当前位置: 首页 > 医学版 > 期刊论文 > 内科学 > 国外医学(老年医学分册)
编号:10504955
心肌线粒体分子代谢机制与心脏疾病的研究进展
http://www.100md.com 国外医学老年医学分册 2000年1月第21卷第1期
     心肌线粒体分子代谢机制与心脏疾病的研究进展

    中国人民解放军总医院老年心血管病研究所 李玉峰(综述) 王士雯(审校)

     摘 要 线粒体是通过氧化磷酸化为细胞提供ATP及其他储能化合物的氧化中心及能源供应站,而各种心脏疾病的最终结果是心肌细胞的能量不足,从而导致心功能下降。本文综述了线粒体DNA的结构与功能的变化与各种心脏疾病如老年退化性心脏病、冠心病、心肌病、风心病、心脏传导阻滞等之间的关系。

     关键词:DNA 线粒体 心脏病 突变

    1988年Wallace首次发现线粒体脱氧核糖核酸(mtDNA)的突变现象后,mtDNA与疾病的关系得到广泛关注。线粒体是唯一含有自己的DNA的细胞器。mtDNA编码细胞氧化磷酸化(OXPHOS)中的13种多肽与核DNA(nDNA)编码的多肽一起参与OXPHOS,细胞通过OXPHOS产生的ATP占细胞所需能量的90%以上,所以mtDNA对维持包括心肌细胞在内的各种细胞的正常功能起重要作用,心脏属对能量需求较高的器官,mtDNA突变使OXPHOS障碍,ATP产生不足, 易导致心脏功能异常,故研究mtDNA与各种心脏病之间的关系成为目前基础及临床心脏病研究的新焦点。本文就mtDNA的结构、功能、遗传特性及其突变与各种心脏病的关系的研究进展作一综述。
, 百拇医药
    1 mtDNA的结构特点及突变类型

    人类mtDNA为双链环状分子,存在于细胞浆的线粒体细胞器中,与细胞核DNA不同。它由13个编码蛋白质的亚单位,4个生化复合体,24个结构核糖核酸(RNA)组成。结构RNA起着翻译编码蛋白质基因的作用。mtDNA的这些结构特点决定它可以独立于mtDNA之外独立地进行复制、转录和翻译,每一个细胞可含有许多mtDNA分子,每个线粒体可含有2~10个mtDNA分子。与mtDNA不同的是,mtDNA的基因结构全部是外显子,而没有内显子,DNA突变可导致DNA序列的突变,造成编码蛋白质的变化。另外,mtDNA没有组蛋白的保护,其本身也不像 mtDNA存在有效的基因修复系统,故较nDNA突变率高[1]

    mtDNA突变的种类可分为异质性突变和同质性突变,前者指正常的和异常的mtDNA共存于同一细胞,后者指细胞内存在同一种结构的mtDNA[2]。从mtDNA的突变类型来分,可分为点突变(单点突变、多点突变)和碱基缺失(单个缺失、多个缺失)及重复突变。致死性mtDNA突变为对OXPHOS破坏较大的大范围的mtDNA结构基因缺失及关键区域的点突变,这种情况只存在于异质细胞中,但由于此种细胞中仍有正常的mtDNA存在,故仍可存活下来。大部分mtDNA编码蛋白质基因的突变是温和的同质性突变。
, 百拇医药
    2 mtDNA的功能及遗传学特性

    mtDNA编码线粒体内参与OXPHOS中的13种多肽,OXPHOS由5个酶复合体(Ⅰ~Ⅴ)组成。复合体Ⅰ(NADH脱氢酶)由30多个多肽组成,其中7个由mtDNA编码;复合体Ⅱ(琥珀酸脱氢酶)由4个NDNA编码的多肽构成;复合体Ⅲ(还原形辅酶Q细胞色素C氧化还原酶)由10个多肽构成;复合体Ⅳ(细胞色素C氧化酶)由13个多肽构成,3个由mtDNA编码;复合体Ⅴ(ATP合成酶)由12个多肽组成,2个由mtDNA编码。复合体Ⅰ-Ⅳ是电子传递链的组成成分,复合体Ⅴ利用传递链所产生的电化学梯度合成ATP。此外,mtDNA还编码线粒体蛋白质合成中绝大多数RNA。mtDNA的遗传学特性:①母系遗传,精子的线粒体在受精时并不进入受精卵,合子只从卵子的细胞质中得到DNA。②异质性,即突变时野生型及突变型mtDNA可同时存在。③mtDNA表型表达,即突变只有达到一定数目才能引起线粒体功能异常。④mtDNA突变频率高并具有增殖优势。
, http://www.100md.com
    3 mtDNA突变与心脏病的关系

