mở đầu Gen COI và URF6 có mã kết thúc là AGA và AGG hay gen ATP6 có mã khởi đầu là GUG [6]. Cả 22 phân tử tRNA do hệ gen ty thể mã hóa đều tham gia vào quá trình tổng hợp các protein. Ở người, các nhà nghiên cứu không tìm thấy hiện tượng phân tử tRNA do hệ gen nhân mã hóa đi từ nguyên sinh chất vào ty thể để tham gia tổng hợp protein [20]. Tuy nhiên, ở một số đối tượng khác như nấm men, hiện tượng này có xẩy ra và hướng nghiên cứu cơ chế vận chuyển tRNA từ tế bào chất vào ty thể ở đối tượng trên mở đường cho phương pháp đưa tRNA bình thường vào ty thể của người để điều trị các bệnh liên quan đến đột biến trên gen tRNA của ty thể.
Số lượng bản sao của hệ gen ty thể trong các loại tế bào khác nhau là không giống nhau, tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng năng lượng của tế bào mà số lượng bản sao là ít hay nhiều. Tỷ số giữa bản sao hệ gen ty thể và hệ gen nhân ở trong cơ tim là 6970, cao hơn nhiều ở trong cơ xương là 3650 [24]. Sự di truyền của mtDNA là sự di truyền qua tế bào chất. Đối với các gen nằm trong nhân của tế bào sinh vật nhân chuẩn, chúng tuân theo các quy luật vận động của nhiễm sắc thể trong các cơ chế phân bào.
Nhưng hệ gen ty thể lại không tuân theo những quy luật đó mà các tính trạng do chúng xác định có những kiểu di truyền riêng đặc trưng cho chúng. Hệ gen ty thể người được di truyền theo dòng mẹ. Ở người, trứng có rất nhiều ty thể khoảng hơn 100.000 bản sao, trong khi đó tinh trùng chỉ chứa khoảng 100-1.500 bản sao, tập trung ở đuôi tinh trùng. Trong quá trình tạo thành hợp tử, tế bào tinh trùng chỉ đóng góp hệ gen nhân của chúng cho tế bào trứng chứ không đóng góp hệ gen ty thể.
Ty thể của tinh trùng bị loại bỏ ngay khi vào trứng có thể do quá trình phân hủy protein phụ thuộc ubiquitin. Vì vậy, ty thể trong hợp tử mới tạo thành hoàn toàn của tế bào trứng và tất cả các tính trạng được mã hóa trên hệ gen ty thể được di truyền từ người mẹ sang người con [47]. Đôi khi cơ chế loại bỏ DNA ty thể của tinh trùng có thể bị hỏng, dẫn đến hiện tượng tế bào chất của hợp tử chứa DNA ty thể của cả bố và mẹ. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng “dị tế bào chất” (heteroplasmy).
Do tế bào có chứa số lượng ty thể khác nhau nên các đột biến Lớp Cao học K18 Khóa 2009-2011 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ Khoa học Phạm Minh Huệ trong hệ gen ty thể có những đặc trưng riêng. Cơ thể mang đột biến có cả bản sao có đột biến và bản sao không có đột biến. Hiện tượng heteroplasmy có vai trò quy định mức độ biểu hiện của bệnh mà đột biến gây nên [46]. Hệ gen ty thể thay đổi nhanh hơn khoảng 20 lần so với hệ gen nhân vì hệ gen dạng trần không được bảo vệ dễ dàng tiếp xúc với tác nhân gây đột biến trong chất nền, không có các protein bảo vệ kiểu histone như hệ gen nhân, thiếu các yếu tố kiểm tra khi sao chép, không có hệ thống enzyme để sửa chữa những sai xót do phóng xạ hoặc oxy hoá, mtDNA không có khả năng tự phục hồi dễ dàng như DNA nhân.
Đến nay hơn 270 đột biến trong hệ gen ty đã được phát hiện và chúng gây ra các triệu chứng bệnh khác nhau, chủ yếu tập trung vào cơ, thần kinh, chức năng chuyển hoá của cơ thể. Các loại đột biến trong hệ gen ty thể ngƣời và các bệnh liên quan Ty thể có vai trò tổng hợp ra ATP nhưng genome ty thể chỉ mã hóa cho một số lượng rất ít protein/enzym. Do đó, chức năng ty thể được thực hiện nhờ vào hàng loạt các protein/enzyme do gen nhân mã hóa. Các protein này được tổng hợp trong tế bào chất rồi được vận chuyển đến ty thể.
