线粒体突变和心血管疾病等的关系研究进展.doc

学院：湘雅医学院学科：分子生物学 班级：临床1011班 学号：2211101128姓名：聂文远线粒体突变和心血管疾病等的关系研究进展【摘要】 线粒体是使细胞能量生成的场所，线粒体基因组（mitochondrial DNA，mtDNA）编码参与线粒体呼吸链的13个蛋白亚基，2个rRNA和22个tRNA。mtDNA突变是引起多因素疾病和部分遗传疾病的重要原因之一，本文介绍线粒体基因组学、mtDNA疾病模型，mtDNA突变导致心血管疾病等的临床特征及其治疗和预防的研究进展。 【关键词】 线粒体； 突变； 心血管疾病 早在1963年，Nass等就发现在线粒体内有遗传物质DNA。1981年，Anderson等发表了人类mtDNA全序列。由于线粒体基因结构的阐明及遗传的半自主性,线粒体学成为独立的学科。20世纪90年代中期以来，以阐明 Leber 遗传性视神经病（Leber hereditary optic neuropathy, LHON）、家族性线粒体脑肌病以及线粒体肌病的分子遗传学特征为标志，线粒体医学兴起并取得快速发展，迄今已发现100多种不同类型的线粒体病，许多疾病如代谢疾病肿瘤、衰老、神经退行性疾病等均与线粒体异常相关。动物模型和人类研究证据均证明，线粒体病是由线粒体结构、生物化学或遗传改变导致的一组多系统疾病，累及全身多个组织和器官，其呼吸链酶复合物活性下降是线粒体病重要的生化特征，造成氧化呼吸链缺陷，既可原发于mtDNA、nDNA的突变，也可继发于线粒体结构和内环境的异常。英国资料表明mtDNA疾病的患病率为13500。1 线粒体基因遗传学和疾病模型 1.1 mtDNA的结构和遗传学特性 人类的mtDNA全长为16 596 bp,为非常紧凑的环状双链DNA。人类mtDNA上有37个编码基因，其中有13个蛋白质基因，包括1个细胞色素b基因，2个ATP酶复合体基因，3个细胞色素c氧化酶亚单位基因及7个呼吸链NADH脱氢酶亚单位的基因。 同型异源性是所有的线粒体基因组拷贝完全相同。异质性是有两个或更多的线粒体基因型，即细胞内同时存在野生型和突变型组成的mtDNA。当mtDNA突变影响线粒体基因组所有的拷贝，称同质的突变，反之仅影响基因组的一些拷贝，称异质的突变。出现异质性时，疾病的临床表现与阈水平密切相关。 线粒体基因组遗传具有3种基本特性:（1）mtDNA的标准遗传模式是严格的母系遗传。（2）mtDNA突变时，异质型细胞在有丝分裂和减数分裂过程中，野生型和突变的mtDNA随机分配到子代细胞中，这样经多次分裂后可产生野生型，突变同质型和突变异质型细胞，这种分离现象称为随机分离。（3）多态现象在mtDNA中较为普遍。 1.2 mtDNA疾病模型 通过线粒体胞质杂交，研究特异性mtDNA突变细胞效应和生化特性。在去除正常人细胞的mtDNA植入患者的突变线粒体，这一体系可检测异质mtDNA突变的不同水平的生理功能。线粒体胞质杂交，不但能为寻求某些线粒体突变的原因和致病mtDNA突变对细胞核的影响提供帮助，而且也可用于试验性基因治疗。 异质鼠首先由摘除其他单倍型而只有一个mtDNA突变单倍型的受精卵产生。在此基础上进一步制造出氯霉素抵抗嵌合鼠，这种鼠可以把mtDNA突变传递给后代并展现线粒体机能异常的特征。用携带体高水平细胞重组mtDNA胞质融入胚胎细胞的方法，Hayashi等培育出能传递致病性mtDNA缺失或突变的鼠模型。这种鼠出现肌肉和心血管机能障碍,肾衰竭合并乳酸酸中毒，贫血和环氧化酶缺乏。人mtDNA重组突变很少导致肾脏疾病，这个实验显示种属特异症状和体征。 Larsson等在所选择的鼠组织中分离出Tfam基因，鼠模型为研究特异性临床特征和mtDNA疾病的相关性提供重要线索。