線粒體DNA與心肌病的關(guān)系

朱 業(yè), 顧 翔

（江蘇省蘇北人民醫(yī)院心血管內(nèi)科，揚(yáng)州 225001）

線粒體是細(xì)胞的能量工廠, 為機(jī)體提供 90%以上的能量。線粒體DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）是人體除核基因（nuclear DNA, nDNA）之外唯一存在于細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)。1988年, Holt等[1]首次發(fā)現(xiàn)線粒體疾病與mtDNA的缺失存在關(guān)聯(lián); Wallace等[2]發(fā)現(xiàn), Leber視神經(jīng)萎縮患者的細(xì)胞中存在 mtDNA的突變。20余年來隨著分子生物學(xué)和遺傳學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過 250種疾病與 mtDNA突變相關(guān)。線粒體疾病時(shí)線粒體發(fā)生功能障礙, 能量依賴性組織器官如中樞神經(jīng)系統(tǒng)、肌肉包括心臟最易受累, 心臟受累主要表現(xiàn)是心肌病變。心肌病是指以心肌功能障礙為主的心肌疾病, 迄今其病因和發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明, 遺傳可能是其重要病因。研究顯示, 線粒體產(chǎn)生的大量活性氧（reactive oxygen species, ROS）可導(dǎo)致mtDNA缺失或突變, tRNA 基因保守序列突變影響肌肉收縮蛋白合成, 造成氧化磷酸化（oxidative phosphorylation, OXPHOS）缺陷,影響能量代謝[3]。因此, 線粒體的功能缺陷可能在心肌病的發(fā)生發(fā)展中起一定的作用。本文就 mtDNA與心肌病關(guān)系的研究進(jìn)行綜述。

1 mtDNA的特點(diǎn)

1.1 mtDNA的基本結(jié)構(gòu)及功能

mtDNA為一閉合的雙鏈超螺旋閉合環(huán)狀分子,分編碼區(qū)和非編碼區(qū)。mtDNA是獨(dú)立于細(xì)胞核染色體外的基因組, 具有自我復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和編碼功能, 擁有自己的一套遺傳控制系統(tǒng)。mtDNA在OXPHOS組裝過程中起電子傳遞的作用, 與能量代謝密切相關(guān)。OXPHOS由5種酶復(fù)合物組成, 編碼區(qū)含有37個(gè)基因, 其中13個(gè)與復(fù)合物相關(guān)的多肽鏈亞單位, 2個(gè)rRNA基因, 22個(gè)tRNA基因。非編碼區(qū)也叫控制區(qū),包括一個(gè)復(fù)制起點(diǎn), 兩個(gè)轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)和置換環(huán)(D環(huán)區(qū))。正常的線粒體功能依賴于mtDNA和nDNA協(xié)同作用的結(jié)果, 參與機(jī)體調(diào)節(jié)和發(fā)病[4]。

1.2 mtDNA的高突變率和高利用率

線粒體內(nèi)膜的脂質(zhì)含量高, 親脂性誘導(dǎo)突變的化合物易在mtDNA附近積聚。mtDNA缺乏組蛋白保護(hù)和完善的DNA切除修復(fù)機(jī)制, 容易受到活性氧等自由基的損害, 故比nDNA更易發(fā)生突變或缺失。據(jù)報(bào)道, mtDNA編碼基因的有害突變頻率比nDNA高出10～20倍[5]?；驌p傷是導(dǎo)致OXPHOS中基因突變的主要部位。新生突變的mtDNA會(huì)隨年齡的增加而在體細(xì)胞內(nèi)逐漸積累, 進(jìn)而影響細(xì)胞功能。

1.3 mtDNA的母系遺傳與瓶頸效應(yīng)

Giles等[6]和Li等[7]分別通過對歐洲和亞洲家系 mtDNA疾病進(jìn)行單核苷酸多態(tài)性分析, 發(fā)現(xiàn)mtDNA按照母系遺傳方式進(jìn)行傳遞。受精過程中僅精子的細(xì)胞核與卵結(jié)合成受精卵, 受精卵內(nèi)的線粒體均通過卵細(xì)胞獲得, 來源于精子的 mtDNA幾乎對表型不起作用。受精卵母細(xì)胞通過精子傳輸唯一的核 DNA, 任何父系的 mtDNA穿透卵母細(xì)胞時(shí)其活動(dòng)性減弱, 即母系mtDNA的遺傳瓶頸效應(yīng)[8]。推測原因可能是由于卵細(xì)胞經(jīng)歷多次分裂,最終分配到每個(gè)卵子的 mtDNA的有效數(shù)量減少所致。

