 Advances in Clinical Medicine 临床医学进展, 2012, 2, 1-5 http://dx.doi.org/10.12677/acm.2012.21001 Published Online March 2012 (http://www.hanspub.org/journal/acm) Mutations in Mitochondrial DNA and Hypertension* Wenbei Qin, Fuchu n Zhang, Xiufen Zheng# Key Laboratory of Molecule Biology, College of Life Science and Technology, Xinjiang University, Xinjiang Key Laboratory of Biological Resources and Genetic Engineering, Urum qi Email: qing_wenbei2008@yeah.net, #zhengxf007@gmail.com Received: Feb. 1st, 201 2; 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 hyperten- sion. 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 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 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。 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 *资助信息：新疆大学“天山学者”项目。 #通讯作者。 Copyright © 2012 Hanspub 1  线粒体 DNA 突变与高血压 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 Copyright © 2012 Hanspub 2  线粒体 DNA 突变与高血压 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 RNa se 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 tRNAIle A4295G 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 T4 29 1C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 Copyright © 2012 Hanspub 3  线粒体 DNA 突变与高血压 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。 参考文献 (References) [1] J. 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