国外医学遗传学分册1999年第22卷第2期

南京铁道医学院生物教研室(南京 210009)

王为未综述 张丽珊审校

提要：近几年来，线粒体DNA突变是导致母系遗传性耳聋的原因之一，从分子水平上探讨mtDNA突变的发生情况，阐明突变mtDNA的传递规律及线粒体DNA与核DNA的相互关系，都有助于揭开遗传性耳聋的本质。

关键词：母系遗传;线粒体突变;听力丧失

线粒体是细胞质内带有遗传物质的细胞器，八十年代随着线粒体DNA测序和线粒体基因组组成的确定，线粒体DNA突变与人类疾病的关系逐渐受到人们的关注，其中线粒体DNA突变与听力的关系尤其令人注意。

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一、线粒体DNA的遗传特性 线粒体是细胞内的一个重要细胞器，它是细胞的氧化中心和动力站，在人体几乎所有的细胞中均有分布，但不同组织细胞中线粒体的数目则有所差异，这可能与这些组织中的代谢率高低有关。如代谢率较高的肝细胞中约有1000~2 000个线粒体。线粒体有自己的遗传系统棗线粒体基因组。线粒体DNA(mitochondrial dNA ,mtDNA)呈裸露的环状双链，人的mtDNA含16 569bp，基本没有重复的核苷酸编码序列，无内含子。mtDNA构成基因编码2种rRNA，22种tRNA和13种与细胞氧化磷酸化有关的蛋白质亚基。线粒体基因的遗传方式为母系遗传，即随细胞质遗传，所以又称核外遗传。但mtDNA的功能在很大程度上受核内基因组基因的控制，这是因为mtDNA的复制、重组、转录等过程所需的酶大多都是由核基因编码的。由于mtDNA缺乏组蛋白保护而且不存在有效的修复系统，所以其突变率大约是核DNA的10~20倍。此外，在线粒体的遗传中不同的细胞或组织中的 dNA都是同一类型的则为同质性，而既有野生型的mtDNA又存在突变型的mtDNA则为异质性。mtDNA突变基因的表型表达具有阈值效应，即突变mtDNA的数目需达到某种程度才足以引起某器官或组织的功能异常。故与其相关的遗传疾病的传递和表达方式完全不同于由核基因突变引起的遗传病，而成为一组独特的遗传病棗线粒体基因病或称母系遗传病[1]。线粒体基因病症状的轻重往往取决于mtDNA缺陷的严重性(突变性质及突变所占的比例)和各器官对ATP的需求，耗能较多的组织器官首先出现功能障碍。

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近几年的研究发现，mtDNA突变与人类许多疾病有关。这些疾病主要集中在神经肌肉系统，由mtDNA突变导致的神经肌肉综合征常伴有听力丧失。此外内分泌系统甚至衰老也都与mtDNA突变相关[2]。

二、线粒体突变造成的听力丧失

1.线粒体DNA异质性突变与耳聋的关系

1992年Ballinger等人首先报道一个伴有感觉神经性耳聋的糖尿病家系，该家系患者的mtDNA中有一个10.4kb片段的缺失[3]。同年，Reardon等人又分别报道了在母系传递的糖尿病伴感觉神经性耳聋的家系中发现线粒体tRNALeu(uur)基因3243位点A→G的突变，之后其他学者的发现进一步证实了这一观点。至今已报道了来自45个家系的199例mtDNA3243突变位点携带者，其中48%患糖尿病伴耳聋，15%为单纯的耳聋患者。这种耳聋是感觉神经性的，而且通常在糖尿病发生后发展。

由线粒体DNA异质性突变引起耳聋的另一种情况是后天获得性老年性耳聋。由于随着年龄的增长mtDNA的突变率也逐步升高，并由此导致氧化磷酸化行为的丧失，因此这种耳聋往往随年龄的增长出现的比例也相应增高[5]。1997年Fischel等人通过对5个老年性耳聋患者的颞骨的螺旋神经节和细胞膜迷路进行研究，结果表明部分患有老年性耳聋的人听力组织中有大量的mtDNA突变，并且这些突变在数量和细胞分布上有很大的体差异[6]。

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2.线粒体DNA的同质性突变与耳聋的关系

1993年Presant等人在一个阿拉伯—以色列家系中首先发现非综合性耳聋患者中mtDNA的突变。并且mtDNA的突变只通过母亲传递这种变异[7]，这个耳聋家庭的大多数成员在婴儿期即患严重的甚至深度的感觉神经性耳聋，少数成员在儿童期或者成年期发病，研究表明患者的线粒体12SrRNA基因上的1555位点发生A→G的同质性突变。相继国内外的研究也证实了该发现[8]。此突变易引起个体患氨基糖甙类抗生素诱导性耳聋[9]。Hamasaki等人对野生型和突变型的12SrRNA结构与氨基糖甙类抗生素结合能力进行研究发现1555位点突变与氨基糖甙类抗生素引导的遗传性耳聋有关，该点位于12SrRNA倒数第二个螺旋柄的基部，是一个高度保守区域。而12SrRNA是参与线粒体核糖体30S小亚基分子的构成，因此这种变化就抑制了线粒体核糖体上蛋白质的合成，使氧化磷酸化过程受阻而影响ATP的合成，并使听毛细胞内依靠ATP提供能量的一系列生理过程无法进行，而导致听毛细胞的逐渐坏死，结果引起患者永久性的不可逆的耳聋。