Chính vì vậy, các rối loạn ty thể có thể phát sinh do những đột biến ở gen nhân hoặc gen ty thể. Một số rối loạn ty thể chỉ ảnh hưởng đến một cơ quan, nhưng cũng có những rối loạn ảnh hưởng đến rất nhiều cơ quan và thường có những đặc điểm nổi trội (như về thần kinh-cơ). Những rối loạn ty thể có ở bất kỳ lứa tuổi nào. Những rối loạn ty thể có thể làm ảnh hưởng đến sự hợp nhất của các enzyme trong chuỗi hô hấp (chủ yếu là thiếu hụt các enzyme).
Hầu hết các đột biến gen ty thể đều làm suy giảm chức năng của ty thể, từ đó gây nên các hội chứng bệnh khác nhau tập trung chủ yếu ở cơ, thần kinh và chức năng chuyển hóa của cơ thể. Các đột biến ty thể hay còn gọi là rối loạn chức năng ty thể được chia làm hai dạng, do đó cũng có thể chia những bệnh do DNA ty thể gây ra thành hai dạng chính, đó là các bệnh do sự sắp xếp lại DNA ty thể và các bệnh do đột biến điểm DNA ty thể. Đột biến điểm Đột biến điểm là những đột biến gây ra do sự thay thế một nucleotide này bằng một nucleotide khác (ví dụ A thay thế cho G, T thay thế cho C và ngược lại). Đột biến điểm trong mtDNA được chia làm 3 dạng nhỏ bao gồm: đột biến gen mã hóa protein, đột biến gen mã hóa tARN và đột biến gen mã hóa rARN.
Lớp Cao học K18 Khóa 2009-2011 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ Khoa học Phạm Minh Huệ Hình 6: Các loại đột biến điểm phổ biến trên mtDNA 1.1 Các loại đột biến điểm phổ biến trên tRNA và rRNA Đột biến gen mã hóa tRNA gây ra các bệnh hay hội chứng bệnh MELAS, MERRF, CPEO. Hội chứng MELAS (Mitochondrial Encephalopathy, Lactic acidosis and Stroke-like episodes) là hội chứng viêm não tủy sinh axit lactic với các triệu chứng giống đột quỵ. Những biểu hiện ban đầu như đau đầu liên tục, nôn, nhược cơ thường bắt đầu xuất hiện ở những trẻ em từ 2 đến 10 tuổi. Nguyên nhân là do một trong các loại đột biến A3243G hay T3271C, A3252G, C3256T, T3291C của gen MT-TL1; đột biến G13513A và A12770G của gen MT-ND5.
Các gen bị ảnh hưởng đều mã cho tRNALeu(UUR), triệu chứng bệnh bắt đầu từ khi bệnh nhân khoảng 10 tuổi, xuất hiện các triệu chứng giống đột quỵ trước năm 40 tuổi. Trong đó, đột biến A3243G được chứng minh là chiếm 80% số ca mang hội chứng MELAS [45]. Đột biến nằm trên gen mã hóa cho phân tử RNA vận chuyển leucine (UUR) (tRNALeu(UUR)), gen MT-TL1. Đột biến làm thay đổi cấu trúc, giảm chức năng của tRNALeu(UUR) và biểu hiện thành bệnh lý.
Hội chứng MERRF (Myoclonic epolepsy associated with ragged-red fibres) là hội chứng động kinh giật cơ với các sợi đỏ nham nhở. Nguyên nhân phổ biến do sự thay đổi A8344G, T8356C gây ra, hai gen bị ảnh hưởng đều mã hóa cho tRNALys triệu chứng của bệnh là cơ bị co giật , mất điều hòa ở tiểu não , liệt cơ, lên cơn đô ̣ng kinh, mấ t khả năng nghe, tăng lactate máu , các sợi cơ đỏ nham nhở. Đột biến điểm Lớp Cao học K18 Khóa 2009-2011 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ Khoa học Phạm Minh Huệ A8344G cũng chiếm 80-90% số ca mang hội chứng MERRF [13]. Hội chứng CPEO (Chronic progressive external ophthalmoplegia) là hội chứng liệt mắt cơ ngoài tiến triển kinh niên, do đột biến A3243G, T4274C, hai gen bị ảnh hưởng mã hóa cho hai tRNA tương ứng là tRNALeu(UUR) và tRNAIle triệu chứng của bệnh là liệt mắt ngoài, liệt cơ, sa mí mắt, rối loạn tâm thần và đột tử.
