線粒體基因多態(tài)性與AIDS進程的相關(guān)研究

諶宏運(綜述)， 張信江(審校)， 黃世敬

(1.遵義醫(yī)學院附屬醫(yī)院 皮膚科， 貴州 遵義 563000；2.中國中醫(yī)科學院廣安門醫(yī)院， 北京 100053)

線粒體基因多態(tài)性與AIDS進程的相關(guān)研究

諶宏運(綜述)1， 張信江(審校)1， 黃世敬2

(1.遵義醫(yī)學院附屬醫(yī)院 皮膚科， 貴州 遵義 563000；2.中國中醫(yī)科學院廣安門醫(yī)院， 北京 100053)

AIDS;線粒體;HAART;細胞凋亡

艾滋病是由人類免疫缺陷病毒(Human immunodeficiency virus,HIV)感染引起的全身性免疫功能減退或喪失的一種綜合征，也稱獲得性免疫缺陷綜合征(Acquired immune deficiency syndrome,AIDS)。據(jù)2011年11月30日世界衛(wèi)生組織關(guān)于AIDS進展的最新數(shù)據(jù)顯示，2010年全球約3400萬人攜帶HIV，新感染HIV者270萬人。目前對HIV/AIDS的治療主要采用高效抗逆轉(zhuǎn)錄病毒治療方案(Highly active antiretroviral treatment，HAART)。雖然HAART類藥物使AIDS的臨床癥狀大為改善, 但HAART方案并不能徹底清除患者體內(nèi)的病毒,須終身服藥；長期用藥易導致患者體內(nèi)線粒體功能損傷而影響機體氧化磷酸化的調(diào)控、活性氧(ROS)的產(chǎn)生及細胞凋亡。本文針對線粒體基因多態(tài)性與AIDS進程的關(guān)系進行綜述如下。

1 線粒體DNA控制區(qū)與世系樹

線粒體是真核細胞的能量代謝中心，也是人類細胞核外唯一含有遺傳信息的細胞器。線粒體通過氧化磷酸化, 將熱量轉(zhuǎn)化成ATP, 并釋放出熱量以維持體溫和產(chǎn)生ROS。線粒體基因組中大約有37個基因和1500核基因共同協(xié)作產(chǎn)生能量。雖然在ATP直接參與下線粒體DNA(mtDNA)只編碼13個蛋白質(zhì)，但它們的作用卻是至關(guān)重要[1]。

人類mtDNA是一個閉合環(huán)狀，有16569個堿基的雙鏈分子，其非編碼區(qū)(也稱控制區(qū)，loop區(qū))大約1100堿基, 包括兩個高變區(qū)HVSI和HVSⅡ。在非編碼區(qū)，尤其是兩個高變區(qū)，mtDNA存在著高度序列多態(tài)性。由于mtDNA缺乏組蛋白的保護和有效的DNA損傷修復系統(tǒng)，使得mtDNA損傷后突變率比核內(nèi)DNA高達10以上倍。在控制區(qū)序列中，大多數(shù)突變都發(fā)生在HVSIHVSII區(qū)兩段長度約為300～400bp的區(qū)域內(nèi)。由于高變區(qū)的突變率增高，因而導致mtDNA的控制區(qū)在不同的群體間以及一個群體的同個體間表現(xiàn)出較高的差異性，特別在HVSI，不僅人群與人群之間有明顯差異，而且每一人群的無關(guān)個體之間也有一定差異(見圖1)。

圖1 線粒體結(jié)構(gòu)模式圖

人類的mtDNA是一種缺少重組的分子，它具有母系遺傳特征和單倍型遺傳方式。mtDNA突變造成了個體間線粒體序列的差異。隨著時間的推移及突變不斷累計，從而形成聯(lián)系越來越少的不同單倍型譜系。世界各地區(qū)AIDS患者mtDNA變異主要體現(xiàn)在一些由系統(tǒng)發(fā)育上構(gòu)成單系的一組mtDNA世系，即單倍型類群。每種單倍型類群存在特征位點變異，這些位點可在mtDNA編碼區(qū)和控制區(qū)序列中得到體現(xiàn)。1987年Wrischnik等[2]人發(fā)現(xiàn)mtDNA具有明顯的種族特異性，并建立了系統(tǒng)樹。該樹有以下特征：①系統(tǒng)樹起源于非洲；②非洲的線粒體單倍型類群可以分為3個亞型，而所有非非洲的線粒體單倍型類群均起源于L3型線粒體單倍型類群; ③L3型線粒體單倍型類群分為M、N兩個亞型。歐洲人均起源于N型分支，主要有H、J、K、N1、T、W、U、V和X九個線粒體單倍型類群；而亞洲/美洲則起源于M、N兩個分支主要有A、B、C和D四個單倍型類群。