    3.1 mtDNA突变与老年退形性心脏病

    心衰的发生率随年龄的增长而增加,60岁以上的老年人占心衰患者的75%以上,老年心衰的原因除老年人常见的心脏疾病(如冠心病、肺心病、高血压性心脏病等)外心脏本身随年龄增长而出现的退形性改变为老年人心衰的重要原因之一。由于mtDNA既无组蛋白的保护又无损伤后修复系统,受氧自由基损害的程度为nDNA的5~10倍;因mtDNA的复制速度在单位时间内与它的长度呈正比,而缺失型比完整的野生型mtDNA的长度小,故其增殖速度快,具有增殖优势,导致细胞中缺失突变mtDNA分子的比例随年龄增加呈积累性增加,是老年心衰及“老年心脏”的主要原因之一。Hayakawa[3]研究了不同年龄人心肌细胞中mtDNA损伤和年龄的关系,证明自由基侵害mtDNA中脱氧鸟嘌呤形成8-OH-dG的指数随增龄而增加。Takeda[4]利用PCR技术研究人尸体心脏左右心房肌细胞内mtDNA突变,也发现多种疾病和衰老与mtDNA损伤呈正相关。心脏内mtDNA缺失大小是7.4kb,缺失部位位于ATPase6和D环区,该区编码OXPHOS体系中的8个亚单位,其中包括细胞色素C氧化酶Ⅲ,缺失后使呼吸链复合物合成受阻,导致心肌细胞代谢出现能量障碍、有呼吸链缺陷的心肌细胞增多。Hattori的研究表明心肌细胞的细胞色素氧化酶的活性在50岁以上者均存在不同程度缺陷,与之相应的是该年龄组以上者多数有mtDNA缺失,而70岁以上者全部存在缺失[5]。因此研究mtDNA缺失对探讨老年心衰及“老年心脏”的发生机制及产生过程具有重要意义。
, 百拇医药
    3.2 mtDNA缺失与缺血性心脏病

    线粒体的OXPHOS过程产生体内大部分的氧自由基,在细胞缺氧或灌注异常条件下,OXPHOS过程受抑制,此时氧自由基的产生增加,可以导致mtDNA损伤而发生突变,mtDNA突变的后果又使OXPHOS障碍加重,形成一个恶性循环。同时,衰老心肌中mtDNA的片段缺失和OXPHOS中酶活性的下降可能导致自由基介导脂类过氧化,这可能是造成动脉粥样硬化斑块的原因之一,而冠脉狭窄、心肌缺血和反复出现的低氧及再灌注均可加重mtDNA的损伤[5]。Corral等在研究中发现所有10例冠心病患者活检心肌细胞中缺失mtDNA量大大超过正常对照组中的缺失量,在其余10例非冠心病的其他心脏病患者中仅3例有这种mtDNA缺失。冠心病患者中5kb区域的缺失达到mtDNA总量的0.02%~0.85%,而在正常人心肌中5kb缺失的mtDNA仅占总量的0.0035%以下,在心肌细胞缺血时还伴有nDNA和mtDNA中OXPHOS相关基因的代偿性表达增加[6]。Jose[7~8]用造成犬冠状动脉狭窄的方法研究心肌缺血与mtDNA缺失的关系,证明缺血区心内膜及心外膜mtDNA的缺失率较非缺血区高,缺失部位与人的5kb及7.4kb相对应,并证明由于细胞色素突变导致的复合酶Ⅲ活性的降低在缺血性心肌病的形成中起重要作用。上述研究证明缺血及再灌注产生的自由基是造成mtDNA突变的主要原因,这对目前普遍采用的扩张血管治疗方法的使用提出了新的问题,如何减少心肌细胞受缺氧和再灌注异常的影响,减轻mtDNA受损程度是目前缺血性心脏病治疗当中一个新的研究热点问题。
, 百拇医药
    3 mtDNA突变与原发生心肌病

    由于原发性心肌病的发生机制尚不明确,从基因水平寻找其发病原因是一个研究的热点。已有资料表明在扩张型心肌病(DCM)、肥厚型心肌病(HCM)中存在mtDNA的缺失和点突变。心肌病的心肌组织中可能有多部位的mtDNA缺失,其中主要缺失区域位于ATPase和D环区,使呼吸链中的某些亚单位合成障碍,使心肌细胞能量供应不足,在心脏病的发展过程中可能有重要意义。如有人在一组心肌病患者中用PCR方法扩增出不同预测目的片段,证实了肥厚性心肌病中存在7.4kb的mtDNA缺失,据此提出mtDNA缺失可能与DCM和HCM的发生机制有关。另有人证明在幼儿心肌病患者中存在A-G点突变,从而使呼吸链复合物Ⅰ和复合物Ⅳ中酶活力低下,产生致死性心肌疾病。

