综述：与纯合子ELAC2变异相关的扩张型心肌病和感觉运动多发性神经病：一例病例报告和文献综述

《Cardiogenetics》：Dilated Cardiomyopathy and Sensorimotor Polyneuropathy Associated with a Homozygous ELAC2 Variant: A Case Report and Literature Review

　　

ELAC2（编码线粒体RNase Z酶，该酶对线粒体tRNA（transfer RNA）加工至关重要）的变异与严重早发型线粒体功能障碍相关，主要表现为发育迟缓、肥厚型心肌病（HCM）和乳酸酸中毒。研究人员在此报告一例25岁年轻女性，表现为扩张型心肌病（DCM）和周围感觉运动多发性神经病，携带ELAC2纯合子变异。该变异迄今仅在一例严重婴儿型HCM伴线粒体呼吸链功能障碍的病例中报道过一次，体外数据显示RNase Z活性中度降低，支持目前根据美国医学遗传学与基因组学学会（ACMG）标准分类为C4（PS3，PM2，PM3，PP4）。研究人员广泛的临床、影像学、组织学和遗传学调查支持所鉴定变异与患者表型之间的因果关系，尽管根据当前知识，后者可能被认为不典型。还提供了关于ELAC2相关疾病的现有文献的详细综述，强调了tRNA（transfer RNA）成熟、线粒体功能障碍和可变表型表达的分子机制。研究人员的病例进一步扩展了ELAC2相关心肌病的临床谱，包括相对较晚的青年期发病，并强调了在伴有多系统受累的不明原因心肌病中进行全面遗传学检测的重要性。

1. 引言
线粒体功能障碍是多种遗传性心肌病的关键机制。在相关基因中，ELAC2（elaC核糖核酸酶Z 2）编码一种长链RNase Z酶，参与线粒体和核tRNA（transfer RNA）的3′端成熟，对线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）功能至关重要。ELAC2变异与早发型心肌病（主要为肥厚型心肌病（HCM），罕见扩张型心肌病（DCM））、神经肌肉疾病和代谢异常相关。高能量需求器官如脑、心脏和骨骼肌严重依赖线粒体功能，通常受累更重。本报告描述了一例青年期孤立性DCM伴周围神经病变患者，携带纯合子ELAC2变异，并回顾了ELAC2变异相关病理生理学的现有文献。

