線粒體tRNA突變與高血壓關(guān)系的研究進(jìn)展

路 艷，趙玉生，李宗斌*

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線粒體tRNA突變與高血壓關(guān)系的研究進(jìn)展

路 艷1，趙玉生2，李宗斌2*

（解放軍總醫(yī)院：1南樓臨床部綜合外一科，2心血管內(nèi)科，北京 100853）

線粒體基因突變與多種疾病的發(fā)生有關(guān)，雖然轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）基因只占整個(gè)線粒體基因組的10%，但它們卻是研究線粒體基因突變與疾病發(fā)生關(guān)系的熱點(diǎn)。既往高血壓遺傳學(xué)的研究主要集中在核基因方面，近年來研究發(fā)現(xiàn)線粒體DNA突變可能參與原發(fā)性高血壓（EH）的發(fā)生與發(fā)展，且越來越多的線粒體tRNA也被報(bào)道與EH的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。本文對(duì)線粒體tRNA突變與高血壓發(fā)病的關(guān)系及其機(jī)制進(jìn)行了綜述。

線粒體；tRNA；原發(fā)性高血壓；基因突變

線粒體是真核細(xì)胞內(nèi)重要的細(xì)胞器，也是體內(nèi)能量生成的場(chǎng)所，并且還參與脂肪酸和某些蛋白質(zhì)的合成。人的線粒體基因編碼的線粒體呼吸鏈復(fù)合體中有13個(gè)多肽亞單位。線粒體基因還包含24個(gè)線粒體蛋白合成所必須的基因，22個(gè)轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）和2個(gè)核糖體RNA（rRNA）。許多線粒體基因突變可導(dǎo)致基因多態(tài)性，且很多突變與多種疾病的發(fā)生有關(guān)。自從1998年第1種線粒體突變相關(guān)疾病被證實(shí)以來，迄今已發(fā)現(xiàn)了近200種疾病相關(guān)的基因突變，其中絕大多數(shù)位于tRNA基因上[1]。線粒體tRNA突變后，線粒體中氨基酰?tRNA的穩(wěn)態(tài)水平、tRNA的合成、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和氨基?；匦砸约鞍被?tRNA與翻譯機(jī)器成分的相互作用都可能發(fā)生改變。然而，其詳細(xì)機(jī)制至今還不清楚。本文就線粒體tRNA的突變與高血壓發(fā)生、發(fā)展相關(guān)性的研究進(jìn)展做一綜述。

1 線粒體tRNA基因概述

tRNA是蛋白質(zhì)合成過程中非常重要的成分，它們司職將氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)到核糖體，使氨基酸與信使RNA（mRNA）上的密碼子進(jìn)行配對(duì)，使它們能以高保真的方式形成多肽。人的線粒體基因包含22種tRNA，線粒體內(nèi)編碼的tRNA為人類線粒體蛋白合成所必需。雖然tRNA基因只占整個(gè)線粒體基因組的10%，但它們卻是研究線粒體基因突變與疾病發(fā)生關(guān)系的熱點(diǎn)。線粒體tRNA基因突變與疾病的關(guān)系非常復(fù)雜，單個(gè)線粒體tRNA基因突變可產(chǎn)生不同的癥狀，而不同的基因突變又可引發(fā)同一種疾病。線粒體tRNA突變基因?qū)е碌募膊《嗯c細(xì)胞的能量代謝障礙有關(guān)。近年來，研究人員一直在探究線粒體tRNA突變基因型與表型之間的關(guān)系及其分子機(jī)制[2?4]。線粒體tRNA在蛋白合成過程中發(fā)揮著核心作用，其突變導(dǎo)致的功能異常在線粒體致病過程中發(fā)揮重要的作用。

除了具有最少的冗余性之外，線粒體tRNA還具有最簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)。大多數(shù)有機(jī)體中，普通tRNA的結(jié)構(gòu)是高度保守的。然而，高等真核生物線粒體tRNA的結(jié)構(gòu)可以有很大的變異。典型的tRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)被稱為三葉草結(jié)構(gòu)，分為4個(gè)域：氨基酸接受莖、二氫尿嘧啶環(huán)、TψC環(huán)和反密碼子環(huán)。線粒體tRNA可在三葉草結(jié)構(gòu)的任何一個(gè)結(jié)構(gòu)域內(nèi)分布。22種線粒體tRNA基因每個(gè)基因至少有1個(gè)位點(diǎn)被報(bào)道發(fā)生過致病性突變，其中，tRNAIle、tRNALys和tRNALeu（UUR）3種tRNA基因的突變之和占已知突變總量的50%。