1.4 mtDNA的異質(zhì)性與閾值效應(yīng)

當(dāng)一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的mtDNA發(fā)生突變時(shí), 會(huì)同時(shí)存在野生型和突變型兩種類型的mtDNA, 稱為異質(zhì)性。突變的mtDNA是否導(dǎo)致疾病與突變所占比例、以及不同組織細(xì)胞對線粒體產(chǎn)生的ATP的依賴性有關(guān)系。mtDNA突變的比例需達(dá)到某種程度才足以引起組織或器官的功能異常而出現(xiàn)臨床癥狀, 稱為閾值效應(yīng)[9]。組織器官對線粒體產(chǎn)生的ATP的依賴程度決定了閾值的高低。高度依賴OXPHOS進(jìn)行代謝的組織器官（如腦、心臟等）, 其突變mtDNA的致病閾值低于依靠無氧酵解維持代謝的組織器官。

2 mtDNA與心肌病

迄今已發(fā)現(xiàn)越來越多的 mtDNA突變與心肌病發(fā)病有關(guān), 說明心肌病是一種遺傳異質(zhì)性疾病[10]。

2.1 mtDNA與肥厚型心肌病

肥厚型心肌?。╤ypertrophic cardiomyopathy,HCM）是以左心室和（或）右心室及室間隔非對稱性肥厚為特征的疾病。其臨床表現(xiàn)多樣, 從無癥狀到輕度胸悶、心悸再到惡性心律失常、心力衰竭、甚至猝死等等。HCM是兒童及青年人猝死最常見原因之一, 普遍認(rèn)為 HCM 的病因與遺傳因素有關(guān)。

20%伴乳酸酸中毒及卒中樣發(fā)作的線粒體腦肌病患者有心肌病, 且大多數(shù)是HCM。此類心肌病遵循母系遺傳的規(guī)律, 發(fā)病機(jī)制還未完全闡明。目前認(rèn)為, 能量代謝異常在心肌細(xì)胞肥大、衰竭的發(fā)生發(fā)展中起重要作用, 線粒體基因結(jié)構(gòu)異常是導(dǎo)致能量代謝障礙的重要分子生物學(xué)基礎(chǔ)[11]。mtDNA點(diǎn)突變主要發(fā)生在 tRNA基因位點(diǎn)上。tRNA僅占整個(gè)mtDNA的約9%, 但已證實(shí), 與疾病有關(guān)的mtDNA突變75%發(fā)生在tRNA區(qū)域。Obayashi等[12]對7例非常染色體顯性遺傳的 HCM 患者心肌 mtDNA 進(jìn)行全序列分析, 其中即有5個(gè)存在 tRNA 基因上的點(diǎn)突變, 且存在導(dǎo)致保守氨基酸序列的置換。通過對 HCM 患者的家系研究, 發(fā)現(xiàn) mtDNA編碼的tRNAleu基因np3243A→G的突變會(huì)引起母系遺傳性線粒體肥厚型心肌病, 該點(diǎn)位于反密碼子環(huán)柄上,多呈異質(zhì)性狀態(tài), 突變 mtDNA所占的比例與線粒體呼吸鏈中 OXPHOS復(fù)合體缺陷的嚴(yán)重程度成正比。最近報(bào)道了1例表現(xiàn)為HCM和聽覺喪失的女性新生兒mtDNA np3395A→G和np4316A→G突變,這兩個(gè)位點(diǎn)突變可能共同作用導(dǎo)致患兒的心功能減退[13]。tRNA基因突變尤其是進(jìn)化過程中保守序列突變將影響 tRNA分子結(jié)構(gòu)及功能, 導(dǎo)致含有相應(yīng)氨基酸的蛋白質(zhì)合成受影響, 缺陷的肌肉收縮蛋白持續(xù)而無效的收縮可能會(huì)增加心肌對 ATP的代謝需求。在能量供應(yīng)不足的情況下, 心肌組織會(huì)發(fā)生退行性改變及代償性肥厚增生等病理變化, 從而導(dǎo)致心肌肥厚, 引起心功能不全[14]。mtDNA 突變也受種族和地域的影響。最近有研究表明, G7697A和T12477C突變與中國漢族人群的家族性HCM有關(guān)[15]。原因可能是HCM易感基因存在民族差異, 另一方面, 也可能與各民族居住區(qū)域及生活習(xí)慣不盡相同有關(guān)。

