苯丙酮尿症(phenyl ketonuria,PKU)是由於肝臟苯丙氨酸羥化酶(phenylalanine hydroxylase,PAH)缺乏或活性減低而導致苯丙氨酸代謝障礙的一種遺傳性疾病。在遺傳性氨基酸代謝缺陷疾病中比較常見。本病遺傳方式為常染色體隱性遺傳。臨床表現不均一,主要臨床特徵為智力低下、精神神經症狀、濕疹、皮膚抓痕征及色素脫失和鼠氣味等,腦電圖異常。如果能得到早期診斷和早期治療,則前述臨床表現可不發生,智力正常,腦電圖異常也可得到恢復。

苯丙氨酸代謝障礙的原因

(一)發病原因

隨著年齡的增大,攝入的苯丙氨酸用於合成蛋白的量逐漸減少。出生以後,每天攝入的苯丙氨酸約為0.5g,兒童和成人增加到4g。其中較大部分被氧化成酪氨酸,這一過程主要依賴於苯丙氨酸羥化酶(PAH),但也需要輔因子參與。如果這一氧化過程發生障礙,則有苯丙氨酸在體內堆積,在此情況下,苯丙氨酸則通過其他途徑進行代謝而產生苯丙酮酸有害物質。苯丙酮尿(PKU)就是因為PAH活性減低或缺如而引起的一種遺傳性疾病。PAH活性減低還可使酪氨酸受抑而使黑色素生成減少,羥苯丙酮酸酶受抑而使羥苯酮酸在體內堆積。

本病為常染色體隱性遺傳,突變基因位於12號染色體長臂(12q24.1),該基因的微小變異即可引起發病,並非由於基因缺失。系由兩個雜合子的婚配而導致的遺傳性疾病,以近親結婚的子代為多見,患兒同胞約40%患病。由於苯丙氨酸羥化酶(phenylalanine hydroxylase)基因突變,導致肝臟中苯丙氨酸羥化酶缺乏,是本病基本的生化異常。如果發生變異的碱基對不同,引起臨床表現的嚴重程度有很大差異,可表現為典型PKU或輕度高苯丙氨酸血症。

(二)發病機制

苯丙氨酸(phenylalamine,PA)是一種人體必需氨基酸,它參與構成各種蛋白質成分,但在人體內不能合成。正常情況下,攝入的PA中約有50%左右用於合成各種成分的蛋白質,其餘部分在苯丙氨酸羥化酶的作用下變為酪氨酸,再經其他酶的作用轉化為多巴、多巴胺、腎上腺素、去甲腎上腺素及黑色素等。苯丙氨酸羥化酶是複合酶系統,除羥化酶本身外,還包括二氫蝶呤還原酶及輔酶四氫生物蝶呤,任何一種酶缺陷均可引起血苯丙氨酸增高。

當PA羥化酶缺乏時,未參與第一步蛋白質合成的苯丙氨酸在血漿內貯積,並沉積於全身組織包括腦。血中苯丙氨酸超過腎閾而排出,產生苯丙氨基酸尿。

PA的主要途徑(羥化)受阻後,PA的次要代謝途徑則代償性地亢進,使PA轉化為苯丙酮酸、苯乳酸、正羥苯乙酸和苯乙酸的比重逐步增加。正常時這條代謝旁路進行得很少,因此這些代謝產物的含量極少;當PA羥化酶缺乏時,這些代謝產物才達到異常增高的水平,積蓄於組織、血漿和腦脊液中,並大量從尿中排出,產生苯丙酮尿症。

1.根據生化缺陷的不同可分為

(1)典型PKU:先天性苯丙氨酸羥化酶缺陷。

(2)持續性高苯丙氨酸血症:見於苯丙氨酸羥化酶異構酶缺陷或典型苯丙酮尿症雜合子,血苯丙氨酸增高。

(3)一過性輕度高苯丙氨酸血症:多見於早產兒,是苯丙氨酸羥化酶成熟延遲所致。

(4)苯丙氨酸轉氨酶缺乏:雖然血苯丙氨酸含量增加,但尿中苯丙酮酸及羥苯乙酸可不增高,給予負荷量的苯丙氨酸口服後血酪氨酸也不增加。

(5)二氫蝶呤還原酶缺乏:酶活性完全或部分缺乏,除影響腦發育外可使基底節鈣化。

(6)二氫蝶呤合成缺陷:缺乏甲醇氨脫水酶或其他多種酶。

典型PKU患兒出生時神經系統正常,由於純合子患兒缺乏神經系統保護措施,神經系統長期暴露於苯丙氨酸而出現癥狀。如母親是純合子,血苯丙氨酸水平很高,患兒是雜合子,在子宮中就可發生中樞神經系統損害,出生時表現為智力障礙。

