Advances in Clinical Medicine
Vol.2 No.1(2012), Article ID:528,5 pages DOI:10.4236/acm.2012.21001
Mutations in Mitochondrial DNA and Hypertension*
Key Laboratory of Molecule Biology, College of Life Science and Technology, Xinjiang University, Xinjiang Key Laboratory of Biological Resources and Genetic Engineering, Urumqi
Email: qing_wenbei2008@yeah.net, #zhengxf007@gmail.com
Received: Feb. 1st, 2012; revised: Feb. 17th, 2012; accepted: Feb. 20th, 2012
ABSTRACT：
Hypertension is one of the most common cardiovascular disease. It is one of the main risk factors associated with cardiovascular death. Mutations in mitochondrial DNA lead to failures in metabolism, affecting mitochondrial protein synthesis and oxidative phosphorylation function. These mutations result in a deficit in ATP synthesis and an increase of generation of reactive oxygen species. As a result, mitochondrial DNA mutation has been the highlight in this filed. These findings will be helpful for understanding the molecular mechanism of maternally inherited hypertension. It may provide new insights into management and treatment of maternally inherited hypertension. This review summarized the association between mtDNA mutations and hypertension.
Keywords: Hypertension; Mitochondrial DNA; Mutation; Maternal Inheritance
线粒体DNA突变与高血压*
秦文蓓，张富春，郑秀芬#
新疆大学生命科学与技术学院分子生物学实验室，新疆生物资源基因工程重点实验室，乌鲁木齐
Email: qing_wenbei2008@yeah.net, #zhengxf007@gmail.com
摘 要：
高血压是当今社会最常见的心血管疾病，是导致死亡的主要危险因素之一。线粒体DNA的突变会导致线粒体代谢缺陷，影响蛋白质合成，氧化磷酸化功能受损，减少ATP的合成，增加了活性氧的产生。因此，线粒体DNA突变是线粒体疾病的研究热点之一。高血压相关的线粒体DNA突变的深入研究有助于进一步理解母系遗传高血压的分子致病机制，为高血压的控制和治疗提供理论依据。文章对高血压相关的线粒体DNA突变进行了综述。
收稿日期：2012年2月1日；修回日期：2012年2月17日；录用日期：2012年2月20日
关键词：高血压；线粒体DNA；突变；母系遗传
1. 引言
高血压是常见的心血管疾病，占全球疾病总量的4.5%，在发展中国家和发达国家中是很盛行的，由血压诱导的心血管疾病在不断的上升。高血压导致了全世界每年超过1千万人的死亡，已成为全球范围内公共健康的重要威胁[1]。高血压是由多基因和环境危险因素的交互作用所引起的复杂疾病。
