Nghiên cứu phát hiện và định lượng một số đột biến của hội chứng động kinh, giật cơ với sợi cơ không đều MERRF ở người Việt Nam (luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------------------

Bùi Thị Khánh

NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN VÀ ĐỊNH LƢỢNG MỘT SỐ ĐỘT
BIẾN CỦA HỘI CHỨNG ĐỘNG KINH, GIẬT CƠ VỚI SỢI CƠ
KHÔNG ĐỀU – MERRF Ở NGƢỜI VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015

1


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN …..…………………………………………………………... ii
MỤC LỤC …..…………………………………………………………………….. iii

DANH MỤC C C K HI U VÀ CHỮ VIẾT TẮT….……………….…….vi
DANH MỤC C C BẢNG............................................................................... viii
DANH MỤC C C HÌNH……………………………………………….........Error!
Bookmark not defined.
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 5
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LI U ............................................................. 7
1.1. CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA TY THỂ NGƢỜI ....................... 7
1.1.1. Cấu trúc của ty thể ............................................................................. 7
1.1.2. Chức năng của ty thể ....................................................................... 10
1.1.2.1. Ty thể hoạt động như một nhà máy năng lượng của tế bào ..... 10

1.1.2.2. Ty thể và quá trình lão hóa ....................................................... 11
1.1.2.3. Ty thể và quá trình tự chết của tế bào ...................................... 13
1.1.3. Hệ gen ty thể và đặc điểm di truyền của hệ gen ty thể .................... 14
1.1.3.1. Hệ gen ty thể ............................................................................. 14
1.1.3.2. Đặc điểm di truyền của hệ gen ty thể ........................................ 16
1.1.3.3. Tính chất dị tế bào chất và tốc độ đột biến của ty thể .............. 16
1.2. ĐỘT BIẾN GEN TY THỂ VÀ C C B NH LIÊN QUAN .................. 17
1.2.1. Các loại đột biến gen ty thể ............................................................. 17
1.2.1.1. Đột biến điểm ............................................................................ 18
1.2.1.2. Đột biến cấu trúc mtDNA ......................................................... 19
1.2.2. Các bệnh do đột biến gen ty thể ...................................................... 19
1.2.2.1. Hội chứng gây ra bởi các đột biến điểm phổ biến trên gen mã hóa
tRNA ....................................................................................................... 21
1.2.2.2. Các hội chứng liên quan đến các đột biến điểm phổ biến trên gen mã
hóa protein ............................................................................................. 23
1.2.2.3. Các bệnh liên quan đến các đột biến trên gen mã hóa rRNA ... 25
1.2.2.4. Bệnh gây nên bởi các đột biến khác trên mtDNA ..................... 26
1.3. HỘI CHỨNG ĐỘNG KINH, GIẬT CƠ VỚI SỢI CƠ KHÔNG ĐỀU
(MERRF) ....................................................................................................... 28

2


1.3.1. Các đột biến của hội chứng MERRF ............................................... 29
1.3.1.1. Đột biến A8344G ...................................................................... 29
1.3.1.2. Đột biến T8356C ....................................................................... 30
1.3.1.3. Đột biến G8363A ...................................................................... 30
1.3.2. Những tác động của hội chứng MERRF trên ngƣời
bệnh..........................................................................................................31
1.3.3. Các phƣơng pháp phát hiện đột biến MERRF............................... 33

