线粒体DNA与糖尿病的研究进展

普 玲(综述)，韩 睿(审校)

(昆明医科大学第一附属医院糖尿病科，昆明 650032)

线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)缺陷可导致糖尿病的发生，并伴神经、肌肉的损害，这一特殊类型糖尿病被称为线粒体糖尿病(mitochondrial diabetes mellitus，MDM)。1992年由Van den Ouweland等[1]首先报道后证实mtDNA 3243A→G的突变是导致MDM的致病性突变，其特点为母系遗传糖尿病伴神经性耳聋。我国于1995年由项坤三等[2]首次报道MDM。2型糖尿病是环境因素的相互作用结合基因遗传变异的结果，单一的mtDNA突变(包括主要的重新排列和点突变)和(或)线粒体单倍群与2型糖尿病相关，机制为线粒体基因突变导致三羧酸循环障碍，引起胰岛β细胞分泌胰岛素不足而导致糖尿病。随着我国糖尿病发病年轻化趋势，线粒体基因突变与糖尿病的相关性研究已成为分子生物学研究热点之一，现就线粒体基因突变与糖尿病及其并发症的关系予以综述。

1 mtDNA突变的研究进展

人类线粒体是母系遗传的含有16 569 bp的环状双链，mtDNA含编码呼吸链氧化磷酸化复合体中13条多肽链的基因以及线粒体蛋白质合成所需的22种转移RNA(transfer RNA，tRNA)基因和两种核糖体RNA基因，线粒体呼吸链酶复合体Ⅰ由40多个亚单位组成，其中ND1、ND2、ND3、ND4、ND4L、ND5、ND6由mtDNA编码，线粒体基因突变高发区为tRNALeu(UUR)基因及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸脱氢酶1基因，mtDNA突变可使烟酰胺腺嘌呤二核苷酸脱氢酶亚单位1的二级结构发生改变，从而影响复合体Ⅰ酶活性，导致线粒体氧化磷酸化功能受损，腺苷三磷酸生成不足，最终导致胰岛素分泌不足和糖尿病。目前已报道20余种与糖尿病发生有关的mtDNA点突变，其中有明确致病作用的是线粒体基因tRNALeu(UUR)3243A→G突变，另有少数突变位于mtDNA的其他区段，如tRNALys基因、tRNASer基因、tRNAGlu基因及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸脱氢酶基因内[3]。其他与糖尿病发病密切相关的尚有烟酰胺腺嘌呤二核苷酸脱氢酶1基因3316C→A、3394T→C、3426A→G突变和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸脱氢酶4基因12026A→G以及D环区的16189T→C等，3316C→A突变经流行病学调查发现其在糖尿病人群中高发(2%～4%)，14709、12026位点变异可能是中国人线粒体基因多态，3306C→T、3336T→C、3549C→T和3552T→A为同义突变。mtDNA同质型突变只能轻度影响线粒体的功能，仅使机体对某种疾病的易患性增高。在其他因素(如核基因突变、环境因素或合并其他遗传性mtDNA突变)的协同作用下致病。近年的研究表明,肝功能损害和骨骼肌对葡萄糖摄取降低与A3243G突变相关[4-5]。涂萍等[6]对南昌地区66个家族性2型糖尿病的家系进行线粒体基因tRNALeu(UUR)3243A→G突变筛查，发现家族性2型糖尿病患者中该突变发生率约为2.7%，还发现线粒体基因突变阳性的正常糖耐量患者随着年龄的增长，有进展为糖耐量受损或糖尿病可能。

任彩芬等[7]对128例山西人群2型糖尿病患者mtDNA烟酰胺腺嘌呤二核苷酸脱氢酶1基因进行突变位点筛查，首次报道一个新的突变位点3499A→T，该位点突变导致苏氨酸错义突变为丝氨酸，可能会对蛋白质空间结构及功能造成影响，需要对该患者家系成员筛查该位点突变情况，以确定它是否为新致病位点。

T16189C是一个常见的mtDNA多态性，至少在亚洲人(包括韩国人、日本人和中国人)显著地与2型糖尿病相关，OR为1.26(95%CI1.08～1.46)。T16189C变异使线粒体单链结合蛋白的亲合力发生变化，意味着这种变异可能会改变线粒体功能[8]。mtDNA T16189C突变与代谢综合征及其糖尿病临床表型各异相关，尚需远期研究探讨这些相关因素之间的临床关联[9]。

Deng等[10]的研究结果显示,mtDNA 3316G→A突变不是糖尿病的易患基因，可能只引起2型糖尿病的发病风险增高，间接地说明该突变在糖尿病的发生、发展过程中不起主要作用。

