【doc】线粒体DNA突变与线粒体疾病

【doc】线粒体DNA突变与线粒体疾病 线粒体DNA突变与线粒体疾病 癌变?畸变?突变201)2年10月第14卷第4期Carcinogenesis,TeratogenesisandMutageneslsVol14No4Oct.,2002 文章编号:1004—616X(2002)04—0253—03 线粒体DNA突变与线粒体疾病? 盂紫强,耿红综述;张连珍审校 (山西大学环境医学与毒理学研究所,山西太原030006) ? 综述? 【摘要】线粒体在新陈代谢和生物能量转换中处于中心地位.人体内线粒体DNA(mtDNA)的缺失或突变可导致氧化磷酸化 及能量供应异常,从而引起衰老或多种疾病的发生,如肌病,神经疾病等;甚至阿尔茨海默病,帕金森病,亨廷顿舞蹈病及糖尿 病等都与线粒体缺陷有关.体内活性氧(ROS)的过量产生是引发线粒体疾病的一个重要因素. 【关键词】线粒体DNA;突变;线粒体疾病:活性氧 中囝分类号:Q71;R741文献标识码:A 线粒体疾病或线粒体医学始于1988年,以阐明 Leber遗传性视神经疾病(LHON),家族性线粒体脑 肌病(MERRF)以及线粒体肌病的分子遗传特征为标 志.因为线粒体在新陈代谢和生物能量转换中处于 中心地位,一旦线粒体DNA(mtDNA)缺失或突变导 致构成线粒体的蛋白质或蛋白质运输机制及离子通 道有缺陷,就会产生”代谢性疾病”.人类许多疾病都 与线粒体基因组的突变有关…,如早衰(premature aging),阿尔茨海默病(Alzheimer’Sdisease),帕金森 病(Parkinson’Sdisease),亨庭顿舞蹈病(Huntington’ Sdisease),糖尿病(diabetesmellitus),癫痫(epilepsy), 癌症等,阐明它们的分子遗传基础对该类病的防治意 义重大. 1线粒体基因组突变的本质 人类mtDNA为环状闭合的双链分子,编码22 种tRNA,2种rRNA以及氧化磷酸化复合物中的13 个亚基.mtDNA突变可分为以下两类:?mtDNA大 段缺失,即丢失了一个以上的基因,如编码序列,tR. NA序列的缺失;?在编码序列或tRNA,rRNA基因 中发生点突变. 线粒体DNA缺失或突变导致的线粒体疾病主 要归因于体内活性氧(ROS,reactiveoxygenspecies) 的异常增多.活性氧的产生可能是在电位高的地方 由来自电子传递链的电子渗漏到氧的正常事件.需 氧生物发展了许多抗氧化防御机制,包括超氧化物歧 化酶(Cu,Zn.SOD在胞质溶胶中,Mn.SOD在线粒体 中),谷胱甘肽过氧化物酶和过氧化氢酶等.另外,抗 氧化剂(如维生素E)和抑制自由基的营养物在减轻 氧化损伤方面也发挥着积极作用.电子传递复合物 缺陷或其他引起线粒体紊乱的物质都可以导致过量 ROS的产生.ROS与DNA,RNA,蛋白质,脂类等反 应很容易导致许多病理变化,还可能引起衰老和癌 症.3J.当由ROS诱导的线粒体DNA,蛋白质或脂 类改变引起一定的损伤积累后,各种病变便接踵而 来.可以把此过程想象成一个”错误的连环灾变”:线 粒体突变引起ROs增多,ROs增多反过来又诱导更 多的突变从而加剧了此灾害. 因为体内活性氧的90%来源于线粒体.这使得 mtDNA极易受到氧化损伤.又因为mtDNA不象核 DNA那样结合有组蛋白及其他有关蛋白,既缺乏组 蛋白的保护,也没有有效的损伤修复系统,因而不易 减轻这样的氧化损伤,致使氧化损伤成为mtDNA突 变的主要原因.如果体内活性氧导致的自由基过量 产生或由于外来因素使自由基累积,它们就会连续攻 击mtDNA突变热点(hotspot)上的基因,产生点突 变,例如tRNA(uUR)基因的突变就是mtDNA突变 的一个病原学热点.如果在mtDNA复制期间,毗邻 的重复序列发生错配(slippedmispairing)或者由于 RNA错误的剪切(splicing),则易导致缺失突变. 线粒体疾病的严重程度是与突变mtDNA的量 成正比的.例如ATP合成酶中的亚基6的点突变可 ?