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“不食人间烟火”只因为......为你解密苯丙酮尿症患儿

致病机理

经典型苯丙酮尿症(PKU)

正常情况下,苯丙氨酸是通过肝细胞产生的苯丙氨酸羟化酶(PAH)转化为酪氨酸,之后再分别合成甲状腺素,肾上腺素和黑色素等途径来完成代谢(如图1)。

 

 经典型苯丙酮尿症(PKU)

图1 正常人体内苯丙氨酸代谢途径[1]

 

而PKU患者由于缺乏苯丙氨酸羟化酶,使得苯丙氨酸不能羟化为酪氨酸,所以遵循另一条代谢通路,即苯丙氨酸(Phe)与α-酮戊二酸进行转氨基作用,生成苯丙酮酸,引发大量的苯丙酮酸在血液和组织中堆积,最后于尿液中排出。而苯丙酮酸的代谢产物在中枢神经积累并产生毒性,会导致相应的神经系统症状(如图2)。

 

 经典型苯丙酮尿症(PKU)

图2  PKU患者体内的苯丙氨酸代谢途径[1]

 

四氢生物蝶呤(BH4)缺乏症

三磷酸鸟苷(GTP)在三种合成酶作用下,合成无活性的四氢生物蝶呤,后者与氧气结合生成4α-羟化四氢生物蝶呤,然后在翼素-4α-卡宾明脱水酶(PCD)作用后生成(二氢生物蝶呤)BH2,再在二氢生物喋呤还原酶(DHPR)作用下,生成具有生物活性的BH4,发挥重要的生理作用(如图3)。

 

 经典型苯丙酮尿症(PKU)

图3 四氢生物喋呤生成过程[1]

 

生成的BH4会与Phe通过一种GTPCH刺激蛋白(P35)起着调节GTPCH的作用,当血Phe增高时,通过增强GTPCH作用促进新喋呤和生物喋呤的合成(如图4)[1]

 

 经典型苯丙酮尿症(PKU)

图4 四氢生物喋呤作用过程[1]

 

小鼠模型

目前应用广泛的苯丙酮尿症疾病小鼠模型为Pahenu1和Pahenu2两种,这两种模型小鼠都是用化学诱变剂乙酰基亚硝基脲(ENU)诱变获得。但Pahenu2小鼠肝脏所表达的突变蛋白基本上检测不到催化活性,此外Pahenu2小鼠在7号外显子上发生点突变,携带这一突变型的患者比Pahenu1小鼠突变型携带者更多。因此对于苯丙酮尿症的研究使用的多是Pahenu2模型小鼠。

 

还有学者利用CRISPR/Cas9系统构建丙酮症疾病小鼠模型PahR408W。根据野生型小鼠Pah基因的12号外显子序列设计靶点并设计同源重组模板,同源重组模板上带有胞嘧啶突变成胸腺嘧啶的点突变,从而在DNA修复过程中在小鼠胚胎DNA上引入胞嘧啶到胸腺嘧啶的点突变,最终将PAH蛋白氨基酸序列408位的精氨酸突变成色氨酸(图5)。

 

 经典型苯丙酮尿症(PKU)

图5 PahR408W模型设计示意图

 

蓝色碱基为靶点sgRNA序列,红色碱基为突变前的碱基,绿色碱基标注出PAM区域[2]

 

通过显微注射的方式引入CRISPR/Cas9元件,小鼠出生后检测F0代小鼠基因型,最终获得阳性小鼠25只,其中PahR408W小鼠3只。且PahR408W小鼠具有典型的苯丙酮尿症病症,正常生理状况下,体内的苯丙氨酸在苯丙氨酸羟化酶作用下代谢生成酪氨酸,随后一部分酪氨酸在相关酶的作用下生成黑色素。当体内苯丙氨酸羟化酶活性降低,不能正常代谢苯丙氨酸成酪氨酸,因此不能合成足够多的黑色素,导致出现毛色色素衰退的症状。首先对成年(8周龄)野生型和PahR408W小鼠进行毛色对比。通过与野生型小鼠对比,发现成年(8周龄)PahR408W小鼠毛色出现明显的色素减退的症状(图6)[2]

 

 经典型苯丙酮尿症(PKU)

图6 小鼠毛发颜色图[2]

 

治疗方法

目前尚无方法可以根治PKU,最常见的方法是在新生儿筛查中做到"早发现早治疗”,减少对患儿生长发育及智力发育等方面损害。因此快速、有效、精准的基因诊断对PKU患儿的尽早治疗十分有意义[3]当前PKU治疗方法主要以饮食疗法、糖巨肽法、大中性氨基酸法、补充四氢生物蝶呤法为主,其他潜在疗法包括酶替代疗法和基因疗法仍在探究中。

 

饮食疗法

如果PKU患者不进食或少进食含苯丙氨酸的食物,则PKU基因未必会对患者造成伤害,所以限制苯丙氨酸摄入不失为一个好方法。由于大部分食物中都含有苯丙氨酸,低苯丙氨酸饮食来源有两种,一种是天然低蛋白食物,另一种为人工合成的氨基酸药食。对于纯天然的低蛋白食物仍然要严格控制摄入量,且要补充其他人体必要氨基酸,维生素等,以免造成营养失衡和骨质疏松、神经损伤加剧等并发症,而人工合成的氨基酸药食口味差,进食量又大,会导致患者生活质量下降,对饮食疗法的遵循度降低[4]

