线粒体基因多态性与AIDS进程的相关研究

谌宏运(综述)， 张信江(审校)， 黄世敬

(1.遵义医学院附属医院 皮肤科， 贵州 遵义 563000；2.中国中医科学院广安门医院， 北京 100053)

线粒体基因多态性与AIDS进程的相关研究

谌宏运(综述)1， 张信江(审校)1， 黄世敬2

(1.遵义医学院附属医院 皮肤科， 贵州 遵义 563000；2.中国中医科学院广安门医院， 北京 100053)

AIDS;线粒体;HAART;细胞凋亡

艾滋病是由人类免疫缺陷病毒(Human immunodeficiency virus,HIV)感染引起的全身性免疫功能减退或丧失的一种综合征，也称获得性免疫缺陷综合征(Acquired immune deficiency syndrome,AIDS)。据2011年11月30日世界卫生组织关于AIDS进展的最新数据显示，2010年全球约3400万人携带HIV，新感染HIV者270万人。目前对HIV/AIDS的治疗主要采用高效抗逆转录病毒治疗方案(Highly active antiretroviral treatment，HAART)。虽然HAART类药物使AIDS的临床症状大为改善, 但HAART方案并不能彻底清除患者体内的病毒,须终身服药；长期用药易导致患者体内线粒体功能损伤而影响机体氧化磷酸化的调控、活性氧(ROS)的产生及细胞凋亡。本文针对线粒体基因多态性与AIDS进程的关系进行综述如下。

1 线粒体DNA控制区与世系树

线粒体是真核细胞的能量代谢中心，也是人类细胞核外唯一含有遗传信息的细胞器。线粒体通过氧化磷酸化, 将热量转化成ATP, 并释放出热量以维持体温和产生ROS。线粒体基因组中大约有37个基因和1500核基因共同协作产生能量。虽然在ATP直接参与下线粒体DNA(mtDNA)只编码13个蛋白质，但它们的作用却是至关重要[1]。

人类mtDNA是一个闭合环状，有16569个碱基的双链分子，其非编码区(也称控制区，loop区)大约1100碱基, 包括两个高变区HVSI和HVSⅡ。在非编码区，尤其是两个高变区，mtDNA存在着高度序列多态性。由于mtDNA缺乏组蛋白的保护和有效的DNA损伤修复系统，使得mtDNA损伤后突变率比核内DNA高达10以上倍。在控制区序列中，大多数突变都发生在HVSIHVSII区两段长度约为300～400bp的区域内。由于高变区的突变率增高，因而导致mtDNA的控制区在不同的群体间以及一个群体的同个体间表现出较高的差异性，特别在HVSI，不仅人群与人群之间有明显差异，而且每一人群的无关个体之间也有一定差异(见图1)。

图1 线粒体结构模式图

人类的mtDNA是一种缺少重组的分子，它具有母系遗传特征和单倍型遗传方式。mtDNA突变造成了个体间线粒体序列的差异。随着时间的推移及突变不断累计，从而形成联系越来越少的不同单倍型谱系。世界各地区AIDS患者mtDNA变异主要体现在一些由系统发育上构成单系的一组mtDNA世系，即单倍型类群。每种单倍型类群存在特征位点变异，这些位点可在mtDNA编码区和控制区序列中得到体现。1987年Wrischnik等[2]人发现mtDNA具有明显的种族特异性，并建立了系统树。该树有以下特征：①系统树起源于非洲；②非洲的线粒体单倍型类群可以分为3个亚型，而所有非非洲的线粒体单倍型类群均起源于L3型线粒体单倍型类群; ③L3型线粒体单倍型类群分为M、N两个亚型。欧洲人均起源于N型分支，主要有H、J、K、N1、T、W、U、V和X九个线粒体单倍型类群；而亚洲/美洲则起源于M、N两个分支主要有A、B、C和D四个单倍型类群。

目前研究证实，大多数核苷类逆转录酶抑制剂(nucleoside reverse transcriptase inhibitors, NRTI)可引起线粒体的损伤, 并可能导致肝损害。mtDNA的变异直接与代谢疾病、神经退行性疾病、癌症, 以及有感染倾向疾病相关[1,3]。线粒体是人类细胞中参与能量产生的主要细胞器, 不论是HIV感染本身还是抗逆转录病毒药物均可影响线粒体的功能[4,5]。因此，通过对线粒体基因多态性的研究，可帮助我们探索药物疗效与AIDS发展进程的关系，从而指导临床用药搭配及改善用药方案。

2 线粒体核苷酸库与NRTI毒性

HAART治疗是目前AIDS研究的重大进展。HAART方案主要是由两种NRTI加上一种非核苷类反转录酶抑制剂(non-nucleoside reverse transcriptase inhibitor,NNRTI)或一种强化蛋白酶抑制剂 (protease inhibitors，PI)组成[6]。HAART并不能清除患者体内的病毒，故需长期或终生服药[7]。由于患者需终身用药, 因此HAART的毒性作用也就成为不可避免难题之一。关于HAART的毒性作用，尤其以HARRT基本药物NRTI的毒性作用最为显著。

