心肌病中线粒体tRNA 突变的研究进展

李雨浓 综述 范忠才 审校

(泸州医学院附属医院心内科，四川 泸州 646000)

根据2007 年欧洲心脏病协会(ESC)新的心肌病定义及分类［1］，心肌病被定义为心肌构造和解剖异常的心肌疾病，包括扩张型心肌病(dilated cardiomyopathy，DCM)、肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy，HCM)、致心律失常型右室心肌病(arrhythmogenic right ventricular dysplasia，ARVC)、限制型心肌病(restrictive cardiomyopathy，RCM)及未分类型。根据现有的分子生物学、遗传学研究成果，遗传因素作为一个重要的病因，正日渐受到广泛重视。由于心脏对氧化代谢的强大依赖，使得线粒体的结构功能改变在心脏受损中十分重要。大量研究显示，遗传基因的改变(包括基因突变、错意、缺失等)与线粒体的结构、功能改变关系十分密切。因此，探究线粒体致病性改变的上游，即遗传基因的改变对心肌病尤其是家族性心肌病的人群有重要意义。

1 线粒体突变简介

1.1 线粒体简介

线粒体是细胞生物氧化产生三磷酸腺苷(ATP)的主要场所，是一个由内外双层膜围成并携带DNA 遗传物质的特殊细胞器。除了为细胞供能外，它还参与诸如细胞分化、信号传导和细胞凋亡等过程，拥有调控细胞生长及其周期的能力。人类线粒体DNA(mtDNA)是长度为16.6 kb 的双链环状DNA 分子，共编码13种多肽，22 个转移RNA(tRNA)和2 个核糖体RNA(rRNA)。这些均是氧化磷酸化酶复合物的关键组件。迄今为止，超过300 个致病mtDNA 点突变被发现，包括蛋白编码基因、tRNA 基因、rRNA 基因。致病性mtDNA 突变削弱了细胞的有氧代谢过程，是形成多种类型临床疾病的基础。所有的流行病学研究都强调，mt-tRNA(mtt)基因的点突变是最常见的缺陷，约占所有基因诊断病例的50%［2］。

1.2 mtt

mtt 独特的结构特点决定了它们与典型的三叶草结构不同。大量研究显示，编码mtt 的基因突变频率较高，这可能是引起线粒体功能障碍的主要原因之一。目前发现，大量与mtt 生物代谢和功能相关的核因子包括加工内切酶、tRNA 修饰酶和氨酰-tRNA 合成酶等的异常导致了疾病相关的tRNA 致病突变。线粒体tRNA 与编码氨基酸之比基本是1∶1，若某种mtt 基因发生突变，而其他tRNA 又不能进行补偿，则突变的mtt 可导致蛋白质翻译过程的众多缺陷，最终将导致tRNA 的不稳定。病理状态下的线粒体tRNA 的突变与单个tRNA 的稳态水平下降有关。而在tRNA 和rRNA 基因致病突变通常会影响所有线粒体DNA 编码的多肽的翻译，导致广义氧化磷酸化缺陷。所以，许多与氧化磷酸化功能缺陷相关的疾病与人类mtt 基因突变有关。另一方面，tRNA 突变的特点是“组织特异性”的。例如，在7 个不同的心肌病相关的tRNA 突变中，tRNAIle常引起HCM，tRNASer突变则引起耳聋。综上可见mtt 功能对于线粒体活性的重要性。下面我们就mtt 与心肌病的联系进行讨论。