2. 临床病例
一名25岁女性因轻微活动后呼吸困难和端坐呼吸（持续两周）入院。既往史包括儿童期血管迷走性晕厥，体格和精神运动发育正常。一级亲属无心血管和肾脏疾病史。患者未长期服药。因怀疑社区获得性肺炎，已在家中开始抗生素治疗。两天后，患者因急性呼吸窘迫（无低血压，血压130/80 mmHg）就诊于急诊。心电图（ECG）显示窦性心动过速（120次/分），PR间期缩短（110 ms），碎裂QRS伴右束支传导阻滞和后左前分支阻滞（时限120 ms），胸前导联双向负正T波。实验室检查显示NT-proBNP显著升高（14,753 pg/mL，参考范围<450 pg/mL），高敏肌钙蛋白I升高（192 ng/L，参考范围0–16 ng/L），肾小球滤过率降低（44 mL/min/1.73 m²），动脉乳酸<2 mmol/L。心脏超声显示左心室扩张（舒张末期容积指数[EDVi] 100 mL/m²），室壁厚度正常（室间隔9 mm，后壁8 mm），左心室射血分数（LVEF）降低（30%），伴整体运动功能减退，重度二尖瓣反流，重度舒张功能障碍（限制性舒张模式），右心室（RV）无扩张伴轻度肥厚（游离壁8 mm）及收缩功能正常，中度肺动脉高压（估计收缩期肺动脉压，sPAP，55 mmHg），轻度环状心包积液。患者入住心脏重症监护室，接受静脉利尿剂和硝普钠的减负荷治疗，以及无创通气，临床和实验室参数逐渐改善。入院两天后心脏MRI证实左心室显著扩张（154 mL/m²，正常值62–98 mL/m²），壁厚正常，双心室收缩功能严重受损（LVEF 19%，RVEF 39%），伴弥漫性运动功能减退。组织分析显示弥漫性中层晚期钆增强（LGE），呈环状模式。左心室心肌原生T1值升高（1186 ms，正常值950–1050 ms），细胞外体积（ECV）升高（45%，正常值20–30%）。T2加权分析显示轻度高信号，左心室心肌值轻度升高（60 ms，正常值<55 ms）。CT冠状动脉造影排除心外膜冠状动脉疾病。心肌炎相关病毒学和自身免疫检测均为阴性。病情稳定后，在硝普钠持续输注（1 μg/kg/min）下进行右心导管检查，显示右心房压2 mmHg，肺动脉压升高（35/23 mmHg，平均28 mmHg），肺毛细血管楔压轻度升高（16 mmHg），心指数降低（2.17 L/min/m²），肺血管阻力轻度升高（2.6 Wood单位）。住院期间NT-proBNP逐渐恢复正常，但高敏肌钙蛋白I持续高于正常上限，入院后第5天达峰值350 ng/L，出院时为109 ng/L。尽管减充血，肌酐水平仍升高（入院1.39，出院1.86 mg/dL）。进行心内膜心肌活检，显示轻度水肿和轻度细胞多形性，伴轻度胞质空泡化和肌原纤维溶解。注意到轻微心内膜下和间质心肌纤维化。观察到极少数淋巴细胞（<7个/高倍视野），活检病毒学结果阴性。总体不满足心肌炎的达拉斯标准。电镜分析显示心肌细胞超微结构退行性变，伴显著线粒体增生和轻度非典型性（巨线粒体和同心嵴），以及肌膜下糖原积聚。鉴于肾功能不全与低输出血流动力学状态或静脉充血无关，且心内膜心肌活检中糖原积聚的组织学发现，扩展检测以排除代谢和贮积病：外周血白细胞α-葡萄糖苷酶活性（糖原贮积病II型/庞贝病）和尿草酸盐（高草酸尿症）均在正常范围内。肾功能衰竭归因于双侧肾实质多发囊肿。患者出院时接受沙库巴曲缬沙坦、达格列净、卡维地洛和螺内酯最大耐受剂量治疗。

2.1. 遗传学分析
初始遗传学检测采用Illumina True Sight One面板，重点分析涉及肥厚型、扩张型和致心律失常性心肌病、高草酸尿症、多囊肾病、肾结石、囊性肾病、糖原贮积病和线粒体疾病的基因。第一轮检测发现NEK8基因杂合可能致病性变异（C4），该基因与肾消耗病相关，但为隐性遗传模式。因此扩展检测，包括阵列比较基因组杂交（CGH）和临床外显子组测序。通过此方法，在ELAC2基因第13号外显子（c.1163A > G；p.Gln388Arg）中发现一个纯合错义单核苷酸变异。该变异在gnomAD v4.1.0人群数据库中频率极低，符合ACMG的中等致病性PM2标准。该变异在ClinVar中曾在一例严重婴儿型HCM伴线粒体呼吸链功能障碍的病例中报道过，体外数据支持致病性（RNase Z活性中度降低），增加强致病性PS3标准。PS3和PM2标准组合导致该变异分类为可能致病性（C4）。进一步家系分析显示，患者父母来自西西里岛一个小村庄，为第四代表亲，解释了罕见变异的纯合遗传（PM3）；此外，一位姨妈与第二代表亲结婚，其两个孩子在一岁内死亡。父母双方（五十多岁，心电图和心脏超声正常）均接受Sanger测序，证实各携带相同ELAC2杂合变异。两位哥哥表面健康，暂未进行遗传学分析。