2.2 mtDNA與擴(kuò)張型心肌病

擴(kuò)張型心肌?。╠ilated cardiomyopathy, DCM）是一種以左心室和（或）右心室擴(kuò)張、心肌收縮功能減退為主要特征的病因?qū)W不明的心肌疾病。廣泛認(rèn)為DCM是一種多病因的疾病, 約20%～35%的擴(kuò)張型心肌病與遺傳因素有關(guān)[16]。

線粒體為心肌活動(dòng)提供能量, mtDNA突變使得其 OXPHOS障礙。而心臟高度依賴心肌線粒體OXPHOS所提供的能量, 故心肌 mtDNA突變易導(dǎo)致心肌收縮功能障礙。當(dāng)缺失突變的 mtDNA累計(jì)達(dá)到一定程度, ATP的生成低于細(xì)胞能量代謝所需的最低閾值時(shí), 即可出現(xiàn)“能量饑餓”, 導(dǎo)致心臟擴(kuò)大和心功能不全的發(fā)生; 而后者則可加重心肌能量代謝障礙, 從而形成惡性循環(huán), 最終發(fā)展為不可逆性心肌損傷。早在 1991年, Corral-Debrinski等[17]報(bào)道m(xù)tDNA 4977缺失與DCM患者猝死的發(fā)生可能有一定關(guān)系。第8470～13 477位的5kb片段和第8639～1 6037位7.4 kb片段缺失與心肌病、尤其與散發(fā)的擴(kuò)張型心肌病關(guān)系最為密切。很多心肌病患者的mtDNA致病性突變位于mtDNA的tRNA基因上, 這些突變會(huì)影響線粒體蛋白質(zhì)合成以及相關(guān)的呼吸酶功能[18]。據(jù)國外文獻(xiàn)報(bào)道, 白種歐洲人DCM患者的易感基因位于非編碼區(qū)的D環(huán)區(qū), 與對照組相比, 約17.2%的DCM患者可檢測出T16189C突變[19]。年齡小的患者易發(fā)生肥厚型心肌病, 成人易發(fā)生擴(kuò)張型心肌病, 而且隨年齡增長肥厚型心肌病可轉(zhuǎn)為擴(kuò)張型心肌病[20]。擴(kuò)張型心肌病晚期發(fā)病是由于這些患者的突變和野生型 mtDNA 以不同速率復(fù)制, 從而導(dǎo)致非分裂組織（如心?。┲幸踪|(zhì)性水平逐漸增高出現(xiàn)癥狀。臨床上患者可突然發(fā)生心力衰竭、肺水腫、嚴(yán)重心律失常等, 也可緩慢出現(xiàn)臨床癥狀。

2.3 mtDNA與缺血性心肌病

缺血性心肌?。╥schemic cardiomyopathy, ICM）廣義是指由于心肌缺血引起的以彌漫性纖維化為主的心肌病變。該病是由于心肌長期缺血引起的,多為多支病變, 故其發(fā)病與冠心病有著密切聯(lián)系, 屬于繼發(fā)性心肌病。