2.1 HCM

HCM 是一种常染色体显性遗传疾病，它的特征是不明原因的左室和/或右室不对称性肥厚，伴心肌细胞混乱和纤维化。在成人线粒体相关的疾病中，HCM最常见，约2/3 的HCM 患者表现出家系遗传的特点，家族性和散发性HCM 具有相同的遗传因素。虽然部分HCM 的发病是由心脏肌节蛋白基因突变引起的常染色体显性遗传所导致，但随着线粒体基因调控HCM表型表达研究取得的进展表明，线粒体的遗传性质改变在HCM 的发生发展过程中意义重大。1991 年Zeviani 等［3］报道线粒体DNA tRNALeu(UUR)突变与母系遗传学肌病和心肌病(HCM/DCM 均累及)相关。随后，Raha 等［4］研究表明，mt-tRNAGlyT9997C 突变或tRNAIleA4295G 突变是母系遗传性HCM 的重要原因，使得对HCM 致病基因的关注从核基因拓展到线粒体基因。Govindaraj 等［5］在两个母系遗传的HCM 家系中发现两个家系的先证者均携带相同的mtDNA tRNAIleA4300G 同质突变，该突变影响线粒体tRNAIle二级结构高度保守区域的一个碱基配对，导致心脏组织中成熟的线粒体tRNAIle水平显著下降。进一步的生化分析显示患者的心肌线粒体电子传递链复合体Ⅰ和Ⅳ的活性显著降低，而骨骼肌及培养的上皮细胞中完全正常，同时心肌细胞COX 活性大大降低。在一个HCM 伴耳聋的儿童患者被发现其DNA 携带了mttIlem.4277T ＞C 突变，其骨骼肌活检显示线粒体大量COX 和呼吸链缺陷［6］。Bates 等［7］报道的病例中10%的HCM 都由常见的致病性tRNA(m.3243ANG、m.4300ANG 和m.8344ANG)突变所致。患者携带mtt突 变(包 括 m.8344A.G in mttLys、m.4269A.G 和m.4317A.G in mttIle)和偶发的具有多态性(m.8993T.G in MTATP6 和 m.8528T.C in the MTATP6/MTATP8 重叠区)均被证明有左心室肥厚［8］。以上均证实mtt 是HCM 中线粒体突变的一个相当敏感的位置。

在极少数情况下，孤立性HCM 是成人线粒体疾病的唯一临床表现。这与编码异亮氨酸和亮氨酸的mtt 基因MTTL1 和MTTI 基因独特的突变有关，并常见于同质性突变水平。这类患者常常快速进展至DCM 和心脏衰竭［9］。有趣的是，最近一项研究发现与MTTL1 上的3243A ＞G 突变有关的线粒体脑肌病、乳酸性酸中毒、脑卒中样发作患者中均可发现心肌肥厚，他们的严重程度与肌肉组织中的突变频率联系紧密［10］。还有研究表明，对于纯合突变的患者，位于2个不同基因的2 个突变，或者同一基因上的2 个不同突变都能发展为一个更加严重的表型(更加肥厚的心肌、收缩功能障碍和/或心房颤动)，并可能诱发幼儿的心源性猝死。

2.2 DCM

DCM 是一种以心腔(左和/或右心室)扩大、心肌纤维化为主要特征的心肌疾病，其临床表现为进行性心力衰竭(心衰)、心律失常、血栓栓塞，甚至猝死。现在越来越多的研究证实遗传因素与DCM 的发病关系密切，有25%～50% 患者呈家族性［11］。研究发现，DCM 主要表现为常染色体显性遗传，但随着对许多重型DCM 病人以及家系进行基因检测，发现越来越多的DCM 患者存在mtt 的突变。早在1990 年日本学者曾报道在心肌病死亡患者的心肌组织中发现有线拉体DNA 的多重缺失，认为这与某些心肌病的发生发展有关。Marin-Garcia 等［12］在28 个等待心脏移植的散发的严重DCM 患者中发现了tRNA 突变，并导致了氨基酸结构基因的变化(错义突变)或是核苷酸的变化。Cardena 等［13］还在一个重度心衰的DCM 患者中，发现其核苷酸16 018 和16 032 之间，有15 bp 的重复，其中部分区域在编码脯氨酸tRNA 的基因(tRNAPro)上，这一位置在保护细胞对抗氧化中起重要作用。这种重复可能改变tRNAPro的稳定性或二级结构，影响mt-蛋白质的合成。Wahbi 等［8］发现，纯扩张型表型常见于患者m.8344A ＞G，约20%的这类患者存在左心室功能障碍。Stalder 等［14］发现存在A3243G 突变的患者具有严重的心衰症状、显著低EF 值，并伴有听力下降、代谢紊乱等特点。还有很多临床案例都显示了DCM，尤其在严重型或发生严重并发症的患者中，都能检测到mtDNA 突变，又以各型tRNA 异质性突变为主，他们均不同程度地改变了氨基酸、核苷酸或tRNA的结构而致病。突变基因的检测为DCM 的诊断与防治开辟了新的途径。同时，也为基因治疗最终治愈并预防DCM 提供了基础，将成为今后DCM 的研究重点。

2.3 ARVC

ARVC 是以右室心肌被纤维脂肪取代为特征，通常表现为局限性右室病变，亦可弥漫性进展侵犯左室。ARVC 病因及发病机制目前尚不清楚，常呈家族性发病，外显率不同。目前无相关文献找出其mtt 突变位点，但一患者右室心内膜活检发现其线粒体被破坏［15］。故此病对线粒体能量的需求以及能否致病，值得深入研究。

