颞叶癫痫线粒体功能障碍及相关基因变异的研究进展

王启龙，宋晓宇，程莹莹综述，孟红梅审校



颞叶癫痫线粒体功能障碍及相关基因变异的研究进展

王启龙，宋晓宇，程莹莹综述，孟红梅审校

癫痫是一种由多种原因导致的脑部神经元高度同步化异常放电的临床综合征，其中，颞叶癫痫为最常见的癫痫类型，在癫痫发病中占40%，在药物难治性癫痫中占70%，为相关研究的热点。颞叶癫痫的发病机制目前尚不明确，其可能与P物质及多耐药基因1(MDR1)过度表达、钠离子通道、γ-氨基丁酸(GABA)受体缺失、异常苔藓纤维出芽等有关。线粒体对神经系统兴奋性及神经细胞存活至关重要，已有研究证实在颞叶癫痫患者的标本中发现线粒体损伤及功能障碍。随着基因测序技术的进展，为了进一步证明线粒体功能障碍是否与癫痫发作相关，国外学者对颞叶癫痫患者进行线粒体DNA(mtDNA)测序，发现了显著变异的线粒体ND-4、ND-5基因。本文将从颞叶癫痫与线粒体功能障碍的相关性、线粒体功能障碍导致颞叶癫痫发作的可能机制以及颞叶癫痫线粒体基因变异的研究进展方面综述如下。

1　线粒体功能与颞叶癫痫的相关性

1.1线粒体生化功能线粒体是真核生物细胞内重要的细胞器，是糖、脂肪以及氨基酸通过氧化释放能量的最终场所,其内进行的三羧酸循环和氧化磷酸化是物质能量代谢的共同终末途径。细胞各项活动所需的ATP主要由线粒体产生。线粒体在组织内的分布存在密度差异，在代谢旺盛的脑、心肌、骨骼肌等组织中，线粒体的密度显著高于其他组织。脑内的神经元是高度分化的细胞，具有高耗能、自我修复能力差等特点，因此当线粒体功能出现障碍时，神经元细胞的正常功能会受到显著影响。大量的临床和实验数据表明，线粒体功能障碍可以导致癫痫发作，而在颞叶癫痫的研究中，发现线粒体功能障碍与颞叶癫痫存在显著的相关性。Kunz等[1]在颞叶癫痫患者CA3区发现线粒体呼吸链复合体Ⅰ的活性显著降低。Alice等[2]对动物海马区组织线粒体超微结构进行了电子显微镜观察，并测定呼吸链酶功能，发现了呼吸链酶复合物Ⅰ功能与癫痫的反复发作及持续状态存在相关性，提示海马线粒体功能障碍可能是引起颞叶癫痫难治性的重要原因。

1.2线粒体功能障碍导致颞叶癫痫机制线粒体导致颞叶癫痫的具体机制尚不明确，目前多认为，线粒体功能障碍通过影响神经元的兴奋性及突触间信号的传导引起癫痫发作。 首先，神经元细胞静息膜电位主要由钠-钾泵正常活动形成，在神经元内线粒体氧化磷酸化产生的ATP中，40%～50%被用于细胞膜钠-钾泵的活动，线粒体功能障碍时细胞能量衰竭，导致神经元膜电位升高，兴奋性增高。也有观点认为神经系统内存在抑制性突触的中间神经元，其内富含线粒体，当线粒体能量衰竭时，抑制性突触间传递降低，神经系统兴奋性增高，出现癫痫发作。其次，线粒体可通过对神经元内钙离子的调节来影响神经元的兴奋性及突触间信号传递[3]，当线粒体功能异常时，细胞内钙离子超载，神经元兴奋性及突触间兴奋性传递增强，诱发癫痫发作[4]。再者，线粒体氧化磷酸化的正常副产物氧自由基(ROS)过度生成，可引起线粒体氧化应激(OS)，影响线粒体ATP的生成，抑制抗氧化系统的功能，破坏线粒体DNA的稳定性，并最终导致神经元细胞损伤，功能异常，而引起癫痫发作。此外，线粒体功能障碍会引起神经元胞的坏死，而这正是难治性颞叶癫痫海马硬化的主要特点。

2　线粒体基因的遗传及突变特点

mtDNA为双链闭环形结构，长16.5 kb，由一条重链和一条轻链组成[5]。与核DNA相比，mtDNA具有以下遗传特性：mtDNA具有较高突变率[6]；mtDNA拷贝量远超过核DNA[7]；受精卵中mtDNA很少由精子提供，几乎所有mtDNA信息来自卵母细胞，因此线粒体疾病具有母系遗传的特点[8]；核DNA影响mtDNA的复制和转录，即影响mtDNA突变；mtDNA分野生型和突变型， 两种类型共存于同一细胞内，称为mtDNA异质性，且分裂能力越差的细胞(如神经细胞)mtDNA异质性越高；线粒体能量阈值低于组织正常功能所需的最小阈值时，机体表现出功能异常，称为mtDNA突变的阀值效应,对能量要求越高的组织(如神经系统)此特性越明显。

