心肌病中線粒體tRNA 突變的研究進(jìn)展

李雨濃 綜述 范忠才 審校

(瀘州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院心內(nèi)科，四川 瀘州 646000)

根據(jù)2007 年歐洲心臟病協(xié)會(huì)(ESC)新的心肌病定義及分類［1］，心肌病被定義為心肌構(gòu)造和解剖異常的心肌疾病，包括擴(kuò)張型心肌病(dilated cardiomyopathy，DCM)、肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy，HCM)、致心律失常型右室心肌病(arrhythmogenic right ventricular dysplasia，ARVC)、限制型心肌病(restrictive cardiomyopathy，RCM)及未分類型。根據(jù)現(xiàn)有的分子生物學(xué)、遺傳學(xué)研究成果，遺傳因素作為一個(gè)重要的病因，正日漸受到廣泛重視。由于心臟對氧化代謝的強(qiáng)大依賴，使得線粒體的結(jié)構(gòu)功能改變在心臟受損中十分重要。大量研究顯示，遺傳基因的改變(包括基因突變、錯(cuò)意、缺失等)與線粒體的結(jié)構(gòu)、功能改變關(guān)系十分密切。因此，探究線粒體致病性改變的上游，即遺傳基因的改變對心肌病尤其是家族性心肌病的人群有重要意義。

1 線粒體突變簡介

1.1 線粒體簡介

線粒體是細(xì)胞生物氧化產(chǎn)生三磷酸腺苷(ATP)的主要場所，是一個(gè)由內(nèi)外雙層膜圍成并攜帶DNA 遺傳物質(zhì)的特殊細(xì)胞器。除了為細(xì)胞供能外，它還參與諸如細(xì)胞分化、信號傳導(dǎo)和細(xì)胞凋亡等過程，擁有調(diào)控細(xì)胞生長及其周期的能力。人類線粒體DNA(mtDNA)是長度為16.6 kb 的雙鏈環(huán)狀DNA 分子，共編碼13種多肽，22 個(gè)轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)和2 個(gè)核糖體RNA(rRNA)。這些均是氧化磷酸化酶復(fù)合物的關(guān)鍵組件。迄今為止，超過300 個(gè)致病mtDNA 點(diǎn)突變被發(fā)現(xiàn)，包括蛋白編碼基因、tRNA 基因、rRNA 基因。致病性mtDNA 突變削弱了細(xì)胞的有氧代謝過程，是形成多種類型臨床疾病的基礎(chǔ)。所有的流行病學(xué)研究都強(qiáng)調(diào)，mt-tRNA(mtt)基因的點(diǎn)突變是最常見的缺陷，約占所有基因診斷病例的50%［2］。

1.2 mtt

mtt 獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它們與典型的三葉草結(jié)構(gòu)不同。大量研究顯示，編碼mtt 的基因突變頻率較高，這可能是引起線粒體功能障礙的主要原因之一。目前發(fā)現(xiàn)，大量與mtt 生物代謝和功能相關(guān)的核因子包括加工內(nèi)切酶、tRNA 修飾酶和氨酰-tRNA 合成酶等的異常導(dǎo)致了疾病相關(guān)的tRNA 致病突變。線粒體tRNA 與編碼氨基酸之比基本是1∶1，若某種mtt 基因發(fā)生突變，而其他tRNA 又不能進(jìn)行補(bǔ)償，則突變的mtt 可導(dǎo)致蛋白質(zhì)翻譯過程的眾多缺陷，最終將導(dǎo)致tRNA 的不穩(wěn)定。病理狀態(tài)下的線粒體tRNA 的突變與單個(gè)tRNA 的穩(wěn)態(tài)水平下降有關(guān)。而在tRNA 和rRNA 基因致病突變通常會(huì)影響所有線粒體DNA 編碼的多肽的翻譯，導(dǎo)致廣義氧化磷酸化缺陷。所以，許多與氧化磷酸化功能缺陷相關(guān)的疾病與人類mtt 基因突變有關(guān)。另一方面，tRNA 突變的特點(diǎn)是“組織特異性”的。例如，在7 個(gè)不同的心肌病相關(guān)的tRNA 突變中，tRNAIle常引起HCM，tRNASer突變則引起耳聾。綜上可見mtt 功能對于線粒體活性的重要性。下面我們就mtt 與心肌病的聯(lián)系進(jìn)行討論。