例如，在出生后的模型小鼠海马回和大脑皮层破坏Tfam,其发育呈迟发性、退行性变，并逐渐破坏皮层细胞直到小鼠癫痫发作。这一研究表明,应激和神经紊乱可导致急性能量危机,有效控制mtDNA疾病患者的癫痫发作是解决这一急性能量危机的关键。2 mtDNA与心血管疾病 2.1 mtDNA与心血管疾病相关 目前比较明确与mtDNA突变有关的心血管疾病包括原发性心肌病、心力衰竭、冠心病、高血压病等。扩张型及肥厚型心肌病患者心肌组织中常见多种mtDNA缺失突变,最常见的是7436片段缺失,它位于863716 073 bp,该片段缺失可造成呼吸链酶复合物功能严重障碍,ATP生成显著减少,如mtDNA突变积累到一定程度,细胞产生能量低于组织、器官发挥功能所需能量的最低阈值时,心脏功能将会出现不可逆转的衰竭。CorralDebrinski等报道,在心力衰竭及冠心病的心肌细胞中不仅存在mtDNA4977 bp片段缺失的增加,同时还伴有7346 bp、10472 bp缺失的增加。 2.2 mtDNA与心血管相关代谢性疾病的研究 当2004年Michael提出导致糖尿病并发症的4大分子途径及其最终导致的并发症的氧化应激学说并因此获得ADA颁发的Banting奖时，再次掀起了糖尿病与线粒体相关研究的热潮。例如：mtDNA ND1基因3316GA、3394TC、3426 AG、DLoop区16189TC以及ND4 基因12026AG与2型糖尿病相关。Watson 等7通过高分辨限制性内切酶分析方法,对正常血压及有高血压病史、处于肾病晚期的非裔美国人mtDNA 进行了分析,发现高血压患者在10398AG、10086 A G、6620T C、6260 GA、7028 GA、7055 TC、2758GA 及10810TC 6 个位点变异频率高于正常血压组,其中10086A G在两组间的区别最为明显( P0.01)。他们认为这些突变可能与这组患者高血压病易患性有一定的关系。Shoji 等8对日本高血压患者D 环区基因的多态性分析也发现,高血压组单核苷多态性数目明显高于正常血压组(P0.05),且基因型16223C在高血压组更常见,认为该基因型可能是高血压的遗传易患因素之一。 2.3 mtDNA与心肌细胞凋亡相关 线粒体损伤与心肌细胞凋亡: 细胞凋亡(apoptosis)是心肌细胞的一种程序性死亡,它在心脏的发育及心力衰竭、原发性高血压、心律失常等许多心脏疾病的病理生理中起着重要作用。线粒体是细胞产生能量的细胞器,维持机体生命活动所需的能量,90%以上都是由它以三磷酸腺苷(ATP)形式产生。现在的研究证实,线粒体在介导细胞凋亡中起着重要作用。在心肌细胞中,线粒体约占心肌细胞总体积的45%。研究发现,在心肌细胞凋亡时,线粒体结构与功能发生明显改变,且与心肌细胞凋亡显著相关。 活性氧物质( reactive oxygen species,ROS) 与心力衰竭及心肌重构之间存在密切的内在联系。ROS 主要来源于线粒体,它侵犯线粒体内细胞生物大分子如蛋白质、脂质及DNA,引起心肌细胞结构及功能损伤。ROS 对mtDNA 造成的损伤主要体现在mtDNA 的突变、线粒体RNA 转录异常、蛋白的合成及其功能下降。心肌梗死后心力衰竭的心脏存在因ROS 产生增加而造成的mtDNA 损伤,主要表现在mtDNA 氧化损伤产物,羟基脱氧鸟嘌呤核苷的堆积,mtDNA 拷贝数及mtRNA 转录数下降。由于一定数量mtDNA存在是维持线粒体内某些蛋白质正常表达的基本条件,因此mtDNA 拷贝数减少必定造成线粒体的功能异常,而在心肌梗死后心功能的衰竭、心肌重构的发生及进展过程中可能起着一定的作用。