2.2. 随访
鉴于遗传学检测中发现的罕见ELAC2变异及其既往与周围感觉运动障碍的关联，进行了肌电图检查，显示符合以感觉性轴索多发性神经病为主的模式，无肌病特征。经过3个月的最佳药物治疗，心脏超声LVEF及MRI组织特征保持不变，仍存在弥漫性心肌内LGE和水肿。高敏肌钙蛋白I水平虽较急性期降低，但仍升高（2个月时95 ng/L，3个月时37 ng/L），提示持续心肌损伤。为评估潜在炎症成分对心肌病的贡献，进行了心脏¹⁸F-氟脱氧葡萄糖正电子发射断层显像（FDG-PET），显示左心室壁弥漫性示踪剂高摄取，与心脏MRI所见弥漫性组织异常一致。基于这些发现，开始泼尼松维持治疗，3个月后随访FDG-PET显示心肌示踪剂摄取显著减少。持续性左心室功能障碍导致植入经静脉单电极植入式心脏复律除颤器（ICD）作为一级预防；后续随访中记录到无症状非持续性单形性室性心动过速发作，无装置干预。6个月时心肺运动试验显示峰值耗氧量显著降低（15 mL/kg/min），仅为预测值的42%。结合LVEF持续降低和NYHA心功能III级，决定将患者列入心脏移植等待名单。15个月随访时，患者病情稳定，NYHA III级，LVEF 27%，未因心力衰竭住院。

3. 讨论
3.1. 原发性线粒体疾病与Mt-tRNA成熟
原发性线粒体疾病（PMD）是一组罕见遗传病，导致能量产生受损。这种损伤通常由氧化磷酸化中起关键作用的核基因或线粒体基因致病性变异引起。线粒体是细胞生长和功能的关键动力源，通过呼吸链复合体（OXPHOS）产生ATP保证这一过程。OXPHOS系统由五个酶复合体（I-II-III-IV和V，又称ATP合酶）组成，其亚基由核基因和线粒体基因共同编码。线粒体基因组由环状双链结构组成，与核DNA不同，由RNA聚合酶III转录为单个多顺反子转录本。该转录本包含13个信使RNA（mt-mRNA）、2个核糖体RNA（mt-rRNA）和22个转运RNA（mt-tRNA）。从13个mt-mRNA翻译出等量肽段，成为OXPHOS系统的一部分。tRNA三级结构由两个相对的基本部分构成：受体臂（氨基酸结合位点）和反密码子环（含识别mRNA对应三联体的核苷酸）。受体臂包含5′和3′端；在未成熟mt-tRNA前体中，这些区域含过多核苷酸，需去除以允许tRNA正确功能。未成熟mt-tRNA加工始于5′切割，由内切核糖核酸酶（RNase P）执行。该蛋白复合体由甲基转移酶（MRPP1-TRMT10C）、脱氢酶（MRPP2-SDR5C1）和内切核糖核酸酶亚基（MRPP3-PRORP）组成。3′端加工由RNase Z酶催化，属于β-内酰胺酶家族（依赖Zn²⁺离子）。在细菌中，RNase Z仅以短链形式存在。但在许多真核生物中，除短链形式外，还存在长链形式（RNase Z_L），由基因复制产生并含有两个β-内酰胺酶结构域。人类中，短链同源物称为ELAC1，定位于胞质和细胞核。相反，长链形式称为ELAC2，由于存在两个替代起始密码子，替代翻译起始产生核靶向形式和线粒体靶向形式。ELAC2敲除破坏核编码tRNA（nu-tRNA）和线粒体编码tRNA前体的3′端加工。对于具有保守肘部的nu-tRNA和典型mt-tRNA，ELAC2通过直接ELAC2–RNA相互作用识别并切割3′尾。然而，大多数人类mt-tRNA具有结构退化的肘部区域，这些非典型底物的有效加工需要TRMT10C–SDR5C1亚复合体。体外重构显示TRMT10C–SDR5C1稳定退化mt-tRNA的三级折叠，并介导与ELAC2的蛋白质-蛋白质接触，形成正确的mt-tRNA 3′成熟所必需的多亚基线粒体RNase Z复合体。从临床角度看，心血管受累（CVI）已在多名PMD患者中发现。但年龄相关患病率、临床表现和预后意义尚不完全清楚。由于这些亚型罕见且多样，确定CVI结局是否一致具有挑战性。2020年，Brambilla等人报告在86名PMD儿童中，CVI占36%，常出现在非常年幼的年龄（平均发病年龄6岁），包括16%的产前和新生儿期，常为PMD的首发表现。肥厚型、致密化不全型和扩张型心肌病是主要疾病，但也发现肺动脉高压。CVI与不良预后相关。PMD相关CVI的最终结局受具体病因影响，提示需要对心力衰竭和猝死预防进行个体化管理。值得注意的是，仅66%的患者通过分子分析确诊，其中MTTL1 A3243G变异导致的MELAS综合征最常见（9%），其次为TMEM70（6%）、NARP和巴氏综合征（各5%）。仅一名患者携带ELAC2变异，再次说明这些变异的罕见性。

