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研究背景:肥厚型心肌病（Hypertrophic Cardiomyopathy,HCM）是以心室腔变小、心室壁呈不对称性肥厚、左心室舒张期顺应性下降和心室充盈受限为特征的遗传性心肌病。以青壮年多见,是引起猝死的原因之一。HCM的病理特征是心肌细胞肥大、肌丝排列紊乱、心肌结缔组织增生等。HCM临床表现为心源性猝死、晕厥、进行性的心力衰竭,有些患者也表现为中度、轻度症状甚至无相关临床症状。HCM是常染色体显性遗传性心肌病,约一半以上的患者有家族史,发病率约为1/500。目前临床上仅有约43.9%的患者可检测到明确的致病突变,已发现的致病突变位点中也有部分致病机制尚不完全明确。因此,发现新的致病突变并进一步阐明其致病机制对HCM早期诊断并采取合理的干预措施具有重要意义。本研究通过联合基于捕获的外显子测序和纯合性基因定位的方法,分析一个患有肥厚型心肌病中国人血亲家系,这个家系有3个HCM患者,表现为常染色体显性单纯性HCM。发现了1个新的相关致病基因FARS2（Mitochondrial phenylalanyl-t RNA synthetase,线粒体苯丙氨酰t RNA合成酶）,其突变位点是c.1244G＞T（p.R415L）,该位点在家系内部共分离。本课题的研究重点是明确FARS2是否是HCM的致病基因并进一步阐明分子机制。研究目的:本文鉴定得到5个与HCM相关的FARS2突变,利用细胞模型确定突变体是否属于功能缺失型突变。而后通过构建FARS2缺陷的动物及细胞模型,明确FARS2缺陷与HCM的关联性,进一步研究可能的致病机制并探索潜在治疗靶点。研究方法:1)构建突变体和野生型体外过表达细胞模型,确定突变体的表达量变化情况;2)建立多种动物模型,利用CRISPR/Cas9联合Cre/lox P系统、显微注射Morpholino技术、基因沉默技术分别构建Fars2心脏组织特异性敲除小鼠模型、fars2全身敲减斑马鱼模型、Fars2敲减大鼠原代心肌细胞模型;3)利用病理学染色、q RT-PCR、M型超声心动图、透射电镜观察亚细胞显微结构评估动物模型的疾病表型;4)利用流式细胞术、Seahorse代谢分析仪检测细胞模型中线粒体相关功能改变;5)利用转录组测序探索可能的致病机制;6)利用组织免疫荧光、蛋白免疫印记、q RT-PCR检测线粒体稳态通路变化;7)使用AAV9介导的Dpr1,（Dynamin-related protein 1,动力蛋白相关蛋白1）敲减和Mfn1（Mitofusin 1,线粒体融合蛋白1）过表达病毒载体在体内动物模型中评估表型拯救效果;8)使用3-MA（细胞自噬抑制剂）和Mdivi-1（线粒体分裂抑制剂）在体外细胞模型中验证分子机制并评估表型拯救效果。主要研究结果:1)发现了一个新的HCM致病基因FARS2,筛选并鉴定得到五个HCM相关突变位点（c.21G＞T[p.Arg7Ser],c.308G＞T[p.Gly103Val],c.1051A＞C[p.Lys351Gln],c.1220C＞T[p.Thr407Met],c.1244G＞T;p.Arg415Leu）,并利用体外过表达细胞模型明确了突变体属于功能缺失型突变;2)成功构建Fars2心脏组织特异性敲除小鼠,观察到小鼠模型有心肌肥厚表型并进一步发展成心力衰竭;成功构建fars2敲减斑马鱼模型,观察到fars2敲减会导致斑马鱼胚胎畸形率增加、发育迟缓、心包水肿;成功构建Fars2敲减大鼠原代心肌细胞模型;3)明确了FARS2缺陷会导致线粒体编码蛋白合成受损并进一步导致线粒体功能受损;4)明确了FARS2缺陷导致的线粒体功能受损会激活线粒体分裂,并在早期诱导线粒体相关自噬,而在晚期抑制自噬泡的成熟;5)通过使用AAV9介导的Dpr1敲减和Mfn1过表达病毒载体干预线粒体动力学可以部分挽救由于FARS2缺陷所导致的小鼠心肌肥厚表型;6)通过使用3-MA和Mdivi-1可以在体外细胞模型上部分挽救由于FARS2缺陷所导致的线粒体功能失稳。研究结论:我们明确了FARS2基因是导致肥厚型心肌病的致病基因。心肌组织缺失FARS2将通过抑制线粒体基因组编码蛋白质的合成导致线粒体功能障碍。为了修复线粒体功能障碍,心肌细胞通过促进线粒体分裂、抑制线粒体融合、调控线粒体相关自噬来维持细胞稳态。然而持续的稳态调控加剧了线粒体功能障碍,最终导致心肌肥厚,并进一步发展成心力衰竭;通过抑制线粒体分裂、促进线粒体融合或抑制自噬可以部分挽救由于FARS2缺陷所导致的心肌肥厚表型并延长小鼠寿命。对FARS2缺陷导致HCM病因学的深入探讨,不仅对今后诊断和预防HCM具有一定的理论价值和实践意义,而且能够进一步推进对于单基因缺陷所导致的心肌细胞功能异常相关疾病发病机制的理解。