    4 mtDNA突变与其他心脏疾病

    我国学者最近对风湿性心脏病患者的mtDNA4977片段缺失进行了定量分析,结果发现16例风湿性心脏病患者中(平均年龄<46岁)均测到不同程度的缺失,缺失率为0.02%~1.26%明显高于对照组,而对照组中仅年龄>45岁的4例有低水平的缺失,并认为风心病心肌mtDNA4977缺失是慢性缺血、缺氧所致[9]。另外在心脏传导性疾病中也发现有mtDNA的突变,如Sato在1例心脏传导阻滞患者中发现mtDNA有3.4kb缺失,其它存在6kb的mtDNA缺失,认为mtDNA缺失可能与心脏传导障碍有关[10]
, http://www.100md.com
    5 研究mtDNA突变的意义及前景

    综上所述,近几年的研究证明mtDNA的突变能造成OXPHOS过程中一些酶的功能下降,出现心肌细胞氧化供能障碍,由于许多心脏疾病均与mtDNA突变有一定联系,从而推测心肌细胞mtDNA的突变或缺失可能是造成许多心脏疾病的共同环节或通路。最近有研究认为,外周血淋巴细胞的mtDNA的缺失与心肌组织的mtDNA的缺失有较大的一致性[11],利用外周血淋巴细胞的mtDNA的缺失情况来反映心肌mtDNA的突变情况可能成为临床上一种有前途的分子水平的诊断方法,有助于选择冠心病患者是否需要行血管重建,若心肌mtDNA发生突变,且突变率高,OXPHOS系统不可逆损害,这类患者即使心肌细胞尚存活,血管重建后亦不能从根本上改善心脏功能。另外,尽管引起mtDNA突变的因素是多方面的,但氧自由基对mtDNA的氧化损伤受到公认[12~13]。因而科学家们提出减少氧自由基的产生及早期补充OXPHOS所需要的辅酶Q(CoQ)、琥珀酸、核黄素等,这些方法对改善心功能、防止心衰的发生及发展可能是一种具有前途的方法。
, http://www.100md.com
    总之对mtDNA结构和功能及其与各种心脏疾病关系的研究,有助于从分子代谢水平深入探讨不同病因引起心功能不全的共同机制,深化人们对心衰致病机理的认识,从而为指导临床诊断及治疗提供新的理论依据。

    参考文献

    1 Johns DR.Mitochondrial and diseases.New Eng J Med,1995;333(10):638~644

    2 Shoffner JM,Bialer MG,Pavlakis SG et al.Mitochondrial encephalomyopathy associated with a single nucleotide paire deletion.Neurology,1995;45(2):286~290

    3 Agarwal S.Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America.1994;91(25):12332~12335
, http://www.100md.com
    4 Takeda N.Mitochondrial DNA deletion in human myocardium.Mol Cell Biochem,1993;119(1-2):105~108

    5 Hattori K,Tanaka M,Suiysms S et al.Age-dependent increase in deleted mitochondrial DNA in the human heart:possible contributory factor to presbycardia.Am Heart J,1991;121:1735~1738

    6 Corral M,Stepien G,Shoffner J et al.Hypoxemia is associated with mitochondrial DNA damage and gene induction.JAMA,1991;266:1812~1816
, http://www.100md.com
    7 Jose MG.Localized mitochondrial dysfunction in canine myocardial ischemia.Biochem Mol Biol Int,1995;35(3):651~659

    8 Jose MG.Specific mitochondrial and deletions in canine myocardial ischemia.Biochem Mol Biol Int,1996;40(5):1057~1065

    9 钱 伟,谢 毅,张宝仁et al.风湿性心脏病线粒体DNA4977的定量研究.中华医学杂志,1995;75(8):473~475

    10 Sato W,Tanaka M,Suiyama S et al.Deletion of mitochondrial DNA in a patient with condution block.Am Heart J,1993;125:550~553
, http://www.100md.com
    11 李远有.心肌疾病线粒体DNA突变研究.中华医学杂志,1994;74(6):345-348

    12 Vantuyle C,Gudikote J,Hurt R et al.Multiple large deletions in rat mitochondrial DNA:evidence for a major hot spot.Mutat Res,1996;349:95~107

    13 Sherratt EJ,Thomas AW,Alcolado JC et al.Motichondrial DNA detects:a widening clinical spectrum of disorders.Clin Science,1997;92:225~235, 百拇医药