation type (52.9%). The mutation frequency of c.728G>A was the highest (15.9%, 14/88), followed by c.158G>A (11.4%, 10/ 88), c.1197A>T (9.1%, 8/88), and c.721C > T (9.1%, 8/88). The region of high frequency mutation was in exon 7, which contained 4 mutations and 26 mutations sites (29.5%). ③ There were 11 PAH gene mutations in 13 patients with classic PKU. The mutation frequency of c.728G> A (8/25, 32%) was the highest. There were 9 PAH gene mutations in 8 patients with mild PKU. The mutation frequency of c.728G>A (3/15, 20%) was the highest. There were 24 PAH gene mutations in 24 patients with mild HPA. The mutation frequency of c.158G>A (10/48, 20.8%). Conclusion The mutations in children with PAH deficiency in some regions of Chongqing are mainly compound heterozygosity. Missense mutation is the main type, with obvious hot spot mutations (c.728G>A, c.158G>A, c.721C > T and c.1197A>T).
[Key words] hyperphenylalaninemia    neonatal disease screening    phenylalanine hydroxylase    gene mutation    

高苯丙氨酸血症是我国最早筛查、最常见的一种常染色体隐性遗传的氨基酸代谢病,主要由苯丙氨酸羟化酶(phenylalanine hydroxylase,PAH)或辅酶四氢生物蝶呤(tetrahydrobiopterin,BH4)缺乏引起血苯丙氨酸(phenylalanine,Phe)升高,其中以PAH缺乏症为主。根据血苯丙氨酸浓度水平,分为经典型苯丙酮尿症(phenylketonuria,PKU)、轻度PKU及轻度高苯丙氨酸血症(hyperphenylalaninemia,HPA)。早期HPA缺乏特异性的临床表现,易误诊为脑炎、癫痫、脑瘫等神经系统疾病,若未及时诊断或正规治疗,可导致智能发育落后、小头畸形、抽搐等神经系统症状后遗症,年长儿可出现自残、暴力等行为、性格多方面异常的表现。而HPA是一种可防、可治的罕见病,尽早明确诊断及治疗可明显的改善预后。随着筛查及诊断技术的不断完善,目前多采用Sanger测序或二代高通量测序及多重连接依赖探针扩增技术(multi-ligase probe dependent amplification,MLPA)方法明确基因型,进而指导HPA的临床分型、判断预后、制订治疗方案及家系的遗传指导。PAH基因变异具有明显的遗传异质性,不同国家、地区、种族等之间的突变热点均有不同。本研究分析了重庆地区PAH缺乏症患儿的基因突变类型,了解重庆地区PAH缺乏症患者的基因突变特点及热点突变,为PAH缺乏症的诊断、治疗提供科学参考。现报告如下。

1 资料与方法 1.1 临床资料

收集2014年1月1日至2020年10月25日于重庆医科大学附属儿童医院门诊因新生儿疾病筛查或临床高度疑似高苯丙氨酸血症就诊的患者,征得家属同意后完善病史采集、肝功能及基因检测等,经基因确诊的45例苯丙氨酸羟化酶缺乏症患儿纳入本次研究,并除外BH4缺乏症、早产及静脉营养等所致的暂时性高苯丙氨酸血症、肝功能异常及其他遗传代谢性疾病等导致的继发性高苯丙氨酸血症。本研究已经过医院医学伦理委员会批准[2020年伦审(研)第296号]。

1.2 PAH诊断标准

根据高苯丙氨酸血症的诊治共识,治疗前的血Phe浓度>120 μmol/L(即>2 mg/dL)及血Phe/Tyr>2.0统称为高苯丙氨酸血症。PAH缺乏症者因PAH缺乏导致不同程度的HPA,通常根据治疗的前血Phe最高浓度或摄入足够天然蛋白质情况下,按照Phe浓度分为:经典PKU(血Phe≥1200 μmol/L)、轻度PKU(血Phe 360~1200 μmol/L)及轻度HPA(血Phe120~360 μmol/L)[1-2]

1.3 基因分析

对所有患者在确诊时经父母知情同意前提下,抽取患儿及父母的静脉血各3 mL送至第三方检测实验室,提取DNA,通过二代高通量测序(利用GenCap定制富集试剂盒筛选并捕获PAH基因的所有外显子区域、部分内含子区域、部分5′UTR,3′UTR区域)及MLPA[采用SALSA MLPA试剂盒P055-D1 (MRC-Holland,Amsterdam,Netherlands),SALSA MLPA probemix P055-D1 PAH包含38个MLPA探针,扩增产物在128 ~ 427个核苷酸(nt)之间]对已知的遗传代谢性疾病候选基因进行测序,并通过Sanger测序对发现的突变位点进行父母的基因验证。

