線粒體基因突變與老年性耳聾的相關(guān)性

張淮 連福治 許亮文 楊磊

(杭州師范大學(xué)醫(yī)學(xué)院，浙江 杭州 311121)

聽力障礙作為人群中一類最常見的感知缺陷〔1〕，近年來正日益受到人們的重視。根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)顯示的數(shù)據(jù)，現(xiàn)今全球范圍內(nèi)約有3.6億人口患有不同程度的聽力損失(HL)。有流行病學(xué)研究〔2〕顯示美國和德國的年輕人中，2.4%～17.0%出現(xiàn)了高頻聽力下降。美國已率先將HL列為法定慢性?。粨?jù)2006年第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查結(jié)果〔3〕，我國有聽力障礙殘疾人2 004萬，占各類殘疾人數(shù)的24.16%，且人數(shù)依然在逐年增加。老年性耳聾，也被稱為年齡相關(guān)性聽力損失(AHL)，是指隨著年齡增長而出現(xiàn)聽覺器官老化，從而出現(xiàn)的雙耳對稱、漸進(jìn)性感音神經(jīng)性聽力減退，是哺乳動物衰老的普遍特征。AHL是由多種危險因素作用于內(nèi)耳，并隨時間推移而逐漸累積最終導(dǎo)致聲信號耳蝸傳導(dǎo)損傷的結(jié)果〔4〕。雖然老化是不可抗拒的自然現(xiàn)象，年齡增長自然會出現(xiàn)包括耳部在內(nèi)的各器官退化，但AHL發(fā)病的年齡和嚴(yán)重程度等卻不盡相同，研究顯示40%～50%的AHL與基因有關(guān)〔5〕。近幾十年，尤其是人類基因組計劃(HGP)完成之后，越來越多的研究表明許多疾病的發(fā)生與基因突變存在關(guān)系。線粒體含有遺傳信息DNA、RNA，在受核基因調(diào)控的同時，也具有獨立的遺傳物質(zhì)〔6〕。本文綜述近年來國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，旨在探討線粒體基因突變與AHL的相關(guān)性，為AHL的發(fā)病機制、早期相關(guān)基因的篩查提供理論依據(jù)。

1 HL的定義

HL〔7〕指對語音頻率的敏感性出現(xiàn)相對下降的病理改變，HL并不等同于聽力殘疾，且先于聽力殘疾發(fā)生。目前學(xué)術(shù)界并未就HL的診斷標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致〔8〕，臨床上主要通過純音平均聽閾(PTA)測試獲得人耳不同頻率下的聽閾平均值，平均聽閾低于25分貝(dB)為聽力正常；根據(jù)聽力較好耳的語頻(0.5,1,2,4 kHz)平均聽閾進(jìn)行診斷分級，將HL分為5等級:平均聽閾26～40 dB為輕度，41～55 dB為中度，56～70 dB為中重度，71～90 dB為重度，91 dB以上為極重度〔9〕。有研究〔10〕表明HL早期常表現(xiàn)為高頻段聽力下降，但此時患者主觀并無耳聾感，能進(jìn)行正常交談和社交活動，隨著病損程度加重，會逐漸出現(xiàn)語頻聽力下降，故常能見到一些研究〔11,12〕在計算單耳語頻平均聽閾時，同時也會計算雙耳高頻(3,4,6 kHz)平均聽閾。

2 線粒體概述

線粒體是存在于細(xì)胞質(zhì)中并帶有遺傳信息的細(xì)胞器，它不僅是細(xì)胞的能量工廠——為細(xì)胞提供能量，還是細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)產(chǎn)生的主要場所〔13,14〕，同時也兼顧調(diào)控細(xì)胞生長、凋亡的作用。

線粒體基質(zhì)中含有自身的DNA，RNA和核糖體。其中線粒體DNA(mtDNA)獨立于細(xì)胞核DNA之外，具有編碼特定基因的功能，能轉(zhuǎn)錄為線粒體RNA，并在核糖體的作用下進(jìn)行翻譯。

mtDNA與核基因相比，具有以下特點而使得其在自然界中的突變概率較大〔15〕:①人線粒體基因為環(huán)狀裸露雙鏈DNA結(jié)構(gòu)，無組蛋白結(jié)構(gòu)的保護；②人線粒體基因中無內(nèi)含子，均為編碼區(qū)域，一旦DNA雙鏈上堿基發(fā)生突變，導(dǎo)致相關(guān)疾病的概率比核基因發(fā)生堿基突變從而導(dǎo)致相關(guān)疾病的概率大。