2 線粒體tRNA基因突變與疾病的關(guān)聯(lián)

線粒體tRNALeu（UUR）的基因突變可導(dǎo)致不同的臨床疾病，包括糖尿病、心肌病和腦病等。tRNALeu（UUR）突變很少是致死性的，較易被檢測(cè)出來。A3243G是最常見的與疾病有關(guān)的突變[5]，很多母系遺傳性糖尿病和耳聾（MIDD，maternally-inherited diabetes and deafness）患者攜帶該位點(diǎn)的突變。

人類線粒體tRNALeu（UUR）基因另外一種常見的突變是U3271C置換。同A3243G突變一樣，U3271C也與糖尿病、線粒體肌病有關(guān)。攜帶這種突變的雜合細(xì)胞中，存在著轉(zhuǎn)錄后修飾缺陷、tRNALeu（UUR）穩(wěn)定性的缺陷以及蛋白合成產(chǎn)物的異常。

研究已發(fā)現(xiàn)編碼tRNAIle的基因可能出現(xiàn)10個(gè)致病性位點(diǎn)的突變，這些突變與心肌病和視神經(jīng)麻痹有關(guān)。4個(gè)與視神經(jīng)麻痹有關(guān)的突變都是將CA錯(cuò)配并引入到tRNAIle的莖區(qū)，而6個(gè)與心肌病突變相關(guān)的突變出現(xiàn)的位置卻不相同，其中兩個(gè)產(chǎn)生GU錯(cuò)配，3個(gè)置換非配對(duì)的堿基，另外1個(gè)用UA配對(duì)替代1個(gè)CA錯(cuò)配。盡管特定類型的堿基突變與特異性臨床表型的聯(lián)系還不清楚，但既往的研究已清楚地表明突變對(duì)tRNA功能的影響存在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。只有一項(xiàng)研究用細(xì)胞系觀察了疾病相關(guān)的tRNAIle突變的影響[6]。這項(xiàng)研究檢測(cè)了當(dāng)心肌病相關(guān)的A4269G存在時(shí)對(duì)tRNA穩(wěn)定性的影響，結(jié)果出現(xiàn)tRNAIle接受莖的AU配對(duì)的改變。GU錯(cuò)配會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的消失，進(jìn)而導(dǎo)致tRNA降解加快。

人類線粒體tRNALys是具有簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的線粒體tRNA的一個(gè)例子。這種線粒體tRNA的D環(huán)只有3個(gè)堿基組成，從而限制了穩(wěn)定三級(jí)折疊接觸的數(shù)量。轉(zhuǎn)錄后修飾在穩(wěn)定人類線粒體tRNALys結(jié)構(gòu)中起到重要的作用，可能在致病性突變導(dǎo)致的細(xì)胞效應(yīng)中發(fā)揮作用。A8344G突變與肌陣攣性癲癇和破碎紅纖維?。╩yoclonnus epilepsy and ragged-red fibers，MERRF）的發(fā)病有關(guān)，攜帶A8344G突變的雜合細(xì)胞由于tRNA穩(wěn)定性的降低導(dǎo)致蛋白合成的減低。與野生型相比，突變的tRNALys穩(wěn)態(tài)氨?；浇档土?0%，反密碼子擺動(dòng)（wobble）位置（U34）的轉(zhuǎn)錄后修飾水平也受到阻礙。

