1.2.3. Tính chất khơng đồng nhất và ngƣỡng biểu hiện của đột biến
Các tế bào chứa nhiều b n sao mtDNA. Vì vậy, khi xuất hiện ột biến thì trong cùng một mơ có thể có c N nh hường và mtDNA ột biến, hiện ư ng n y ư c gọi là ính h ng ồng nhất (heteroplasmy) của mtDNA, còn nếu tất c các b n sao của mtDNA giống nhau thì gọi là ính ồng nhất (homoplasmy) [35, 70, 91].
Lư ng N ột biến trong một tế ư c gọi là mứ ộ h ng ồng nhất, là một nhân tố quan trọng quyế ịnh mứ ộ nghiêm trọng của bệnh. a ố ột biến mtDA gây bệnh ều tồn tại ở dạng h ng ồng nhất. Tỷ lệ N ột biến có thể hay ổi rất lớn giữa người mẹ và các con, giữa ơ an v ngay c các tế bào trong cùng một cá thể. Do tế bào có chứa số ư ng ty thể khác nhau n n ột biến trong hệ gen ty thể có những ặ ưng i ng ơ hể ang ột biến có thể có c b n a ó ột biến và b n a h ng ó ột biến. Hiện ư ng dị ột biến ó vai ò y ịnh mứ ộ biểu hiện của bệnh ột biến gây nên [36, 70].
Các tế bào có kh năng “ hị ựng” ỷ lệ N ột biến cao (70-90%) ước khi chuỗi hô hấp tổn hương v ư c gọi ngưỡng biểu hiện của ột biến. Tỷ lệ ty thể ột biến ph i ạ ến ngưỡng thì mới gây ra kiểu hình lâm sàng. Ngưỡng biểu hiện của ột biến hay ổi tùy thuộc t ng loại ột biến và t ng loại mô [34, 88]. Nói chung, ở h ng ph n hia như ơ v hần kinh chứa tỷ lệ mtDNA ột biến a ng hi ó ở ph n hia nhanh như ạch cầu máu chứa tỷ lệ N ột biến thấp. Tuy nhiên, tỷ lệ N ột biến a ũng ư c phát hiện ở biể ường tiết niệu, y là loại ăng inh ất nhanh. Các mô cần nhiề năng ư ng như ơ i n ó ngưỡng biểu hiện của ột biến thấp và dễ bị tổn hương hi ó ột biến mtDNA [22].
Kiểu hình của một dịng tế bào có thể hay ổi trong quá trình phân chia tế bào do ty thể phân bố một cách ngẫu nhiên giữa các tế bào nữ giới. Vì vậy, trong một tế bào nếu cùng tồn tại N nh hường v N ột biến thì trong q trình phân chia sẽ có ba kiểu hình khác nhau có thể tồn tại: ồng nhất một b n sao N nh hường hay N ột biến và tồn tại ồng thời hai loại mtDNA này.
Vì vậy kiểu hình của loại mang ty thể dạng h ng ồng nhất sẽ phụ thuộc vào tỷ lệ N ột biến. Nếu số phân tử mtDNA ang ột biến ương ối thấp thì có sự bù ắp của N nh hường nên không thấy sự ộng của ột biến. Khi mtDNA ột biến vư a ngưỡng thì nó sẽ biểu hiện kiểu hình gây bệnh (hiệu ứng ngưỡng). Nếu quá trình tổng h p TP dưới mức tối thiểu cần thiết cho chứ năng ủa mơ thì bệnh sẽ xuất hiện. Ở mỗi ơ an h nha thì số phân tử mtDNA là khác nhau phụ thuộc vào nhu cầ năng ư ng cần thiết của mỗi mơ. Vì vậy các mơ cần nhiề năng ư ng như hệ thần inh ng ương ơ i ụy, thận và gan rất dễ bị ộng [94].