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尽管许多带有1 555位点A→G突变的家系和个体患者听力的丧失只出现在使用氨基糖甙类抗生素之后，可能最近在3个扎伊尔和西班牙家系中发现其家庭成员同是mtDNA1555位点突变，但有氨基糖甙类致聋和非氨基糖甙类致聋的[10]。随后Estivill等人又发现对于同是1555位点突变的个体来说，注射过氨基糖甙类抗生素的个体比未接受此抗生素治疗的个体耳聋发生的时间早得多，资料表明线粒体1555位点的突变对造成耳聋的外显率存在时间依赖性，由此看来，疾病的发生并非单一由mtDNA突变决定的，核基因对突变的表型效应有一定的作用[11]。

另一个导致听力丧失的同质性突变是mtDNA7 445位点T→C的突变。1994年，Reid等人首先在一个苏格兰家庭中发现此突变位点[12]。1995年Fischel等人在两个不相关的新西兰和日本的家庭中确认此突变位点[13]。在苏格兰家系中这种突变听力丧失的外显率很低，而在新西兰和日本家系中外显率很高，由此表明在这些家系成员中听力的丧失不仅仅由mtDNA的突变所决定，它可能还受核基因或环境因素的影响，这些因素在苏格兰家庭中所起的作用较小，而在新西兰和日本家系中较明显。7445位点T→C的突变是一个重链上的细胞色素氧化酶I基因的最后一个核苷酸和轻链上紧靠3'末端tRNAser(ucn)基因的核苷酸的轻微变化。从机制上讲这种突变表现为干扰轻链多顺反子mtRNA的正常进程，并且可观察到tRNAser(ucn)数量上的和线粒体蛋白质合成速率上的剧减。在这种情况下，线粒体单倍体的差异造成了外显率的差异。

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三、临床应用

对于由线粒体突变造成的听力丧失，其主要临床应用仍然是氨基糖甙类诱导性耳聋的预防，在氨基糖甙类抗生素应用普遍的国家，氨基糖甙类诱导性耳聋是听力丧失的主要原因(包括老年性耳聋)，例如在一项对上海地区耳聋的调查中发现，21.9%是氨基糖甙类诱导性听力丧失，也就是说在50万人中有167位患者[14]，其中mtDNA1555位点突变至少占30%。而在美国氨基糖甙类诱导性耳聋患者中，只有15%左右归因于mtDNA1555位点突变[15]。这种差异可能是在美国只有在严重的住院感染时才使用氨基糖甙类抗生素的缘故。因此医生应当在给每个患者使用此类抗生素之前需了解病人是否有氨基糖甙类诱导性耳聋家史。另外，有诱导性耳聋倾向的人都应筛查是否有mtDNA突变，通常可应用PCR酶切技术对患者外周血的mtDNA进行筛查，如mtDNA1555位点A→G的突变可使BsmAI酶切位点发生改变，再通过观察酶切片段长度的不同识别该突变，对未知的点突变可用PCR桽SCP和异源双链分析及DNA序列分析加以判别。

对于确诊为线粒体疾病的患者，目前采用代谢治疗和基因治疗，各种代谢治疗涉及到补充常见的OXPHOS辅助因子和底物，刺激丙酮酸脱氢酶，防止氧自由基对线粒体膜的损伤。由于线粒体疾病的根本原因为mtDNA的突变及其蓄积，因此治疗线粒体疾病的根本出路为基因治疗，但常规的基因治疗仍存在不少困难，目前一种应用胞质体介导的全新的基因治疗仍存在不少困难，目前一种应用胞质体介导的全新的基因疗法能克服这些困难，是可行的[16]。

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四、存在的问题和展望

对于同是带有mtDNA1 555或7 445位点突变的个体，为什么一些人患有严重的听力丧失，而其他人却具有完全正常的听力?对线粒体突变的研究证实有三个因素，这些因素都能够改变表型的表达及影响细胞中氧化磷酸化能量的水平。第一种是环境因素的作用，其中抗生素的服用作mtDNA1555位点突变的触发因素，可能其他尚未认识到的环境因素也起着相似的作用，比如影响氧基的形成和分离的饮食和药物使该个体成为氧基糖甙类抗生素致聋的易感个体。第二个因素是细胞核基因，阿拉伯—以色列家系中所有成员都生活在相近的环境中，并且所有的母系亲属具有相同的线粒体单倍体。在听力正常的家庭成员和先天性听力严重丧失的成员之间的差异被假定是因为细胞核基因的作用。1996年Guan等人对一个线粒体12SrRNA突变的家系和正常对照个体的25个淋巴细胞系进行分析，发现在半乳糖培养基上异常细胞中线粒体蛋白质的合成、氧的消耗和所依赖的复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ的合成与正常细胞相比显著减少。成淋巴细胞的生化指标的差异为这种假设提供了依据[11]。第三个因素是线粒体基因组的其他部分。因此，环境、线粒体基因和核基因的共同作用影响个体的外显率，故同是mtRNA1 555ak 7 445位点突变的个体可有显著的临床差异。

如果一种同质性突变影响了氧化磷酸化过程，那么为什么临床的病症只局限于感觉器官而不是<