目前临床应用HIV-1的NRTI共有7种，Geddes等科学家[8]通过研究证实这7种NRTI抑制聚合酶λ的长度顺序为：扎西他滨(ddC)>司坦夫定(d4T)≥齐多夫定(ZDV)>替诺福韦(TDF)=拉米夫定(3TC)=恩曲他滨(FTC)=阿巴卡韦(ABC)s。NRTI在结构上其核糖的3'位缺乏羟基，当它们代替天然核苷结合到前病毒DNA链的3'末端时，不能再进行与5'-3'磷酸二酯键的结合，从而终止病毒DNA链的延长[9]。核苷逆转录酶抑制剂叠氮脱氧胸苷(Azido deoxythymidine，AZT)重要的药理学活性形式是其三磷酸盐形式, 即AZT-TP。AZT-TP能竞争性地抑制HIV逆转录酶及哺乳动物DNA pol-γ的活性，这一过程中线粒体内必须要有足够磷酸化的NRTI才能抑制DNA合成[10]。

研究表明，AIDS的进展与mtDNA的缺失相关。在氧化磷酸化过程中线粒体能量生成受阻, ROS生成增加, 抗氧化酶缺乏和氧化损伤, 这些加速了AIDS病情进展；此外, HAART药物的使用可引起线粒体中毒,包括脂肪代谢障碍、周围神经病变、脂肪肝、肌病、心肌病、胰腺炎、骨髓抑制和乳酸中毒[11]。NRTI的临床使用还可产生神经毒性，尤其周围感觉神经病变，其机制尚未完全阐明[12]。这些副作用类似于遗传线粒体疾病临床表现。

3 关于mtDNA突变的研究

mtDNA突变与线粒体功能障碍和呼吸链复合物的缺失相关。线粒体脱氧核苷酸载体(DNC)为mtDNA的复制运输磷酸核苷,同时把磷酸化NRTI运输也到线粒体内。DNC对体内线粒体动态平衡机制是不可缺的,在HAART治疗方案(包含NRTI治疗的患者)中打破了这种平衡机制，从而导致了线粒体功能障碍。mtDNA包含了多个呼吸链中的关键酶基因的副本，由于缺乏相应足够的酶位点,致使mtDNA损伤不能被修复，最终导致能量代谢的下降[13]。此外,mtDNA缺乏核蛋白保护并处于线粒体的高氧化自由基环境中,其碱基突变率较核DNA显著增高;同时mtDNA损伤修复能力又明显较核DNA损伤修复能力弱,因此mtDNA本身耐受损伤能力较弱非常易于产生突变。AZT-MP可以抑制DNA pol-γ核酸外切酶的活性导致线粒体复制过程的保真性下降, 从而进一步增加mtDNA突变的几率[14]。最近Martin等[3]发现接受NRTI治疗的患者体内mtDNA突变率明显增加, 在相对短暂的时间内出现了异常的mtDNA序列变化。mtDNA数量耗竭及突变增加将减少线mtDNA编码的参与线粒体氧化呼吸过程的蛋白质合成, 抑制线粒体ATP生成并升高自由基浓度, 进一步加重mtDNA损伤并损害相关蛋白及脂质, 从而出现线粒体毒性的临床表现。

4 关于线粒体膜电位的改变研究

正常的线粒体跨膜电位是维护ATP能量产生所必须的。当凋亡信号刺激线粒体时, 其膜电位下降, 膜对离子的通透性发生改变,能量合成障碍, 储存钙大量释放,氧化产物堆积, 导致细胞死亡。目前有研究报道指出，通透转运孔( PTP)是位于线粒体内外膜交界处的一种由多种蛋白组成的复合体, 其中有外膜的电压依赖性阴离子通道(VDAC) ,内膜的腺嘌呤核苷酸转运体(ANT)和线粒体基质的亲环素D(CyP-D)。当细胞受到凋亡信号刺激后，线粒体发生肿胀，位于线粒体内外膜之间的线粒体通透转运孔开放，进而导致线粒体外膜膜电位降低，外膜破裂，线粒体内细胞色素C(CytC)、凋亡诱导因子(AIF)以及ROS等释放到细胞质中，它们或激活cas-pase，或独立地破坏核内染色质，或作用于其他Ca2+依赖性蛋白，从而引起细胞凋亡[15]。

综上所述，目前HAART使AIDS的临床治疗虽然取得了突破性进展，但HAART不能彻底清除体内的病毒，患者须终身用药，由于长期用药，从而导致患者体内线粒体功能的损伤, 进而影响机体氧化磷酸化的调控、活性氧的产生，甚至导致细胞凋亡。长期使用这些药物治疗导致了许多严重疾病的发生，尤其是脂肪代谢障碍综合征和加重高脂血症[13]。目前对线粒体的损伤机制还没有统一的说法，但可从线粒体DNA变异、NRTI毒性以及线粒体膜电位的改变进行研究。未来的研究方向将是寻找mtDNA的重要遗传多态性。从线粒体功能的角度来看, mtDNA多态性的特点能帮助我们更好地理解基因活性的调节。对mtDNA基因多态性的研究, 可进一步解释线粒体损伤机制, 从而为临床用药搭配及处理药物不良反应提供可靠证据，为HIV疫苗的研制和应用提供新思路，为线粒体基因单倍型与AIDS发展进程相关理论提供有力支持。

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R512.91

A

1000-2715(2012)01-0085-03

国家科技部“十一五”科技重大专项，课题号：2008ZX10005-004)

张信江，男，教授，E-mail:xinjiangzhang@sohu.com。

[收稿2011-11-18； 修回2011-12-27]

(编辑：王福军)