線粒體基因突變與老年性耳聾的相關性

張淮 連福治 許亮文 楊磊

(杭州師范大學醫學院，浙江 杭州 311121)

聽力障礙作為人群中一類最常見的感知缺陷〔1〕，近年來正日益受到人們的重視。根據世界衛生組織(WHO)顯示的數據，現今全球范圍內約有3.6億人口患有不同程度的聽力損失(HL)。有流行病學研究〔2〕顯示美國和德國的年輕人中，2.4%～17.0%出現了高頻聽力下降。美國已率先將HL列為法定慢性??；據2006年第二次全國殘疾人抽樣調查結果〔3〕，我國有聽力障礙殘疾人2 004萬，占各類殘疾人數的24.16%，且人數依然在逐年增加。老年性耳聾，也被稱為年齡相關性聽力損失(AHL)，是指隨著年齡增長而出現聽覺器官老化，從而出現的雙耳對稱、漸進性感音神經性聽力減退，是哺乳動物衰老的普遍特征。AHL是由多種危險因素作用于內耳，并隨時間推移而逐漸累積最終導致聲信號耳蝸傳導損傷的結果〔4〕。雖然老化是不可抗拒的自然現象，年齡增長自然會出現包括耳部在內的各器官退化，但AHL發病的年齡和嚴重程度等卻不盡相同，研究顯示40%～50%的AHL與基因有關〔5〕。近幾十年，尤其是人類基因組計劃(HGP)完成之后，越來越多的研究表明許多疾病的發生與基因突變存在關系。線粒體含有遺傳信息DNA、RNA，在受核基因調控的同時，也具有獨立的遺傳物質〔6〕。本文綜述近年來國內外相關文獻，旨在探討線粒體基因突變與AHL的相關性，為AHL的發病機制、早期相關基因的篩查提供理論依據。

1 HL的定義

HL〔7〕指對語音頻率的敏感性出現相對下降的病理改變，HL并不等同于聽力殘疾，且先于聽力殘疾發生。目前學術界并未就HL的診斷標準達成一致〔8〕，臨床上主要通過純音平均聽閾(PTA)測試獲得人耳不同頻率下的聽閾平均值，平均聽閾低于25分貝(dB)為聽力正常；根據聽力較好耳的語頻(0.5,1,2,4 kHz)平均聽閾進行診斷分級，將HL分為5等級:平均聽閾26～40 dB為輕度，41～55 dB為中度，56～70 dB為中重度，71～90 dB為重度，91 dB以上為極重度〔9〕。有研究〔10〕表明HL早期常表現為高頻段聽力下降，但此時患者主觀并無耳聾感，能進行正常交談和社交活動，隨著病損程度加重，會逐漸出現語頻聽力下降，故常能見到一些研究〔11,12〕在計算單耳語頻平均聽閾時，同時也會計算雙耳高頻(3,4,6 kHz)平均聽閾。

2 線粒體概述

線粒體是存在于細胞質中并帶有遺傳信息的細胞器，它不僅是細胞的能量工廠——為細胞提供能量，還是細胞內活性氧(ROS)產生的主要場所〔13,14〕，同時也兼顧調控細胞生長、凋亡的作用。

線粒體基質中含有自身的DNA，RNA和核糖體。其中線粒體DNA(mtDNA)獨立于細胞核DNA之外，具有編碼特定基因的功能，能轉錄為線粒體RNA，并在核糖體的作用下進行翻譯。

mtDNA與核基因相比，具有以下特點而使得其在自然界中的突變概率較大〔15〕:①人線粒體基因為環狀裸露雙鏈DNA結構，無組蛋白結構的保護；②人線粒體基因中無內含子，均為編碼區域，一旦DNA雙鏈上堿基發生突變，導致相關疾病的概率比核基因發生堿基突變從而導致相關疾病的概率大。

3 線粒體基因突變與AHL

AHL患者mtDNA無論在缺失突變、插入突變還是在點突變方面都較正常聽力者有顯著增加。1997年Bai 等〔16〕分析了17例正常人和17例AHL患者的顳骨切片的mtDNA，發現4 977個堿基對(bp)存在缺失；其中AHL患者mtDNA發生的頻率(14/17,82.3%)顯著高于在正常人群的頻率(8/17,47.1%)。Markaryan等〔17〕在2009年也同樣給出了相似的結果:在匹配了年齡、性別等混雜因素后，AHL患者mtDNA的平均缺失率為(32±14)%，而正常人群僅為(12±2)%。Fischel-Ghodsian等〔18〕的研究發現盡管在突變累積的數量和位置上有個體差異，但對于線粒體中編碼細胞色素氧化酶Ⅱ的基因而言，AHL組中該類基因的突變較對照組出現得更頻繁(AHL組:平均10個點突變/每人；對照組:平均2個點突變/每人)。

4 線粒體基因突變導致AHL的機制探討

對于線粒體基因突變導致AHL的機制，目前較被認同的機制之一是線粒體基因突變導致細胞氧化/抗氧化系統失衡，ROS異常累積，從而導致AHL。

4.1 ROS生成異常(氧化/抗氧化失衡)導致AHL 線粒體存在于人體絕大多數細胞，包括與聽力有關的耳蝸細胞、支持細胞等。大多數細胞中的ROS都是在三磷酸腺苷(ATP)生成過程中作為線粒體呼吸代謝副產物而產生的。正常情況下，一定量的ROS對于調節血管張力、細胞間信號傳導等有重要作用，同時ROS的生成并逐漸累積也被認為是衰老過程中的標志〔19〕。ROS被認為是氧化損害細胞成分的一類物質，包括損傷核DNA、mtDNA、細胞膜、蛋白質等。故當其在線粒體中異常生成時就會導致過度損傷聽力相關細胞。