普通型PKU及某些輕度和嚴重變異型,疾病早期未經治療可出現精神衰退。推測可能為等位基因突變型,表現為高苯丙氨酸血症(hyperphenylalaninemia),無苯丙酮尿症及神經系統受累。此外,即使少數(約3%)病人控制高苯丙氨酸血症,也不能預防神經系統病變的進展。

2.分子生物學研究正常人PAH蛋白有摺疊,並有鐵結合位點。鐵結合位點結構的保持與位於與活性位點相關的3D結構中的第349位的絲氨酸有關,這個位點的絲氨酸與PAH結構的穩定性聚合和PAH的催化性質也具重要性。Fusetti等測定了人PAH(殘基118~452)的結晶結構,發現此酶與組成催化和四聚體化區的每個單聚體以四聚體結晶出現。在四聚體化區的特性是存在與其他單聚體相互作用的交換臂,因而形成一反平行的盤旋卷,而且明顯的不對稱,這是由於在導致盤旋卷螺旋的螯合區有兩個交替構形所引起。最常見的PAH突變中的某些突變即發生於催化區和四聚體區的交界處。

不同的PAH基因的突變使PAH活性受影響的程度不同,對PAH結構的影響也不一樣。Camez等用不同的表達系統揭示PAH突變:Leu348Val、Ser349Leu、Val388Met引起PAH蛋白有摺疊缺陷。將突變的PAH蛋白在大腸埃希桿菌中表達顯示比野生型PAH蛋白有對熱不穩定,降解的時間過程也不相同。Bjorgo等研究了PAH7種錯義點突變,即R252G/Q、L255V/S、A259V/T及R270S。另外還有一種突變為G272X。當將這些突變的PAH蛋白與麥芽糖酶以融合蛋白形式共同表達於大腸埃希桿菌中,證明人PAH蛋白摺疊和聚合為同種四聚體/二聚體的能力有缺陷,大多數回收為無活性聚集型。R252Q和R252G回收到具有催化活性的四聚體和二聚體,R252G回收到一些二聚體。前述3種突變使PAH活性分別只有野生型活性的20%、44%和4.4%。當在體外以耦聯的轉錄-翻譯系統表達時,所有突變的PAH均回收到具有低同種特異性活性的非磷酸化和磷酸化型的混合物。所有這些PAH基因突變所表達的變異的人PAH蛋白在寡聚化方面均有缺陷,在體外實驗對限制性蛋白溶解的敏感性增加,在細胞中的穩定性減低,催化活性也有不同程度的減低。所有前述作用看來是由於單聚體結構紊亂的結果。根據人PAH催化區的晶體結構,突變對摺疊和單聚體寡聚體化的影響提供一種解析。

以上是一些肝PAH基因突變所引起的PAH蛋白結構和活性變異的相關性。99%的高苯丙氨酸血症或PKU都是由於PAH基因突變引起,只有1%是由於輔因子生物合成或再生有障礙所致。PAH基因突變可累及外顯子和內含子,可為錯義突變或無義突變。突變類型有點突變、插入或缺失、提前停止編碼、剪接和多態性。突變的基因型有純合子、雜合子和複合性雜合子。Scriver等於1996年綜述了PAH基因突變,在全世界26個國家,81位研究者分析了3986突變的染色體,確定了243種不同的突變。到1999年3月Zekanowski等在論文中指出:世界上PAH基因突變已達350種以上。該作者研究了編碼PAH酶調節區:部分的外顯子3突變可引起經典的PKU、輕度的PKU和輕度的高苯丙氨酸血症,後者的突變常位於71~94位的氨基酸殘基。汪寧指出到1998年4月止全世界PAH基因突變已增加到390種。在我國1996年徐陵亭等報道已確定PAH基因突變有20多種,約佔PAH突變基因的80%。大多數學者認為PAH突變的基因型與表型之間有相關,只少數病人例外。Guldberg等人認為:部分病人PAH突變的基因型與表型之間的不一致可能是由於用以檢查突變的方法或者由於表型分類不同所致。