Khi tế bào phân chia, tỷ lệ N ột biến ở các tế bào ở nữ giới có thể hay ổi. Nếu tỷ lệ ột biến vư a ngưỡng biểu hiện của t ng mơ thì kiểu hình có thể hay ổi. Vì vậy bệnh nh n ang ột biến gây bệnh dạng h ng ồng nhất sẽ có ộng ng hay ổi theo thời gian [91]. ó 2 ơ hế có thể dẫn ến sự thay ổi ư ng ột biến ở các tế người. ó i) quá trình tái b n ộc lập (relaxed replication) x y ra không phụ thuộc vào chu k tế ng hi ó ư ng mtDNA tổng số vẫn h ng ổi, các phân tử mtDNA dường như ư c chọn lọc một cách ngẫu nhiên cho sự thối hóa và tái b n nên trong một tế bào q trình này có thể dẫn ến sự hay ổi tỷ lệ phân tử N ột biến v h ng ột biến và ii) sự phân chia nguyên phân nhưng v ự phân chia không bằng nhau mtDN ột biến và mtDNA h ng ột biến x y ra trong suốt quá trình phân chia tế bào nên ũng ó hể dẫn ến sự hay ổi tỷ lệ mtDNA ột biến v h ng ột biến ở ăng inh.
Các tế bào chứa h ư ng N ột biến n ngưỡng sẽ biểu hiện khiếm khuyết về năng ư ng, có thể ơ hể sẽ có sự chọn lọc thích nghi, kết qu là mất N ột biến t quần thể tế bào qua thời gian iề n y ư c quan sát ở các mẫu máu lấy t các bệnh nhân mắc bệnh ty thể. ối với nhiều mô ở người v ặc biệt trong suốt quá trình phát triển của n người, c quá trình tái b n ặ ưng và sự ph n hia ng y n ph n ều dẫn ến sự hay ổi mứ ộ h ng ồng nhất. Nếu mộ ột biến x y ra bên trong tế bào mầm hoặ ng ơ hể ang ph iển thì số
ư ng phân tử ột biến có thể ăng a ở các cá thể ó h ặc tham gia vào các tế bào mầm và có mặt ở các thế hệ tiếp theo [23].
Nhiều nghiên cứu về mối liên quan giữa tỷ lệ N ột biến phổ biến A3243G, A8344G, T8993G/C với kiểu hình lâm sàng cho thấy rằng ư ng mtDNA ột biến ở ó i n an ương ứng với mứ ộ nghiêm trọng của bệnh và dường như ũng ó ối liên quan giữa ư ng ột biến của người mẹ và tần suất tác ộng ến người n ối với nhiề ột biến, chỉ có thể ư vấn di truyền cho bệnh nh n v người nhà khi hiể ầy ủ về ơ hế di truyền, sự phân chia trong nguyên phân và sự biểu hiện của ột biến mtDNA vì những ộng phức tạp của mtDNA trong suốt quá trình phát triển và những hay ổi của ư ng ột biến trong máu và ơ ng ời sống cá thể [22].
Mứ ộ khiếm khuyế d ột biến mtDNA phụ thuộc vào loại ột biến, ư ng N ột biến có mặt trong tế v ngưỡng biểu hiện của Ngưỡng biểu hiện của mô phụ thuộc vào mứ ộ khiếm khuyết của chuỗi hô hấp và nhu cầu năng ư ng của ó hệ thần inh ng ương nhạy c m nhất với sự khiếm khuyết của ty thể a ó ơ i hệ nội tiết và thận [36].
Người ta cho rằng các nhân tố di truyền trong nhân có thể hay ổi mứ ộ h ng ồng nhất của ột biến mtDNA. iều này rất quan trọng bởi vì nó nh hưởng ến sự di truyền các khiếm khuyết của mtDNA dạng h ng ồng nhất v ũng ó thể nh hưởng ến sự tiến hóa của mtDNA ở mứ ộ quần thể [23].