2.1 HCM

HCM 是一種常染色體顯性遺傳疾病，它的特征是不明原因的左室和/或右室不對稱性肥厚，伴心肌細(xì)胞混亂和纖維化。在成人線粒體相關(guān)的疾病中，HCM最常見，約2/3 的HCM 患者表現(xiàn)出家系遺傳的特點(diǎn)，家族性和散發(fā)性HCM 具有相同的遺傳因素。雖然部分HCM 的發(fā)病是由心臟肌節(jié)蛋白基因突變引起的常染色體顯性遺傳所導(dǎo)致，但隨著線粒體基因調(diào)控HCM表型表達(dá)研究取得的進(jìn)展表明，線粒體的遺傳性質(zhì)改變在HCM 的發(fā)生發(fā)展過程中意義重大。1991 年Zeviani 等［3］報(bào)道線粒體DNA tRNALeu(UUR)突變與母系遺傳學(xué)肌病和心肌病(HCM/DCM 均累及)相關(guān)。隨后，Raha 等［4］研究表明，mt-tRNAGlyT9997C 突變或tRNAIleA4295G 突變是母系遺傳性HCM 的重要原因，使得對HCM 致病基因的關(guān)注從核基因拓展到線粒體基因。Govindaraj 等［5］在兩個(gè)母系遺傳的HCM 家系中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)家系的先證者均攜帶相同的mtDNA tRNAIleA4300G 同質(zhì)突變，該突變影響線粒體tRNAIle二級結(jié)構(gòu)高度保守區(qū)域的一個(gè)堿基配對，導(dǎo)致心臟組織中成熟的線粒體tRNAIle水平顯著下降。進(jìn)一步的生化分析顯示患者的心肌線粒體電子傳遞鏈復(fù)合體Ⅰ和Ⅳ的活性顯著降低，而骨骼肌及培養(yǎng)的上皮細(xì)胞中完全正常，同時(shí)心肌細(xì)胞COX 活性大大降低。在一個(gè)HCM 伴耳聾的兒童患者被發(fā)現(xiàn)其DNA 攜帶了mttIlem.4277T ＞C 突變，其骨骼肌活檢顯示線粒體大量COX 和呼吸鏈缺陷［6］。Bates 等［7］報(bào)道的病例中10%的HCM 都由常見的致病性tRNA(m.3243ANG、m.4300ANG 和m.8344ANG)突變所致?；颊邤y帶mtt突 變(包 括 m.8344A.G in mttLys、m.4269A.G 和m.4317A.G in mttIle)和偶發(fā)的具有多態(tài)性(m.8993T.G in MTATP6 和 m.8528T.C in the MTATP6/MTATP8 重疊區(qū))均被證明有左心室肥厚［8］。以上均證實(shí)mtt 是HCM 中線粒體突變的一個(gè)相當(dāng)敏感的位置。

在極少數(shù)情況下，孤立性HCM 是成人線粒體疾病的唯一臨床表現(xiàn)。這與編碼異亮氨酸和亮氨酸的mtt 基因MTTL1 和MTTI 基因獨(dú)特的突變有關(guān)，并常見于同質(zhì)性突變水平。這類患者常?？焖龠M(jìn)展至DCM 和心臟衰竭［9］。有趣的是，最近一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)與MTTL1 上的3243A ＞G 突變有關(guān)的線粒體腦肌病、乳酸性酸中毒、腦卒中樣發(fā)作患者中均可發(fā)現(xiàn)心肌肥厚，他們的嚴(yán)重程度與肌肉組織中的突變頻率聯(lián)系緊密［10］。還有研究表明，對于純合突變的患者，位于2個(gè)不同基因的2 個(gè)突變，或者同一基因上的2 個(gè)不同突變都能發(fā)展為一個(gè)更加嚴(yán)重的表型(更加肥厚的心肌、收縮功能障礙和/或心房顫動(dòng))，并可能誘發(fā)幼兒的心源性猝死。