胡晓美等[11]采用限制性片段长度多态性聚合酶链反应及其产物直接测序的方法，对220例糖尿病组及126例正常对照组进行基因分析，发现线粒体烟酰胺腺嘌呤二核苷酸脱氢酶2基因5178C→A多态性可能与2型糖尿病并发视网膜病变呈负相关，进而推测mtDNA 5187C→A的2型糖尿病患者合并视网膜病变的风险比较低。

我国有大量2型糖尿病患者，其中隐匿着较多MDM患者，且该病较普通2型糖尿病患者预后差，可早逝，且呈母系遗传，对发现有mtDNA突变但尚未发展为2型糖尿病的人群，需要追踪观察，做到早预防、早诊断和早治疗。可通过大量实验研究探讨导致线粒体基因突变的相关因素，就目前的研究发现线粒体突变与mtDNA水平改变有关系。

2 mtDNA水平与2型糖尿病的关系

线粒体是真核细胞的重要细胞器，正常细胞内有多个线粒体，每个线粒体拥有2～10个DNA分子[12]。mtDNA与核基因组DNA不同，mtDNA缺乏内含子和组蛋白的保护，更易发生氧化性损伤，线粒体细胞内氧化应激的平衡会影响mtDNA的生物合成，导致mtDNA突变和水平的改变。线粒体基因突变导致三羧酸循环障碍，引起胰岛素分泌不足，mtDNA可能影响腺苷三磷酸输出，而胰岛素释放需要腺苷三磷酸供能，胰岛β细胞分泌胰岛素离不开氧化磷酸化过程。正常线粒体功能对于2型糖尿病的胰岛素生成和释放很重要，胰岛素抵抗状态下线粒体数量、形状、结构和功能异常[13]。MDM较2型糖尿病呈现出氧化应激加重，红细胞内腺苷三磷酸生成下降和消耗增加，进而导致mtDNA突变和水平的改变。骨骼肌高水平的氧化代谢，可能导致线粒体水平在骨骼肌的下降比在血细胞快，与对照组相比，2型糖尿病患者外周血mtDNA水平降低24%[14]。同一个体不同组织mtDNA的水平是不同的，有研究证实高血糖对于快复制的白细胞与慢复制的骨骼肌细胞的mtDNA水平的作用是不同的，在2型糖尿病时，白细胞存在严重mtDNA氧化应激损伤，而氧化应激与体内活性氧产生过多有关，线粒体是细胞活性氧类的一个重要来源。活性氧类具有促凋亡及抗凋亡的双重作用，活性氧类能刺激线粒体的生物合成。导致糖尿病患者骨骼肌组织mtDNA水平降低的原因可能是活性氧类刺激线粒体的生物合成减少和(或)诱导更多的细胞凋亡，引起骨骼肌线粒体水平下降，这可能促成不同组织mtDNA水平不同[15]。在所有受试对象中，线粒体在肌肉组织是拷贝数最高的，其次是血管组织，最低是白细胞，因此肌肉是用来检测线粒体功能相关性较高的组织，2型糖尿病患者的高血糖状态能引起组织特异性应答，体现在与非糖尿病患者相比，其肌肉组织mtDNA水平低，但是白细胞mtDNA水平高。由于骨骼肌细胞复制速度慢，白细胞复制速度快，糖代谢对于mtDNA拷贝数作用的差别可能与细胞类型不同有关，那么下降的线粒体水平与2型糖尿病有什么关系呢？采用高效抗反转录病毒治疗的感染人类免疫缺陷病毒的患者表现出mtDNA水平下降30%～50%，身体脂肪重新分布、胰岛素抵抗及2型糖尿病进展的风险增加，支持线粒体损伤是2型糖尿病发展的原因而不是结果[16-17]。在中国人群，外周血mtDNA水平降低与2型糖尿病、糖化血红蛋白相关，空腹血糖和发病年龄是影响mtDNA水平的主要因素[16]。早发2型糖尿病与较低的外周单核细胞mtDNA水平有关，但这只在没有糖尿病并发症的患者出现，mtDNA拷贝数与糖化血红蛋白、空腹血糖及2型糖尿病发病年龄三个因素呈负相关，在早发糖尿病人群和易出现糖尿病并发症的人群中，外周单核细胞mtDNA水平降低证明mtDNA发挥了一个独特的生物学功能，因此外周单核细胞mtDNA水平的降低可能加剧糖尿病发病[18]。对有糖尿病家族史的、年轻的、久坐的健康男性研究发现，肥胖、糖尿病、胰岛素抵抗引起代谢异常和脂肪氧化的缺陷，将导致葡萄糖耐量受损，这可能与骨骼肌线粒体水平下降引起线粒体功能失调有关，故这类人群将来发展成肥胖和糖尿病与骨骼肌mtDNA水平降低有关[19]。有研究发现，糖尿病患者通过增加线粒体水平达到正常程度，可使胰岛素敏感性提高，但不能恢复到正常水平。在2型糖尿病的男性患者中发现与年龄、体质指数及体力活动相似的对照组相比线粒体功能是下降的，但是增加线粒体水平的能力是相同的，这一过程也只能改善线粒体功能并非恢复胰岛素敏感性[20]。另有研究显示，在早发2型糖尿病的后代中外周血线粒体水平下降不是2型糖尿病的风险因子，但不排除在胰腺β细胞、骨骼肌细胞或者肝细胞等重要细胞线粒体水平下降导致易患2型糖尿病[21]。线粒体水平与年龄增长呈负相关这种作用是男性特有的，这可能存在对于老年女性，线粒体水平轻度升高，但还需要远期研究来证实[22]。