2 结果 2.1 一般资料

纳入研究的45例PAH缺乏症患者,均无明确的遗传代谢性疾病家族史,年龄分布为:21 d至16岁10个月,其中男性23例,女性22例,男女比例为1.05 ∶1。经典型PKU 13例,男性5例,女性8例,治疗前血Phe平均浓度为1 622.3 μmol/L;轻度PKU 8例,男性7例,女性1例,治疗前血Phe平均浓度为703.7 μmol/L;轻度HPA 24例,男性11例,女性13例,最高的血Phe平均浓度为198.4 μmol/L。

2.2 PAH基因突变结果

45例PAH缺乏症患儿中43例均检测到2个突变位点,2例患者仅检测到1个突变位点,共检出34种突变,具体位点情况见表 1。其中有3例纯合突变,均为经典型PKU,2例c.728G>A及1例c.722delG,纯合突变频率为6.7%(3/45);2例为杂合突变,分别为经典型PKU及轻度PKU,其余患者均为复合杂合突变,且所有突变在父母相应突变位点均可检测到。

表 1 PAH缺乏症患者的基因突变结果[例(%)]
序号 核苷酸改变 氨基酸改变 变异类型 经典型苯丙酮尿症 轻度苯丙酮尿症 轻度高苯丙氨酸血症 高苯丙氨酸血症
1 c.158G>A p.R53H 错义突变 0 0 10(20.8) 10(11.4)
2 c.1174T>A p.P392I 错义突变 0 0 5(10.4) 5(5.7)
3 c.611A>G Ex6-96A>G 剪接突变 1(4.0) 0 2(4.2) 3(3.4)
4 c.940C>A p.P314T 错义突变 0 0 1(2.1) 1(1.1)
5 c.1045T>G p.S349A 错义突变 0 0 1(2.1) 1(1.1)
6 c.1197A>T p.V399V 沉默/剪接突变 5(20.0) 2(13.3) 1(2.1) 8(9.1)
7 c.728G>A p.R243Q 错义突变 8(32.0) 3(20.0) 3(6.25) 14(15.9)
8 c.478C>T p.G160* 无义突变 0 1(6.7) 3(6.25) 4(4.5)
9 c.721C>T R241C 错义突变 0 3(20.0) 5(10.4) 8(9.1)
10 c.671T>C p.I224T 错义突变 0 0 1(2.1) 1(1.1)
11 c.464G>A p.R155H 错义突变 0 0 1(2.1) 1(1.1)
12 c.3G>A p.M1I 起始密码子突变 0 0 1(2.1) 1(1.1)
13 c.59 60delinsCC p.Q20P 整码突变 0 0 1(2.1) 1(1.1)
14 c.208 210delTCT p.S70del 整码突变 0 2(13.3) 1(2.1) 3(3.4)
15 c.516G>T p.Q172H 错义突变 0 0 2(4.2) 2(2.3)
16 c.1223G>A p.R408Q 错义突变 0 0 2(4.2) 2(2.3)
17 c.1238G>C p.R413P 错义突变 0 1(6.7) 1(2.1) 2(2.3)
18 c.1243G>A p.D415N 错义突变 0 0 1(2.1) 1(1.1)
19 c.441+1G>A IVS4+1G>C 剪接突变 1(4.0) 0 1(2.1) 2(2.3)
20 c.1256A>G p.Q419R 错义突变 0 0 1(2.1) 1(1.1)
21 c.707-59C>G IVS6-59C>G 剪接突变 0 0 1(2.1) 1(1.1)
22 c.1342delC p.L448Sfs* 移码突变 0 0 1(2.1) 1(1.1)
23 c.935G>T p.G312V 错义突变 2(8.0) 0 0 2(2.3)
24 c.510-86C>G 剪接突变 0 0 1(6.7) 1(1.1)
25 c.307G>A p.G103S 错义突变 0 0 1(6.7) 1(1.1)
26 c.1162G>A P.V388M 错义突变 1(4.0) 0 0 1(1.1)
27 c.792delC p.C265Afs*76 移码突变 1(4.0) 0 0 1(1.1)
28 c.498C>G p.Y166* 无义突变 2(8.0) 0 0 2(2.3)
29 c.548A>G p.E183G 错义突变 1(4.0) 0 0 1(1.1)
30 c.331C>T p.R111X 无义突变 1(4.0) 0 0 1(1.1)
31 c.1315+6T>A IVS12+6T>A 剪接突变 0 1(6.7) 0 1(1.1)
32 c.739G>C p.G247R 错义突变 0 1(6.7) 0 1(1.1)
33 c.722delG p.241Pfs*100 移码突变 2(8.0) 0 0 2(2.3)
34 Del 缺失 0 1(6.7) 0 1(1.1)

13例经典型PKU患者共检测出11种突变,其中c.728G>A频率最高(32%,8/25),其次为c.1197A>T(20%,5/25);3例纯合突变,1例杂合突变,其余均为复合杂合突变。