收稿日期:2001.08.17;修订日期:2002-01.30 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.30070647)和山西省自然科学基金资助项目. 作者简介:孟紫强(1939.),男,山西临汾人,教授,博导,研究方向:环境医学与毒理学. --—— 253--—— 癌变?畸变?突变2002年1O月第14卷第4期Carcinogenesis,TeratogenesisandMutagenesisVol14No4Oct.,2002 在神经疾病,共济失调,色素性视网膜炎(NARP)和 Leigh综合征中观察到,这些个体都是异质性的,病 征的严重程度与mtDNA的突变量相关.在异质性 个体中,缺失一部分mtDNA会降低除复合物?以外 其他所有复合物的活性,首先是因为编码线粒体亚基 的基因数量减少;其次,减少了一种或数种与线粒体 蛋白合成有关的tRNA的数量.那么,是什么原因使 突变的mtDNA逐渐增加,直至替代大量正常的 mtDNA从而引起疾病的呢?第一,可能是mtDNA 修复机制效率低下.尽管人们已发现线粒体中存在 mtDNA修复所需的蛋白质,例如APE/Ref一1HJ, APE2[5】等参与了线粒体BER(thebaseexcisionrepair system)J,但对修复的详细机制还了解甚少.第二, mtDNA较短的链复制速率快于正常长度的链,因而 带有缺失突变的mtDNA增殖速率高于正常mtD. NA;当mtDNA不断复制时,缺失突变就不断累积, 最终使突变的mtDNA在数量上逐渐占据优势. 虽然刚发现mtDNA突变时曾引起轰动,在医学 上也重新激起人们对氧化磷酸化的兴趣,但核突变先 于它发生的情况也不能排除.核突变可影响mtDNA 复制和修复,转录,基质中蛋白合成,蛋白输入及氧化 磷酸化系统等J.例如线粒体转录因子(mtTFA)的 缺乏既影响mtDNA复制也影响转录,从而降低 mtDNA或转录产物的含量,或两者同时降低.现在 已经在各种线粒体疾病中鉴定出了50余种致病性的 mtDNA碱基置换突变和数百种mtDNA重排突变 (缺失和插入).有些线粒体病与核基因有关,如 Friedreich共济失调症就是一种常染色体隐性疾病, 由于间接使氧化磷酸化失活或直接使mtDNA去稳 定,造成小脑共济失调,外周神经病和心肌肥大.因 此,对于线粒体疾病的分子特征应详细了解,区分它 到底是由核基因突变引起还是由线粒体基因组突变 引起的. 2线粒体基因组的遗传特点 过去人们普遍认为mtDNA呈现严格的母系遗 传,属于核外基因,因而现为非孟德尔遗传规律. 现在则有人提出父系遗传物质对子代mtDNA的碱 基组成同样存在影响.首先是在人,小鼠,果蝇等物 种中发现了不同程度的父系遗传现象,如人类的父系 遗传概率为0.1%,1.5%[引,其次是发现哺乳动物 线粒体有进行重组的”酶机器”[9J,另外还发现线粒 体可以进行遗传重组[10,II】.这些结果使人们认为以 -.—— 254..—— 下重组存在可能性:?母本和父本mtDNA之间重 组;?异质个体间重组;?从细胞核转回到线粒体的 DNA序列间的重组. 当一个卵子受精时,产生的受精卵将有一定比例 的突变mtDNA,早期的卵裂将把这些线粒体分配到 2个,4个或8个细胞中;在胚胎中又会重新开始 mtDNA的复制与线粒体的增殖,因而人类会有许多 明显带有大量缺失的异质性个体.缺失的mtDNA 在不同组织中变化很大,肌肉和脑中缺失得多而血液 中少,而且,缺失常表现出自发性. 既然人们已接受在受精过程中精子内的线粒体 可以进入卵细胞的观点,那么,在个体发育过程上,它 们能使mtDNA的数量增加吗?首先,一个卵母细胞 内有大约100000个mtDNA,而从精子中来的基因 组明显低得多(每个受精的人卵中有几百个线粒体). 其次,在证明是双亲遗传的鼠和牛的种间杂交中(具 备合适的线粒体),父本线粒体mtDNA容易被种间 杂交失败机制所破坏,即精子线粒体在进入卵细胞后 会发生蛋白泛化作用,由胚胎中的蛋白酶体(protea— some)和溶酶体(1ysosome)在第三次胚胎卵裂之前或 在此过程中使它们降解[1.