3　颞叶癫痫相关的线粒体突变基因

mtDNA中共37个基因，包括rRNA基因、tRNA基因、多肽编码基因。其中多态编码基因能够编码氧化呼吸链的限速酶，即线粒体呼吸链NADH脱氢酶-复合体Ⅰ，Kunz WS[9]等在颞叶癫痫患者海马CA3区发现了明显的线粒体呼吸链复合体Ⅰ的减少。对完整脑组织采用最大呼吸率抑制滴定法检测，发现线粒体复合体Ⅰ的活性显著降低会影响ATP的产生率。表明了颞叶癫痫中存在明显的线粒体结构改变和功能障碍。但颞叶癫痫线粒体基因水平的研究尚刚刚开始。

Candan等[10]对伴有海马梗死的内侧颞叶癫痫患者的基因组进行分析，将44名患者和86健康对照者依据其临床表现分为4组，采集被研究者的血液标本并分离DNA,使用DNA扩增仪进行完整的mtDNA扩增，使用焦磷酸测序技术对130例血液样本进行平行标记测序。发现了具有显著统计学意义的3个线粒体基因突变位点，分别位于ATP-8、ND4、ND5基因。

线粒体ATP-8基因与线粒体ATP-6基因共同编码形成线粒体ATP合成酶，当其8052位点由A碱基突变为T碱基时，其编码形成的氨基酸由极性的天冬酰胺转变为非极性的异亮氨酸，进而改变线粒体ATP合成酶的空间构型，导致线粒体能量生成不足，出现功能障碍，诱发癫痫发作。

线粒体ND-4基因编码形成线粒体复合体Ⅰ的亚基Ⅳ，11994位点C碱基突变为T碱基，其编码形成的氨基酸由苏氨酸转变异亮氨酸，进而线粒体复合体Ⅰ活性改变，使线粒体氧化磷酸化过程受阻，能量生成障碍，影响细胞的正常活动。不过，对于线粒体ND-4基因11994位点突变的作用，尚存在争议。线粒体ND-5基因编码形成线粒体复合体Ⅰ的亚基Ⅴ，133231位点A碱基突变为C碱基，其编码形成的氨基酸由赖氨酸转变天冬酰胺，由疏水性氨基酸转变为亲水性氨基酸，可导致线粒体复合体Ⅰ的空间构象发生改变，使正常的氧化磷酸化过程受阻，神经元能量衰竭，兴奋性增高。

此外，另一名学者Hulya Azakli[11]以一名36岁的女性颞叶癫痫为研究对象，从她的脑内海马6个不同的区域及血液中获取样本，从所有样本中提取mtDNA，对mtDNA在两个重叠PCR扩增片段(9731 bp和12083 bp)使用罗氏扩增仪进行扩增。然后利用454 FLX焦磷酸测序平台通过高通量测序技术，检测分析了该颞叶癫痫患者mtDNA点突变情况。发现海马组织内的异质性突变较血液标本中明显，且异质性突变主要位于ND1、ND4、ND5基因。但在这项研究中，比较的是不同基因上的异质性突变位点的多少，并没有就某个位点做进一步的比较研究，这也为深入探究线粒体突变位点对颞叶癫痫发病及进展的影响提供了广阔的空间。

如上所述，目前研究认为在颞叶癫痫患者的海马标本中发现ND4、ND5基因具有显著突变。但是ND4、ND5基因与颞叶癫痫的相关性及其引起颞叶癫痫的病理生理机制，尚需进一步探究。

4　展　望

mtDNA测序技术的发展有助于我们在基因水平探究颞叶癫痫的形成机制，进而有利于寻找其预防、诊断及治疗方法。目前已知癫痫患者中线粒体存在具有临床意义的错义突变，但尚无线粒体基因变异与颞叶癫痫相关性的大量样本报道，国内尚没有颞叶癫痫患者线粒体基因变异的明确分析报道，进一步探究ND4、ND5基因与颞叶癫痫的相关性，可进一步阐明颞叶癫痫的发病机制，寻求颞叶癫痫新的诊断及治疗途径。

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[9]Kunz WS,Kudin AP,Vielhaber S,et al.Mitochondrial complex I deficiency in the epileptic focus of patients with temporal lobe epilepsy[J].Ann Neurol,2000,48(5):766-773.

[10]Hulya A,Candan G,Muzaffer A,et al.Whole mitochondrial DNA variations in hippocampal surgical specimens and blood samples with high-throughput sequencing: a case of mesial temporal lobe epilepsy with hippocampal sclerosis[J].Gene,2013,529(1):190-194.

[11]Uusimaa J,Gowda V,McShane A,et al.Prospective study of POLG mutations presenting in children with intractable epilepsy:Prevalence and clinical features[J].Epilepsia,2013,54(6):1002-1011.

1003-2754(2016)02-0187-02

R742.1

综述

2015-12-26；

2016-01-30

(吉林大学白求恩第一医院神经内科和神经科学中心，吉林 长春 130021)

孟红梅，E-mail:hongmeiyp@126.com