mtDNA突變究竟是缺血性心肌病的病因, 還是缺血所導(dǎo)致的結(jié)果, 目前尚無定論。大多數(shù)研究認(rèn)為, 心肌缺血缺氧導(dǎo)致OXPHOS過程紊亂, 產(chǎn)生氧自由基損傷 mtDNA, 以及由于缺氧導(dǎo)致 OXPHOS過程過度誘導(dǎo)而損傷 mtDNA, 慢性損傷積累導(dǎo)致mtDNA片段缺失或點(diǎn)突變, 最終造成心肌細(xì)胞氧化功能障礙[21]。Wallace等[22]研究表明, 伴隨年齡增加,OXPHOS系統(tǒng)呈現(xiàn)衰減趨勢。老年人 OXPHOS系統(tǒng)受到慢性抑制易患 ICM, 易發(fā)生 5.0 kb缺失。Takeda等[23]發(fā)現(xiàn)心肌缺血缺氧產(chǎn)生自由基損傷mtDNA, 并從急性心肌梗死患者中檢出 7.4 kb的缺失。機(jī)體缺血缺氧嚴(yán)重時(shí), 可引起心肌線粒體內(nèi)膜流動(dòng)性下降、NADH-CoQ還原酶和 ATP酶活性下降, 酶損傷或底物缺乏時(shí)均可引起線粒體 OXPHOS功能損傷, 從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)能量代謝障礙。有報(bào)道發(fā)現(xiàn), 慢性心肌缺血患者心肌中存在 cytb基因上C15452A突變, 且在心肌組織中突變比例明顯高于外周血[24]。Cytb活性的缺失, 導(dǎo)致OXPHOS復(fù)合物Ⅲ活性明顯下降, 其活性的改變導(dǎo)致線粒體呼吸鏈的電子傳遞受阻, 并直接將電子泄漏于線粒體基質(zhì)內(nèi), 使超氧陰離子產(chǎn)生增多, 線粒體內(nèi)的氧化應(yīng)激水平提高, 導(dǎo)致mtDNA損傷。mtDNA損傷常發(fā)生于暴露ROS產(chǎn)物的細(xì)胞, 缺血性心肌病就是氧自由基產(chǎn)物增加的典型例子。

2.4 mtDNA與糖尿病心肌病

糖尿病心肌?。╠iabetic cardiomyopathy, DC）是指糖尿病患者在無明顯冠狀動(dòng)脈粥樣硬化及高血壓時(shí)發(fā)生的獨(dú)立、特異的心肌疾病。線粒體基因結(jié)構(gòu)異常、能量代謝障礙是糖尿病心肌細(xì)胞肥大、衰竭的重要分子生物學(xué)基礎(chǔ)。

糖尿病心肌病變時(shí), 纖維肌膜成分改變, 其膽固醇含量升高, 磷脂中的溶血磷脂酰膽堿明顯升高,促使更多的 Ca2+進(jìn)入心肌內(nèi), 造成 Ca2+超負(fù)荷, 而導(dǎo)致線粒體膜去極化, 使膜電位降低或喪失[25]。Kiritoshi等[26]在 30 mmol/L葡萄糖濃度條件下培養(yǎng)人腎小球系膜細(xì)胞, 發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)ROS生成增多, 說明高糖條件下線粒體可產(chǎn)生 ROS。而心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+的降低, 有利于線粒體將堆積的 Ca2+排出, 減少 ATP的分解, 降低了 ROS在細(xì)胞內(nèi)堆積, 表明Ca2+超負(fù)荷亦可促進(jìn)線粒體ROS的產(chǎn)生。線粒體膜富含多不飽和脂肪酸, 易受自由基的攻擊。糖尿病時(shí), 細(xì)胞內(nèi)Ca2+超負(fù)荷、線粒體ROS產(chǎn)生增多, 產(chǎn)生氧自由基損傷 mtDNA, 慢性損傷積累易導(dǎo)致mtDNA缺失或突變, 影響心肌能量代謝, 從而參與糖尿病心肌病的發(fā)生、發(fā)展。

3 前景及展望

綜上所述, mtDNA在心肌病發(fā)生發(fā)展中起著重要作用。從基因水平出發(fā)不僅能尋找心肌病病因及發(fā)病機(jī)制, 而且對心肌病的早期診斷、判斷患者的預(yù)后以及提前給予預(yù)防性治療措施, 延緩疾病進(jìn)程等都具有重要意義。然而這些 mtDNA突變相關(guān)的致病機(jī)制有待進(jìn)一步研究加以揭示。隨著 mtDNA與心肌病的關(guān)系研究的不斷深入, 將來有關(guān)mtDNA及其相關(guān)領(lǐng)域的研究有望為心肌病的治療提供新的途徑。

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