线粒体基因突变与老年性耳聋的相关性

2019-01-09 23:25张淮连福治许亮文杨磊

中国老年学杂志 2019年15期

张淮连福治许亮文杨磊

(杭州师范大学医学院，浙江杭州 311121)

听力障碍作为人群中一类最常见的感知缺陷〔1〕，近年来正日益受到人们的重视。根据世界卫生组织(WHO)显示的数据，现今全球范围内约有3.6亿人口患有不同程度的听力损失(HL)。有流行病学研究〔2〕显示美国和德国的年轻人中，2.4%～17.0%出现了高频听力下降。美国已率先将HL列为法定慢性病；据2006年第二次全国残疾人抽样调查结果〔3〕，我国有听力障碍残疾人2 004万，占各类残疾人数的24.16%，且人数依然在逐年增加。老年性耳聋，也被称为年龄相关性听力损失(AHL)，是指随着年龄增长而出现听觉器官老化，从而出现的双耳对称、渐进性感音神经性听力减退，是哺乳动物衰老的普遍特征。AHL是由多种危险因素作用于内耳，并随时间推移而逐渐累积最终导致声信号耳蜗传导损伤的结果〔4〕。虽然老化是不可抗拒的自然现象，年龄增长自然会出现包括耳部在内的各器官退化，但AHL发病的年龄和严重程度等却不尽相同，研究显示40%～50%的AHL与基因有关〔5〕。近几十年，尤其是人类基因组计划(HGP)完成之后，越来越多的研究表明许多疾病的发生与基因突变存在关系。线粒体含有遗传信息DNA、RNA，在受核基因调控的同时，也具有独立的遗传物质〔6〕。本文综述近年来国内外相关文献，旨在探讨线粒体基因突变与AHL的相关性，为AHL的发病机制、早期相关基因的筛查提供理论依据。

1 HL的定义

HL〔7〕指对语音频率的敏感性出现相对下降的病理改变，HL并不等同于听力残疾，且先于听力残疾发生。目前学术界并未就HL的诊断标准达成一致〔8〕，临床上主要通过纯音平均听阈(PTA)测试获得人耳不同频率下的听阈平均值，平均听阈低于25分贝(dB)为听力正常；根据听力较好耳的语频(0.5,1,2,4 kHz)平均听阈进行诊断分级，将HL分为5等级:平均听阈26～40 dB为轻度，41～55 dB为中度，56～70 dB为中重度，71～90 dB为重度，91 dB以上为极重度〔9〕。有研究〔10〕表明HL早期常表现为高频段听力下降，但此时患者主观并无耳聋感，能进行正常交谈和社交活动，随着病损程度加重，会逐渐出现语频听力下降，故常能见到一些研究〔11,12〕在计算单耳语频平均听阈时，同时也会计算双耳高频(3,4,6 kHz)平均听阈。

2 线粒体概述

线粒体是存在于细胞质中并带有遗传信息的细胞器，它不仅是细胞的能量工厂——为细胞提供能量，还是细胞内活性氧(ROS)产生的主要场所〔13,14〕，同时也兼顾调控细胞生长、凋亡的作用。

线粒体基质中含有自身的DNA，RNA和核糖体。其中线粒体DNA(mtDNA)独立于细胞核DNA之外，具有编码特定基因的功能，能转录为线粒体RNA，并在核糖体的作用下进行翻译。

mtDNA与核基因相比，具有以下特点而使得其在自然界中的突变概率较大〔15〕:①人线粒体基因为环状裸露双链DNA结构，无组蛋白结构的保护；②人线粒体基因中无内含子，均为编码区域，一旦DNA双链上碱基发生突变，导致相关疾病的概率比核基因发生碱基突变从而导致相关疾病的概率大。

3 线粒体基因突变与AHL

AHL患者mtDNA无论在缺失突变、插入突变还是在点突变方面都较正常听力者有显著增加。1997年Bai 等〔16〕分析了17例正常人和17例AHL患者的颞骨切片的mtDNA，发现4 977个碱基对(bp)存在缺失；其中AHL患者mtDNA发生的频率(14/17,82.3%)显著高于在正常人群的频率(8/17,47.1%)。Markaryan等〔17〕在2009年也同样给出了相似的结果:在匹配了年龄、性别等混杂因素后，AHL患者mtDNA的平均缺失率为(32±14)%，而正常人群仅为(12±2)%。Fischel-Ghodsian等〔18〕的研究发现尽管在突变累积的数量和位置上有个体差异，但对于线粒体中编码细胞色素氧化酶Ⅱ的基因而言，AHL组中该类基因的突变较对照组出现得更频繁(AHL组:平均10个点突变/每人；对照组:平均2个点突变/每人)。

4 线粒体基因突变导致AHL的机制探讨

对于线粒体基因突变导致AHL的机制，目前较被认同的机制之一是线粒体基因突变导致细胞氧化/抗氧化系统失衡，ROS异常累积，从而导致AHL。

4.1 ROS生成异常(氧化/抗氧化失衡)导致AHL 线粒体存在于人体绝大多数细胞，包括与听力有关的耳蜗细胞、支持细胞等。大多数细胞中的ROS都是在三磷酸腺苷(ATP)生成过程中作为线粒体呼吸代谢副产物而产生的。正常情况下，一定量的ROS对于调节血管张力、细胞间信号传导等有重要作用，同时ROS的生成并逐渐累积也被认为是衰老过程中的标志〔19〕。ROS被认为是氧化损害细胞成分的一类物质，包括损伤核DNA、mtDNA、细胞膜、蛋白质等。故当其在线粒体中异常生成时就会导致过度损伤听力相关细胞。