 

糖巨肽疗法(glycomacropeptides, GMP)

GMP是来自源于干酪乳清的天然蛋白质,其苯丙氨酸含量低,但富含缬氨酸、异亮氨酸和苏氨酸等人体必需氨基酸,也可作为患者低苯丙氨酸食物的来源,目前已用于PKU的治疗。GMP饮食疗法可与其他疗法联合使用,用于治疗PKU患者尤其是需严格控制苯丙氨酸摄入的患者。然而该疗法具有免疫性不明确且缺乏长期食用的临床安全性数据等缺点,该方法用于PKU的治疗仍需进一步观测。

 

大中性氨基酸法(large neutral amino acids, LNAA)

大中性氨基酸包括支链氨基酸(缬氨酸、亮氨酸、异亮氨基酸)和芳香氨基酸(苯丙氨酸、酪氨酸)等,这些大中性氨基酸可与苯丙氨酸竞争性与脑部L型氨基酸运载体结合,抑制苯丙氨酸通过胃肠黏膜和血脑屏障,进而降低苯丙氨酸在胃肠道的吸收和减少其进入脑部的量。故通过饮食增加血液中其他LNAA的浓度,也成为治疗PKU的一种方法。但该方法一般推荐成人患者使用。该方法缺乏长期临床试验数据,需进一步研究来证明其治疗结果的安全性和有效性。

 

补充四氢生物蝶呤疗法

四氢生物蝶呤作为苯丙氨酸羟化酶的辅助因子,能够显著降低BH4缺乏型和对BH4治疗产生反应的PAH缺乏型患者体内苯丙氨酸浓度。二盐酸沙丙蝶呤(sapropterin dihydrochloride)是人工合成的BH4,最初是由日本Daiichi Sankyo公司研制,其片剂由BioMarin Internation公司研制,商品名:KUVAN。该化合物于2007年被美国FDA批准上市,用于治疗苯丙酮尿症及高苯丙氨酸血症。

 

苯丙氨酸氨解酶法(phenylalanine ammonialyase, PAL)

研究发现,通过注入外源性苯丙氨酸氨解酶,可降低患者体内苯丙氨酸浓度,从而达到治疗疾病的目的。因为苯丙氨酸氨解酶可将苯丙氨酸降解为E-肉桂酸和少量的氨,E-肉桂酸可迅速转化为马尿酸,随尿液排出体外,所以此代谢途径可降低患者体内苯丙氨酸浓度。目前,已经启动PEG-PAL的Ⅲ期临床研究,用于评价药物的安全性和有效性[5]

 

基因疗法

近年来随着生物医药技术的发展,基因疗法取得了很大的进展。研究发现,98%的PKU患者是由于苯丙氨酸羟化酶基因突变导致患者体内苯丙氨酸羟化酶缺乏或活性不足。苯丙氨酸羟化酶致病突变基因大多位于外显子区域,且主要集中在外显子3、外显子6、外显子7和外显子11上。通过基因转移方法,将含有鼠源PAH-cDNA注入到PKU模型小鼠体内,可恢复小鼠肝脏中苯丙氨酸羟化酶的活性,使苯丙氨酸的代谢恢复正常,从而降低小鼠体内苯丙氨酸的浓度。另一种研究方法是基于PKU患者体内苯丙氨酸羟化酶基因的无义突变。大约10%的PKU患者是由于苯丙氨酸羟化酶基因发生无义突变,产生不稳定或者无活性的截短蛋白。对携带PAH基因无义突变的哺乳动物细胞株(COS-7和HEK293)给予氨基糖苷类药物庆大霉素和遗传霉素(geneticin,G418),该细胞株在体外可表达全长并且有活性的PAH。结果显示,无义突变药物也是一种潜在治疗PKU疾病的方法,但仍然需要对其进行体内药效学研究[6]

 

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 经典型苯丙酮尿症(PKU)

 

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 经典型苯丙酮尿症(PKU)

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参考文献及引用图片来源:

[1]朱晓涵.苯丙酮尿症的致病机理与防治措施研究[J].当代化工研究,2018(09):187-189.

[2]马列. CRISPR-Cas9技术在苯丙酮尿症小鼠模型构建及基因治疗的应用研究[D].华东师范大学,2017.

[3]李锦,李晶,李娜娜,陈宁,孟岩,潘亭亭,张蔓丽,朱军,田亚平.吉林和辽宁地区80例苯丙酮尿症患儿苯丙氨酸羟化酶基因突变分析[J].解放军医学院学报,2021,42(08):843-848+889.

[4]朱晓涵.苯丙酮尿症的致病机理与防治措施研究[J].当代化工研究,2018(09):187-189.

[5]马列. CRISPR-Cas9技术在苯丙酮尿症小鼠模型构建及基因治疗的应用研究[D].华东师范大学,2017.

[6]牛瑞青,冯文化.苯丙酮尿症及相关治疗方法研究进展[J].中国新药杂志,2018,27(02):154-158.

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