3 線粒體tRNA基因突變與原發(fā)性高血壓發(fā)病的關(guān)系

原發(fā)性高血壓（essential hypertension，EH）是最常見的心血管疾病，也是腦卒中、冠心病、心力衰竭和晚期腎功能衰竭等疾病的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，嚴(yán)重危害人類健康。20世紀(jì)50年代以來，我國(guó)進(jìn)行了4次大規(guī)模的高血壓抽樣調(diào)查，1959年＞15歲人群高血壓患病率為5.11%、1979年為7.73%、1991年為11.88%、2002年＞18歲人群高血壓患病率達(dá)到18.8%。美國(guó)高血壓的發(fā)病率已高達(dá)28.6%，全球高血壓患病人數(shù)接近10億，并且每年以1000萬的速度激增[7]。2002年中國(guó)居民營(yíng)養(yǎng)與健康狀況調(diào)查數(shù)據(jù)顯示我國(guó)高血壓知曉率僅為30.2%，治療率為24.7%，控制率為6.1%，高血壓已成為中國(guó)乃至全球范圍內(nèi)一個(gè)亟待解決的公共衛(wèi)生問題。

國(guó)內(nèi)外流行病學(xué)對(duì)EH危險(xiǎn)因素的調(diào)查已持續(xù)了10余年，研究結(jié)果表明EH有明顯的家族發(fā)病傾向，遺傳是高血壓患者的一個(gè)重要危險(xiǎn)因素。高血壓患者后代的血壓比其同齡人的血壓偏高，父母有高血壓病史者高血壓的患病率明顯增高。

既往高血壓遺傳學(xué)的研究主要集中在核基因方面，近年來研究發(fā)現(xiàn)線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）突變可能參與EH的發(fā)生與發(fā)展。Fuentes等[8]報(bào)道m(xù)tDNA突變與血壓升高有關(guān)，既往研究還發(fā)現(xiàn)某些因mtDNA突變引發(fā)的疾病會(huì)同時(shí)伴有血壓升高[4]。Framingham心臟研究小組對(duì)來自1 593個(gè)家系的6 421名參與者的收縮壓和4 409名參與者的舒張壓進(jìn)行了遺傳學(xué)分析，研究結(jié)果提示35.2%的高血壓家系受到線粒體遺傳的影響[9]。Wilson等[10]報(bào)道了一個(gè)代謝缺陷綜合征大家系，該家系有血緣關(guān)系的142名成員中，38人患有高血壓、33人患有高膽固醇血癥、32人患有低鎂血癥。母系成員的53人中有30人患有高血壓，顯著高于非母系成員。突變分析發(fā)現(xiàn)在母系成員線粒體tRNA的進(jìn)化保守區(qū)發(fā)生了點(diǎn)突變，該突變可能是導(dǎo)致家系成員EH、脂代謝異常及低鎂血癥等綜合征的原因。Watson等[11]在高血壓病腎病晚期患者中觀察到mtDNA的某些位點(diǎn)變異頻率高于血壓正常人群。Schwartz對(duì)20名EH美國(guó)患者進(jìn)行全mtDNA測(cè)序分析，共發(fā)現(xiàn)了297個(gè)堿基改變，包括tRNA、rRNA的堿基置換。

王士雯課題組對(duì)我國(guó)漢族人群EH患者與正常血壓人群的全部mtDNA變異的情況做了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)漢族人群EH患者mtDNA的變異頻率和密度高于正常血壓人群，EH患者中約80%的錯(cuò)義突變位點(diǎn)位于動(dòng)物進(jìn)化過程中所要求的基因進(jìn)化保守區(qū)，以tRNA基因位點(diǎn)的變異最為常見[12]。通過系統(tǒng)的臨床、分子遺傳學(xué)和細(xì)胞功能學(xué)等方面的研究，注意到部分EH患者具有母系遺傳的特征，并發(fā)現(xiàn)了一系列具有母系遺傳特征的EH家系，確定了一些與高血壓相關(guān)的線粒體基因突變位點(diǎn)[13?16]。課題組的研究結(jié)果證實(shí)，線粒體tRNAMet4435A→G和4401A→G突變?cè)斐傻木€粒體功能缺陷是EH發(fā)病的分子機(jī)制之一[17,18]。另外，線粒體tRNAIleA4295G突變、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide-adenine dinucleotide H，NADH）脫氫酶亞基4突變、G11696A突變和tRNAGluA14693G突變的聯(lián)合作用可能是導(dǎo)致一個(gè)家系高血壓較高外顯率的原因[19]。在對(duì)一個(gè)具有母系遺傳特征的我國(guó)漢族大家系進(jìn)行家系調(diào)查和線粒體功能檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)該家系母系成員中高血壓患病率高達(dá)55.6%，而非母系成員高血壓患病率為15.6%。該家系母系成員中EH發(fā)病年齡有遺傳早發(fā)現(xiàn)象，通過建立永生細(xì)胞系進(jìn)行體外研究，發(fā)現(xiàn)攜帶A4263G突變者淋巴細(xì)胞倍增時(shí)間明顯延長(zhǎng)[20]。通過對(duì)tRNAIle、tRNAGln、tRNAMet和tRNALys等臨床上常見的線粒體tRNA突變分析發(fā)現(xiàn)，與未發(fā)生線粒體tRNA突變的EH患者相比，發(fā)生以上4種線粒體tRNA突變的患者平均發(fā)病年齡顯著提前，突變對(duì)EH患者的血生化指標(biāo)、血常規(guī)指標(biāo)及心臟的結(jié)構(gòu)和功能都產(chǎn)生顯著的影響，不同tRNA、相同tRNA上不同位點(diǎn)的突變對(duì)患者的影響不同[21?23]。