2.2 DCM

DCM 是一種以心腔(左和/或右心室)擴(kuò)大、心肌纖維化為主要特征的心肌疾病，其臨床表現(xiàn)為進(jìn)行性心力衰竭(心衰)、心律失常、血栓栓塞，甚至猝死?，F(xiàn)在越來越多的研究證實(shí)遺傳因素與DCM 的發(fā)病關(guān)系密切，有25%～50% 患者呈家族性［11］。研究發(fā)現(xiàn)，DCM 主要表現(xiàn)為常染色體顯性遺傳，但隨著對許多重型DCM 病人以及家系進(jìn)行基因檢測，發(fā)現(xiàn)越來越多的DCM 患者存在mtt 的突變。早在1990 年日本學(xué)者曾報(bào)道在心肌病死亡患者的心肌組織中發(fā)現(xiàn)有線拉體DNA 的多重缺失，認(rèn)為這與某些心肌病的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。Marin-Garcia 等［12］在28 個(gè)等待心臟移植的散發(fā)的嚴(yán)重DCM 患者中發(fā)現(xiàn)了tRNA 突變，并導(dǎo)致了氨基酸結(jié)構(gòu)基因的變化(錯(cuò)義突變)或是核苷酸的變化。Cardena 等［13］還在一個(gè)重度心衰的DCM 患者中，發(fā)現(xiàn)其核苷酸16 018 和16 032 之間，有15 bp 的重復(fù)，其中部分區(qū)域在編碼脯氨酸t(yī)RNA 的基因(tRNAPro)上，這一位置在保護(hù)細(xì)胞對抗氧化中起重要作用。這種重復(fù)可能改變tRNAPro的穩(wěn)定性或二級結(jié)構(gòu)，影響mt-蛋白質(zhì)的合成。Wahbi 等［8］發(fā)現(xiàn)，純擴(kuò)張型表型常見于患者m.8344A ＞G，約20%的這類患者存在左心室功能障礙。Stalder 等［14］發(fā)現(xiàn)存在A3243G 突變的患者具有嚴(yán)重的心衰癥狀、顯著低EF 值，并伴有聽力下降、代謝紊亂等特點(diǎn)。還有很多臨床案例都顯示了DCM，尤其在嚴(yán)重型或發(fā)生嚴(yán)重并發(fā)癥的患者中，都能檢測到mtDNA 突變，又以各型tRNA 異質(zhì)性突變?yōu)橹?，他們均不同程度地改變了氨基酸、核苷酸或tRNA的結(jié)構(gòu)而致病。突變基因的檢測為DCM 的診斷與防治開辟了新的途徑。同時(shí)，也為基因治療最終治愈并預(yù)防DCM 提供了基礎(chǔ)，將成為今后DCM 的研究重點(diǎn)。

2.3 ARVC

ARVC 是以右室心肌被纖維脂肪取代為特征，通常表現(xiàn)為局限性右室病變，亦可彌漫性進(jìn)展侵犯左室。ARVC 病因及發(fā)病機(jī)制目前尚不清楚，常呈家族性發(fā)病，外顯率不同。目前無相關(guān)文獻(xiàn)找出其mtt 突變位點(diǎn)，但一患者右室心內(nèi)膜活檢發(fā)現(xiàn)其線粒體被破壞［15］。故此病對線粒體能量的需求以及能否致病，值得深入研究。

2.4 RCM

RCM 是一種由于心肌僵硬度升高導(dǎo)致以舒張功能嚴(yán)重受損為主要特征的心肌病。成人患者多為心肌淀粉樣變及心內(nèi)膜纖維化，特發(fā)性和/或遺傳性也不少見。在兒童最常見的是特發(fā)性，其中大約1/3 與遺傳有關(guān)。一例22歲女性患者外周血中發(fā)現(xiàn)了在myl3 上的p.GLU143Lys 純合突變、myl2 上的異質(zhì)性p.Gly57Glu 突變，該患者母親是這些突變的雙重雜合子的正常人［16］。而同時(shí)，在另一患者中發(fā)現(xiàn)TPM1 的p.Asn279His 純合突變，該患者父母為近親結(jié)婚，父親42歲時(shí)診斷為HCM。這是TPM1、MYL2，3 和原發(fā)性HCM、RCM 的第一份報(bào)道。在一例伴糖尿病的61歲RCM 女性患者外周血發(fā)現(xiàn)mttLeu的A3243G 突變［17］。雖然現(xiàn)在關(guān)于線粒體tRNA 突變的報(bào)道還很少，但HCM、DCM 均已發(fā)現(xiàn)大量線粒體突變的證據(jù)，以上研究結(jié)果可推斷，尤其在伴有肌肉受累的患者，線粒體基因突變也必須考慮，也可能是類似HCM 同種基因突變而致的不同表型。此病在小兒又有1/3 為遺傳性，提示對懷疑此病的小孩應(yīng)及時(shí)、早期進(jìn)行基因篩查，并盡早行心臟移植。