不同的國家和地區PKU患者PAH基因突變有所不同,我國北方和南方人群PAH基因突變類型分布也不一致。土耳其祖先病人的亞組中最常見突變為IVS1O-11 G→A(佔分析的等位基因的38%);羅馬尼亞PKU病人中PAH基因突變以Arg408Trp居多(占等位基因47.72%),Lys363fsdelG(13.63%)和Phe225Thr佔6.81%,3種突變占突變等位基因的70%;在捷克PKU病人中Arg408Trp突變佔54.9%。對各地區人群PAH基因突變類型的分布的不同可能反映PAH基因突變有多種機制,包括拓荒者作用(founder effect)、遺傳漂流(genetic drift)、過度互換性(hypermutability)和選擇(selection)。

以上是肝臟PAH基因結構、性質和突變及突變所引起的PAH蛋白的異常。PAH蛋白除了在肝臟細胞中表達外,在非肝臟組織中也有表達,包括腎臟、胰腺和腦。腎臟中PAH一級結構與肝臟中的一致,只是其調節不同於肝臟中的PAH,但在機體苯丙氨酸平衡中,腎臟的PAH可能起作用。

除了肝PAH活性缺如或降低可引起PKU外,還有PAH的輔因子發生變化也可引起。參與PAH作用的主要輔因子有5,6,7,8-四氫生物蝶呤(5,6,7,8-tetrahydrobiopterin),此物質為苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸羥化必須的輔因子。負責編碼此物質的基因為6-丙酮醯四氫蝶呤合酶(6-pyruvoyltetrahydropterin)合成酶(PTPS)基因。如果這種酶基因發生突變,則PTP缺乏,PAH活性即使正常,也可引起PKU。另一種可引起PKU的酶是二氫蝶呤還原酶。據此,PKU的發病牽涉到至少3種酶基因,其中一個基因發生突變即可引起PAH活性缺如或減低,從而引起PKU。

3.腦部病理改變

表現為非特異性變化,通常以白質改變為明顯。大致可有下列數種情況。

(1)腦成熟障礙。胎兒在妊娠後期即開始有腦發育異常,腦的白質、灰質分層不清楚。白質中有異位灰質出現。

(2)髓鞘生成障礙。以視束,皮質脊髓束、皮質-腦橋-小腦束纖維的髓鞘形成不全為最明顯。

(3)灰質和白質囊樣變性;此外,還有腦的黑質、藍斑部的色素消失,腦重量減輕等變化。

苯丙氨酸代謝障礙的診斷

PKU是一種遺傳性疾病,故新生兒即有高苯丙氨酸血症,因未進食,血苯丙氨酸及其有害的代謝產物濃度不高,故出生時無臨床表現。如果對新生兒未作苯丙酮尿症篩選,隨著餵食的時間延長,血中苯丙氨酸及其代謝產物逐漸升高,臨床癥狀才漸漸表現出來。主要臨床表現有:

1.生長發育遲緩 除軀體生長發育遲緩外,主要表現在智力發育遲緩。表現在智商低於同齡正常嬰兒,生後4~9個月即可出現。重型者智商低於50,約14%以上兒童達白痴水平,語言發育障礙尤為明顯。這些表現提示大腦發育障礙。限制新生兒攝入苯丙氨酸可防止智力發育障礙,重型PKU患兒智力發育障礙比輕型者血中苯丙氨酸濃度高,據此可以認為智力發育障礙與苯丙氨酸毒性有關,但更為詳細的病理生理機制仍不清楚。

2.神經精神表現 由於有腦萎縮而有小腦畸形,反覆發作的抽搐,但隨年齡增大而減輕。肌張力增高,反射亢進。常有興奮不安、多動和異常行為。

3.皮膚毛髮表現 皮膚常乾燥,易有濕疹和皮膚劃痕症。由於酪氨酸酶受抑,使黑色素合成減少,故患兒毛髮色淡而呈棕色。

4.其他 由於苯丙氨酸羥化酶缺乏,苯丙氨酸從另一通路產生苯乳酸和苯乙酸增多,從汗液和尿中排出而有霉臭味(或鼠氣味)。

一般而言,臨床表現與PAH基因突變的類型與臨床表型的嚴重性相關,輔因子缺乏比PAH蛋白異常的臨床表型較輕。

本病診斷應強調早期診斷,以便得到早期治療,以避免智力發育障礙。要得到早期診斷必須在新生兒中進行苯丙酮尿症的篩查。

1.篩查方法 國際上公認的常規篩查方法為Guthrie發現的細菌抑製法。國內已有PKU篩查試劑盒供應。此方法是根據患兒血對培養的變異性枯草桿菌生長帶的大小來估計血中苯丙氨酸的水平。如果估計的血苯丙氨酸的水平在0.24mmol/L則為陽性。此方法可用於出生後3~5天的嬰兒。對有家族史的新生兒更應進行新生兒期篩查。