3.2. ELAC2的作用
ELAC2由两个β-内酰胺酶结构域组成：N端结构域（NTD，Met1–Arg428）和C端结构域（CTD，Pro481–Gln826）。ELAC2还参与核tRNA和miRNA的加工，小鼠模型表明其与额外风险因素结合时在前列腺癌中发挥作用，并通过NIK/核因子κB（NF-κB）介导的应激通路相互作用。此外，在靶向巨核细胞的ELAC2敲除模型中，该蛋白缺失导致血小板减少和出血性疾病。临床变异p.Gln388Arg位于NTD，该区域无催化残基，但保留了对前体tRNA结合至关重要的柔性臂。该功能在细胞核中无需额外辅助因子即可发生，而线粒体加工需要与TRMT10C和SDR5C1形成复合体。2011年，Brzezniak等人证明沉默HeLa细胞中的ELAC2导致含未加工3′ mt-tRNA的分子积累，但不影响成熟mt-tRNA水平，表明ELAC2在mt-tRNA加工中的关键作用。他们揭示mt-tRNA成熟过程可能是顺序性的，因为沉默RNase P复合体亚基MRPP1会破坏5′和3′ mt-tRNA加工。这一发现与早期酵母研究一致，表明属于RNase Z的ELAC2对具有延伸5′端的mt-tRNA亲和力低。五年后，心脏和骨骼肌特异性ELAC2敲除小鼠模型显示成熟线粒体mRNA、rRNA和tRNA显著丢失，影响整体转录，导致OXPHOS功能显著受损。这种丢失显著降低了呼吸链复合体的耗氧量。有趣的是，携带ELAC2纯合致病性变异的患者显示成纤维细胞OXPHOS功能障碍，但成熟mt-mRNA并未相应显著减少，提示蛋白质产生在翻译阶段特异性受阻。ELAC2定位于细胞核和线粒体（归因于其N端序列），强调了其不仅加工tRNA，还加工其他非编码RNA（包括microRNA, miRNA）的参与。对ELAC2致病机制的进一步见解来自果蝇研究，果蝇缺乏ELAC2但具有同源蛋白RNase Z。与人类HCM中发现的类似变异导致果蝇心壁厚度和心腔舒张末期面积增加，缩短分数减少，归因于倍性增加和心肌细胞体积增大，同时细胞外基质数量显著增加。这些发现提示肥厚型和扩张型心肌病可能代表同一疾病的不同阶段。此外，RNase Z功能改变与编码呼吸链蛋白亚基的mt-mRNA丰度降低相关，导致OXPHOS激活减少和活性氧（ROS）增加，进而引起细胞和DNA损伤。线粒体对膜损伤的保护性反应涉及未折叠蛋白反应（UPR），对维持线粒体功能至关重要。沉默秀丽隐杆线虫中的ELAC2直系同源物导致UPR激活受损和随后的细胞损伤。通过多种方法评估人类变异致病性，显示患者来源的成纤维细胞积累未加工的mt-tRNA和mt-mRNA，导致OXPHOS蛋白减少。在这些成纤维细胞中慢病毒表达野生型基因可恢复成熟mt-RNA正常水平。在文献中最大的ELAC2病例系列中，Saoura等人通过分析RNase活性，发现多个错义变异（包括p.Gln388Arg）的酶功能与野生型蛋白相比显著降低，强烈支持其致病性。约一半的变异表现出轻度残留酶活性，范围为野生型（WT）的20%至80%。值得注意的是，四个变异活性显著降低，Pro493Leu和Tyr729Cys仅显示WT活性的1%。相比之下，本患者发现的变异p.Gln388Arg的残留活性为38%。