1.2.4. Tốc độ đột biến của DNA ty thể
Hệ gen ty thể người ó ặ iểm là di truyền theo mẹ, chị ộng của hiệu ứng ngưỡng, mứ ộ h ng ồng nhất và tố ộ ột biến cao.
mtDNA có tốc ộ ột biến cao gấp 10-20 lần so với nDNA, do hệ gen ty thể ở dạng trần (không liên kết với protein b o vệ kiể hi n như hệ gen nhân), khơng chứa các trình tự khơng mã hóa, hệ gen ty thể dễ dàng tiếp xúc với các gốc tự do, s n phẩm của q trình oxy hóa các h p chất hữ ơ v ó tác dụng gây ra ột biến. Ngoài ra, ty thể h ng ó ơ hế sữa chữa DNA hiệu qu , mtDNA khơng có kh năng ự phục hồi dễ d ng như n N . Sự hay ổi trình tự giữa các cá thể trong cùng một loài rất lớn, kho ng 770 nucleotide và trong một cá thể thì sẽ có một
ư ng nhỏ mtDNA hay ổi ư c tạ a ng ời sống cá thể [66, 94]. h ến nay, hơn 300 ột biến trong hệ gen ty thể người ư c phát hiện, ng ó ó hơn 200 ột biến gây bệnh, chủ yếu tập ng v ơ hần kinh, chứ năng h yển hoá của ơ hể [114].
1.3. C C ĐỘT BIẾN TRONG HỆ GEN TY THỂ NGƢ I V C C BỆNH IÊN QUAN
Những nghiên cứu dịch tễ học gần y h ằng bệnh d ột biến mtDNA ở người phổ biến hơn nhiều so với các hiểu biết ướ ó Trong 8.000 người Châu Âu thì tối thiểu phát hiện ư 1 người bị bệnh d ột biến mtDNA và trong 15.000 người lớn thì ít nhấ ó 1 người bị ộng bởi ột biến mtDNA. Vì nhiều lý do hưa õ ự mấ ạn mtDNA quy mơ lớn có thể h ng ư c truyền lại cho thế hệ sau. Vì vậy ột biến khơng có mặt trong ph hệ bên mẹ và khơng góp phần vào sự tiến hóa mtDNA ở mức ộ quần thể. Trái lại, nhiề ột biến iể ư c di truyền t mẹ sang con [23].
Wallace và tập thể [104] là những người ầu tiên công bố ột biến iểm trong hệ gen ty thể gây bệnh ở người (hội chứng LHON). Sự mấ ạn mtDNA ũng ư c tìm thấy ở ơ của bệnh nhân CPEO và hội chứng Kearns Sayre vào nă 1988 v ột biến iể N ư c tìm thấy ở các bệnh nhân MELAS v nă 1990 h ến nay, hơn 200 ột biến iểm và mấ ạn khác nhau có kh năng g y ệnh ư c báo cáo. ột biến trong hệ gen ty thể gây ra sự khiếm khuyết trong chuỗi hơ hấp do nh hưởng ến q trình tổng h p protein nói chung. Một số rối loạn ty thể chỉ nh hưởng ến mộ ơ an nhưng ũng ó những rối loạn nh hưởng ến rất nhiề ơ an v hường có những ặ iểm nổi trội ặc biệ ộng mạnh ến hệ thần kinh- ơ Những rối loạn ty thể có thể x y ra ở bất k lứa tuổi nào. Hầu hế ột biến gen ty thể ều làm suy gi m chứ năng ủa ty thể, t ó g y n n hội chứng bệnh khác nhau tập trung chủ yếu ở ơ thần kinh và chứ năng h yển hóa của ơ hể.
ột biến mtDNA có kh năng g y ệnh tập trung vào 2 nhóm: sắp xếp lại mtDNA (chủ yếu là mấ ạn) v ột biến iểm. ó ũng ó hể chia những
bệnh do DNA ty thể gây ra thành hai dạng hính ó ệnh do sự sắp xếp lại mtDNA và các bệnh d ột biến iểm mtDNA [23].
