医学论文发表查询线粒体及其相关疾病的研究

来源：职称论文发表咨询网作者：afeng时间：2017-04-24 17:23

　　本篇文章是由《中国医学影像学》发表的医学论文，是由中华人民共和国卫生部主管、中国医学影像技术研究会主办的全国性专业学术核心期刊。2011年1月起开始实行单月刊。杂志的办刊宗旨是：贯彻党和国家的卫生工作政策，坚持理论与实践、普及与提高相结合的方针，反映我国医学影像学领域的重大临床和科研工作进展，致力于各种医学影像技术的基础与临床研究成果的推广和传播，为从业人员建立继续教育和技术交流的平台，促进国内外医学影像学学术交流。

　　【摘要】线粒体广泛分布于各种真核细胞中，其主要功能是通过呼吸链(电子传递链和氧化磷酸化系统)为细胞活动提供能量，并参与一些重要的代谢通路，维持细胞的钙、铁离子平衡，以及参与其他生命活动的信号传导。

　　【关键词】线粒体DNA 基因突变疾病

　　此外，线粒体还与活性氧(reactiveoxygen species，ROS)的产生及细胞凋亡有关[1-3]。组成线粒体的蛋白质有1000多种，除呼吸链复合体蛋白受mtDNA与核基因双重编码，其他蛋白均由核基因编码。mtDNA突变或核基因突变都能引起线粒体功能紊乱[1，4]。早在1963年，Nass等人就发现有遗传物质DNA的存在。1981 年，Anderson等发表了人类mtDNA全序列。1988年，Holt和Wallace分别在线粒体脑病和Leber's遗传性视神经病(LHON) 患者的细胞中发现了mtDNA突变，从此开辟了研究mtDNA突变与人类疾病的新领域。随着对mtDNA研究的深入，人们对mtDNA的突变和人类疾病的相关性日益重视。芬兰的数据显示人群单个点突变(3243A>G)的比率为1∶6000，然而，英国资料表明mtDNA疾病的患病率或易患比率为 1∶3500[5]。动物模型和人类研究证据均证明，mtDNA突变是引起人类多因素疾病，部分遗传性疾病以及衰老的重要原因之一。本文将从以下几个方面对mtDNA突变和相关疾病进行阐述。

　　1 线粒体DNA的遗传学特征

　　线粒体DNA是存在于线粒体内而独立于细胞核染色体的较小基因组。与核基因相比，线粒体DNA具有一些显著特征。

　　1.1 母系遗传

　　Giles等[6]通过对几个欧洲家系线粒体DNA进行了单核苷酸多态性分析时，发现 mtDNA 分子严格按照母系遗传方式进行传递。母系遗传是指只由母亲将其mtDNA分子传递给下一代，然后再通过女儿传给后代。有研究表明[7]，在受精过程中，精子线粒体会被卵子中泛素水解酶特异性识别而降解，这很好地解释为什么父源性mtDNA不能传播给后代。

　　1.2 异质性和突变负荷

　　核基因突变所产生的突变体分为纯合子(homozygote，等位基因都发生突变，含量为100%)和杂合子(heterozygote，等位基因中的一个发生突变，突变含量为50%)与核基因不同，线粒体基因突变发生在成千上万个 mtDNA分子上，由此而产生突变体的突变含量几乎变化于0%到100%之间。人们将细胞或组织同时拥有突变型和野生型mtDNA的状态称为异质性;将细胞或组织只拥有一种mtDNA(全部是突变型mtDNA，或野生型mtDNA)的状态称为均质性[2]。

　　突变负荷 (mutation　load)是衡量mtDNA突变体异质性程度的重要指标，它是指发生突变mtDNA占全体mtDNA的百分比。一般情况下，mtDNA疾病的发生及其临床表型往往取决于突变负荷的指标：当人肌肉中mt-A3243G点突变突变负荷达到50%时就足以造成骨骼肌细胞的氧化损伤和肌肉组织形态学异常;另外，A3243G突变负荷的高低与疾病的严重程度呈一定的相关性。

　　1.3 阈值效应

　　当异质性mtDNA突变体的突变负荷较低时，与突变型mtDNA共存的野生型mtDNA会发挥足够的补偿作用，以维持线粒体呼吸链的功能。然而，当突变负荷超过一定范围，使得野生型mtDNA 分子的数量不足以维持呼吸链的功能时，组织或器官就会出现功能异常，这种现象称为阈值效应[2]。人体不同组织、器官对mtDNA突变的易感性存在差异，能量需求高的部位(如骨骼肌、脑、心、肾小管和内分泌腺)容易受突变影响，较低的突变负荷就能引起临床症状;能量需求低的部位(如肺、皮肤和韧带)对突变不敏感，较高的突变负荷才能导致异常的产生。