因此,父系线粒体基因 组在受精卵中的表现仍值得深入探索. 3能量需求和阈值 线粒体疾病既可由同质突变也可由异质突变产 生.在异质性突变的例子中,疾病状态只有突变达到 阈值水平才能发生,该阈值与组织对线粒体功能的依 赖程度密切相关.而且,一种突变不只表现为一种病 征,一种疾病也不仅仅只与一种突变有关[引.一个 由wallaceuJ提出并经过多年发展的观点是:不同组 织对于氧化磷酸化有不同的需求阈值;低于该值,组 织开始表现异常,症状也开始出现.普遍认为脑,心, 骨骼对能量的需求最大,氧化磷酸化的缺陷也就较普 遍地与神经疾病,肌病和心肌病相联系,通常是合并 发生,而且会波及其他器官.特定线粒体紊乱的临床 特征表现在一些突出的病例中,只有完全理解了这类 病征才能解释它们的形成原因. 4线粒体疾病的临床症状以及与mtDNA突变的关 系 4.1NARP(神经疾病,运动失调,色素性视网膜炎) 出现的症状有感觉神经障碍,共济失调,色素性视网 膜炎,痴呆,抽搐,发育缺陷等.ATP酶第6亚基的 癌变.畸变.突变2002年10月第14卷第4期 Carcinogenesis,TeratogenesisandMutagenesisVol14No4Oct?,2002 点突变(T8993G)与此相关.少量异胞质基因通常可 在NARP中看到,而在Leigh综合征中异胞质基因含 量则很高(大于60%,80%). 4.2MELAS(线粒体脑肌病,乳酸性酸中毒,阵发性 抽搐)表现为发育迟缓,其他症状还有周期性头痛,呕 吐,抽搐,智力迟钝,中风,听力减弱,运动无耐受力 等.最普遍的突变是tRNAL~”基因的A3243G突变, 但其他tRNA基因(Val,Set,Phe)和COX3基因的突 变也会导致同样的症状. 4.3MERRF(肌肉阵挛性癫痫,红色神经纤维破损) 已在tRNALr~(A8344G),tRNA,tRNA(C3256T) 突变的异质个体中被发现.MELAS综合征的病人 mtDNA中有重叠序列. 4.4LHON(Leber遗传性视神经退化疾病)以两边 中心视力丧失为特征(其发生伴随发育迟缓),男性中 占大多数(至今还未发现与x染色体相关的基因). 90%的病例涉及线粒体复合物I的基因(ND4, ND1,ND6)突变,但影响复合物?,?,V的突变也有 报道.FelixKJ等用改进的PCR/RFLP法定量检测 出LHON病人中线粒体基因组ND1基因的核苷酸 3460处发生了G--”A的转变引. 4.5Kearns—Sayre综合征(眼肌麻痹,共济失调,色 素性视网膜炎,心传导缺陷和脑脊液蛋白增多(ele— vatedcerebrospinalfluidprotein))很少是家族性的,通 常由单个,大型mtDNA缺失引起.为了防止该类病 的发生,需要保护mtDNA复制起始点和转录启动 区. 4.6Pearson综合征(成高铁红细胞贫血征,胰腺外 分泌功能低下,胃肠蠕动障碍和肾小管病等)有mtD— NA的缺失和加倍现象[14】,随着年龄增大,加倍数目 增多;而且,异质性随组织不同而变化:肌肉中高,血 液中低. 综上所述,mtDNA的缺失或突变可导致多种与 线粒体有关的疾病发生.这提示人们,当一个受精卵 中含有一定数量的线粒体及线粒体基因组时,不仅要 预测其发育过程中体细胞和线粒体的正常分化,而且 要考虑随机过程和体细胞mtDNA的突变.这具有 重要意义.因为许多严重的病症(不论是单独还是合 并)都与mtDNA突变导致的能量代谢缺陷有关.因 此,医生们也得习惯于检查线粒体的状态和它的呼吸 能力.在许多情况下,通过以PCR为基础的方法寻 找mtDNA的缺失或突变不得不成为常规检查的项 目.如果对症状的诊断及对其特定原因更加明确,对 疾病的进展和控制能做出更好的预测,那么,用药物 或基因疗法使线粒体疾病改善甚至完全治愈将成为 可能. 参考文献 [1】WallaceDC,DiseasesofthemtDNA[J】.AnnRevBiochem,1992 (61):1175,1212. 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