1.3.1. ột biến iểm DNA ty thể
ột biến iểm là ột biến (thay thế, mất hoặc thêm) x y ra trong cấu trúc của gen tại mộ iểm (thay thế, mất hoặc thêm một nucleotide) trên phân tử DNA. Các ột biến iểm có thể x y ra ở g n i n an ến sự tổng h p protein (gen mã hóa cho tRNA hoặc rRNA) hoặc gen mã hóa cho protein (một trong 13 gen mã hóa cho các tiể ơn vị của các thành phần trong chuỗi hô hấp). T ng ó, ột biến iểm trên các gen mã hóa cho tRNA của ty thể là nguyên nhân phổ biến nhất của bệnh ty thể ặc biệt, nhiề ột biến ư c báo cáo ở gen mã hóa cho tRNALeu iều này hỉ ra rằng vùng n y iểm nóng x y a ột biến [92].
1.3.1.1. Các loại đột biến điểm phổ biến trên gen mã hóa tRNA và các hội chứng ty thể
Hội chứng MELAS (mitochondrial encephalopathy, lactic acidosis and
stroke-like episodes) là hội chứng não giậ ơ ăng acid lactic máu và gi tai biến mạch, là bệnh ơ n phổ biến nhất và ư c di truyền theo mẹ [1, 2, 3]. y hội chứng iển hình trong các hội chứng i n an ến ty thể. Sự biểu hiện của bệnh rất a dạng, phụ thuộc nhiề ến các yếu tố như ỷ lệ ột biến ng ơ hể, những mơ có chứa ột biến và mứ ộ ph n ứng của mỗi mơ với sự gi m sút q trình chuyển hóa.
Ng y n nh n d ộ ng ại ộ iến A3243G, T3271C, T3291C, A3252G, A3260G, C3256T trên gen MTTL1 mã hóa cho tRNALeu; ộ iến G13513A, A12770G và A13514G trên gen MTND5 mã hóa cho ND5 ubiquinone oxidoreductase ủa phứ h p I, G583A trên gen MTTF mã hóa cho tRNAPhe, G1642A trên gen MTTV mã hóa cho tRNAVal, A5814G trên gen MTTC mã hóa cho tRNACys. T ng ó ộ iến 3243G hiế 80% ố a ang hội hứng MEL S, iếp theo ộ iến T3271C x y a h ng 7 5% MEL S ó hể g y a ởi ộ iến iể N ở g n h như COXIII, ND1, ND5 hoặc gen mã hóa tRNAPhe, tRNAVal, tRNACys, rRNA hoặc mấ ạn với í h hước ngắn. Tuy nhiên,
ột biến trên tRNALeu vẫn ột biến phổ biến nhấ i n an ến kiểu hình MELAS [33, 40, 55, 58, 97]. T ng ố ó ộ iến A3243G ư ầ i n trên gen mã hóa cho tRNALeu v ộ iến phổ iến nhấ ở ấ hủng ộ [67]. Như vậy ộ iến 3243G ộ hỉ i an ọng ể hẩn n hội hứng MEL S ng i iể a ng
ột biến 3243G ột biến trên hệ gen ty thể, A thay thế G ở vị trí 3243, ột biến nằm trên gen MTTL1, mã hóa cho phân tử RNA vận chuyển leucine (UUR) (tRNALeu(UUR)). Ở mứ ộ phân tử ột biến hay ổi cấu trúc, rối loạn chức năng ủa tRNALeu(UUR gây ra gi m sút quá trình tổng h p protein, làm hỏng sự kết thúc phiên mã và biến ổi bộ a ối mã. Ở mứ ộ tế ột biến tồn tại dạng h ng ồng nhất và các bằng chứng về hình thái họ iển h nh như i ơ ỏ xé rách. Ở mứ ộ ơ an ột biến gây ra bệnh ơ ệnh n ăng a id a i máu và dịch não tủy, ngồi ra cịn có các kiểu hình khác [58].