高血压为多基因遗传模式，部分患者具有母系遗传的特征，而母系遗传是线粒体基因(mitochondrial DNA，mtDNA)传递所特有的遗传模式，目前越来越多的研究证实了mtDNA突变可能在高血压的发病机制中发挥重要作用。早在1992年Brandao AP等[2]已研究发现高血压不仅具有家族性，而且还受一定遗传因素的影响，揭示了高血压发病可能与mtDNA突变有关。Fuents等[3]报道了子代高血压的发病与母亲的高血压病史有显著的相关性，进一步研究指出，一些患者因mtDNA突变引发血压升高。近年来已经明确了几个与高血压有关的线粒体突变。下面就其研究进展做以下综述。
2. 线粒体基因的结构及生物学特征
2.1. 线粒体基因的结构
线粒体是细胞产生能量的细胞器，维持机体生命活动所需能量的90%以上都是由线粒体以ATP的形式产生。除成熟的红细胞外每一个细胞内均有数量不等的线粒体。每一个线粒体内有2~10个拷贝的 mtDNA，mtDNA是独立于细胞核染色体外的又一基因组。人类的mtDNA分子长度为16,569 bp，是一个闭合双链环状分子，分为编码区和非编码区。编码区共包括37个基因：22个tRNA基因、2个rRNA基因(12S和16S rRNA)和13个mRNA基因，可编码13种蛋白质，所有的13种蛋白质产物均参与组成呼吸链[4]。这些基因排列紧凑，基因内无内含子；非编码区又称为控制区，长度约为1122 bp，主要包含高变区I(Hypervariable region I, HVI)和高变区II(Hypervariable region II, HVII)，含有转录和复制的调控信号，是mtDNA基因组中进化速率最高，多态性最强的区域。
2.2. 线粒体DNA的生物学特性
2.2.1. 母系遗传
线粒体属细胞质遗传，mtDNA随母本的卵细胞传递给后代，具有母系起源的特点。虽然在对果蝇，小鼠等物种的研究中发现了父系遗传的现象。但是，后来对患有mtDNA疾病病人的研究中并未发现类似的情况。并且已有研究表明精子的线粒体DNA在进入卵细胞后不久就消失了[5]。因此，普遍认为mtDNA表现为严格的母性遗传。
2.2.2. 高突变率
mtDNA几乎完全由编码区组成，因缺少组蛋白和非组蛋白的保护，易受自由基损害，缺乏有效的基因修复系统。mtDNA由于没有组蛋白的保护，其突变率比核DNA高10~20倍[6]，人群中含有多种mtDNA突变，且高度有害的mtDNA突变不断增多，因此mtDNA缺陷是人类疾病的重要病因，但有害的突变会通过选择而消除，故虽然DNA的突变很多但线粒体病并不多见。
2.2.3. 高拷贝数
人类体细胞中细胞核内一般仅有两个拷贝的染色体DNA。但是大多数细胞质内却有成百上千个mtDNA的拷贝[7]。虽然mtDNA数目在少数组织的细胞质中差别很大，但一般远大于核内DNA的拷贝数。
2.2.4. 异质性
mtDNA异质性是指突变型和野生型mtDNA同时存在于细胞中，相反所有的线粒体DNA都相同则称为同质性。每个细胞线粒体中含有大量的mtDNA拷贝。其中包括有野生型和各种突变型，这就构成了mtDNA异质性特征。mtDNA复制后，随着细胞分裂母细胞产生子细胞，携带新突变的线粒体和不携带突变的线粒体迅速分离，最终mtDNA多表现为同质性[8]。
2.2.5. 阈值效应
将维持组织正常功能所需能量的最低值称为阈值，出现异常性状表型的阈值称为线粒体的阈值效应[9]。不同的组织、器官需要不同的线粒体能量水平，阈值的差异也很大。
3. mtDNA与高血压
高血压是常见的心血管疾病之一，与冠心病、脑卒中、心力衰竭和功能障碍密切相关，是导致心血管疾病死亡的主要危险因素之一。高血压发病为典型的多基因模式，是许多微效基因累积、多基因共同作用的结果[10]。线粒体基因突变导致的功能障碍与人类高血压具有显著的相关性。因此，线粒体基因突变与高血压发病相关性的研究是目前高血压发病机制研究的新方向。mtDNA突变在高血压发病中的作用机制尚不清楚，推测可能是由于mtDNA突变导致线粒体代谢缺陷，蛋白质合成受损，线粒体氧化磷酸化障碍，ATP合成下降，导致活性氧产成增加，最终导致了高血压发生[11]。下面对一些与高血压相关的mtDNA突变进行介绍。