1.3.3.1. Phát hiện đột biến thuộc hội chứng MERRF bằng PCR kết hợp với
RFLP .................………………………………………………………………33
1.3.3.2. Phân tích đột biến thuộc hội chứng MERRF bằng xác định trình tự
gen …...……………………………............................................34
1.3.3.3. Kỹ thuật đa dạng cấu hình sợi đơn SSCP (single-stranded
conformational polymorphism)..……………………………………….....34
1.3.3.4. Định lượng đột biến gen ty thể bằng phương pháp real-time PCR
………………..…………………………………………………………35
1.3.3.5. Phát hiện đột biến DNA ty thể bằng hệ thống cảm biến sinh học35
CHƢƠNG 2: NGUYÊN LI U VÀ PHƢƠNG PH P NGHIÊN CỨU ........... 37
2.1. NGUYÊN LI U ..................................................................................... 37
2.1.1. Mẫu bệnh phẩm ............................................................................... 37
2.1.2. Các hóa chất, nguyên liệu khác ....................................................... 37
2.2. M Y MÓC VÀ TRANG THIẾT BỊ ..................................................... 37
2.3. PHƢƠNG PH P NGHIÊN CỨU .......................................................... 38
2.3.1. Tách chiết DNA tổng số .................................................................. 38
2.3.2. Kiểm tra và định lƣợng DNA tách chiết .......................................... 38
2.3.3. Nhân bản đoạn gen ty thể bằng kỹ thuật PCR ................................. 39
2.3.4. Kỹ thuật PCR kết hợp với kỹ thuật đa hình chiều dài các đoạn phân cắt
giới hạn (PCR-RFLP) ................................................................................ 40
2.2.5. Điện di trên gel agarose ................................................................... 40
2.2.6. Điện di trên gel polyacrylamide ...................................................... 41
2.2.7. Kỹ thuật real-time PCR sử dụng mẫu dò huỳnh quang dạng khóa cầu axit
nucleic (LNA-locked nucleic acid) ............................................................ 42
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 46

3


3.1. THU THẬP MẪU M U B NH NHÂN VÀ T CH CHIẾT DNA TỔNG SỐ

....................................................................................................................... 46
3.1. Một số đặc điểm của mẫu phân tích ................................................... 46
3.2. Tách chiết DNA tổng số của các mẫu ................................................ 46
3.2. SÀNG LỌC C C ĐỘT BIẾN GEN THUỘC HỘI CHỨNG MERRF Ở
NGƢỜI VI T NAM BẰNG PHƢƠNG PH P PCR-RFLP ........................ 47
3.2.1. Sàng lọc đột biến A8344G ............................................................... 47
3.2.1.1. Nhân bản đoạn gen từ 8155 - 8366 bằng PCR ......................... 47
3.2.1.2. Phân tích sự có mặt của đột biến A8344G bằng PCR-RFLP ... 48
3.2.2. Sàng lọc đột biến T8356C ............................................................... 50
3.2.1.1. Nhân bản đoạn gen từ 8166 - 8358 bằng PCR ......................... 50
3.2.2.2. Phân tích sự có mặt của đột biến T8356C bằng PCR-RFLP ... 51
3.2.3. Sàng lọc đột biến G8363A ............................................................... 52
3.2.1.1. Nhân bản đoạn gen từ 8342 - 8582 .......................................... 52
3.2.2.2. Phân tích sự có mặt của đột biến G8363A bằng PCR-RFLP ... 54
3.3. XÂY DỰNG ĐƢỜNG CHUẨN ĐỂ ĐỊNH LƢỢNG ĐỘT BIẾN A8344G
BẰNG KỸ THUẬT REAL-TIME PCR ....................................................... 56
3.3.1. Thiết kế mẫu dò huỳnh quang Taqman LNA .................................. 56
3.3.1.1. Thiết kế mẫu dò huỳnh quang Taqman LNA ............................. 56
3.3.1.2. Đánh giá tính đặc hiệu của mẫu dò đột biến A8344G .............. 58
3.3.2. Xây dựng đƣờng chuẩn và đánh giá độ tin cậy của phƣơng pháp realtime PCR để định lƣợng đột biến A8344G ............................................... 60
3.3.2.1. Định lượng số bản sao của plasmid mang đoạn gen đột biến và
không đột biến A8344G.......................................................................... 60
3.3.2. 2. Kết quả xây dựng đường chuẩn đột biến A8344G ................... 60
3.2.4. Thử nghiệm khả năng phát hiện và định lƣợng đột biến A8344G .. 64
3.4. SÀNG LỌC ĐỘT BIẾN GEN THUỘC HỘI CHỨNG MERRF BẰNG
PHƢƠNG PH P GIẢI TRÌNH TỰ TRỰC TIẾP ........................................ 65
3.4.1. Kết quả giải trình tự vùng gen mang đột biến MERRF 8155-9292 trên hệ
gen ty thể. ................................................................................................... 65
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 67
TÀI LI U THAM KHẢO ................................................................................. 68

