普 玲(綜述)，韓 睿(審校)

(昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院糖尿病科，昆明 650032)

線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)缺陷可導(dǎo)致糖尿病的發(fā)生，并伴神經(jīng)、肌肉的損害，這一特殊類型糖尿病被稱為線粒體糖尿病(mitochondrial diabetes mellitus，MDM)。1992年由Van den Ouweland等[1]首先報(bào)道后證實(shí)mtDNA 3243A→G的突變是導(dǎo)致MDM的致病性突變，其特點(diǎn)為母系遺傳糖尿病伴神經(jīng)性耳聾。我國(guó)于1995年由項(xiàng)坤三等[2]首次報(bào)道MDM。2型糖尿病是環(huán)境因素的相互作用結(jié)合基因遺傳變異的結(jié)果，單一的mtDNA突變(包括主要的重新排列和點(diǎn)突變)和(或)線粒體單倍群與2型糖尿病相關(guān)，機(jī)制為線粒體基因突變導(dǎo)致三羧酸循環(huán)障礙，引起胰島β細(xì)胞分泌胰島素不足而導(dǎo)致糖尿病。隨著我國(guó)糖尿病發(fā)病年輕化趨勢(shì)，線粒體基因突變與糖尿病的相關(guān)性研究已成為分子生物學(xué)研究熱點(diǎn)之一，現(xiàn)就線粒體基因突變與糖尿病及其并發(fā)癥的關(guān)系予以綜述。

1 mtDNA突變的研究進(jìn)展

人類線粒體是母系遺傳的含有16 569 bp的環(huán)狀雙鏈，mtDNA含編碼呼吸鏈氧化磷酸化復(fù)合體中13條多肽鏈的基因以及線粒體蛋白質(zhì)合成所需的22種轉(zhuǎn)移RNA(transfer RNA，tRNA)基因和兩種核糖體RNA基因，線粒體呼吸鏈酶復(fù)合體Ⅰ由40多個(gè)亞單位組成，其中ND1、ND2、ND3、ND4、ND4L、ND5、ND6由mtDNA編碼，線粒體基因突變高發(fā)區(qū)為tRNALeu(UUR)基因及煙酰胺腺嘌呤二核苷酸脫氫酶1基因，mtDNA突變可使煙酰胺腺嘌呤二核苷酸脫氫酶亞單位1的二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而影響復(fù)合體Ⅰ酶活性，導(dǎo)致線粒體氧化磷酸化功能受損，腺苷三磷酸生成不足，最終導(dǎo)致胰島素分泌不足和糖尿病。目前已報(bào)道20余種與糖尿病發(fā)生有關(guān)的mtDNA點(diǎn)突變，其中有明確致病作用的是線粒體基因tRNALeu(UUR)3243A→G突變，另有少數(shù)突變位于mtDNA的其他區(qū)段，如tRNALys基因、tRNASer基因、tRNAGlu基因及煙酰胺腺嘌呤二核苷酸脫氫酶基因內(nèi)[3]。其他與糖尿病發(fā)病密切相關(guān)的尚有煙酰胺腺嘌呤二核苷酸脫氫酶1基因3316C→A、3394T→C、3426A→G突變和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸脫氫酶4基因12026A→G以及D環(huán)區(qū)的16189T→C等，3316C→A突變經(jīng)流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)其在糖尿病人群中高發(fā)(2%～4%)，14709、12026位點(diǎn)變異可能是中國(guó)人線粒體基因多態(tài)，3306C→T、3336T→C、3549C→T和3552T→A為同義突變。mtDNA同質(zhì)型突變只能輕度影響線粒體的功能，僅使機(jī)體對(duì)某種疾病的易患性增高。在其他因素(如核基因突變、環(huán)境因素或合并其他遺傳性mtDNA突變)的協(xié)同作用下致病。近年的研究表明,肝功能損害和骨骼肌對(duì)葡萄糖攝取降低與A3243G突變相關(guān)[4-5]。涂萍等[6]對(duì)南昌地區(qū)66個(gè)家族性2型糖尿病的家系進(jìn)行線粒體基因tRNALeu(UUR)3243A→G突變篩查，發(fā)現(xiàn)家族性2型糖尿病患者中該突變發(fā)生率約為2.7%，還發(fā)現(xiàn)線粒體基因突變陽性的正常糖耐量患者隨著年齡的增長(zhǎng)，有進(jìn)展為糖耐量受損或糖尿病可能。