3 線粒體基因突變與AHL

AHL患者mtDNA無論在缺失突變、插入突變還是在點突變方面都較正常聽力者有顯著增加。1997年Bai 等〔16〕分析了17例正常人和17例AHL患者的顳骨切片的mtDNA，發(fā)現(xiàn)4 977個堿基對(bp)存在缺失；其中AHL患者mtDNA發(fā)生的頻率(14/17,82.3%)顯著高于在正常人群的頻率(8/17,47.1%)。Markaryan等〔17〕在2009年也同樣給出了相似的結(jié)果:在匹配了年齡、性別等混雜因素后，AHL患者mtDNA的平均缺失率為(32±14)%，而正常人群僅為(12±2)%。Fischel-Ghodsian等〔18〕的研究發(fā)現(xiàn)盡管在突變累積的數(shù)量和位置上有個體差異，但對于線粒體中編碼細(xì)胞色素氧化酶Ⅱ的基因而言，AHL組中該類基因的突變較對照組出現(xiàn)得更頻繁(AHL組:平均10個點突變/每人；對照組:平均2個點突變/每人)。

4 線粒體基因突變導(dǎo)致AHL的機制探討

對于線粒體基因突變導(dǎo)致AHL的機制，目前較被認(rèn)同的機制之一是線粒體基因突變導(dǎo)致細(xì)胞氧化/抗氧化系統(tǒng)失衡，ROS異常累積，從而導(dǎo)致AHL。

4.1 ROS生成異常(氧化/抗氧化失衡)導(dǎo)致AHL 線粒體存在于人體絕大多數(shù)細(xì)胞，包括與聽力有關(guān)的耳蝸細(xì)胞、支持細(xì)胞等。大多數(shù)細(xì)胞中的ROS都是在三磷酸腺苷(ATP)生成過程中作為線粒體呼吸代謝副產(chǎn)物而產(chǎn)生的。正常情況下，一定量的ROS對于調(diào)節(jié)血管張力、細(xì)胞間信號傳導(dǎo)等有重要作用，同時ROS的生成并逐漸累積也被認(rèn)為是衰老過程中的標(biāo)志〔19〕。ROS被認(rèn)為是氧化損害細(xì)胞成分的一類物質(zhì)，包括損傷核DNA、mtDNA、細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)等。故當(dāng)其在線粒體中異常生成時就會導(dǎo)致過度損傷聽力相關(guān)細(xì)胞。

線粒體中存在著精密的抗氧化系統(tǒng)，包括抗氧化酶成分，如超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(Gpx)和過氧化氫酶等，能夠清除代謝過程中產(chǎn)生的多余ROS。如SOD能將ROS中常見的超氧化物(O2-)分解為過氧化氫(H2O2)和氧氣(O2)，而Gpx和過氧化氫酶則能將過氧化氫分解成水和氧氣，從而達(dá)到一定的抗氧化作用。也正是由于體內(nèi)氧化和抗氧化間的相互拮抗作用，使得在正常情況下雖然隨著年齡增長人體自然會出現(xiàn)包括耳部器官在內(nèi)的退化，但這種退化不會出現(xiàn)的過早過重。

多年來的動物實驗〔20～23〕也表明ROS異常增加(氧化/抗氧化系統(tǒng)失衡)與AHL間存在關(guān)聯(lián)，為上述機制提供了依據(jù)。在缺乏SOD的老年沙鼠中，耳蝸毛細(xì)胞損傷明顯增加〔20〕；在敲除了SOD基因的中年小鼠中，觀察到其血管紋厚度的減少及螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的明顯退化〔21〕；在老年犬生命的最后3年里喂食含高抗氧化的飲食實驗中〔22〕，相較于對照組，實驗組犬出現(xiàn)了更少的血管紋和螺旋神經(jīng)節(jié)變性；在大鼠中樞聽覺系統(tǒng)老化過程中〔23〕，氧化/抗氧化失衡引起的氧化性應(yīng)激可導(dǎo)致mtDNA 突變的累積增加，在老年性耳聾的發(fā)病過程中可能扮演了重要的角色。研究表明，線粒體功能障礙會通過氧化應(yīng)激來損傷豚鼠的血管紋〔24〕，也證實了內(nèi)耳的mtDNA缺失突變可增加大鼠對噪聲的易感性〔25〕。