目前研究證實，大多數(shù)核苷類逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑(nucleoside reverse transcriptase inhibitors, NRTI)可引起線粒體的損傷, 并可能導致肝損害。mtDNA的變異直接與代謝疾病、神經(jīng)退行性疾病、癌癥, 以及有感染傾向疾病相關(guān)[1,3]。線粒體是人類細胞中參與能量產(chǎn)生的主要細胞器, 不論是HIV感染本身還是抗逆轉(zhuǎn)錄病毒藥物均可影響線粒體的功能[4,5]。因此，通過對線粒體基因多態(tài)性的研究，可幫助我們探索藥物療效與AIDS發(fā)展進程的關(guān)系，從而指導臨床用藥搭配及改善用藥方案。

2 線粒體核苷酸庫與NRTI毒性

HAART治療是目前AIDS研究的重大進展。HAART方案主要是由兩種NRTI加上一種非核苷類反轉(zhuǎn)錄酶抑制劑(non-nucleoside reverse transcriptase inhibitor,NNRTI)或一種強化蛋白酶抑制劑 (protease inhibitors，PI)組成[6]。HAART并不能清除患者體內(nèi)的病毒，故需長期或終生服藥[7]。由于患者需終身用藥, 因此HAART的毒性作用也就成為不可避免難題之一。關(guān)于HAART的毒性作用，尤其以HARRT基本藥物NRTI的毒性作用最為顯著。

目前臨床應用HIV-1的NRTI共有7種，Geddes等科學家[8]通過研究證實這7種NRTI抑制聚合酶λ的長度順序為：扎西他濱(ddC)>司坦夫定(d4T)≥齊多夫定(ZDV)>替諾福韋(TDF)=拉米夫定(3TC)=恩曲他濱(FTC)=阿巴卡韋(ABC)s。NRTI在結(jié)構(gòu)上其核糖的3'位缺乏羥基，當它們代替天然核苷結(jié)合到前病毒DNA鏈的3'末端時，不能再進行與5'-3'磷酸二酯鍵的結(jié)合，從而終止病毒DNA鏈的延長[9]。核苷逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑疊氮脫氧胸苷(Azido deoxythymidine，AZT)重要的藥理學活性形式是其三磷酸鹽形式, 即AZT-TP。AZT-TP能競爭性地抑制HIV逆轉(zhuǎn)錄酶及哺乳動物DNA pol-γ的活性，這一過程中線粒體內(nèi)必須要有足夠磷酸化的NRTI才能抑制DNA合成[10]。

研究表明，AIDS的進展與mtDNA的缺失相關(guān)。在氧化磷酸化過程中線粒體能量生成受阻, ROS生成增加, 抗氧化酶缺乏和氧化損傷, 這些加速了AIDS病情進展；此外, HAART藥物的使用可引起線粒體中毒,包括脂肪代謝障礙、周圍神經(jīng)病變、脂肪肝、肌病、心肌病、胰腺炎、骨髓抑制和乳酸中毒[11]。NRTI的臨床使用還可產(chǎn)生神經(jīng)毒性，尤其周圍感覺神經(jīng)病變，其機制尚未完全闡明[12]。這些副作用類似于遺傳線粒體疾病臨床表現(xiàn)。