任彩芬等[7]對(duì)128例山西人群2型糖尿病患者mtDNA煙酰胺腺嘌呤二核苷酸脫氫酶1基因進(jìn)行突變位點(diǎn)篩查，首次報(bào)道一個(gè)新的突變位點(diǎn)3499A→T，該位點(diǎn)突變導(dǎo)致蘇氨酸錯(cuò)義突變?yōu)榻z氨酸，可能會(huì)對(duì)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)及功能造成影響，需要對(duì)該患者家系成員篩查該位點(diǎn)突變情況，以確定它是否為新致病位點(diǎn)。

T16189C是一個(gè)常見的mtDNA多態(tài)性，至少在亞洲人(包括韓國(guó)人、日本人和中國(guó)人)顯著地與2型糖尿病相關(guān)，OR為1.26(95%CI1.08～1.46)。T16189C變異使線粒體單鏈結(jié)合蛋白的親合力發(fā)生變化，意味著這種變異可能會(huì)改變線粒體功能[8]。mtDNA T16189C突變與代謝綜合征及其糖尿病臨床表型各異相關(guān)，尚需遠(yuǎn)期研究探討這些相關(guān)因素之間的臨床關(guān)聯(lián)[9]。

Deng等[10]的研究結(jié)果顯示,mtDNA 3316G→A突變不是糖尿病的易患基因，可能只引起2型糖尿病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)增高，間接地說明該突變?cè)谔悄虿〉陌l(fā)生、發(fā)展過程中不起主要作用。

胡曉美等[11]采用限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性聚合酶鏈反應(yīng)及其產(chǎn)物直接測(cè)序的方法，對(duì)220例糖尿病組及126例正常對(duì)照組進(jìn)行基因分析，發(fā)現(xiàn)線粒體煙酰胺腺嘌呤二核苷酸脫氫酶2基因5178C→A多態(tài)性可能與2型糖尿病并發(fā)視網(wǎng)膜病變呈負(fù)相關(guān)，進(jìn)而推測(cè)mtDNA 5187C→A的2型糖尿病患者合并視網(wǎng)膜病變的風(fēng)險(xiǎn)比較低。

我國(guó)有大量2型糖尿病患者，其中隱匿著較多MDM患者，且該病較普通2型糖尿病患者預(yù)后差，可早逝，且呈母系遺傳，對(duì)發(fā)現(xiàn)有mtDNA突變但尚未發(fā)展為2型糖尿病的人群，需要追蹤觀察，做到早預(yù)防、早診斷和早治療?？赏ㄟ^大量實(shí)驗(yàn)研究探討導(dǎo)致線粒體基因突變的相關(guān)因素，就目前的研究發(fā)現(xiàn)線粒體突變與mtDNA水平改變有關(guān)系。