2.5 未分類型

此型多為左室致密化不全型心肌病，已發(fā)現(xiàn)其在多個(gè)mtt 上存在突變;均可影響tRNA 的穩(wěn)定性，致tRNA損害或線粒體翻譯障礙、細(xì)胞凋亡，從而致?。?8-19］。小鼠、酵母等模型的建立也更增強(qiáng)了對其致病性的研究。

3 并發(fā)癥

心肌病線粒體突變患者病情常隨年齡呈進(jìn)行性進(jìn)展，常見于心衰和傳導(dǎo)系統(tǒng)疾病。心衰多由心肌病中線粒體OXPHOS 缺陷，致呼吸鏈活動(dòng)減少、肌肉功能失調(diào)、低CO2消耗等造成。已有報(bào)道稱在心衰伴心室和收縮功能障礙患者中可出現(xiàn)左室肥厚和m.3243A.G or m.8344A.G 突變。線粒體突變致功能障礙，能量減少可誘導(dǎo)一系列離子電流的變化［20］?；钚匝踝?ROS)的高需求也能改變膜電位而致心律失常［21］。其中室上性心律失常、猝死型心律失常和傳導(dǎo)阻滯是最常見的類型(在HCM 伴發(fā)卡恩斯-塞爾綜合征患者中由m.3242A ＞G 患者中傳導(dǎo)阻滯可是其主要表 現(xiàn)［20］);心室預(yù)激、預(yù)激綜合征(見于m.8344A.G)［8］也常出現(xiàn)。雖然長QT 被發(fā)現(xiàn)于某些患者，但是它的真實(shí)發(fā)生率和室性心律失常的風(fēng)險(xiǎn)還需要較大的縱向研究［7］。

4 結(jié)語及展望

mtt 突變是引起人類疾病最常見的線粒體突變，多異質(zhì)性，更常見于系統(tǒng)發(fā)育的初期，而非老年期。據(jù)現(xiàn)有的臨床、生化和遺傳數(shù)據(jù)我們已發(fā)現(xiàn)了能夠影響trna 翻譯的幾種不同原因。同時(shí)，是否能夠準(zhǔn)確、快速地預(yù)測mtt 基因突變，并判斷其是否遺傳給下一代等問題對患者和家庭來講都意義重大［22］。目前大量的研究均提示線粒體基因突變在嚴(yán)重型心肌病中越來越重要。目前已成功建立了線粒體突變的相關(guān)模型:酵母模型、基因敲除小鼠、轉(zhuǎn)基因小鼠模型等。由于線粒體缺陷太復(fù)雜，不能把線粒體突變直接引入小鼠體內(nèi)，而只能制造核基因缺陷或基因敲除導(dǎo)致線粒體功能障礙來模擬。對線粒體研究最有效的技術(shù)之一是構(gòu)建轉(zhuǎn)線粒體細(xì)胞系，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。故關(guān)于線粒體tRNA 模型的建造、疾病的研究將繼續(xù)深入。而關(guān)注線粒體tRNA 突變，預(yù)測其是否有能力遺傳或影響后代，為患者及家屬提供準(zhǔn)確和及時(shí)的遺傳咨詢則是全世界心內(nèi)科臨床醫(yī)師需要重視和提高的。臨床上對心肌病伴線粒體突變的疾病的認(rèn)識(shí)和最新進(jìn)展對心臟病學(xué)專家管理病人有重要意義。

［1］Kaski JP，Elliott P，ESC Working Group.The classification concept of the ESC Working Group on myocardial and pericardial diseases for dilated cardiomyopathy［J］.Herz，2007，32(6):446-451.

［2］John W，Yarham JW，Blakely EL，et al.The m.3291T ＞C mt-tRNALeu(UUR)mutation is definitely pathogenic and causes multisystem mitochondrial disease［J］.J Neurol Sci，2013，325(1-2):165-169.

［3］Zeviani M，Gellera C，Antozzi C，et al.Maternally inherited myopathy and cardiomyopathy:association with mutation in mitochondrial DNA tRNALeu(UUR)［J］.Lancet，1991，338(8760):143-147.

［4］Raha S，Merante F，Shoubridge E，et al.Repopulation of rho0 cells with mitochondria from a patient with a mitochondrial DNA point mutation in tRNAGlyresults in respiratory chain dysfunction［J］.Hum Mutat，1999，13(3):245-254.