Ngoài ra, rất nhiều các đột biến điểm khác trên gen ty thể có liên quan đến một số bệnh như bệnh lý cơ (myopathy) liên quan đến các đột biến T14709C, A12320G, bệnh lý cơ tim (cardiomyopathy) do các đột biến A4269G, A3243G, G8363A, bệnh tiểu đường và câm điếc (MIDD) liên quan đến đột biến C12258A, A3243G, bệnh lý não cơ (encephalomyopathy) liên quan đến các đột biến T10010C, G1606A. Đột biến gen mã hóa rRNA như đột biến A1555G gây ra các bệnh điếc không hội chứng được cảm ứng bởi aminoglycoside (AID).2 Các loại đột biến điểm phổ biến trên mRNA Hội chứng Leigh (gây chết, hoại tử não) và bệnh NARP (neuropathy, ataxia and retinitis pigmentos) gây bệnh yếu cơ ngoại biên do tổn thương thần kinh, rối loạn cảm giác, thất điều, viêm võng mạc sắc tố đều chủ yếu do đột biến T8993G ở gen mã hóa tiểu phần ATPase 6 dẫn đến dịch mã sai axit amin ở phần trình tự kỵ nước của tiểu phần này, khiến cho quá trình tổng hợp ATP bị lỗi nên tạo ra nhiều gốc oxy tự do gây nên các triệu chứng lâm sàng khác nhau. Hội chứng Leigh có liên quan đến sự biến đổi T12706C của gen ND5, dẫn đến thay thế Phe bằng Leu ở vị trí 124 (F124L). ND5 là gen chức năng gồm 1812 bp (từ vị trí 12337 tới 14148) được mã hóa bởi chuỗi nặng giàu G của mtDNA.
Sản phẩm của gen ND5 là một thành phần của phức hệ NADH-ubiquinon oxidoreductase. Sản phẩm của gen ND5 nằm ở phần kỵ nước của phức hệ I. Protein này là một trong 7 tiểu phần được mã hóa bởi mtDNA trong số 42 tiểu phần của phức hệ I của chuỗi hô hấp. Đột biến trên gen ND5 có liên quan tới nhiều bệnh trong đó có LHON, Leigh và MELAS.
Hội chứng LHON (Leber herteditary optic neuropathy-bệnh liệt thần kinh thị giác di truyền Leber ) tác động chủ yế u đế n võng ma ̣c , gây hô ̣i chứng teo dây thầ n kinh thi ̣giác, làm mất khả năng nhìn thấy ở cả 2 mắ t. Bệnh có thể gây mù ngay khi tuổi trẻ và thường xuất hiện ở đàn ông. Nguyên nhân do các đột biến G3460A, G11778A, T14484C ở các gen tương ứng ND1, ND4 và ND6. Ngoài ra hội chứng LHON còn gây ra do sự thay đổi allele, chuyển Ala 458 thành Thre (A458T).
Một Lớp Cao học K18 Khóa 2009-2011 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ Khoa học Phạm Minh Huệ đột biến nữa cũng gây ra bệnh này là đột biến chuyển vị trí nucleotide 13730, dẫn đến sự thay thế Gly bằng Glu ở vị trí 465 của chuỗi polypeptide ND5 (G465E). Các nghiên cứu chỉ ra rằng đột biến này có thể bắt nguồn trong dòng phôi của mẹ. Đột biến gen ND6 là điểm nóng gây ra bệnh LHON. Gen ND6 là một trong 13 gen mã hóa protein của ty thể, nằm trên chuỗi nhẹ của mtDNA từ vị trí 14149 đến 14673 gồm 524bp [6].