PHỤ LỤC …………………………………………………………………………..79

4


MỞ ĐẦU
Trong hầu hết các tế bào, ty thể là bào quan quan trọng đảm nhiệm chức năng
cung cấp năng lƣợng dƣới dạng ATP cho các hoạt động của tế bào. Ty thể sản xuất
năng lƣợng bằng cách oxy hóa hoàn toàn các hợp chất trung gian của quá trình
chuyển hóa thức ăn của cơ thể tạo thành sản phẩm cuối cùng là H 2O, CO2, và năng
lƣợng dƣới dạng ATP.
Ty thể có hệ gen riêng, nhân bản độc lập với hệ gen nhân. DNA ty thể ngƣời
tồn tại ở dạng mạch vòng kép, có kích thƣớc 16.569 bp, với 37 gen, mã hóa cho 2
RNA ribosome, 22 RNA vận chuyển và 13 protein là thành phần cần thiết trong các
phức hợp của chuỗi hô hấp. DNA ty thể dễ bị tổn thƣơng do ty thể là môi trƣờng
giàu dạng oxy phản ứng và thiếu cơ chế sửa chữa hiệu quả dẫn đến nhiều đột biến
xuất hiện trong hệ gen ty thể. Hầu hết các hoạt động của tế bào đều dựa vào nguồn
năng lƣợng ổn định do ty thể cung cấp, do đó những sai hỏng trong DNA ty thể có
thể gây ra sự rối loạn đa hệ thống ảnh hƣởng đến nhiều tế bào, mô và các tổ chức
khác nhau.
Năm 1988, Wallace và tập thể đã công bố đột biến điểm đầu tiên trên hệ gen ty
thể ngƣời gây bệnh liên quan đến thần kinh thị giác di truyền theo Leber (Leber’s
hereditary optic neuropathy - LHON). Cho đến nay, hơn 300 đột biến khác nhau
trong hệ gen ty thể ngƣời đã đƣợc xác định, trong đó có hơn 250 đột biến có khả
năng gây bệnh và kèm theo nhiều hội chứng khác nhau.
MERRF (myoclonic epilepsy with ragged-red fibres) là hội chứng động kinh
giật cơ với sợi cơ không đều, ảnh hƣởng đến hệ thần kinh và cơ xƣơng cũng nhƣ
các hệ thống khác của cơ thể, gây nên bởi những đột biến trên gen MT-TK của
DNA ty thể. Ngoài ra, ngƣời mang hội chứng MERRF có thể kèm theo động kinh,
mất điều hòa vận động, suy nhƣợc và mất trí nhớ. Triệu chứng thƣờng khởi phát ở

trẻ em sau một giai đoạn phát triển bình thƣờng, kết quả hay gặp là điếc, thấp bé,
thoái hóa thần kinh thị giác, đôi khi quan sát đƣợc các u mỡ khu trú dƣới da. Tế bào

5


cơ bất thƣờng và xuất hiện sợi cơ màu đỏ bị xé rách nham nhở khi nhuộm với
Gomori trichrome và quan sát dƣới kính hiển vi.
Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về hội chứng
MERRF để xác định nguyên nhân, cơ chế biểu hiện bệnh cũng nhƣ tính di truyền
của bệnh. Tuy nhiên, do tính phức tạp trong tác động lâm sàng, mô bệnh học, cơ
chế phát sinh và biểu hiện bệnh nên việc chẩn đoán bằng phƣơng pháp thăm khám
lâm sàng hay bằng các xét nghiệm thƣờng quy là rất khó khăn, vì thế nhiều bệnh
nhân MERRF vẫn chƣa đƣợc phát hiện và không có phƣơng pháp điều trị hiệu quả.
Ở Việt Nam, gần nhƣ chƣa có công trình nào đi sâu nghiên cứu phát hiện và
định lƣợng đột biến MERRF ở ngƣời Việt Nam.
Nhằm góp phần vào việc chẩn đoán, điều trị và tƣ vấn di truyền đối với các
bệnh nhân, gia đình bệnh nhân mang hội chứng MERRF chúng tôi tiến hành đề tài:
“Nghiên cứu phát hiện và định lượng một số đột biến của hội chứng động kinh,
giật cơ với sợi cơ không đều - MERRF ở người Việt Nam“.

