顳葉癲癇線粒體功能障礙及相關基因變異的研究進展

王啟龍，宋曉宇，程瑩瑩綜述，孟紅梅審校

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顳葉癲癇線粒體功能障礙及相關基因變異的研究進展

王啟龍，宋曉宇，程瑩瑩綜述，孟紅梅審校

癲癇是一種由多種原因?qū)е碌哪X部神經(jīng)元高度同步化異常放電的臨床綜合征，其中，顳葉癲癇為最常見的癲癇類型，在癲癇發(fā)病中占40%，在藥物難治性癲癇中占70%，為相關研究的熱點。顳葉癲癇的發(fā)病機制目前尚不明確，其可能與P物質(zhì)及多耐藥基因1(MDR1)過度表達、鈉離子通道、γ-氨基丁酸(GABA)受體缺失、異常苔蘚纖維出芽等有關。線粒體對神經(jīng)系統(tǒng)興奮性及神經(jīng)細胞存活至關重要，已有研究證實在顳葉癲癇患者的標本中發(fā)現(xiàn)線粒體損傷及功能障礙。隨著基因測序技術的進展，為了進一步證明線粒體功能障礙是否與癲癇發(fā)作相關，國外學者對顳葉癲癇患者進行線粒體DNA(mtDNA)測序，發(fā)現(xiàn)了顯著變異的線粒體ND-4、ND-5基因。本文將從顳葉癲癇與線粒體功能障礙的相關性、線粒體功能障礙導致顳葉癲癇發(fā)作的可能機制以及顳葉癲癇線粒體基因變異的研究進展方面綜述如下。

1　線粒體功能與顳葉癲癇的相關性

1.1線粒體生化功能線粒體是真核生物細胞內(nèi)重要的細胞器，是糖、脂肪以及氨基酸通過氧化釋放能量的最終場所,其內(nèi)進行的三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化是物質(zhì)能量代謝的共同終末途徑。細胞各項活動所需的ATP主要由線粒體產(chǎn)生。線粒體在組織內(nèi)的分布存在密度差異，在代謝旺盛的腦、心肌、骨骼肌等組織中，線粒體的密度顯著高于其他組織。腦內(nèi)的神經(jīng)元是高度分化的細胞，具有高耗能、自我修復能力差等特點，因此當線粒體功能出現(xiàn)障礙時，神經(jīng)元細胞的正常功能會受到顯著影響。大量的臨床和實驗數(shù)據(jù)表明，線粒體功能障礙可以導致癲癇發(fā)作，而在顳葉癲癇的研究中，發(fā)現(xiàn)線粒體功能障礙與顳葉癲癇存在顯著的相關性。Kunz等[1]在顳葉癲癇患者CA3區(qū)發(fā)現(xiàn)線粒體呼吸鏈復合體Ⅰ的活性顯著降低。Alice等[2]對動物海馬區(qū)組織線粒體超微結(jié)構進行了電子顯微鏡觀察，并測定呼吸鏈酶功能，發(fā)現(xiàn)了呼吸鏈酶復合物Ⅰ功能與癲癇的反復發(fā)作及持續(xù)狀態(tài)存在相關性，提示海馬線粒體功能障礙可能是引起顳葉癲癇難治性的重要原因。

1.2線粒體功能障礙導致顳葉癲癇機制線粒體導致顳葉癲癇的具體機制尚不明確，目前多認為，線粒體功能障礙通過影響神經(jīng)元的興奮性及突觸間信號的傳導引起癲癇發(fā)作。 首先，神經(jīng)元細胞靜息膜電位主要由鈉-鉀泵正?；顒有纬桑谏窠?jīng)元內(nèi)線粒體氧化磷酸化產(chǎn)生的ATP中，40%～50%被用于細胞膜鈉-鉀泵的活動，線粒體功能障礙時細胞能量衰竭，導致神經(jīng)元膜電位升高，興奮性增高。也有觀點認為神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)存在抑制性突觸的中間神經(jīng)元，其內(nèi)富含線粒體，當線粒體能量衰竭時，抑制性突觸間傳遞降低，神經(jīng)系統(tǒng)興奮性增高，出現(xiàn)癲癇發(fā)作。其次，線粒體可通過對神經(jīng)元內(nèi)鈣離子的調(diào)節(jié)來影響神經(jīng)元的興奮性及突觸間信號傳遞[3]，當線粒體功能異常時，細胞內(nèi)鈣離子超載，神經(jīng)元興奮性及突觸間興奮性傳遞增強，誘發(fā)癲癇發(fā)作[4]。再者，線粒體氧化磷酸化的正常副產(chǎn)物氧自由基(ROS)過度生成，可引起線粒體氧化應激(OS)，影響線粒體ATP的生成，抑制抗氧化系統(tǒng)的功能，破壞線粒體DNA的穩(wěn)定性，并最終導致神經(jīng)元細胞損傷，功能異常，而引起癲癇發(fā)作。此外，線粒體功能障礙會引起神經(jīng)元胞的壞死，而這正是難治性顳葉癲癇海馬硬化的主要特點。