3 關(guān)于mtDNA突變的研究

mtDNA突變與線粒體功能障礙和呼吸鏈復合物的缺失相關(guān)。線粒體脫氧核苷酸載體(DNC)為mtDNA的復制運輸磷酸核苷,同時把磷酸化NRTI運輸也到線粒體內(nèi)。DNC對體內(nèi)線粒體動態(tài)平衡機制是不可缺的,在HAART治療方案(包含NRTI治療的患者)中打破了這種平衡機制，從而導致了線粒體功能障礙。mtDNA包含了多個呼吸鏈中的關(guān)鍵酶基因的副本，由于缺乏相應足夠的酶位點,致使mtDNA損傷不能被修復，最終導致能量代謝的下降[13]。此外,mtDNA缺乏核蛋白保護并處于線粒體的高氧化自由基環(huán)境中,其堿基突變率較核DNA顯著增高;同時mtDNA損傷修復能力又明顯較核DNA損傷修復能力弱,因此mtDNA本身耐受損傷能力較弱非常易于產(chǎn)生突變。AZT-MP可以抑制DNA pol-γ核酸外切酶的活性導致線粒體復制過程的保真性下降, 從而進一步增加mtDNA突變的幾率[14]。最近Martin等[3]發(fā)現(xiàn)接受NRTI治療的患者體內(nèi)mtDNA突變率明顯增加, 在相對短暫的時間內(nèi)出現(xiàn)了異常的mtDNA序列變化。mtDNA數(shù)量耗竭及突變增加將減少線mtDNA編碼的參與線粒體氧化呼吸過程的蛋白質(zhì)合成, 抑制線粒體ATP生成并升高自由基濃度, 進一步加重mtDNA損傷并損害相關(guān)蛋白及脂質(zhì), 從而出現(xiàn)線粒體毒性的臨床表現(xiàn)。

4 關(guān)于線粒體膜電位的改變研究

正常的線粒體跨膜電位是維護ATP能量產(chǎn)生所必須的。當?shù)蛲鲂盘柎碳ぞ€粒體時, 其膜電位下降, 膜對離子的通透性發(fā)生改變,能量合成障礙, 儲存鈣大量釋放,氧化產(chǎn)物堆積, 導致細胞死亡。目前有研究報道指出，通透轉(zhuǎn)運孔( PTP)是位于線粒體內(nèi)外膜交界處的一種由多種蛋白組成的復合體, 其中有外膜的電壓依賴性陰離子通道(VDAC) ,內(nèi)膜的腺嘌呤核苷酸轉(zhuǎn)運體(ANT)和線粒體基質(zhì)的親環(huán)素D(CyP-D)。當細胞受到凋亡信號刺激后，線粒體發(fā)生腫脹，位于線粒體內(nèi)外膜之間的線粒體通透轉(zhuǎn)運孔開放，進而導致線粒體外膜膜電位降低，外膜破裂，線粒體內(nèi)細胞色素C(CytC)、凋亡誘導因子(AIF)以及ROS等釋放到細胞質(zhì)中，它們或激活cas-pase，或獨立地破壞核內(nèi)染色質(zhì)，或作用于其他Ca2+依賴性蛋白，從而引起細胞凋亡[15]。

綜上所述，目前HAART使AIDS的臨床治療雖然取得了突破性進展，但HAART不能徹底清除體內(nèi)的病毒，患者須終身用藥，由于長期用藥，從而導致患者體內(nèi)線粒體功能的損傷, 進而影響機體氧化磷酸化的調(diào)控、活性氧的產(chǎn)生，甚至導致細胞凋亡。長期使用這些藥物治療導致了許多嚴重疾病的發(fā)生，尤其是脂肪代謝障礙綜合征和加重高脂血癥[13]。目前對線粒體的損傷機制還沒有統(tǒng)一的說法，但可從線粒體DNA變異、NRTI毒性以及線粒體膜電位的改變進行研究。未來的研究方向?qū)⑹菍ふ襪tDNA的重要遺傳多態(tài)性。從線粒體功能的角度來看, mtDNA多態(tài)性的特點能幫助我們更好地理解基因活性的調(diào)節(jié)。對mtDNA基因多態(tài)性的研究, 可進一步解釋線粒體損傷機制, 從而為臨床用藥搭配及處理藥物不良反應提供可靠證據(jù)，為HIV疫苗的研制和應用提供新思路，為線粒體基因單倍型與AIDS發(fā)展進程相關(guān)理論提供有力支持。

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R512.91

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1000-2715(2012)01-0085-03

國家科技部“十一五”科技重大專項，課題號：2008ZX10005-004)

張信江，男，教授，E-mail:xinjiangzhang@sohu.com。

[收稿2011-11-18； 修回2011-12-27]

(編輯：王福軍)