3 线粒体单倍群与2型糖尿病及其并发症的关系

当今研究最多的单倍群是人类Y染色体脱氧核糖核酸单倍群(Y-DNA单倍群)和人类mtDNA单倍群，前者仅从父系遗传，后者仅从母系遗传。人类mtDNA单倍群是遗传学上依据mtDNA差异而定义出来的单倍群，根据不同种族人群以字母来标记,并且以数字和一些字母来做补充[23]。单倍型是指使用特定限制性内切酶酶切特定片段后产生的特定酶切片段格局或通过序列分析总结的特定序列组合，mtDNA单倍群缺陷引起降低腺苷三磷酸产物的代偿性反应，导致糖酵解相关的核基因表达增强。单一的mtDNA突变，包括重排和点突变和(或)线粒体单倍群与2型糖尿病相关。在探讨mtDNA突变或者单倍群对糖尿病并发症易患性的作用发现，目前已观察到4个mtDNA单倍群(H、H3、U3、V)与糖尿病并发症风险增加相关，且每一个单倍群和一个并发症的病理学相关(U3和糖尿病肾病、V和肾衰竭、H和糖尿病视网膜病变、H3和糖尿病神经病变)，提示某些mtDNA单倍群可能调节糖尿病并发症[24]。另外，单倍体B5可能是对抗2型糖尿病发展的保护效应，进一步说明编码区的非同义替换在人类进化对抗某些疾病起到了保护效应[25]。Ukropcova等[19]对芬兰母系遗传糖尿病患者64个完整的mtDNA序列进行分析，也发现单倍群V，还发现4个患者携带单倍体D4b，D4b先前被发现与韩国人2型糖尿病相关，T16189C、G3010A两者同时变异构成了一个mtDNA突变的组合，使易于患母系遗传糖尿病，故非同义替换mtDNA突变和稀有特定人群单倍型两者构成母系遗传糖尿病的危险因子[26]。综上所述，很多重要线索表明某些mtDNA单倍群可能参与调解糖尿病并发症的发生、发展，对线粒体基因单倍群与糖尿病相关性的研究有重要意义，对未来的MDN药物治疗及预防并发症有指导意义。

4 展 望

对高血糖和胰岛素抵抗的MDM患者进行生活方式干预，目的是提高其骨骼肌氧化能力，短期依靠密集的节食或者运动来改变生活方式能恢复2型糖尿病患者的线粒体水平和骨骼肌功能。mtDNA水平降低与糖尿病早发的关系仍需进一步研究，但这个研究无疑支持了一个假说：针对无并发症的2型糖尿病个体，较早发病和外周血单核细胞降低有关[15]。糖尿病患者mtDNA突变是心脏功能障碍的风险因子，可能会诱发心肌病，mtDNA基因表型描述对区分有糖尿病心肌病变风险的患者是有帮助的，以达到早诊断、早治疗的目的[27]。能提高线粒体功能的药物、降低活性氧类的抗氧化治疗，最终都能提高胰岛素敏感性和改善葡萄糖利用。如硫辛酸除抗氧化功能外，还被发现能显著地提高脂肪细胞线粒体合成和线粒体功能。以线粒体为靶点的药物或者治疗对预防和治疗2型糖尿病具有巨大潜力，因为线粒体损伤在活性氧类生产过剩和脂肪酸诱导的2型糖尿病中发挥重要作用，能增强线粒体功能或者消除活性氧类的治疗将会是有效的治疗方法[28]。达到对线粒体水平及功能的可控性可能是胰岛素抵抗和2型糖尿病的一项可行的治疗。对MDM及其并发症的诊断和治疗，线粒体水平的测定及mtDNA单倍群的检测是否有价值仍需大量研究来证明，将来针对MDM的病因治疗，可能需要提高线粒体水平及恢复线粒体功能，检测线粒体单倍群表型的意义在于预测糖尿病及相关并发症。

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