Nă 1990 G v ập thể công bố ột biến A3243G lần ầu tiên ở các bệnh nhân có hội chứng MEL S v y ũng hội chứng rõ nét nhấ i n an ến ột biến A3243G [34]. Ngoài ra, ột biến A3243G ũng ư c phát hiện ở các bệnh nhân tiể ường type 2 v nă 1998 [47]. Bệnh tiể ường d ột biến A3243G ư c phát hiện ở mộ gia nh người Trung Quốc với 4 thế hệ ều bị bệnh tiểu ường h ến nay ơ hế gây bệnh của ột biến vẫn òn ư c tiếp tục nghiên cứu [57].
Nghiên cứu về chứ năng ủa tRNA trong ty thể ở in vitro chứng tỏ rằng ột biến 3243G gi m kh năng i n ết giữa tRNA với acid amin t 12-25 lần so với g n h ng ột biến [16]. ột biến A3243G có thể dẫn ến nhiều biểu hiện lâm sàng và hội chứng bao gồm MELAS, tiể ường và iếc, bệnh ơ hần phân liệt, bệnh tim, co giật, bệnh thận, hội chứng CPEO hay MERRF. T ng ó ộng lâm sàng phổ biến nhất của ột biến này là MELAS [26, 40, 58, 72]. Thực ra, kho ng 40% bệnh nhân ang ột biến A3243G có kiể h nh MEL S ầy ủ. ơ chế biểu hiện a dạng ặ iể ng hưa ư c hiể ầy ủ, có lẽ liên quan ến mứ ộ h ng ồng nhất, ngưỡng biểu hiện của ột biến, sự phân bố của
mtDNA ở các mô, yếu tố di truyền của gia nh v hể, nhân tố i ường và tuổi tác [20, 26, 58].
Nă 1975 hội hứng MELAS ần ầ i n ư è h gi ai iến ạ h ăng a id a i v ơi ơ ỏ xé rách. n ạnh ặ iể này phổ ng MEL S ó hể hay ổi ấ ộng iể hiện h ó hể vó người nhỏ bé ấ h năng ngh ệnh im [26, 40]. T ộng ng iển h nh nhấ ủa ệnh nh n MEL S như ơ a ầ n n ửa hường x y n hờ hẫn iế v ấ í iến iển ộng ướ ổi 15 v x ấ hiện iệ hứng ng giống ộ ỵ ướ ổi 40 Khi inh hiế ơ ó ự hay ổi về í h hướ ủa i ơ v i ơ ỏ xé h hi nh ộ G i i h ở ấ ệnh nh n Khi nghi n ứ về enzyme h ạ ính enzyme phứ hệ I, III ng y hể ủa ơ xương gi ng ể ở ấ ệnh nh n ó ộ iến n y Tuy nhiên, h ạ ính enzyme ủa phứ hệ II, III và succinate dehydrogenase (SDH) ng giới hạn nh hường òn h ạ ính enzyme phứ hệ IV nh hường h ặ ó gi chút í . T ng hội hứng MEL S ộng inh iể hiện ng h phổ iến ặ iệ hể ộng inh ng giậ ơ iến iển ế h p với i ơ ỏ xé rách ư ng hội hứng MERRF ó ần hẩn n ph n iệ 2 hội hứng MEL S v MERRF. T ộng ng ủa MEL S hường x y a ở ẻ với iệ hứng dần dần xấ i ặ iể ng hay ổi ấ ớn giữa ệnh nh n ặ iể phổ iến nhấ ủa hội hứng MEL S a ầ ng ơn è h n n ửa iệ hứng n y n n ó ặ ở ấ ệnh nh n giậ x y a ở phần ớn ệnh nh n h ng 95% H ư ng a id a i ng ăng v ặ iệ dị h n ủy an ọng h hẩn n MEL S v nó hể hiện ự ấ hứ năng ủa y hể ở a ố ường h p
Tần suất xuất hiện của hội chứng MELAS là 1:15.000, là một trong các bệnh thần kinh di truyền phổ biến nhất và có tỷ lệ tử vong cao [82]. Bệnh i n an ến