　　1.4 “瓶颈”和随机分配

　　异质性mtDNA突变体的突变负荷在不同的世代交替间变化较为明显，这种效应即为线粒体遗传的“瓶颈”。一个被广泛接受的假设是：在卵子发生早期，原始卵母细胞中的mtDNA 数量会急剧减少，从而产生''瓶颈"。然而，Cao[8]等对单个小鼠生殖细胞mtDNA的计数显示：在卵子发生的初中级阶段，原始卵母细胞中含有稳定的、适中的mtDNA拷贝数;而在初级卵母细胞的成熟阶段，mtDNA数量才会有实质性的增加。这说明“瓶颈”的产生并不是因为卵子发生早期mtDNA数量急剧减少所造成，而是由于卵母细胞经历了多次分裂使得最终分配到每个卵子中mtDNA 的有效数量较少所致。

　　在有丝分裂时 (包括卵子发生)，mtDNA分子被随机分配到子代细胞中。存在于卵母细胞中的mtDNA分子大约有150000个，经过卵子发生，只有一部分mtDNA 进入初级卵母细胞中，形成异质性水平相差很大的卵母细胞群;受精卵经历卵裂和胚胎发育，最后只有几个拷贝的mtDNA分子进入新生儿的组织细胞中。因此，同一母系家族成员间在疾病表型上时常会迥然不同。体细胞每经历一次有丝分裂，mtDNA分子会随着线粒体一起被随机分配到子代细胞中，所以组织中 mtDNA的突变负荷可以随着组织细胞的分裂而改变，进一步说，同一患者的疾病表型也能够随着时间的推移而表现出很大的变异性。发表论文网站

　　2 mtDNA疾病的临床特征

　　线粒体是真核细胞重要的细胞器，因此，mtDNA疾病影响许多组织，出现变化多端临床特征。根据临床特征mtDNA疾病可以分三组：典型综合征、可能与mtDNA紧密关联的综合征以及与常见病相关的表型。

　　由于缺乏蛋白保护并且没有完整的突变修复功能，mtDNA突变率非常高。线粒体基因组的高突变率不但产生了大量致病突变体，还产生了更多的序列多态性[9]。致病性mtDNA突变一般具有以下特点：1)突变位点在进化上比较保守，突变导致核苷酸或氨基酸替换，或基因编码产物的生物学功能丧失;2)突变导致的生化损伤和疾病的临床表型能够分离;3)当突变是异质性突变时，组织损伤程度与突变负荷呈正相关;4)同一突变可以从遗传上相互独立的患者中发现。

　　致病性的mtDNA突变通常位于编码蛋白质、tRNAS或rRNAs的基因上，并能够引起广泛的临床症状。mtDNA突变与表型之间的关系复杂，相同的突变可以引发不同的疾病表型，例如，tRNALleu(UUR)基因上的A3243G突变既能出现在MELAS患者中，也能出现在CPEO、线粒体肌病、糖尿病伴耳聋患者中;同一疾病表型也可以由不同的突变引起，例如，MELAS可以由20多个点突变(位于编码tRNAS或呼吸链复合体蛋白亚基的线粒体基因上)引起，也可以由重组突变引起[4]。一些彼此独立的因素可以影响mtDNA疾病的临床表现，包括：突变体的异质性水平、组织分布、器官对呼吸链的依赖程度、核背景和环境因素等。由于mtDNA突变致病的分子机制还没有被完全阐明，突变与疾病表型之间的确切关系至今仍显得扑朔迷离。

　　从遗传学角度可以将mtDNA突变分为两大类：点突变和重组突变。

　　2.1 点突变

　　与点突变相关的人类遗传性疾病有：LHON(Leber遗传性视神经病变)、MELAS(线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作)、MERRF(肌阵挛性癫痫症和破碎红纤维病)、NARP(神经性肌无力-共济失调-色素性视网膜炎)、MILS(母系遗传Leigh氏综合征)、MIDD(母系遗传糖尿病伴耳聋)、DEAF(氨基糖苷类诱导性耳聋或非综合症性耳聋)、心肌病和肌红蛋白尿等 (http：//www.mitomap.Org)[4]。此外，mtDNA点突变还与一些代谢疾病(如高血压、糖尿病、高胆固醇血症等)和神经变性疾病 (如帕金森症、阿尔茨海默氏症等)的易感性有关。