3.1. mtDNA编码区突变
3.1.1. 线粒体tRNAIle A4263G突变与高血压
朱海燕[12]于2008年采用侯选基因策略及线粒体基因全序列扫描发现tRNAIle A4263G这一之前未报道的新突变，指出线粒体tRNAIle基因突变在原发性高血压的发病机制中具有一定的作用，可能成为临床上诊断及治疗原发性高血压的新靶点。随后，朱海燕等[13]于2009年研究发现突变细胞与对照细胞的平均氧消耗速率相比明显下降，且具有显著性的差异(P = 0.0001)，证明了此突变与汉族原发性高血压发病相关。王士雯等[14]于2011年提供了线粒体tRNAIle A4263G突变与原发性高血压有关的直接证据。线粒体tRNAIle A4263G突变定位于线粒体tRNAIle前体的5'末端的加工位点，该位点在各个生物都是高度保守的，这一突变会影响RNase P对tRNAIle前体的5'末端的加工速率。通过线粒体tRNAIle A4263G突变使线粒体的功能改变。研究发现，线粒体tRNAIle A4263G突变导致tRNAIle下降了约46%，蛋白质翻译水平下降约32%，线粒体翻译的损伤可能也是导致氧呼吸速率下降的主要原因。
3.1.2. 线粒体tRNAMet A4435G突变与高血压
李宗斌等[15]采用直接测序的方法发现990名原发性高血压患者中8名患者具有线粒体tRNAMet的六个突变位点，分别为A4401G、C4410A、U4418C、A4435G、U4454C和C4456U。研究发现发生tRNAMet突变的原发性高血压患者平均发病年龄明显低于未发生tRNAMet突变的原发性高血压患者(P = 0.028)，表明携带tRNAMet突变的患者更易于发生高血压。卢中秋等[16]等报道tRNAMetA4435G突变与原发性高血压发病的相关性。研究发现线粒体tRNAMet 4435A位点定位于线粒体tRNAMet的第37位，与反密码子3'末端毗邻，从细菌到人类的线粒体该位点都非常保守。与tRNA其他位点相比第37位点更容易被修饰，该位点修饰后的核苷酸在反密码子识别的特异性和稳定tRNA三级结构及生化功能等方面都起着关键的作用。研究发现，携带4435A > G这一同质性突变的细胞，线粒体tRNAMet下降了约40%~50%，由此造成的tRNAMet代谢缺陷导致线粒体蛋白翻译水平下降了约30%，继而影响了线粒体呼吸链的功能，导致ATP合成的减少和活性氧产物的增加。这些线粒体功能障碍可能参与了原发性高血压的发生和发展。
3.1.3. 线粒体 tRNAIle A4295G突变与高血压
李宗斌等[17]于2008年报道了线粒体tRNAIleA4295G突变在心血管疾病的发病中起着重要作用，这一点突变与ND4 G11696A和tRNAGlu A14693G突变可能共同导致了汉族原发性高血压的发生发展。薛凌等[18]于2011年报道了此突变通过改变tRNA的结构、影响ATP的合成、增加活性氧的合成来参与原发性高血压的发生。线粒体tRNAIle4295A位点定位于线粒体tRNAIle的第37位点，与反密码子3'端毗邻，从细菌到人类线粒体该位点在进化上非常保守。在反密码子识别的特异性和稳定tRNA三级结构以及生化功能上同样起着关键的作用，这一突变可能会导致高血压的发展。
3.1.4. 线粒体tRNAIle T4291C与高血压
Wilson等[19]报道了一个代谢缺陷综合症大家系，线粒体基因突变分析发现在母系成员线粒体tRNAIle 的进化保守区发生了T4291C点突变，突变会引发一系列代谢疾病，如高血压、高血脂、低镁血症等。线粒体tRNAIle 4291T位点定位于线粒体tRNAIle的第33位点，与反密码子5'端毗邻。线粒体tRNAIle 第33位点的U碱基是非常保守的，可以和反密码子的第3个碱基形成氢键，形成的氢键用以稳定反密码子环，使反密码子与核糖体上同源mRNA的密码子相互识别。线粒体tRNAIle T4291C突变使得该位点的U碱基被C碱基替换，破坏了氢键的形成，使得与核糖体的特异性结合显著受损，由此证明了这一突变的重要作用。