2.苯丙氨酸負荷試驗 此試驗可以直接了解PAH的活性。負荷劑量為口服苯丙氨酸0.1g/kg,連服3天。經典的PKU患兒血中苯丙氨酸水平在1.22mmol/L以上,輕型者則常在1.22mmol/L以下,後一種結果提示這些患兒可能是無PKU的高苯丙氨酸血症。

3.病因診斷 引起苯丙酮尿症的基因是PAH基因,病因診斷就是檢測PAH基因突變。PAH基因突變的檢測不僅可以對患者做出病因診斷,而且對胎兒可做出產前診斷。基因型與表型之間在大多數病人中存在相關性。不同的突變類型對PAH活性的影響程度也不相同,因此檢測PAH基因突變對判定預後和指導治療也有指導意義。

檢測PAH基因的突變方法很多,但多以多聚酶鏈式反應(PCR)再聯合後述檢測方法中的1種或2種,包括單鏈構形多態性(SSCP)、限切酶片段長度多態性(RFLP)、變性梯度凝膠電泳(DGGE)、DNA直接測序、突變位點特異性寡核苷酸探針(ASO)、PCR-聚丙烯胺凝膠電泳-銀染色、雙脫氧指紋法、擴增不應性突變系(anplification refractory mutation system,ARMS)、酶錯配裂解方法等。可以分析擴增的DNA,也可對RNA進行SSCP分析。分析標本用周圍血淋巴細胞,產前診斷可分析極體(配子產物)。分析極體和ASO可作產前診斷,對已知突變位點的PAH基因也可用ASO方法檢查。我國最常見的PAH基因突變有5種:R243Q、Y204C、V399V、Y356X、R413P,此5種PAH基因突變佔56.7%。在突變中以點突變最常見,占突變類型中的77.4%。黃尚志提出PAH基因突變的快速診斷程序:第1步作突變點特異性寡核苷酸探針分析,診斷率可達66%;第2步作外顯子4的SSCP分析,診斷率提高到80%;第3步用SSCP分析法檢測幾個常見的突變位點即R243Q(外顯子7)、V339V和Y356X(外顯子11),可使診斷率達到87%。

檢測PTPS基因的方法也是採用以PCR為基礎,結合DGGE方法,可篩選此基因的6個編碼序列和所有PTPS基因的剪接位點。

苯丙氨酸代謝障礙的鑒別診斷

複雜性尿路感染:複雜性尿路感染是指:①尿路有器質性或功能性異常,引起尿路梗阻,尿流不暢;②尿路有異物,如結石、留置導尿管等;③腎內有梗阻,如在慢性腎實質疾病基礎上發生的尿路感染,多數為腎盂腎炎,可引起腎組織損害。長期反覆感染或治療不徹底,可進展為慢性腎功能衰竭(chronic renal failure,CRF)。

特異性氨基酸尿:主要為蘇氨酸絲氨酸組氨酸丙氨酸羥脯氨酸排出量正常故可與全氨基酸尿區別甘氨酸脯氨酸和羥脯氨酸排出量正常可與亞氨基甘氨酸尿區別尿中二碱基氨基酸排出亦正常可與胱氨酸尿區別。

PKU是一種遺傳性疾病,故新生兒即有高苯丙氨酸血症,因未進食,血苯丙氨酸及其有害的代謝產物濃度不高,故出生時無臨床表現。如果對新生兒未作苯丙酮尿症篩選,隨著餵食的時間延長,血中苯丙氨酸及其代謝產物逐漸升高,臨床癥狀才漸漸表現出來。主要臨床表現有:

1.生長發育遲緩 除軀體生長發育遲緩外,主要表現在智力發育遲緩。表現在智商低於同齡正常嬰兒,生後4~9個月即可出現。重型者智商低於50,約14%以上兒童達白痴水平,語言發育障礙尤為明顯。這些表現提示大腦發育障礙。限制新生兒攝入苯丙氨酸可防止智力發育障礙,重型PKU患兒智力發育障礙比輕型者血中苯丙氨酸濃度高,據此可以認為智力發育障礙與苯丙氨酸毒性有關,但更為詳細的病理生理機制仍不清楚。