2.4 RCM

RCM 是一种由于心肌僵硬度升高导致以舒张功能严重受损为主要特征的心肌病。成人患者多为心肌淀粉样变及心内膜纤维化，特发性和/或遗传性也不少见。在儿童最常见的是特发性，其中大约1/3 与遗传有关。一例22岁女性患者外周血中发现了在myl3 上的p.GLU143Lys 纯合突变、myl2 上的异质性p.Gly57Glu 突变，该患者母亲是这些突变的双重杂合子的正常人［16］。而同时，在另一患者中发现TPM1 的p.Asn279His 纯合突变，该患者父母为近亲结婚，父亲42岁时诊断为HCM。这是TPM1、MYL2，3 和原发性HCM、RCM 的第一份报道。在一例伴糖尿病的61岁RCM 女性患者外周血发现mttLeu的A3243G 突变［17］。虽然现在关于线粒体tRNA 突变的报道还很少，但HCM、DCM 均已发现大量线粒体突变的证据，以上研究结果可推断，尤其在伴有肌肉受累的患者，线粒体基因突变也必须考虑，也可能是类似HCM 同种基因突变而致的不同表型。此病在小儿又有1/3 为遗传性，提示对怀疑此病的小孩应及时、早期进行基因筛查，并尽早行心脏移植。

2.5 未分类型

此型多为左室致密化不全型心肌病，已发现其在多个mtt 上存在突变;均可影响tRNA 的稳定性，致tRNA损害或线粒体翻译障碍、细胞凋亡，从而致病［18-19］。小鼠、酵母等模型的建立也更增强了对其致病性的研究。

3 并发症

心肌病线粒体突变患者病情常随年龄呈进行性进展，常见于心衰和传导系统疾病。心衰多由心肌病中线粒体OXPHOS 缺陷，致呼吸链活动减少、肌肉功能失调、低CO2消耗等造成。已有报道称在心衰伴心室和收缩功能障碍患者中可出现左室肥厚和m.3243A.G or m.8344A.G 突变。线粒体突变致功能障碍，能量减少可诱导一系列离子电流的变化［20］。活性氧族(ROS)的高需求也能改变膜电位而致心律失常［21］。其中室上性心律失常、猝死型心律失常和传导阻滞是最常见的类型(在HCM 伴发卡恩斯-塞尔综合征患者中由m.3242A ＞G 患者中传导阻滞可是其主要表 现［20］);心室预激、预激综合征(见于m.8344A.G)［8］也常出现。虽然长QT 被发现于某些患者，但是它的真实发生率和室性心律失常的风险还需要较大的纵向研究［7］。

4 结语及展望

mtt 突变是引起人类疾病最常见的线粒体突变，多异质性，更常见于系统发育的初期，而非老年期。据现有的临床、生化和遗传数据我们已发现了能够影响trna 翻译的几种不同原因。同时，是否能够准确、快速地预测mtt 基因突变，并判断其是否遗传给下一代等问题对患者和家庭来讲都意义重大［22］。目前大量的研究均提示线粒体基因突变在严重型心肌病中越来越重要。目前已成功建立了线粒体突变的相关模型:酵母模型、基因敲除小鼠、转基因小鼠模型等。由于线粒体缺陷太复杂，不能把线粒体突变直接引入小鼠体内，而只能制造核基因缺陷或基因敲除导致线粒体功能障碍来模拟。对线粒体研究最有效的技术之一是构建转线粒体细胞系，诱导多能干细胞。故关于线粒体tRNA 模型的建造、疾病的研究将继续深入。而关注线粒体tRNA 突变，预测其是否有能力遗传或影响后代，为患者及家属提供准确和及时的遗传咨询则是全世界心内科临床医师需要重视和提高的。临床上对心肌病伴线粒体突变的疾病的认识和最新进展对心脏病学专家管理病人有重要意义。

［1］Kaski JP，Elliott P，ESC Working Group.The classification concept of the ESC Working Group on myocardial and pericardial diseases for dilated cardiomyopathy［J］.Herz，2007，32(6):446-451.

［2］John W，Yarham JW，Blakely EL，et al.The m.3291T ＞C mt-tRNALeu(UUR)mutation is definitely pathogenic and causes multisystem mitochondrial disease［J］.J Neurol Sci，2013，325(1-2):165-169.

［3］Zeviani M，Gellera C，Antozzi C，et al.Maternally inherited myopathy and cardiomyopathy:association with mutation in mitochondrial DNA tRNALeu(UUR)［J］.Lancet，1991，338(8760):143-147.