研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生線粒體tRNAMet突變的EH患者平均發(fā)病時(shí)間顯著提前，這種早發(fā)現(xiàn)象與體質(zhì)量指數(shù)無關(guān)；血紅蛋白、心臟射血分?jǐn)?shù)等明顯低于未發(fā)生線粒體tRNA基因突變的EH患者，而總膽固醇、甘油三酯與血糖等明顯偏高[21,24]。發(fā)生tRNALys突變的EH患者血尿素氮含量和室間隔厚度明顯高于無突變組，而突變組的血鉀平均值明顯低于無突變組[23]。發(fā)生tRNAGln突變的EH患者血鉀、血鎂的平均值明顯低于無突變組，而血肌酐、尿素氮的平均值明顯高于無突變組患者[22]。以上研究提示線粒體tRNAMet突變可能會(huì)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)和功能的變化，進(jìn)而通過干擾血脂代謝、血細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)以及心臟的結(jié)構(gòu)與功能，參與了EH的發(fā)生和發(fā)展。

4 結(jié) 論

綜上所述，線粒體tRNA突變?cè)贓H發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮著重要作用，但mtDNA突變能否作為EH的遺傳學(xué)標(biāo)志、突變對(duì)EH的預(yù)后是否具有預(yù)測(cè)作用、突變對(duì)高血壓病靶器官損害是否有影響，以上問題仍需更進(jìn)一步的研究。此外，線粒體tRNA基因突變?cè)贓H發(fā)病中的具體機(jī)制還不清楚，推測(cè)可能與mtDNA突變導(dǎo)致能量合成障礙、活性氧生成過多、鈣穩(wěn)態(tài)失衡有關(guān)。以上問題的解決將會(huì)為EH的研究提供新的理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，為EH的治療提供新的靶點(diǎn)，為臨床上防治EH提供一條新途徑。

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（編輯: 劉子琪）

Relationship of mitochondrial tRNA mutation with development of hypertension: a research progress

LU Yan1, ZHAO Yu-Sheng2, LI Zong-Bin2*

(1The First Department of Geriatric Comprehensive Surgery,2Department of Cardiology, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China)

Mitochondrial DNA mutation is associated with a variety of diseases. Although only constituting 10% of the entire mitochondrial genome, the transfer RNA (tRNA) genes have become a hotspot in the study concerning the relationship of the mitochondrial gene mutation with diseases. Previous studies on the genetics of hypertension mainly concentrated in the nuclear genes, but recent studies found that mitochondrial DNA mutations may be involved in the occurrence and development of essential hypertension (EH). What’s more, much evidence indicated that close association was found between mitochondrial tRNA with the EH occurrence and development. In this article, we summarized the relationship between the mitochondrial tRNA mutation and pathogenesis of hypertension, and reviewed the underlying mechanism.

mitochondria; tRNA; essential hypertension; gene mutation

(20080431356);(81170249 and 30700305);(2008A064).

R394.112; R544.1

A

10.11915/j.issn.1671-5403.2015.06.109

2015?03?12;

2015?04?30

中國(guó)博士后基金（20080431356）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（81170249, 30700305）；北京市科技新星計(jì)劃（2008A064）

李宗斌，E-mail: lizww@163.com