線粒體中存在著精密的抗氧化系統，包括抗氧化酶成分，如超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(Gpx)和過氧化氫酶等，能夠清除代謝過程中產生的多余ROS。如SOD能將ROS中常見的超氧化物(O2-)分解為過氧化氫(H2O2)和氧氣(O2)，而Gpx和過氧化氫酶則能將過氧化氫分解成水和氧氣，從而達到一定的抗氧化作用。也正是由于體內氧化和抗氧化間的相互拮抗作用，使得在正常情況下雖然隨著年齡增長人體自然會出現包括耳部器官在內的退化，但這種退化不會出現的過早過重。

多年來的動物實驗〔20～23〕也表明ROS異常增加(氧化/抗氧化系統失衡)與AHL間存在關聯，為上述機制提供了依據。在缺乏SOD的老年沙鼠中，耳蝸毛細胞損傷明顯增加〔20〕；在敲除了SOD基因的中年小鼠中，觀察到其血管紋厚度的減少及螺旋神經節細胞的明顯退化〔21〕；在老年犬生命的最后3年里喂食含高抗氧化的飲食實驗中〔22〕，相較于對照組，實驗組犬出現了更少的血管紋和螺旋神經節變性；在大鼠中樞聽覺系統老化過程中〔23〕，氧化/抗氧化失衡引起的氧化性應激可導致mtDNA 突變的累積增加，在老年性耳聾的發病過程中可能扮演了重要的角色。研究表明，線粒體功能障礙會通過氧化應激來損傷豚鼠的血管紋〔24〕，也證實了內耳的mtDNA缺失突變可增加大鼠對噪聲的易感性〔25〕。

4.2 線粒體基因突變導致ROS生成異常 對一例62歲耳聾女性患者線粒體基因組的測序發現〔26〕，該患者線粒體基因組中，腺苷三磷酸酶8基因(T8490C)、ND5基因(G13204A)、ND1基因(T3667G)、Cyt b基因(A15256G)區域分別存在8490T>C、13204G>A、3667T>G、15256A>G突變。其中除了15256A>G突變外，其余三個均為錯義突變，都錯義改變了線粒體蛋白二級結構。研究者以生物信息學相關知識為基礎，通過計算機為工具研究分析變異的二級結構的功能意義和變化，發現這些突變改變了一些在物種間高度保守的氨基酸，這些氨基酸很有可能參與人體中ROS合成、代謝、消耗等一系列過程，最終推導上述mtDNA突變很可能會導致ROS過度累積〔27〕。

解耦聯蛋白(UCP)是線粒體中的一種內膜蛋白，其生成受到mtDNA的間接調控，哺乳動物中現有五種已知UCP種類，分別命名為UCP1～UCP5。UCPs能促進陰離子從內部線粒體膜向外部線粒體膜的轉移及質子從外部線粒體膜向內部線粒體膜的返回轉移，并且還降低哺乳動物細胞中的線粒體膜電位〔28〕。UCPs在非顫抖性產熱、肥胖、糖尿病和動脈粥樣硬化中發揮了重要作用，故常能在關于肥胖、糖尿病的機制研究中看到對UCPs的研究。Arsenijevic等〔29〕發現UCP2的主要功能是控制線粒體衍生的ROS。而UCPs的生成又受到mtDNA的間接調控:首先，有研究已證明UCPs基因表達與能量代謝間密切相關〔30～32〕，即能量代謝的異常將導致UCPs表達異常；其次，多項研究〔33～35〕表明能量代謝異常與mtDNA突變間也有著穩定關聯。即一旦mtDNA發生了突變引起了能量代謝的異常從而導致UCPs，尤其是UCP2生成的異常時，最終很可能將導致ROS的堆積，從而損傷細胞正常功能活動，其中包括損傷聽力相關細胞的功能〔36,37〕。

5 展 望

綜上所述，線粒體基因突變是導致一部分中老年人AHL發病過早、程度過重的原因之一，雖然目前AHL的發病機制未完全闡明，但隨著基因檢測方法和技術的不斷發展，越來越多與聽力損傷相關的線粒體基因突變位點將被發現，隨著現代分子技術的不斷發展，AHL的發病機制在不斷完善，線粒體基因突變導致AHL的分子機制也在逐漸闡明，這都為AHL的預防、基因診斷，甚至基因治療提供了理論依據。

但同時對于AHL我們要有清晰的認識，即目前的研究仍處在初步階段，還有許多疑問有待進一步探索挖掘，如mtDNA一般只通過母系遺傳，子代線粒體的基因突變到底是源自母性遺傳還是自身的突變，還需要進一步研究來做解答。另外，由于對人群進行隨機的、長期的生存研究并不現實，難度大，以至于不同研究者對同一研究內容的結論存在不一致〔38〕。故更需加大研究力度和速度，進行大型的臨床試驗來研究AHL是否可以在人體內延遲或預防，并通過更為先進的分子實驗方法和技術，如全基因關聯研究(GWAS)、全外顯子組測序(WES)等〔39〕深入了解AHL的分子機制，以期能有效減輕AHL帶來的健康、經濟等問題。

此外，AHL的發生并不單單是線粒體基因突變這一原因造成的。有研究表明噪聲的暴露與否〔40,41〕、體內谷胱甘肽水平〔42,43〕、端粒長度〔44〕等各種體內外因素均與AHL的發生發展存在相關性，本文僅針對線粒體基因突變與AHL相關性這一方面進行論述，還需更多研究從不同方面對AHL發病機制進行研究，以期更全面了解AHL發病機制網絡。