2 mtDNA水平與2型糖尿病的關(guān)系

線粒體是真核細(xì)胞的重要細(xì)胞器，正常細(xì)胞內(nèi)有多個(gè)線粒體，每個(gè)線粒體擁有2～10個(gè)DNA分子[12]。mtDNA與核基因組DNA不同，mtDNA缺乏內(nèi)含子和組蛋白的保護(hù)，更易發(fā)生氧化性損傷，線粒體細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激的平衡會(huì)影響mtDNA的生物合成，導(dǎo)致mtDNA突變和水平的改變。線粒體基因突變導(dǎo)致三羧酸循環(huán)障礙，引起胰島素分泌不足，mtDNA可能影響腺苷三磷酸輸出，而胰島素釋放需要腺苷三磷酸供能，胰島β細(xì)胞分泌胰島素離不開氧化磷酸化過程。正常線粒體功能對(duì)于2型糖尿病的胰島素生成和釋放很重要，胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)下線粒體數(shù)量、形狀、結(jié)構(gòu)和功能異常[13]。MDM較2型糖尿病呈現(xiàn)出氧化應(yīng)激加重，紅細(xì)胞內(nèi)腺苷三磷酸生成下降和消耗增加，進(jìn)而導(dǎo)致mtDNA突變和水平的改變。骨骼肌高水平的氧化代謝，可能導(dǎo)致線粒體水平在骨骼肌的下降比在血細(xì)胞快，與對(duì)照組相比，2型糖尿病患者外周血mtDNA水平降低24%[14]。同一個(gè)體不同組織mtDNA的水平是不同的，有研究證實(shí)高血糖對(duì)于快復(fù)制的白細(xì)胞與慢復(fù)制的骨骼肌細(xì)胞的mtDNA水平的作用是不同的，在2型糖尿病時(shí)，白細(xì)胞存在嚴(yán)重mtDNA氧化應(yīng)激損傷，而氧化應(yīng)激與體內(nèi)活性氧產(chǎn)生過多有關(guān)，線粒體是細(xì)胞活性氧類的一個(gè)重要來源。活性氧類具有促凋亡及抗凋亡的雙重作用，活性氧類能刺激線粒體的生物合成。導(dǎo)致糖尿病患者骨骼肌組織mtDNA水平降低的原因可能是活性氧類刺激線粒體的生物合成減少和(或)誘導(dǎo)更多的細(xì)胞凋亡，引起骨骼肌線粒體水平下降，這可能促成不同組織mtDNA水平不同[15]。在所有受試對(duì)象中，線粒體在肌肉組織是拷貝數(shù)最高的，其次是血管組織，最低是白細(xì)胞，因此肌肉是用來檢測(cè)線粒體功能相關(guān)性較高的組織，2型糖尿病患者的高血糖狀態(tài)能引起組織特異性應(yīng)答，體現(xiàn)在與非糖尿病患者相比，其肌肉組織mtDNA水平低，但是白細(xì)胞mtDNA水平高。由于骨骼肌細(xì)胞復(fù)制速度慢，白細(xì)胞復(fù)制速度快，糖代謝對(duì)于mtDNA拷貝數(shù)作用的差別可能與細(xì)胞類型不同有關(guān)，那么下降的線粒體水平與2型糖尿病有什么關(guān)系呢？采用高效抗反轉(zhuǎn)錄病毒治療的感染人類免疫缺陷病毒的患者表現(xiàn)出mtDNA水平下降30%～50%，身體脂肪重新分布、胰島素抵抗及2型糖尿病進(jìn)展的風(fēng)險(xiǎn)增加，支持線粒體損傷是2型糖尿病發(fā)展的原因而不是結(jié)果[16-17]。在中國(guó)人群，外周血mtDNA水平降低與2型糖尿病、糖化血紅蛋白相關(guān)，空腹血糖和發(fā)病年齡是影響mtDNA水平的主要因素[16]。早發(fā)2型糖尿病與較低的外周單核細(xì)胞mtDNA水平有關(guān)，但這只在沒有糖尿病并發(fā)癥的患者出現(xiàn)，mtDNA拷貝數(shù)與糖化血紅蛋白、空腹血糖及2型糖尿病發(fā)病年齡三個(gè)因素呈負(fù)相關(guān)，在早發(fā)糖尿病人群和易出現(xiàn)糖尿病并發(fā)癥的人群中，外周單核細(xì)胞mtDNA水平降低證明mtDNA發(fā)揮了一個(gè)獨(dú)特的生物學(xué)功能，因此外周單核細(xì)胞mtDNA水平的降低可能加劇糖尿病發(fā)病[18]。對(duì)有糖尿病家族史的、年輕的、久坐的健康男性研究發(fā)現(xiàn)，肥胖、糖尿病、胰島素抵抗引起代謝異常和脂肪氧化的缺陷，將導(dǎo)致葡萄糖耐量受損，這可能與骨骼肌線粒體水平下降引起線粒體功能失調(diào)有關(guān)，故這類人群將來發(fā)展成肥胖和糖尿病與骨骼肌mtDNA水平降低有關(guān)[19]。有研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病患者通過增加線粒體水平達(dá)到正常程度，可使胰島素敏感性提高，但不能恢復(fù)到正常水平。在2型糖尿病的男性患者中發(fā)現(xiàn)與年齡、體質(zhì)指數(shù)及體力活動(dòng)相似的對(duì)照組相比線粒體功能是下降的，但是增加線粒體水平的能力是相同的，這一過程也只能改善線粒體功能并非恢復(fù)胰島素敏感性[20]。另有研究顯示，在早發(fā)2型糖尿病的后代中外周血線粒體水平下降不是2型糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)因子，但不排除在胰腺β細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞或者肝細(xì)胞等重要細(xì)胞線粒體水平下降導(dǎo)致易患2型糖尿病[21]。線粒體水平與年齡增長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)這種作用是男性特有的，這可能存在對(duì)于老年女性，線粒體水平輕度升高，但還需要遠(yuǎn)期研究來證實(shí)[22]。