［5］Govindaraj P，Khan NA，Rani B，et al.Mitochondrial DNA variations associated with hypertrophic cardiomyopathy［J］.Mitochondrion，2014，16:65-72.

［6］Perli E，Giordano C，Tuppen HA，et al.Isoleucyl-tRNA synthetase levels modulate the penetrance of a homoplasmic m.4277T ＞C mitochondrial tRNAIlemutation causing hypertrophic cardiomyopathy［J］.Hum Mol Genet，2012，21(1):85-100.

［7］Bates MG，Bourke JP，Giordano C，et al.Cardiac involvement in mitochondrial DNA disease:clinical spectrum，diagnosis，and management［J］.Eur Heart J，2012，33(24):3023-3033.

［8］Wahbi K，Larue S，Jardel C，et al.Cardiac involvement is frequent in patients with the m.8344A_G mutation of mitochondrial DNA［J］.Neurology，2010，74(8):674-677.

［9］Perli E，Giordano C，Tuppen HA，et al.Isoleucyl-tRNA synthetase levels modulate the penetrance of a homoplasmic m.4277T ＞C mitochondrial tRNAIlemutation causing hypertrophic cardiomyopathy［J］.Hum Mol Genet，2013，21:85-100.

［10］Hollingsworth KG，Gorman GS，Trenell MI，et al.Cardiomyopathy is common in patients with the mitochondrial DNA m.3243A ＞G mutation and correlates with mutation load［J］.Neuromuscul Disord，2013，22:592-596.

［11］Zhao L，Xu JH，Xu WJ，et al.A novel GATA4 loss-of-function mutation responsible for familial dilated cardiomyopathy［J］.Int J Mol Med，2014，33(3):654-660.

［12］Marin-Garcia J，Goldenthal MJ，Ananthakrishnan R，et al.The complete sequence of mtDNA genes in idiopathic dilated cardiomyopathy shows novel missense and tRNA mutations［J］.J Card Fail，2000，6(4):321-329.

［13］Cardena MM，Mansur AJ，Pereira Ada C，et al.A new duplication in the mitochondrially encoded tRNA proline gene in a patient with dilated cardiomyopathy［J］.Mitochondrial DNA，2014，24(1):46-49.

［14］Stalder N，Yarol N，Tozzi P，et al.Mitochondrial A3243G mutation with manifestation of acute dilated cardiomyopathy［J］.Circ Heart Fail，2012，5(1):e1-3.

［15］Tsyplenkova VG，Vorob'ev AA.Ultrastructural and immunohistochemical characteristics of the mechanism of cardiomyocytic death in arrhythmogenic dysplasia of the right ventricle［J］.Arkh Patol，2007，69(6):3-7.

［16］Caleshu C，Sakhuja R，Nussbaum RL，et al.Furthering the link between the sarcomere and primary cadiomyopathies:restrictive cardiomyopathy associated with multiple mutations in genes previously associated with hypertrophic or dilated cardiomyopathy［J］.Am J Med Genet A，2011，155A(9):2229-2235.

［17］Otsui K，Inoue N，Tamagawa A，et al.A case of mitochondrial cardiomyopathy with restrictive transmitral filling pattern［J］.Int Med Case Rep J，2012，5:19-22.

［18］Liu S，Bai Y，Huang J，et al.Do mitochondria contribute to left ventricular non-compaction cardiomyopathy?New findings from myocardium of patients with left ventricular non-compaction cardiomyopathy［J］.Mol Genet Metab，2013，109(1):100-106.

［19］Zarrouk Mahjoub S，Mehri S，Ourda F，et al.Pathogenicity of the transition m.3308T ＞C in left ventricular hypertrabeculation/noncompaction［J］.Cardiology，2012，122(2):116-118.

［20］Limongelli G，Masarone D，D＇Alessandro R，et al.Mitochondrial diseases and the heart:an overview of molecular basis，diagnosis，treatment and clinical course［J］.Future Cardiol，2012，8(1):71-88.

［21］Yang KC，Bonini MG，Dudley SC Jr.Mitochondria and arrhythmias［J］.Free Radic Biol Med，2014，71C:351-361.

［22］Blakely EL，Yarham JW，Alston CL，et al.Pathogenic mitochondrial tRNA point mutations:nine novel mutations affirm their importance as a cause of mitochondrial disease［J］.Hum Mutat，2013，34(9):1260-1268.