［4］Raha S，Merante F，Shoubridge E，et al.Repopulation of rho0 cells with mitochondria from a patient with a mitochondrial DNA point mutation in tRNAGlyresults in respiratory chain dysfunction［J］.Hum Mutat，1999，13(3):245-254.

［5］Govindaraj P，Khan NA，Rani B，et al.Mitochondrial DNA variations associated with hypertrophic cardiomyopathy［J］.Mitochondrion，2014，16:65-72.

［6］Perli E，Giordano C，Tuppen HA，et al.Isoleucyl-tRNA synthetase levels modulate the penetrance of a homoplasmic m.4277T ＞C mitochondrial tRNAIlemutation causing hypertrophic cardiomyopathy［J］.Hum Mol Genet，2012，21(1):85-100.

［7］Bates MG，Bourke JP，Giordano C，et al.Cardiac involvement in mitochondrial DNA disease:clinical spectrum，diagnosis，and management［J］.Eur Heart J，2012，33(24):3023-3033.

［8］Wahbi K，Larue S，Jardel C，et al.Cardiac involvement is frequent in patients with the m.8344A_G mutation of mitochondrial DNA［J］.Neurology，2010，74(8):674-677.

［9］Perli E，Giordano C，Tuppen HA，et al.Isoleucyl-tRNA synthetase levels modulate the penetrance of a homoplasmic m.4277T ＞C mitochondrial tRNAIlemutation causing hypertrophic cardiomyopathy［J］.Hum Mol Genet，2013，21:85-100.

［10］Hollingsworth KG，Gorman GS，Trenell MI，et al.Cardiomyopathy is common in patients with the mitochondrial DNA m.3243A ＞G mutation and correlates with mutation load［J］.Neuromuscul Disord，2013，22:592-596.

［11］Zhao L，Xu JH，Xu WJ，et al.A novel GATA4 loss-of-function mutation responsible for familial dilated cardiomyopathy［J］.Int J Mol Med，2014，33(3):654-660.

［12］Marin-Garcia J，Goldenthal MJ，Ananthakrishnan R，et al.The complete sequence of mtDNA genes in idiopathic dilated cardiomyopathy shows novel missense and tRNA mutations［J］.J Card Fail，2000，6(4):321-329.

［13］Cardena MM，Mansur AJ，Pereira Ada C，et al.A new duplication in the mitochondrially encoded tRNA proline gene in a patient with dilated cardiomyopathy［J］.Mitochondrial DNA，2014，24(1):46-49.

［14］Stalder N，Yarol N，Tozzi P，et al.Mitochondrial A3243G mutation with manifestation of acute dilated cardiomyopathy［J］.Circ Heart Fail，2012，5(1):e1-3.

［15］Tsyplenkova VG，Vorob'ev AA.Ultrastructural and immunohistochemical characteristics of the mechanism of cardiomyocytic death in arrhythmogenic dysplasia of the right ventricle［J］.Arkh Patol，2007，69(6):3-7.

［16］Caleshu C，Sakhuja R，Nussbaum RL，et al.Furthering the link between the sarcomere and primary cadiomyopathies:restrictive cardiomyopathy associated with multiple mutations in genes previously associated with hypertrophic or dilated cardiomyopathy［J］.Am J Med Genet A，2011，155A(9):2229-2235.

［17］Otsui K，Inoue N，Tamagawa A，et al.A case of mitochondrial cardiomyopathy with restrictive transmitral filling pattern［J］.Int Med Case Rep J，2012，5:19-22.

［18］Liu S，Bai Y，Huang J，et al.Do mitochondria contribute to left ventricular non-compaction cardiomyopathy?New findings from myocardium of patients with left ventricular non-compaction cardiomyopathy［J］.Mol Genet Metab，2013，109(1):100-106.

［19］Zarrouk Mahjoub S，Mehri S，Ourda F，et al.Pathogenicity of the transition m.3308T ＞C in left ventricular hypertrabeculation/noncompaction［J］.Cardiology，2012，122(2):116-118.

［20］Limongelli G，Masarone D，D＇Alessandro R，et al.Mitochondrial diseases and the heart:an overview of molecular basis，diagnosis，treatment and clinical course［J］.Future Cardiol，2012，8(1):71-88.

［21］Yang KC，Bonini MG，Dudley SC Jr.Mitochondria and arrhythmias［J］.Free Radic Biol Med，2014，71C:351-361.

［22］Blakely EL，Yarham JW，Alston CL，et al.Pathogenic mitochondrial tRNA point mutations:nine novel mutations affirm their importance as a cause of mitochondrial disease［J］.Hum Mutat，2013，34(9):1260-1268.