线粒体中存在着精密的抗氧化系统，包括抗氧化酶成分，如超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(Gpx)和过氧化氢酶等，能够清除代谢过程中产生的多余ROS。如SOD能将ROS中常见的超氧化物(O2-)分解为过氧化氢(H2O2)和氧气(O2)，而Gpx和过氧化氢酶则能将过氧化氢分解成水和氧气，从而达到一定的抗氧化作用。也正是由于体内氧化和抗氧化间的相互拮抗作用，使得在正常情况下虽然随着年龄增长人体自然会出现包括耳部器官在内的退化，但这种退化不会出现的过早过重。

多年来的动物实验〔20～23〕也表明ROS异常增加(氧化/抗氧化系统失衡)与AHL间存在关联，为上述机制提供了依据。在缺乏SOD的老年沙鼠中，耳蜗毛细胞损伤明显增加〔20〕；在敲除了SOD基因的中年小鼠中，观察到其血管纹厚度的减少及螺旋神经节细胞的明显退化〔21〕；在老年犬生命的最后3年里喂食含高抗氧化的饮食实验中〔22〕，相较于对照组，实验组犬出现了更少的血管纹和螺旋神经节变性；在大鼠中枢听觉系统老化过程中〔23〕，氧化/抗氧化失衡引起的氧化性应激可导致mtDNA 突变的累积增加，在老年性耳聋的发病过程中可能扮演了重要的角色。研究表明，线粒体功能障碍会通过氧化应激来损伤豚鼠的血管纹〔24〕，也证实了内耳的mtDNA缺失突变可增加大鼠对噪声的易感性〔25〕。

4.2 线粒体基因突变导致ROS生成异常对一例62岁耳聋女性患者线粒体基因组的测序发现〔26〕，该患者线粒体基因组中，腺苷三磷酸酶8基因(T8490C)、ND5基因(G13204A)、ND1基因(T3667G)、Cyt b基因(A15256G)区域分别存在8490T>C、13204G>A、3667T>G、15256A>G突变。其中除了15256A>G突变外，其余三个均为错义突变，都错义改变了线粒体蛋白二级结构。研究者以生物信息学相关知识为基础，通过计算机为工具研究分析变异的二级结构的功能意义和变化，发现这些突变改变了一些在物种间高度保守的氨基酸，这些氨基酸很有可能参与人体中ROS合成、代谢、消耗等一系列过程，最终推导上述mtDNA突变很可能会导致ROS过度累积〔27〕。

解耦联蛋白(UCP)是线粒体中的一种内膜蛋白，其生成受到mtDNA的间接调控，哺乳动物中现有五种已知UCP种类，分别命名为UCP1～UCP5。UCPs能促进阴离子从内部线粒体膜向外部线粒体膜的转移及质子从外部线粒体膜向内部线粒体膜的返回转移，并且还降低哺乳动物细胞中的线粒体膜电位〔28〕。UCPs在非颤抖性产热、肥胖、糖尿病和动脉粥样硬化中发挥了重要作用，故常能在关于肥胖、糖尿病的机制研究中看到对UCPs的研究。Arsenijevic等〔29〕发现UCP2的主要功能是控制线粒体衍生的ROS。而UCPs的生成又受到mtDNA的间接调控:首先，有研究已证明UCPs基因表达与能量代谢间密切相关〔30～32〕，即能量代谢的异常将导致UCPs表达异常；其次，多项研究〔33～35〕表明能量代谢异常与mtDNA突变间也有着稳定关联。即一旦mtDNA发生了突变引起了能量代谢的异常从而导致UCPs，尤其是UCP2生成的异常时，最终很可能将导致ROS的堆积，从而损伤细胞正常功能活动，其中包括损伤听力相关细胞的功能〔36,37〕。

5 展望

综上所述，线粒体基因突变是导致一部分中老年人AHL发病过早、程度过重的原因之一，虽然目前AHL的发病机制未完全阐明，但随着基因检测方法和技术的不断发展，越来越多与听力损伤相关的线粒体基因突变位点将被发现，随着现代分子技术的不断发展，AHL的发病机制在不断完善，线粒体基因突变导致AHL的分子机制也在逐渐阐明，这都为AHL的预防、基因诊断，甚至基因治疗提供了理论依据。

但同时对于AHL我们要有清晰的认识，即目前的研究仍处在初步阶段，还有许多疑问有待进一步探索挖掘，如mtDNA一般只通过母系遗传，子代线粒体的基因突变到底是源自母性遗传还是自身的突变，还需要进一步研究来做解答。另外，由于对人群进行随机的、长期的生存研究并不现实，难度大，以至于不同研究者对同一研究内容的结论存在不一致〔38〕。故更需加大研究力度和速度，进行大型的临床试验来研究AHL是否可以在人体内延迟或预防，并通过更为先进的分子实验方法和技术，如全基因关联研究(GWAS)、全外显子组测序(WES)等〔39〕深入了解AHL的分子机制，以期能有效减轻AHL带来的健康、经济等问题。