丙酮酸脱氢酶复合物

丙酮酸脱氢酶复合物(pyruvate dehydrogenase complex,PDHC)是一种位于线粒体基质的多酶复合物。[1]PDHC是一组限速酶，催化丙酮酸不可逆的氧化脱羧转化成乙酰辅酶A,将糖的有氧氧化与三羧酸循环和氧化磷酸化连接起来，在细胞线粒体呼吸链能量代谢中的作用至关重要。

简介

PDHC由6种酶组成，其中丙酮酸脱羧酶(pyruvatedecarboxynase,E1,EC1.2.4.1)、二氢硫辛酸转乙酰化酶(dihydrolipoamidetransacetylase,E2,EC2.3.1.12)和二氢硫辛酸脱氢酶(dihydrolipoamidedehydrogenase,E3,EC1.8.1.4)是其3种主要的酶。PDHC核心由60个E2亚单位组成，连接30个拷贝的E1分子和6个分子的同型二聚体E3蛋白。

E1亚单位是由2个α亚单位和2个β亚单位组成的异构四聚体。PDHC还包括2个调节亚单位，即：E1-激酶(PDK)和E1-磷酸酶(PDP)。PDK通过催化E1亚单位上的3个丝氨酸位点的磷酸化而使复合物失活,在哺乳动物组已经识别出该酶的4种异构体形式。PDK在不同的组织分布不同，PDK1主要在心脏表达，PDK2则广泛表达，PDK3在睾丸表达，PDK4在骨骼肌和心肌表达。

PDP存在2种不同的异构形式，PDP1优先在肌肉组织表达，而PDP2在肝脏组织表达。且PDP2与PDP1不同，不需要Ca2+的调节。PDHC还含有一个称为蛋白X(proteinX)的成分，现已证明是二氢硫辛酸脱氢酶结合蛋白即E3结合蛋白(E3bindingprotein,E3BP)。

E2核心和E3的结合是通过12个分子的E3BP连接起来的。它主要存在于人的骨骼肌和心肌组织，在其他组织只有少量的表达。它可能在复合物的组装过程中发挥作用。此外，PDHC还需要3种辅酶：硫辛酸焦磷酸盐、硫辛酸和黄素腺嘌呤二核苷酸。

PDHCDNA和cDNA

丙酮酸脱羧酶E1α亚单位(PDHA1)的基因组DNA全长15.92kb，含有11个外显子。位于X染色体短臂上(Xp22.1-22.2)。其中含有保守的硫辛酸焦磷酸盐(TPP)结合区，它位于外显子6编码195氨基酸残基和外显子7的255氨基酸残基之间。此外，在4号染色体上有一段与PDHA1同源的无内含子的序列，主要在睾丸组织表达。

PDHE1β亚单位基因位于3p13-q23，全长1.5kb，含有10个外显子，和PDHE1α亚单位一样在内含子和外显子衔接区遵循GT/AG原则。Koike等首先克隆和测序了编码人类PDHE1α和E1β亚单位的cDNA序列。E2的基因位于染色体11q23.1，cDNA全长为3321bp。E3位于染色体7p，E3BP位于染色体11p13。

缺陷与疾病

临床表现

PDHC缺陷是导致线粒体能量代谢障碍最常见的原因之一，同时也是儿童乳酸酸中毒和早发性退行性神经变性病的最常见病因。脑内乙酰辅酶A几乎都来源于丙酮酸，所以PDHC的缺乏常导致多种神经系统损害。按照Robinson等提出的标准，患者的临床表现可分为三级，Ⅰ级：病人出生后早期即患有严重的乳酸血症，PDHC活性极低，男性患儿多于胚胎时期发病，导致流产、死胎、先天性纹状体发育不全、缺氧缺血性脑病，常于新生儿早期死于乳酸酸中毒。

Ⅱ级：乳酸血症较Ⅰ级轻，出生时正常，智力运动及体格发育落后，患儿多于婴儿期死亡，少数存活到十几岁。Ⅲ级：患者乳酸血症较轻，PDHC残存活性多高于20%。E3BP缺乏患者在神经病理检查中最常见的表现是Leigh综合征，胼胝体变薄或缺失、基底节对称性坏死性病变；同时E3BP缺乏的病人PDHC酶的残存活性相对较高。

PDHA1缺乏症的临床表现PDHA1缺陷是丙酮酸脱氢酶缺乏症最常见的原因。由于PDHA1的丝氨酸位点对于整个PDHC酶活性的调节都有重要的作用，所以发生于这个亚单位的突变最多。E1α亚单位缺乏的临床表现在不同的年龄段有一定的差异。在新生儿期患者主要表现为乳酸酸中毒和脑发育不全。

严重的新生儿期表现常提示重要的蛋白调节区的异常。一些婴儿期起病的患者在5岁之前发展成为Leigh综合征，表现为发育迟缓、惊厥、间歇性无力、共济失调、脑性瘫痪等进行性神经系统病变，并伴有基底节和脑干损害。少数患者起病时较轻，在给予高碳水化合物饮食后出现间歇性的短暂的共济失调，缓慢进展,数年后逐渐发展为Leigh综合征。