　　2.1.1 LHON(Leber　hereditary Optic neuropathy)

　　LEON是第一个被鉴定出与mtDNA点突变有关的母系遗传疾病，临床上以两侧连续急性或亚急性视力衰退为特征，主要累及青少年男性。Man等对英格兰人口进行的调查显示，每100，000天中，有11.82人携带mtDNA-LHON突变，其中至少有3.22人会因为患LHON而出现视觉衰退。这项调查提示LHON是一种常见的人类疾病。

　　大多数与LHON有关的点突变位于MTND基因上，其数目已经超过30余种。三种原发性mtDNA突变 G11778A、G3460A和T 1 4484C分别位于MTND4、MEND 1和MTND6基因上，由它们引起的LHON病例约占所有LHON患者的95%。LHON病原性突变体的外显率(penetrance，具有特定遗传基因的个体在一定环境下表现其遗传基因的概率)变化非常大，不同的LHON 突变有不同的外显率，即使相同突变的外显率在不同个体间也存在差异。很多因素决定了LEON的外显率，包括继发性突变位点[10]secondary mutation，在健康人中存在，但能增加疾病外显率、单倍型(haplotype)以及核基因[11]等。发表论文网站

　　2.1.2 MELAS(mitochondrial encephalomyopathy with lactic acidosis and stroke-like episodes)

　　MELAS是一组具有高度临床变异性和遗传异质性的mtDNA疾病，它的主要特征有：1)脑顶枕叶局灶性损害及由此引起的卒中样发作;2)乳酸性酸中毒和破碎红纤维Cragged redfiber，RRF);3)其他中枢神经表现，如痴呆、反复头痛和呕吐、癫痫发作、色素性视网膜炎和耳聋;4)一些患者有共济失调的表现;5)少数患者出现糖尿病、肠道假梗阻和心肌病;6)生化上，线粒体复合体I常有缺损，而复合体Ⅳ不易受累，出现的破碎红纤为COX(细胞色素C氧化酶)阳性[12]。

　　与MELAS相关的mtDNA点突变已经超过20个。人多数MELAS病例是由mt-tRNA(leuUUR)基因上的异质性突变A3243G引起;少数则是由其它mtDNA点突变(如T3271C)和大片段重组突变所致：也有一些MELAS患者的mtDNA是正常的(突变可能发生在核基因上)。

　　2.1.3 MERRF(myoclonic epilepsy and ragged red fibers)

　　MERRF是一种母系遗传的神经肌肉紊乱症，它的主要特征：1)肌阵挛、癫痫、肌无力和消瘦伴破碎红纤维;2)耳聋和痴呆;3)小脑齿状核和次级小叶出现神经元丧失与神经胶质过多症;4)一些病人躯干部有对称性脂肪增多的表现;5)生化上，线粒体复合体I常有缺损，而复合体Ⅳ不易受累，出现的破碎红纤维为 COX阴性。

　　大多数与MERRF有关的mtDNA突变位于tRNALYS基因上，其中A8344G点突变最为常见。有时，MERRF可以与MELAS综合征合并存在，形成MERRF/MELAS重叠综合征(MERRF/MELAS overlap syndrome)。mt-A3243G、T8356C和Gl2147A等点突变可以分别引起MERRF/MELAs 重组综合征。

　　2.1.4 NARP(neurogenic weakness，ataxia and retinitis pigmentosa)MILS　(maternally inherited　Leigh syndrome)

　　NARP是一种母系遗传综合征，主要特征有：1)共济失调、色素性视网膜炎和外周神经病：2)MRl检查发现NARP，病人的小脑和大脑有轻度弥漫性萎缩，严重者可出现基础神经节损害;3)肌肉活检往往检查不到破碎红纤维。MILS是Leigh氏疾病(Leigh disease)中一种与mtDNA突变有关的神经变性疾病。

　　NARP和MILS通常由位丁MTA6基因上一个位点的两种异质性突变8993T>G/C引起，疾病的严重程度与异质性水平由关。当突变阈值位干70%～95%之间时可以引起NAPR，当突变阈值高于90%时可以引发母系遗传Leigh氏综合征。这两种综合征还与 mtDNA上其它位点的突变有关，如9176T>C[4]。