8例轻度PKU患者共检测出9种突变,其中c.728G>A和c.721C>T突变频率最高,均为20%。1例为杂合携带,其余均为复合杂合突变。

24例轻度HPA患者共检出24种突变,c.158G>A突变频率最高(20.8%,10/48),其次为c.1174T>A和c.721C>T,均为10.4%(5/48);均为复合杂合突变。

34种突变的变异类型主要为错义突变18个(52.9%)、剪接突变5个(14.7%)、移码突变3个(8.8%)、整码突变2个(5.9%)、无义突变3个(8.8%)、大片段缺失1个(2.9%)、起始密码子突变1个(2.9%)。34种突变中有31个(91.2%)位于外显子区域,主要集中于外显子6、7和12;3个(8.8%)位于内含子区,分别位于5、6及12内含子区(图 1)。

图 1 PAH基因34种突变的位置分布

2.3 3种临床表型患儿的PAH基因突变位点

重庆地区PAH缺乏症患儿的基因突变以复合杂合突变为主,具有明显的热点突变,c.728G>A(15.9,14/88)、c.158G>A(11.4%,10/88)、c.721C>T(9.1%,8/88)及c.1197A>T(9.1%,8/88),其中c.728G>A及c.1197A>T个变异位点在3种表型中均有检出,且均为致病性变异位点。但在各表型中热点突变有所不同,经典型PKU患儿以c.728G>A和c.1197A>T为主,轻度PKU以c.728G>A和c.721C>T为主,而轻度HPA患儿以c.158G>A为主。

本研究检出的3个变异位点(c.792delC、c.1342delC及c.510-86C>G)在HGMD、ClinVar、PAH基因数据库以及国内外文献中未被查询到,所涉及变异位点的患儿基因型分别为c.792delC/c.1162G>A、c.307G>A/c.1342delC及c.59-60delinsCC/c.510-86C>G,3个患儿初筛的血Phe浓度分别为774 μmol/L、146.4 μmol/L和138.6 μmol/L,复查后的血Phe浓度分别为1302 μmol/L、151.8 μmol/L和157.2 μmol/L,前者诊断为经典型PKU,后二者诊断为轻度HPA。

2.4 热点突变的Phe浓度比较

c.728G>A及c.1197A>T在3种不同表型的高苯丙氨酸血症患者中均有检出,血Phe浓度范围分别为137.4~2 088 μmol/L和204~2 784 μmol/L,平均浓度分别为1 061.5、1 332.8 μmol/L;c.721C>T在轻度苯丙酮尿症及轻度高苯丙氨酸血症患儿中均有检出,血Phe的平均浓度为391.4 μmol/L;c.158G>A仅在轻度高苯丙氨酸血症患儿中检测到,平均血Phe浓度为172 μmol/L。

按照2014年版《高苯丙氨酸血症的诊治共识》对所有高苯丙氨酸血症患儿长期随访生长发育,定期监测血Phe浓度,43例患儿暂无失访。其中有2例轻度HPA患儿初筛血Phe浓度分别为195、141 μmol/L,复查血Phe浓度分别为183、159 μmol/L,随访过程中血Phe最高浓度分别为367.6、394.2 μmol/L(>360 μmol/L),立即限制苯丙氨酸的摄入量,并定期监测血Phe浓度。随访至2岁半,患儿生长发育及血Phe浓度控制良好。暂无轻度PKU转为经典型PKU的患者。

3 讨论

高苯丙氨酸血症是目前可治疗、可预防的遗传代谢病典范之一。我国进行血苯丙氨酸筛查及诊治以来,成果显著,在出生缺陷防控中起到不可磨灭的作用。目前随着具有高通量、高灵敏度、高特异性的质谱技术及二代测序技术的推广,高苯丙氨酸血症患儿在早期即可得到明确的分子遗传学诊断[3-4]。早期及时诊断治疗及规范化管理可明显改善患儿的预后,相反则会产生一系列不可逆的神经系统损害,年长患儿甚至出现暴力、自残、暴躁等性格行为异常的表现。早期诊断是前提,及时有效治疗是关键,而基因分型直接关系后续临床治疗方案及疗效,同时可为先证者家庭提供遗传咨询,有效地进行产前咨询诊断,但不同地区基因变异具有明显的差异。