2　線粒體基因的遺傳及突變特點

mtDNA為雙鏈閉環(huán)形結(jié)構，長16.5 kb，由一條重鏈和一條輕鏈組成[5]。與核DNA相比，mtDNA具有以下遺傳特性：mtDNA具有較高突變率[6]；mtDNA拷貝量遠超過核DNA[7]；受精卵中mtDNA很少由精子提供，幾乎所有mtDNA信息來自卵母細胞，因此線粒體疾病具有母系遺傳的特點[8]；核DNA影響mtDNA的復制和轉(zhuǎn)錄，即影響mtDNA突變；mtDNA分野生型和突變型， 兩種類型共存于同一細胞內(nèi)，稱為mtDNA異質(zhì)性，且分裂能力越差的細胞(如神經(jīng)細胞)mtDNA異質(zhì)性越高；線粒體能量閾值低于組織正常功能所需的最小閾值時，機體表現(xiàn)出功能異常，稱為mtDNA突變的閥值效應,對能量要求越高的組織(如神經(jīng)系統(tǒng))此特性越明顯。

3　顳葉癲癇相關的線粒體突變基因

mtDNA中共37個基因，包括rRNA基因、tRNA基因、多肽編碼基因。其中多態(tài)編碼基因能夠編碼氧化呼吸鏈的限速酶，即線粒體呼吸鏈NADH脫氫酶-復合體Ⅰ，Kunz WS[9]等在顳葉癲癇患者海馬CA3區(qū)發(fā)現(xiàn)了明顯的線粒體呼吸鏈復合體Ⅰ的減少。對完整腦組織采用最大呼吸率抑制滴定法檢測，發(fā)現(xiàn)線粒體復合體Ⅰ的活性顯著降低會影響ATP的產(chǎn)生率。表明了顳葉癲癇中存在明顯的線粒體結(jié)構改變和功能障礙。但顳葉癲癇線粒體基因水平的研究尚剛剛開始。

Candan等[10]對伴有海馬梗死的內(nèi)側(cè)顳葉癲癇患者的基因組進行分析，將44名患者和86健康對照者依據(jù)其臨床表現(xiàn)分為4組，采集被研究者的血液標本并分離DNA,使用DNA擴增儀進行完整的mtDNA擴增，使用焦磷酸測序技術對130例血液樣本進行平行標記測序。發(fā)現(xiàn)了具有顯著統(tǒng)計學意義的3個線粒體基因突變位點，分別位于ATP-8、ND4、ND5基因。

線粒體ATP-8基因與線粒體ATP-6基因共同編碼形成線粒體ATP合成酶，當其8052位點由A堿基突變?yōu)門堿基時，其編碼形成的氨基酸由極性的天冬酰胺轉(zhuǎn)變?yōu)榉菢O性的異亮氨酸，進而改變線粒體ATP合成酶的空間構型，導致線粒體能量生成不足，出現(xiàn)功能障礙，誘發(fā)癲癇發(fā)作。

線粒體ND-4基因編碼形成線粒體復合體Ⅰ的亞基Ⅳ，11994位點C堿基突變?yōu)門堿基，其編碼形成的氨基酸由蘇氨酸轉(zhuǎn)變異亮氨酸，進而線粒體復合體Ⅰ活性改變，使線粒體氧化磷酸化過程受阻，能量生成障礙，影響細胞的正常活動。不過，對于線粒體ND-4基因11994位點突變的作用，尚存在爭議。線粒體ND-5基因編碼形成線粒體復合體Ⅰ的亞基Ⅴ，133231位點A堿基突變?yōu)镃堿基，其編碼形成的氨基酸由賴氨酸轉(zhuǎn)變天冬酰胺，由疏水性氨基酸轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性氨基酸，可導致線粒體復合體Ⅰ的空間構象發(fā)生改變，使正常的氧化磷酸化過程受阻，神經(jīng)元能量衰竭，興奮性增高。

此外，另一名學者Hulya Azakli[11]以一名36歲的女性顳葉癲癇為研究對象，從她的腦內(nèi)海馬6個不同的區(qū)域及血液中獲取樣本，從所有樣本中提取mtDNA，對mtDNA在兩個重疊PCR擴增片段(9731 bp和12083 bp)使用羅氏擴增儀進行擴增。然后利用454 FLX焦磷酸測序平臺通過高通量測序技術，檢測分析了該顳葉癲癇患者mtDNA點突變情況。發(fā)現(xiàn)海馬組織內(nèi)的異質(zhì)性突變較血液標本中明顯，且異質(zhì)性突變主要位于ND1、ND4、ND5基因。但在這項研究中，比較的是不同基因上的異質(zhì)性突變位點的多少，并沒有就某個位點做進一步的比較研究，這也為深入探究線粒體突變位點對顳葉癲癇發(fā)病及進展的影響提供了廣闊的空間。

如上所述，目前研究認為在顳葉癲癇患者的海馬標本中發(fā)現(xiàn)ND4、ND5基因具有顯著突變。但是ND4、ND5基因與顳葉癲癇的相關性及其引起顳葉癲癇的病理生理機制，尚需進一步探究。

4　展　望

mtDNA測序技術的發(fā)展有助于我們在基因水平探究顳葉癲癇的形成機制，進而有利于尋找其預防、診斷及治療方法。目前已知癲癇患者中線粒體存在具有臨床意義的錯義突變，但尚無線粒體基因變異與顳葉癲癇相關性的大量樣本報道，國內(nèi)尚沒有顳葉癲癇患者線粒體基因變異的明確分析報道，進一步探究ND4、ND5基因與顳葉癲癇的相關性，可進一步闡明顳葉癲癇的發(fā)病機制，尋求顳葉癲癇新的診斷及治療途徑。

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1003-2754(2016)02-0187-02

R742.1

綜述

2015-12-26；

2016-01-30

(吉林大學白求恩第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科和神經(jīng)科學中心，吉林 長春 130021)

孟紅梅，E-mail:hongmeiyp@126.com