2.神經精神表現 由於有腦萎縮而有小腦畸形,反覆發作的抽搐,但隨年齡增大而減輕。肌張力增高,反射亢進。常有興奮不安、多動和異常行為。

3.皮膚毛髮表現 皮膚常乾燥,易有濕疹和皮膚劃痕症。由於酪氨酸酶受抑,使黑色素合成減少,故患兒毛髮色淡而呈棕色。

4.其他 由於苯丙氨酸羥化酶缺乏,苯丙氨酸從另一通路產生苯乳酸和苯乙酸增多,從汗液和尿中排出而有霉臭味(或鼠氣味)。

一般而言,臨床表現與PAH基因突變的類型與臨床表型的嚴重性相關,輔因子缺乏比PAH蛋白異常的臨床表型較輕。

本病診斷應強調早期診斷,以便得到早期治療,以避免智力發育障礙。要得到早期診斷必須在新生兒中進行苯丙酮尿症的篩查。

1.篩查方法 國際上公認的常規篩查方法為Guthrie發現的細菌抑製法。國內已有PKU篩查試劑盒供應。此方法是根據患兒血對培養的變異性枯草桿菌生長帶的大小來估計血中苯丙氨酸的水平。如果估計的血苯丙氨酸的水平在0.24mmol/L則為陽性。此方法可用於出生後3~5天的嬰兒。對有家族史的新生兒更應進行新生兒期篩查。

2.苯丙氨酸負荷試驗 此試驗可以直接了解PAH的活性。負荷劑量為口服苯丙氨酸0.1g/kg,連服3天。經典的PKU患兒血中苯丙氨酸水平在1.22mmol/L以上,輕型者則常在1.22mmol/L以下,後一種結果提示這些患兒可能是無PKU的高苯丙氨酸血症。

3.病因診斷 引起苯丙酮尿症的基因是PAH基因,病因診斷就是檢測PAH基因突變。PAH基因突變的檢測不僅可以對患者做出病因診斷,而且對胎兒可做出產前診斷。基因型與表型之間在大多數病人中存在相關性。不同的突變類型對PAH活性的影響程度也不相同,因此檢測PAH基因突變對判定預後和指導治療也有指導意義。

檢測PAH基因的突變方法很多,但多以多聚酶鏈式反應(PCR)再聯合後述檢測方法中的1種或2種,包括單鏈構形多態性(SSCP)、限切酶片段長度多態性(RFLP)、變性梯度凝膠電泳(DGGE)、DNA直接測序、突變位點特異性寡核苷酸探針(ASO)、PCR-聚丙烯胺凝膠電泳-銀染色、雙脫氧指紋法、擴增不應性突變系(anplification refractory mutation system,ARMS)、酶錯配裂解方法等。可以分析擴增的DNA,也可對RNA進行SSCP分析。分析標本用周圍血淋巴細胞,產前診斷可分析極體(配子產物)。分析極體和ASO可作產前診斷,對已知突變位點的PAH基因也可用ASO方法檢查。我國最常見的PAH基因突變有5種:R243Q、Y204C、V399V、Y356X、R413P,此5種PAH基因突變佔56.7%。在突變中以點突變最常見,占突變類型中的77.4%。黃尚志提出PAH基因突變的快速診斷程序:第1步作突變點特異性寡核苷酸探針分析,診斷率可達66%;第2步作外顯子4的SSCP分析,診斷率提高到80%;第3步用SSCP分析法檢測幾個常見的突變位點即R243Q(外顯子7)、V339V和Y356X(外顯子11),可使診斷率達到87%。

檢測PTPS基因的方法也是採用以PCR為基礎,結合DGGE方法,可篩選此基因的6個編碼序列和所有PTPS基因的剪接位點。

苯丙氨酸代謝障礙的治療和預防方法

遺傳病治療困難,療效不滿意,預防顯得更為重要。預防措施包括避免近親結婚,推行遺傳諮詢、攜帶者基因檢測及產前診斷和選擇性人工流產等,防止患兒出生。

提倡母乳餵養。儘早發現苯丙酮尿症攜帶者和普及三氯化鐵尿布,使已致病嬰兒及早發現、及早治療是預防智能低下的重要辦法。

參看

  • 苯丙酮尿症
  • 其它癥狀

苯丙氨酸代謝障礙328


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