3.1.5. 其他mtDNA突变与高血压
Watson等[20]通过高分辨限制性内切酶分析方法，在高血压病肾病晚期美国黑人患者中观察到mtDNA某些位点变异频率高于血压正常人群，发现高血压病患者在A10398G、T6620C/G6260A、G2758A、T10810C、G7028A/T7055C及A10086G这6个位点突变的变异频率均高于正常血压对照组，其中A10086G在两组间的差异最为显著(P < 0.0036)，证明了mtDNA突变可能与高血压发病直接相关。Schwartz等[21]用全基因扫描的方法观察了20名患有原发性高血压患者的线粒体基因突变的情况，共发现了297个位点的改变，其中包括15个tRNA基因的突变。表明了一些基因突变可能与高血压相关。Austin等[22]在患有破碎红纤维肌阵挛癫痫综合征的家系研究中发现，患者除了有肌阵挛、强直性阵挛性癫痫等临床症状外，常常伴随有血压的升高，证明了mtDNA突变可能与血压的升高有联系。这些研究都揭示了mtDNA突变可能在高血压的发生发展中起重要的作用。
3.2. mtDNA非编码区突变
3.2.1. D环区突变与高血压
D环区为非编码区，含有复制和转录的调控信号，它对于mtDNA的正常表达非常重要，该区域的基因突变可以影响整个线粒体基因的复制与功能，而且D环控制区是mtDNA基因组中进化速率最高，多态性最强的区域，常常是许多疾病的突变热点区域。Shoji等[23]采用直接测序的方法对日本高血压患者D环区基因的多态性分析发现，T16223C这一SNP位点在高血压组的单核苷多态性数目明显高于正常血压组(P = 0.0018)。刘玲玲等[24]通过对比分析高血压和血压正常人群的D环控制区基因变化，也发现高血压组无论是基因突变的变异频率还是密度均高于正常血压组，变异的基因可能通过影响线粒体氧化磷酸化作用而在高血压发生的危险因素中发挥一定的作用。
3.2.2. 线粒体tRNAMet/tRNAGln A4401G突变与高血压
李荣华等[25]于2009年报道发现一个具有典型母系遗传特点的大家系，研究了这一家系中的四代家系成员因线粒体tRNAMet/tRNAGln A4401G突变引起了线粒体功能缺陷，导致了原发性高血压的发展。线粒体tRNAMet/tRNAGln 4401A位点定位于线粒体tRNAMet基因5'末端和线粒体tRNAGln基因之间的结合部分。该位点在进化上高度保守。线粒体tRNA前体的加工需要核酸内切酶对5'和3'末端进行精确的切割, 而A4401G这一非编码区的同质性突变可能造成了重链上tRNAMet 5'末端的加工缺陷并且影响了轻链上tRNAGln 5'末端的加工效率。进一步研究发现,线粒体tRNAMet/tRNAGlnA4401G突变导致tRNAMet和tRNAGln 均下降了约30%左右，蛋白质的翻译水平平均减少约26%，总的氧消耗速率下降平均约22%，并使呼吸链发生缺陷，ATP合成减少，活性氧产生增加。
4. 展望
高血压是环境因素与遗传因素共同作用的结果，mtDNA突变与高血压的发生相关，因此，mtDNA序列分析将会是临床早期基因诊断及治疗包括原发性高血压在内的高血压病的新靶点，同时有助于进一步理解母系遗传高血压的分子致病机制，为高血压的控制和治疗提供理论依据，尤其对特定靶点的治疗将产生重要影响，并为遗传性高血压的研究拓展了新的领域。
由于高血压是一种复杂的疾病，目前关于高血压与mtDNA突变的报道还很少。另外，高血压发病机制还不是十分清楚，mtDNA突变及其与核DNA互作在高血压发病中的作用也不清楚。总之，mtDNA突变在高血压疾病发生中的作用及病理生理机制等还有待于进一步研究。相信随着科技的发展，研究技术的不断改进，不久的将来人们对高血压将会有较为明确的认识。总之，mtDNA突变在高血压疾病发生发展中的作用及病理生理机制等还有很多未知的领域等待我们去探索。
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NOTES
*资助信息：新疆大学“天山学者”项目。
#通讯作者。