4.2 線粒體基因突變導(dǎo)致ROS生成異常 對一例62歲耳聾女性患者線粒體基因組的測序發(fā)現(xiàn)〔26〕，該患者線粒體基因組中，腺苷三磷酸酶8基因(T8490C)、ND5基因(G13204A)、ND1基因(T3667G)、Cyt b基因(A15256G)區(qū)域分別存在8490T>C、13204G>A、3667T>G、15256A>G突變。其中除了15256A>G突變外，其余三個均為錯義突變，都錯義改變了線粒體蛋白二級結(jié)構(gòu)。研究者以生物信息學(xué)相關(guān)知識為基礎(chǔ)，通過計算機為工具研究分析變異的二級結(jié)構(gòu)的功能意義和變化，發(fā)現(xiàn)這些突變改變了一些在物種間高度保守的氨基酸，這些氨基酸很有可能參與人體中ROS合成、代謝、消耗等一系列過程，最終推導(dǎo)上述mtDNA突變很可能會導(dǎo)致ROS過度累積〔27〕。

解耦聯(lián)蛋白(UCP)是線粒體中的一種內(nèi)膜蛋白，其生成受到mtDNA的間接調(diào)控，哺乳動物中現(xiàn)有五種已知UCP種類，分別命名為UCP1～UCP5。UCPs能促進(jìn)陰離子從內(nèi)部線粒體膜向外部線粒體膜的轉(zhuǎn)移及質(zhì)子從外部線粒體膜向內(nèi)部線粒體膜的返回轉(zhuǎn)移，并且還降低哺乳動物細(xì)胞中的線粒體膜電位〔28〕。UCPs在非顫抖性產(chǎn)熱、肥胖、糖尿病和動脈粥樣硬化中發(fā)揮了重要作用，故常能在關(guān)于肥胖、糖尿病的機制研究中看到對UCPs的研究。Arsenijevic等〔29〕發(fā)現(xiàn)UCP2的主要功能是控制線粒體衍生的ROS。而UCPs的生成又受到mtDNA的間接調(diào)控:首先，有研究已證明UCPs基因表達(dá)與能量代謝間密切相關(guān)〔30～32〕，即能量代謝的異常將導(dǎo)致UCPs表達(dá)異常；其次，多項研究〔33～35〕表明能量代謝異常與mtDNA突變間也有著穩(wěn)定關(guān)聯(lián)。即一旦mtDNA發(fā)生了突變引起了能量代謝的異常從而導(dǎo)致UCPs，尤其是UCP2生成的異常時，最終很可能將導(dǎo)致ROS的堆積，從而損傷細(xì)胞正常功能活動，其中包括損傷聽力相關(guān)細(xì)胞的功能〔36,37〕。

5 展 望

綜上所述，線粒體基因突變是導(dǎo)致一部分中老年人AHL發(fā)病過早、程度過重的原因之一，雖然目前AHL的發(fā)病機制未完全闡明，但隨著基因檢測方法和技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多與聽力損傷相關(guān)的線粒體基因突變位點將被發(fā)現(xiàn)，隨著現(xiàn)代分子技術(shù)的不斷發(fā)展，AHL的發(fā)病機制在不斷完善，線粒體基因突變導(dǎo)致AHL的分子機制也在逐漸闡明，這都為AHL的預(yù)防、基因診斷，甚至基因治療提供了理論依據(jù)。

但同時對于AHL我們要有清晰的認(rèn)識，即目前的研究仍處在初步階段，還有許多疑問有待進(jìn)一步探索挖掘，如mtDNA一般只通過母系遺傳，子代線粒體的基因突變到底是源自母性遺傳還是自身的突變，還需要進(jìn)一步研究來做解答。另外，由于對人群進(jìn)行隨機的、長期的生存研究并不現(xiàn)實，難度大，以至于不同研究者對同一研究內(nèi)容的結(jié)論存在不一致〔38〕。故更需加大研究力度和速度，進(jìn)行大型的臨床試驗來研究AHL是否可以在人體內(nèi)延遲或預(yù)防，并通過更為先進(jìn)的分子實驗方法和技術(shù)，如全基因關(guān)聯(lián)研究(GWAS)、全外顯子組測序(WES)等〔39〕深入了解AHL的分子機制，以期能有效減輕AHL帶來的健康、經(jīng)濟等問題。

此外，AHL的發(fā)生并不單單是線粒體基因突變這一原因造成的。有研究表明噪聲的暴露與否〔40,41〕、體內(nèi)谷胱甘肽水平〔42,43〕、端粒長度〔44〕等各種體內(nèi)外因素均與AHL的發(fā)生發(fā)展存在相關(guān)性，本文僅針對線粒體基因突變與AHL相關(guān)性這一方面進(jìn)行論述，還需更多研究從不同方面對AHL發(fā)病機制進(jìn)行研究，以期更全面了解AHL發(fā)病機制網(wǎng)絡(luò)。