3.3. ELAC2变异、基因型-表型相关性、心脏表型和病程
包括本患者，全球迄今已描述28种ELAC2变异（伴轻度至重度心脏受累），共10例病例报告/系列，导致42名患者携带ELAC2变异；最常见的变异是Phe154Leu，在42名患者中占20名（48%），均为阿拉伯或沙特阿拉伯裔。仅10/42为欧洲裔（24%），包括6例意大利病例。2013年，Haack等人发现一批肌肉活检显示OXPHOS链复合体活性功能障碍的儿科患者，来自三个不同家庭的五名个体携带纯合子ELAC2变异（三名：p.Phe154Leu和p.Leu423Phe）或双重杂合变异（两名：p.Arg211*；Thr420Ile）。所有患者均表现为严重型HCM，发病于出生后头几个月（所有个体在六个月前确诊），其中三名早期死亡。一名患者在4岁时快速进展为DCM。所有患者均有宫内生长迟缓或出生后头几个月的精神运动迟缓，三名出现乳酸酸中毒。前述ELAC2变异（p.Phe154Leu）在阿拉伯家族中报道，在15个不同沙特家庭的16名婴儿期心肌病患者队列中发现纯合子。所有患者在14个月龄前死亡，除三例表现为DCM表型外，均为HCM。另一显著表现是心包积液，在七名患者中观察到。2018年，Soura等人调查了12个不同家庭的12名婴儿，表现为早发型心肌病，其中10名为HCM，2名为DCM。除一名外，所有患者均出现乳酸酸中毒，提示线粒体受累。七名患者成纤维细胞中分离出复合体I缺乏。通过全外显子组测序（WES）或基于面板的二代测序，鉴定出不同的ELAC2变异，包括三名患者携带先前描述的纯合子p.Phe154Leu变异。鉴定出10个新错义变异，包括两个移码变异和四个剪接位点变异。13名患者中10名在研究结束前死亡，死亡中位年龄为5个月，说明高死亡率。一些患者表现出显著神经系统症状而心脏受累轻微，如巴基斯坦家族中携带剪接变异c.1423+2T>A影响蛋白表达，导致严重发育迟缓且仅边界性心脏肥厚。在复合杂合性病例中观察到类似心脏表型，以神经系统表型为主（p.Gly132Arg和p.Ser347Phe；变异导致患者成纤维细胞中未加工线粒体转录本积累）。2023年发表的后续病例系列描述了来自三个无关家庭的五名儿童，共携带四个先前未报道的双等位基因错义变异（三个纯合子和两个复合杂合子）。三名患者还显示成纤维细胞系中ELAC2丰度显著降低。表型方面，所有患者的共同特征是神经系统受累（小脑共济失调、癫痫、感觉运动神经病等），而心脏表现变异更大：一名患者无心脏结构改变证据，两名患者仅轻度左心室肥厚，一名患者发展为严重DCM（可能为HCM快速演变，壁厚仍增加），导致1岁时因心源性休克死亡。在四名伴CVI的患者中，三名确诊年龄在4至8个月之间。最后一名患者在13岁时发现轻度心肌病（未进一步明确）。关于具体心脏表型，大多数患者确诊时表现为HCM，少数DCM主要归因于HCM演变。本患者也可能是这种情况，ECG电压及右心室无扩张伴收缩功能正常和轻度肥厚支持这一点。值得注意的是，年轻确诊年龄、男性、HCM家族史和更大壁厚被报告为HCM扩张-运动功能减退演变的递增风险因素，预后不良。来自国际多中心SHaRe注册中心的最新数据显示，在儿童期确诊HCM的患者中，56名（5.5%）在初次评估时已存在左心室收缩功能障碍（LVSD），92名（9.1%）在中位随访5.5年内出现新发LVSD。儿童患者总体LVSD患病率为14.7%，而成人确诊HCM为8.7%。总体而言，全球迄今描述的42名患者中，成人期（>18岁）发现CVI仅在两名患者中描述：一名69岁亚述女性（携带p.Gly132Arg和p.Ser347Phe），以及本病例。关于生存，上述亚述女性是最年长的存活患者，本病例为第二。当前文献由于患者数量有限，无法进行明确的基因型-表型相关性分析。ELAC2致病性变异分布于整个基因，其位置或类型与临床表型无强相关性。p.Gln388Arg变异曾在一名6个月时确诊HCM的患者中发现，伴乳酸酸中毒、精神运动迟缓和周围神经病变，但存活至19岁。同一变异显示可变临床表达，报告残留酶活性为野生型的38%。同样，由于样本量小，无法在整体残留酶活性与表型严重程度之间建立明确关联。未来利用多基因风险评分的研究可能有助于阐明心肌病中的基因型-表型关系。