PDHA1缺陷为X连锁遗传性疾病，患者总体男女数量基本相等，但是临床表现差异显着，考虑、与生化缺陷的严重性和基因突变的特异位点有关。男性发病更早更重，表现为胎儿期死亡、新生儿乳酸酸中毒、Leigh综合征和间歇性共济失调。女性患者的临床表现更为复杂，多发畸形较常见,如伴有前额肿块的小头畸形、宽鼻桥、鼻上翻、长人中和鼻翼搧动等。

还可见到耳低位,前置肛门，手指、上臂短。合并乳酸酸中毒的女性患者预后不良。女性杂合子临床表现复杂，严重患者于胎儿期～婴儿期死亡，轻型患者终身不发病,一些严重酶缺失的女性患者仍然能够存活，主要决定于X染色体随机失活的形式。

PDHE1β亚单位缺乏的临床表现Brown等首先在2个病人中发现E1β亚单位缺乏。该基因缺陷的主要表现为乳酸酸中毒和肌张力低下。

E2亚单位缺乏的临床表现E2缺乏的患者未见有神经系统的改变，主要见于患有胆汁性肝硬化的患者。这些患者多有抗二氢硫辛酸转乙酰化酶的自身抗体。

E3和E3结合蛋白缺陷的临床表现E3和E3结合蛋白的缺陷很少见。所报道的患者父母多为近亲婚配，属常染色体隐性遗传。在三羧酸循环和支链氨基酸代谢中E3也参与其他2个脱氢酶的组成。E3结合蛋白缺乏的男性患者临床表现与、PDHA1缺陷的男性患者相似,主要表现为体格、智力运动发育落后，肌张力低下、乳酸酸中毒和Leigh综合征。对于乳酸酸中毒合并α-酮酸尿症和血浆支链氨基酸水平增高的患者应高度怀疑E3缺乏。

PDHC基因的突变

关于PDHA1基因的研究较为深入，迄今已发现82种突变，其中大部分为无义或错义突变，为43个，除外显子2外均发现过突变，其中以外显子3、7、8、11最为多见。而无义或错义突变多见于外显子3、7和8，缺失和插入突变主要见于外显子10和11。

绝大多数男性患者携带无义或错义突变，相反女性则多携带缺失或插入突变。Naito等报道的硫辛酸治疗有效的患者中PDHA1基因突变包括以下位点：H44R、R88S、G89S、R263G、V389fs、V71A和C101F，其中H44R、V71A、R88S和G89S位于外显子3上，提示PDHA1基因外显子3突变患者对硫辛酸治疗反应较好。11例患者PDHA1基因外显子8存在R263G突变，是最多见的突变形式。

关于PDHC其他基因的研究较少，2004年Brown等在2例无关联患者中发现了E1β亚单位2种不同的突变Y132C和P344S。E2亚单位的突变极为少见。迄今已报道的E3亚单位的突变有9个，其中7个为错义或无义突变，E3结合蛋白基因突变6个。

诊断

患者出现智力运动落后、无力、肌张力低下等可疑PDHC缺陷临床表现时，可进行以下检查。

血液中丙酮酸脱氢酶复合物酶活力下降，酶活力检测是诊断该病的金标准。

血、脑脊液乳酸和丙酮酸水平的测定：患者血清乳酸和丙酮酸水平常显着升高，而乳酸/丙酮酸比例正常。如果血清乳酸正常，需要测定脑脊液乳酸和丙酮酸水平，患者脑脊液乳酸和丙酮酸水平通常升高，乳酸/丙酮酸比例正常。

丙酮酸脱羧酶活性测定：测定皮肤成纤维细胞、成淋巴细胞、肌肉组织或脑组织酶活性。

检测PDHE1α亚单位、E1β亚单位、E3和E3结合蛋白基因是否存在突变。

影像学检查：Leigh综合征患者可见脑干和基底节对称性病变，部分患者表现为脑发育不全、脑室扩张、皮质萎缩、胼胝体发育不全、侧脑室移位等异常。

神经病理学的检查：患者胼胝体可有不同程度缺失，也可伴有其他缺陷，如：小脑普肯野氏细胞和齿状核不发育等异常。Leigh综合征患者基底节、被盖部灰质、脑干、小脑、脊髓可见对称性局灶性坏死、神经元消失、脱髓鞘改变和血管增生坏死。

治疗与预后

对于线粒体疾病的治疗，还没有令人满意的方法。对于PDHC缺陷患者，生酮饮食、硫辛酸、二氯醋酸、左旋肉碱、辅酶Q10有一定疗效。Brown等认为对于乳酸酸中毒较轻、发育正常的男性PDHC缺乏患者，生酮饮食的治疗效果最好。如果患者对硫辛酸有反应，可以在生酮饮食治疗的基础上辅以TPP治疗，可能会产生较好的治疗效果。

二氯醋酸被认为是最有潜力降低乳酸水平的药物，能刺激糖的有氧氧化限速步骤。但是，一些学者认为尽管二氯醋酸可以通过对正常细胞酶的激活使突变细胞释放的乳酸减少，对于提高突变细胞的丙酮酸氧化意义不大。

PDHA1亚单位基因缺陷患者中对硫辛酸反应的患者预后较好，研究表明患者体内硫辛酸的浓度与其神经系统症状的改善呈正相关，而对于硫辛酸无反应的患者预后不良。对于基因诊断明确的患者基因治疗将是值得期待的方法。