3 mtDNA疾病的临床特征 线粒体是真核细胞的重要细胞器，因此,mtDNA疾病影响许多组织，患者出现变化多端临床特征。 1988年,首次报道KearnsSayre综合征(KearnsSayre syndrome,KSS)和LHON。在KSS，在肌肉活组织中检测到单一大片段mtDNA缺失，导致肌肉线粒体超微结构和细胞化学异常。LHON具有严格的母系遗传特性,现已明确是编码NADH脱氢酶复合物相关基因家族ND的点突变。这类疾病包括渐进性眼肌麻痹，Pearson综合征，运动诱导的肌肉疼痛，疲劳和横纹肌溶解症，氨基糖苷类诱导的耳聋。虽然对mtDNA相关疾病的认识不断提高，但是确定特异性的致病性突变仍很困难，mtDNA突变是最有可能的病因。4 mtDNA疾病的治疗 线粒体自由基代谢失调导致线粒体的氧化损伤，出现线粒体功能紊乱。到目前为止，线粒体疾病尚缺乏有效的治疗措施，用于研究基因治疗的动物模型发展缓慢是阻碍其进展的主要原因。这里介绍几种行之有效的治疗方法。 错位表达是指线粒体基因重新编码并允许在其靶位置的不同细胞器表达，表达产物被运送到靶细胞器，发挥其生理功能。在含有同质的线粒体三磷酸腺苷酶6亚单位8993TG突变，可引起神经功能减弱、共济失调、色素性视网膜炎综合征。用这种方法，线粒体胞浆融合细胞中错位表达三磷酸苷腺酶6蛋白，发挥线粒体三磷酸苷腺酶6亚单位的生理功能。用相似的方法治疗NADH脱氢酶亚单位4基因1178GA突变引起的LHON。弥补线粒体tRNA突变是近年来治疗mtDNA疾病的方法之一。8344AG tRNA基因突变,可引起肌阵挛型癫痫和纤维组织溃烂，在携带这种突变的人纤维母细胞中输入RNALys氨基酸残基，可参与线粒体翻译，改善线粒体的功能。反基因链因子选择性抑制突变mtDNA的复制，可用于调控mtDNA突变所致的组织异常。运用限制性内切酶区分mtDNA突变基因型，选择性排除突变基因型和可遗传的野生基因型。通过药理学途径改变mtDNA的异质性也是治疗手段之一。寡霉素是线粒体ATP合酶的不可逆抑制剂，以半乳糖作为碳源用于增加野生型8993TG mtATP6突变片段，选择特异性野生型菌株。这种培养基也可选择性杀死常见同质mtDNA重组，筛选KSS患者的分子异常。5 mtDNA疾病的预防 羊膜腔穿刺和绒毛膜绒毛活组织检查可用于诊断异质的mtDNA异常。mtDNA异常的异质性水平存在特异性组织差异，因此，出生前取样检测结果能否合理反映胎儿的可能存在的问题是值得关注的。研究证明，着床前胚胎遗传学诊断既可以从未受精的机体分析mtDNA，也可以从植入的健康8细胞胚芽中取12个细胞分析mtDNA。异质鼠的实验证明，卵质和成熟卵母细胞的极体的异质性水平是完全相同的。 处理卵母细胞是阻止mtDNA突变遗传给子代的有效方法。核移植是指含有突变mtDNA的卵母细胞核转导到被摘除细胞核的正常卵细胞，子代mtDNA突变水平低，与亲代遗传相关性高。这种操作方法的效果目前还不确定，但一些已出生孩子的mtDNA来自供体卵细胞，其mtDNA异质性表现为低水平。从成熟未受精的卵细胞转导很困难，这是因为转导过程中存在一系列非整倍性的染色体丢失危险或减数分裂所形成的错义。6 展望 在最近的50年，线粒体领域的研究取得巨大进展。线粒体突变是遗传疾病、心血管等代谢性疾病以及衰老的重要原因之一。这些病症临床症状存在差异性，其中的原因还不清楚。目前，mtDNA疾病缺乏有效的治疗和预防手段，因此，在寻找病因和有效的治疗与预防方法方面，有很多问题有待进一步探索。【参考文献】 1Schaefer AM, Taylor RW, Turnbull DM, et al. 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