3.4. 全面遗传学分析的重要性
如表所示，大多数ELAC2变异通过WES鉴定，仅少数通过专门针对心肌病的基因面板检测到。这可能部分是因为最常用的基因面板之一未包含ELAC2基因。在这种情况下，对于早发和/或阳性家族史的复杂表型，应考虑进行WES研究。这是一个重要问题，已针对许多其他基因（包括SYNE1）提出，并可能在未来几年成为越来越重要的讨论话题，涉及多种已知与心肌病相关的基因。非典型HCM的临床表现也应引起怀疑。2018年，一项队列研究包括91名心肌病表型儿科患者（50% DCM，30% HCM）。约40%的个体在WES分析后发现遗传变异分类≥C3。值得注意的是，60%的这些变异无法通过标准商业NGS基因面板识别。同年，另一项研究涉及40名确诊HCM或DCM的成人受试者，比较了四个商业基因面板与WES的诊断率。面板对两种表型的诊断率分别为HCM 43%和DCM 12%。尽管WES未显示显著更高的诊断率，但揭示某些基因（如TNNI3和PLN）的覆盖度低于标准基因面板提供的覆盖度。未来几年，制定基于证据的指南至关重要，以确定哪些基因面板阴性患者（甚至初始评估阶段）应进行WES分析的临床和家族性标准。

4. 结论
研究人员广泛的临床和文献综述显著拓宽了ELAC2相关线粒体心肌病的已知临床谱。增强对ELAC2变异的认识和系统性研究对于精确的基因型-表型表征、改进诊断方法和个体化管理策略至关重要。本病例揭示的另一个关键方面是详细家族史调查的重要性。全面的家系分析对于常染色体隐性遗传病尤为重要，有助于更好地理解遗传机制并指导适当的遗传咨询。识别心肌病中的ELAC2变异对患者管理具有直接临床意义，包括遗传咨询、对相关神经系统和代谢紊乱的早期监测，以及考虑早期晚期心力衰竭疗法（包括移植）。