2022年8月10日，浙江大学遗传学研究所管敏鑫教授课题组在国际权威学术期刊《人类分子遗传学》（Human Molecular Genetics）在线发表了LHON组织特异性损伤机制的新发现，（原文链接：https://academic.oup.com/hmg/advance-article/doi/10.1093/hmg/ddac190/6659966）。本文通过对LHON患者家系来源的体外诱导视神经节细胞的形态和功能分析，确定了X连锁的核修饰基因PRICKLE3协同线粒体m.11778G>A突变对LHON视神经细胞选择性损伤的作用机制，破解了LHON男性好发和组织特异性损伤的难题，为LHON的治疗提供了新的思路。

Leber 遗传性视神经病变（Leber's Hereditary Optic Neuropathy，LHON），是最常见的母系遗传疾病之一，尤其好发于15-35岁的青壮年男性，患者通常表现为双眼无痛性的急性或亚急性视力下降，严重的导致失明，并且这种视力损伤通常是不可逆的，给患者本人和患者家庭都造成了巨大的痛苦。目前，仅有艾地苯醌被发现对于缓和LHON的急性发病有一定疗效，但仍然缺乏明确有效的治疗方法。LHON治疗方法的缺失与LHON致病机制的不够明确密不可分。超过90% 的LHON患者携带m.3460G>A，m.11778G>A，m.14484T>C三个线粒体基因组点突变中的一个，这三个位点都改变了进化上中度或高度保守的氨基酸，引起线粒体呼吸链复合体I结构和功能异常，造成能量代谢障碍，因此，线粒体突变被认为是LHON致病的分子基础，并最终诱发LHON。但LHON的不完全外显、表型差异以及男性多发等特征，表明其他因素（如其他线粒体基因、核基因和环境因素等）在疾病表型调控中发挥重要作用。

大多数LHON家系中明显更高的男性发病率提示核基因尤其是X连锁的核修饰基因对LHON疾病发生具有显著的调控作用。数十年来，国际上多个研究团队通过在不同的国家和地区中采用多种方法试图找到LHON的X连锁和修饰基因，但都未能确定。2020年6月9日，浙江大学遗传学研究所管敏鑫教授团队在国际权威期刊《临床研究杂志》（The Journal of Clinical Investigation, IF = 12.28）在线发表了X连锁核修饰基因突变引发Leber’s遗传性视神经病变（LHON）的研究成果[1]，首次发现了X连锁核修饰基因PRICKLE3突变与线粒体基因突变协同作用引发LHON，破解了LHON男性好发之一三十年未解之谜。这是线粒体疾病LHON致病机制研究中一次里程碑式的突破。该研究中，通过外显子测序技术以及生物信息分析和功能验证发现了X连锁基因PRICKLE3，发现了PRICKLE3突变（p.Arg53Trp）影响了线粒体ATP合酶的组装、稳定性和功能，与线粒体基因11778G>A突变协同作用，加重了线粒体能量代谢障碍，最终导致疾病发生。这项研究是对LHON致病机制的全新阐释，是线粒体疾病研究领域的重大突破。

但需要注意的是，在LHON患者中，线粒体突变遍及全身所有细胞，核修饰基因PRICKLE3也在多个组织和器官中发挥重要作用，但LHON通常只特异性的损伤视神经节细胞（RGCs, Retinal ganglion cells），而对其它细胞缺乏影响。同时，其他线粒体功能障碍如A1555G突变等同样会造成严重的线粒体功能障碍，但并不影响RGCs，说明单纯的线粒体能量代谢障碍无法完整的解释在LHON中RGCs的易感性。

在本项研究中，管敏鑫团队从此前研究的患者家系中分别采集了携带不同基因型（不携带相关突变的个体；携带PRICKLE3c.157 C>T杂合突变个体；携带m.11778G>A突变的个体；携带m.11778G>A突变以及PRICKLE3c.157 C>T杂合突变个体；携带m.11778G>A突变以及PRICKLE3c.157 C>T半合子突变个体）的皮肤组织样本，从这些皮肤组织样本中分离出来的成纤维细胞被诱导为iPSC（诱导多能干细胞），并将iPSC在体外诱导为视神经节细胞，通过这个模型，解决了LHON患者的RGC活检样本无法获取的难题。

本项研究发现，与不携带的相关突变的个体相比，携带PRICKLE3突变和m.11778G>A突变的iPSC分化为神经祖细胞和携带突变的神经祖细胞进一步分化为视神经节细胞的能力都显著降低，而同时存在两种突变更加难以向下游分化，暗示从PRICKLE3基因调控m.11778G>A线粒体突变，导致患者的RGC数量减少。此外，研究发现线粒体的功能障碍会影响RGC的形态。与正常的RGC相比，携带m.11778G>A突变的RGC细胞胞体面积降低了15%，神经突数量降低了30%，且减少以短神经突为主；携带PRICKLE3突变的细胞神经突不受影响，但胞体面积降低了11%；同时携带PRICKLE3突变和m.11778G>A突变表现出更全面的形态异常，不管是神经细胞的胞体面积还是神经突数量，神经突长度都出现了明显的改变，提示PRICKLE3突变与m.11778G>A对RGC形态和发育的协同打击。

形态是功能的基础，神经细胞形态的异常可能影响神经细胞的功能。研究发现突变细胞的电生理功能障碍。同时携带PRICKLE3突变和m.11778G>A突变的RGC对外部刺激过度敏感，单次的外部刺激可以激发出更多更强的诱发电位，而且部分细胞表现出自发放电，这可能是PRICKLE3突变对于细胞极性影响的表现。这种过度敏感对于细胞的能量产生提出了更高的要求，与突变的线粒体导致的能量代谢障碍共同发生，使RGC细胞持续处于过度压力状态，可能是RGC在LHON中更易受损的原因。

研究发现与其他细胞（成纤维细胞，iPSC，神经祖细胞），PRICKLE3突变协同m.11778G>A在RGC中造成更严重的ATP水平降低，同时携带双重突变细胞的ATP水平仅维持在正常细胞的约10%。Cyto C从线粒体中的释放和Caspase3的激活都表明，同时携带PRICKLE3突变和m.11778G>A突变的RGC更容易发生凋亡。

通过体细胞-iPSC-诱导RGCs模型，本项研究得以更加深入的探究LHON相关的线粒体突变在体细胞重编程和RGCs发育中的影响，阐明核修饰基因如何与线粒体基因突变相互作用导致更严重的LHON表型，同时研究二者对诱导RGCs和其它类型的细胞造成的区别影响，从而加深我们对于LHON疾病的理解，为更好，更有针对性和普适性的LHON治疗方式的探索提供依据。同时，本项研究在已有的技术基础上进一步改进了从iPSC产生诱导RGCs的技术体系，探索了新的高效率的产生高纯度的RGCs的途径，为体外诱导RGCs用于视神经损伤的细胞移植治疗提供了参考。

本文特别缅怀纪念我国神经眼科学主要奠基者之一，LHON研究的先驱者，原福建医科大学童绎教授。本项研究受到科技部重点研发计划和国家自然科学基金的支持。博士生聂志鹏为本文第一作者，浙江大学遗传学研究所管敏鑫教授为本文通讯作者。