有85%~90%的高苯丙氨酸血症患者为PAH缺乏症,PAH基因位于12号染色体长臂,由13个外显子及12个内含子组成,所有位置均可发生基因异常,但多数集中于外显子区域[5],而本研究中共检出34种突变,且主要集中在6、7及12号外显子区,错义突变为主要变异类型,与国内已报道数据相符[6-11]。PAH基因突变种类较多,截止2020.9.14,PAHvdb基因数据库中(http://www.biopku.org/home/pah.asp)共收录1 188种PAH基因变异,且已登记记录的PKU病人数达17 071例(http://www.biopku.org/home/biopku.asp)。每个地区的基因热点有所不同,存在差异的同时也具有一定的相似性[12-13]。重庆地区PAH缺乏症患儿基因突变以复合杂合突变为主,占前4位的高频突变位点为c.728G>A、c.158G>A、c.721C>T及c.1197A>T,且为国内较常见的突变位点[14-15]。重庆地区c.728G>A突变频率最高,这与我国中部地区[16]、青岛[15]、山东临沂[17]、安徽[18]、四川[19]、青海[20]、内蒙古[14]等地高苯丙氨酸血症患儿的PAH基因突变特征一致。c.158G>A在重庆地区的检出频率也较高,但在山东临沂、四川、青海及内蒙古等地区并不是热点突变,同样在重庆地区检出频率相对较高的c.721C>T突变位点在以上地区除青岛外均有较高频率的检出;检出频率相对较高的c.1197A>T突变位点同样在山东临沂、安徽地区有较高频率的检出,但在其他多个地区检出频率较高的c.611A>G、c.331C>T,在重庆地区检出频率并不高,在其他地区属于热点突变的c.1068C>A、c.442-1G>A突变位点在重庆地区并未检出。本研究3个变异位点(c.792delC、c.1342delC及c.510-86C>G) 在HGMD、ClinVar、PAH基因数据库以及国内外文献中未被查询到,可能是新发致病突变位点,但其致病性尚需要进一步的功能验证。

本研究结果提示重庆地区经典型PKU、轻度PKU及轻度HPA患儿的PAH基因热点突变不同,经典型PKU以c.728G>A和c.1197A>T为主,轻度PKU以c.728G>A和c.721C>T为主,而轻度HPA以c.158G>A为主。在检出的热点突变中,c.728G>A及c.1197A>T在各型高苯丙氨酸血症中均有检出,分别有12例和8例患者,平均血Phe浓度分别为1 061.5 μmol/L和1 332.8 μmol/L;c.721C>T在轻度PKU及轻度HPA患儿中均有检出,6例患者的平均血Phe浓度为391.4 μmol/L;而c.158G>A仅在轻度HPA患儿中检测到,10例患儿的平均血Phe浓度为172 μmol/L,该位点突变的患者血苯丙氨酸浓度相对较低,可能是重庆地区轻度HPA患者的热点突变位点。

因基因型、酶活性及临床表型之间存在一定的关联,不同临床表型的患者治疗、随访方案及预后不同,需根据基因型及生化水平进行明确诊断及分型[21]。按照高苯丙氨酸血症的诊治共识,对诊断明确的苯丙酮尿症患者予以低苯丙氨酸饮食控制治疗同时定期监测血Phe浓度,而对轻度HPA患者仅进行定期监测血Phe浓度。在本组随访2~3年的患者中,发现有2例轻度HPA转为轻度PKU,经适当限制蛋白质摄入后血Phe浓度及体格智能发育基本正常。

综上,本研究充分分析了重庆地区PAH基因变异谱,突变以复合杂合突变为主,确定了本地区PAH基因变异的热点突变(c.728G>A、c.158G>A、c.721C>T及c.1197A>T),并分析了不同临床表型的HPA的热点突变,分别为经典型PKU患儿以c.728G>A及c.1197A>T为主,轻度PKU患儿以c.728G>A及c.721C>T为主,轻度HPA患儿以c.158G>A为主。本研究通过分析不同表型高苯丙氨酸血症患儿的热点突变,明确了重庆市PAH缺乏症患儿基因的突变类型与特点,基因诊断有利于及时明确疾病类型,为合理、及时调整治疗方案提供依据。

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http://dx.doi.org/10.16016/j.1000-5404.202010198
中国人民解放军总政治部、国家科技部及国家新闻出版署批准,
由第三军医大学主管、主办

文章信息

王冬娟, 张娟, 刘浩, 杨静, 万科星, 袁召建, 余朝文, 张大勇, 刘姗, 邹琳
WANG Dongjuan, ZHANG Juan, LIU Hao, YANG Jing, WAN Kexing, YUAN Zhaojian, YU Chaowen, ZHANG Dayong, LIU Shan, ZOU Lin
重庆部分地区苯丙氨酸羟化酶缺乏症患儿基因突变分析
Gene mutations in children with phenylalanine hydroxylase deficiency: an analysis of 45 cases in some regions of Chongqing
第三军医大学学报, 2021, 43(9): 876-882
Journal of Third Military Medical University, 2021, 43(9): 876-882
http://dx.doi.org/10.16016/j.1000-5404.202010198

文章历史

收稿: 2020-10-29
修回: 2021-01-05

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