路 艷，趙玉生，李宗斌*

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線粒體tRNA突變與高血壓關系的研究進展

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，雖然轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）基因只占整個線粒體基因組的10%，但它們卻是研究線粒體基因突變與疾病發(fā)生關系的熱點。既往高血壓遺傳學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也被報道與EH的發(fā)生和發(fā)展密切相關。本文對線粒體tRNA突變與高血壓發(fā)病的關系及其機制進行了綜述。

線粒體；tRNA；原發(fā)性高血壓；基因突變

線粒體是真核細胞內(nèi)重要的細胞器，也是體內(nèi)能量生成的場所，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合體中有13個多肽亞單位。線粒體基因還包含24個線粒體蛋白合成所必須的基因，22個轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）和2個核糖體RNA（rRNA）。許多線粒體基因突變可導致基因多態(tài)性，且很多突變與多種疾病的發(fā)生有關。自從1998年第1種線粒體突變相關疾病被證實以來，迄今已發(fā)現(xiàn)了近200種疾病相關的基因突變，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、結構穩(wěn)定性和氨基?；匦砸约鞍被?tRNA與翻譯機器成分的相互作用都可能發(fā)生改變。然而，其詳細機制至今還不清楚。本文就線粒體tRNA的突變與高血壓發(fā)生、發(fā)展相關性的研究進展做一綜述。

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)運到核糖體，使氨基酸與信使RNA（mRNA）上的密碼子進行配對，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)生關系的熱點。線粒體tRNA基因突變與疾病的關系非常復雜，單個線粒體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細胞的能量代謝障礙有關。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系及其分子機制[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還具有最簡化的結構。大多數(shù)有機體中，普通tRNA的結構是高度保守的。然而，高等真核生物線粒體tRNA的結構可以有很大的變異。典型的tRNA二級結構被稱為三葉草結構，分為4個域：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可在三葉草結構的任何一個結構域內(nèi)分布。22種線粒體tRNA基因每個基因至少有1個位點被報道發(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聯(lián)

線粒體tRNALeu（UUR）的基因突變可導致不同的臨床疾病，包括糖尿病、心肌病和腦病等。tRNALeu（UUR）突變很少是致死性的，較易被檢測出來。A3243G是最常見的與疾病有關的突變[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。攜帶這種突變的雜合細胞中，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個致病性位點的突變，這些突變與心肌病和視神經(jīng)麻痹有關。4個與視神經(jīng)麻痹有關的突變都是將CA錯配并引入到tRNAIle的莖區(qū)，而6個與心肌病突變相關的突變出現(xiàn)的位置卻不相同，其中兩個產(chǎn)生GU錯配，3個置換非配對的堿基，另外1個用UA配對替代1個CA錯配。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tRNA功能的影響存在結構基礎。只有一項研究用細胞系觀察了疾病相關的tRNAIle突變的影響[6]。這項研究檢測了當心肌病相關的A4269G存在時對tRNA穩(wěn)定性的影響，結果出現(xiàn)tRNAIle接受莖的AU配對的改變。GU錯配會導致結構穩(wěn)定性的消失，進而導致tRNA降解加快。

人類線粒體tRNALys是具有簡化結構的線粒體tRNA的一個例子。這種線粒體tRNA的D環(huán)只有3個堿基組成，從而限制了穩(wěn)定三級折疊接觸的數(shù)量。轉(zhuǎn)錄后修飾在穩(wěn)定人類線粒體tRNALys結構中起到重要的作用，可能在致病性突變導致的細胞效應中發(fā)揮作用。A8344G突變與肌陣攣性癲癇和破碎紅纖維病（myoclonnus epilepsy and ragged-red fibers，MERRF）的發(fā)病有關，攜帶A8344G突變的雜合細胞由于tRNA穩(wěn)定性的降低導致蛋白合成的減低。與野生型相比，突變的tRNALys穩(wěn)態(tài)氨酰化水平降低了30%，反密碼子擺動（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立危險因素，嚴重危害人類健康。20世紀50年代以來，我國進行了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到18.8%。美國高血壓的發(fā)病率已高達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年中國居民營養(yǎng)與健康狀況調(diào)查數(shù)據(jù)顯示我國高血壓知曉率僅為30.2%，治療率為24.7%，控制率為6.1%，高血壓已成為中國乃至全球范圍內(nèi)一個亟待解決的公共衛(wèi)生問題。

國內(nèi)外流行病學對EH危險因素的調(diào)查已持續(xù)了10余年，研究結果表明EH有明顯的家族發(fā)病傾向，遺傳是高血壓患者的一個重要危險因素。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]報道m(xù)tDNA突變與血壓升高有關，既往研究還發(fā)現(xiàn)某些因mtDNA突變引發(fā)的疾病會同時伴有血壓升高[4]。Framingham心臟研究小組對來自1 593個家系的6 421名參與者的收縮壓和4 409名參與者的舒張壓進行了遺傳學分析，研究結果提示35.2%的高血壓家系受到線粒體遺傳的影響[9]。Wilson等[10]報道了一個代謝缺陷綜合征大家系，該家系有血緣關系的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的進化保守區(qū)發(fā)生了點突變，該突變可能是導致家系成員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的某些位點變異頻率高于血壓正常人群。Schwartz對20名EH美國患者進行全mtDNA測序分析，共發(fā)現(xiàn)了297個堿基改變，包括tRNA、rRNA的堿基置換。

王士雯課題組對我國漢族人群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%的錯義突變位點位于動物進化過程中所要求的基因進化保守區(qū)，以tRNA基因位點的變異最為常見[12]。通過系統(tǒng)的臨床、分子遺傳學和細胞功能學等方面的研究，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的線粒體基因突變位點[13?16]。課題組的研究結果證實，線粒體tRNAMet4435A→G和4401A→G突變造成的線粒體功能缺陷是EH發(fā)病的分子機制之一[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)合作用可能是導致一個家系高血壓較高外顯率的原因[19]。在對一個具有母系遺傳特征的我國漢族大家系進行家系調(diào)查和線粒體功能檢測時，發(fā)現(xiàn)該家系母系成員中高血壓患病率高達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，通過建立永生細胞系進行體外研究，發(fā)現(xiàn)攜帶A4263G突變者淋巴細胞倍增時間明顯延長[20]。通過對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EH患者的血生化指標、血常規(guī)指標及心臟的結構和功能都產(chǎn)生顯著的影響，不同tRNA、相同tRNA上不同位點的突變對患者的影響不同[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)病時間顯著提前，這種早發(fā)現(xiàn)象與體質(zhì)量指數(shù)無關；血紅蛋白、心臟射血分數(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突變可能會導致其結構和功能的變化，進而通過干擾血脂代謝、血細胞的穩(wěn)態(tài)以及心臟的結構與功能，參與了EH的發(fā)生和發(fā)展。

4 結 論

綜上所述，線粒體tRNA突變在EH發(fā)病機制中發(fā)揮著重要作用，但mtDNA突變能否作為EH的遺傳學標志、突變對EH的預后是否具有預測作用、突變對高血壓病靶器官損害是否有影響，以上問題仍需更進一步的研究。此外，線粒體tRNA基因突變在EH發(fā)病中的具體機制還不清楚，推測可能與mtDNA突變導致能量合成障礙、活性氧生成過多、鈣穩(wěn)態(tài)失衡有關。以上問題的解決將會為EH的研究提供新的理論與實驗基礎，為EH的治療提供新的靶點，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

中國博士后基金（20080431356）；國家自然科學基金項目（81170249, 30700305）；北京市科技新星計劃（2008A064）

李宗斌，E-mail: lizww@163.com