3 線粒體單倍群與2型糖尿病及其并發(fā)癥的關(guān)系

當(dāng)今研究最多的單倍群是人類Y染色體脫氧核糖核酸單倍群(Y-DNA單倍群)和人類mtDNA單倍群，前者僅從父系遺傳，后者僅從母系遺傳。人類mtDNA單倍群是遺傳學(xué)上依據(jù)mtDNA差異而定義出來的單倍群，根據(jù)不同種族人群以字母來標(biāo)記,并且以數(shù)字和一些字母來做補(bǔ)充[23]。單倍型是指使用特定限制性內(nèi)切酶酶切特定片段后產(chǎn)生的特定酶切片段格局或通過序列分析總結(jié)的特定序列組合，mtDNA單倍群缺陷引起降低腺苷三磷酸產(chǎn)物的代償性反應(yīng)，導(dǎo)致糖酵解相關(guān)的核基因表達(dá)增強(qiáng)。單一的mtDNA突變，包括重排和點(diǎn)突變和(或)線粒體單倍群與2型糖尿病相關(guān)。在探討mtDNA突變或者單倍群對(duì)糖尿病并發(fā)癥易患性的作用發(fā)現(xiàn)，目前已觀察到4個(gè)mtDNA單倍群(H、H3、U3、V)與糖尿病并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)，且每一個(gè)單倍群和一個(gè)并發(fā)癥的病理學(xué)相關(guān)(U3和糖尿病腎病、V和腎衰竭、H和糖尿病視網(wǎng)膜病變、H3和糖尿病神經(jīng)病變)，提示某些mtDNA單倍群可能調(diào)節(jié)糖尿病并發(fā)癥[24]。另外，單倍體B5可能是對(duì)抗2型糖尿病發(fā)展的保護(hù)效應(yīng)，進(jìn)一步說明編碼區(qū)的非同義替換在人類進(jìn)化對(duì)抗某些疾病起到了保護(hù)效應(yīng)[25]。Ukropcova等[19]對(duì)芬蘭母系遺傳糖尿病患者64個(gè)完整的mtDNA序列進(jìn)行分析，也發(fā)現(xiàn)單倍群V，還發(fā)現(xiàn)4個(gè)患者攜帶單倍體D4b，D4b先前被發(fā)現(xiàn)與韓國(guó)人2型糖尿病相關(guān)，T16189C、G3010A兩者同時(shí)變異構(gòu)成了一個(gè)mtDNA突變的組合，使易于患母系遺傳糖尿病，故非同義替換mtDNA突變和稀有特定人群?jiǎn)伪缎蛢烧邩?gòu)成母系遺傳糖尿病的危險(xiǎn)因子[26]。綜上所述，很多重要線索表明某些mtDNA單倍群可能參與調(diào)解糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生、發(fā)展，對(duì)線粒體基因單倍群與糖尿病相關(guān)性的研究有重要意義，對(duì)未來的MDN藥物治療及預(yù)防并發(fā)癥有指導(dǎo)意義。

4 展 望

對(duì)高血糖和胰島素抵抗的MDM患者進(jìn)行生活方式干預(yù)，目的是提高其骨骼肌氧化能力，短期依靠密集的節(jié)食或者運(yùn)動(dòng)來改變生活方式能恢復(fù)2型糖尿病患者的線粒體水平和骨骼肌功能。mtDNA水平降低與糖尿病早發(fā)的關(guān)系仍需進(jìn)一步研究，但這個(gè)研究無疑支持了一個(gè)假說：針對(duì)無并發(fā)癥的2型糖尿病個(gè)體，較早發(fā)病和外周血單核細(xì)胞降低有關(guān)[15]。糖尿病患者mtDNA突變是心臟功能障礙的風(fēng)險(xiǎn)因子，可能會(huì)誘發(fā)心肌病，mtDNA基因表型描述對(duì)區(qū)分有糖尿病心肌病變風(fēng)險(xiǎn)的患者是有幫助的，以達(dá)到早診斷、早治療的目的[27]。能提高線粒體功能的藥物、降低活性氧類的抗氧化治療，最終都能提高胰島素敏感性和改善葡萄糖利用。如硫辛酸除抗氧化功能外，還被發(fā)現(xiàn)能顯著地提高脂肪細(xì)胞線粒體合成和線粒體功能。以線粒體為靶點(diǎn)的藥物或者治療對(duì)預(yù)防和治療2型糖尿病具有巨大潛力，因?yàn)榫€粒體損傷在活性氧類生產(chǎn)過剩和脂肪酸誘導(dǎo)的2型糖尿病中發(fā)揮重要作用，能增強(qiáng)線粒體功能或者消除活性氧類的治療將會(huì)是有效的治療方法[28]。達(dá)到對(duì)線粒體水平及功能的可控性可能是胰島素抵抗和2型糖尿病的一項(xiàng)可行的治療。對(duì)MDM及其并發(fā)癥的診斷和治療，線粒體水平的測(cè)定及mtDNA單倍群的檢測(cè)是否有價(jià)值仍需大量研究來證明，將來針對(duì)MDM的病因治療，可能需要提高線粒體水平及恢復(fù)線粒體功能，檢測(cè)線粒體單倍群表型的意義在于預(yù)測(cè)糖尿病及相關(guān)并發(fā)癥。

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