6


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA TY THỂ NGƢỜI
1.1.1. Cấu trúc của ty thể
Ty thể là bào quan phổ biến đƣợc tìm thấy trong hầu hết các tế bào nhân
chuẩn. Chức năng chính của ty thể là cung cấp năng lƣợng hóa học cần thiết cho
các hoạt động sinh tổng hợp và vận động của tế bào. Ty thể đƣợc lần đầu tiên

tìm thấy trong tế bào cơ năm 1857 bởi nhà giải phẫu học ngƣời Thụy Sĩ, Kollier.
Đến năm 1890, nhà mô học ngƣời Đức, Richard Altmann, bằng phƣơng pháp
nhuộm fuchsine đã quan sát đƣợc ty thể ở nhiều tế bào khác nhau dƣới kính hiển
vi quang học [27].Ty thể có đƣờng kính khoảng 0,5-2 µm và chiều dài 7-10 µm.
Hình dạng và số lƣợng ty thể tùy thuộc vào nhu cầu năng lƣợng của mỗi loại tế
bào khác nhau, các tế bào mô cơ xƣơng hoặc thận cần một lƣợng ty thể lớn hơn
các tế bào khác trong cơ thể. Ty thể có thể hình cầu, hình que hay hình sợi
nhƣng đều có cấu trúc chung giống nhau. Ty thể có khả năng thay đổi hình dạng,
kích thƣớc, có thể liên kết với nhau tạo ra những cấu trúc dài hơn hoặc phân ra
thành những cấu trúc nhỏ hơn. Ngoài ra, ty thể có khả năng di chuyển để phản
ứng với những thay đổi sinh lý bên trong tế bào [35].

Hình 1.1. Cấu trúc ty thể [68]

7


Về cấu trúc, ty thể có cấu tạo dạng màng kép, gồm màng trong và màng ngoài,
bao lấy khối chất nền bên trong, khoảng cách giữa hai màng đƣợc gọi là xoang gian
màng. Cả hai màng đều có bản chất là lipoprotein tƣơng tự nhƣ màng sinh chất,
nhƣng có sự khác biệt về hình dạng và các tính chất lý hóa chuyên trách cho việc
thực hiện các chức năng sinh hóa của chúng [35].
Màng ngoài của ty thể có độ dày 6 nm, có tỷ lệ protein (P)/ lipid (L) lớn hơn
hoặc bằng 1. Màng ngoài ty thể chứa tỷ lệ cholesterol thấp (bằng 1/6 so với màng tế
bào hồng cầu), tỷ lệ phosphatidyl choline cao gấp hai lần so với màng tế bào. Màng
ngoài có nhiệm vụ tiếp thu phần lớn protein sản xuất từ tế bào chất để xây dựng ty
thể và kiến tạo màng. Đặc biệt, màng ngoài của ty thể có tính bán thấm rộng hơn
với các ion và các phân tử lớn cho phép các ion di chuyển tự do từ ngoài nguyên
sinh chất vào xoang gian màng và ngƣợc lại. Màng ngoài ty thể còn chứa nhiều
enzyme quan trọng nhƣ các transferase, các kinase, cytochrome-reductase, acyl

CoA synthetase [35].

Hình 1.2. Cấu tạo màng ty thể [67]
Màng trong của ty thể có độ dày 6 nm, protein chiếm 80%, lipid chiếm 20%,
và một lƣợng nhỏ cholesterol. Tỷ lệ giữa cholesterol/phospholipid là 1/53. Màng
trong ăn sâu vào chất nền tạo nên các mào răng lƣợc. Cấu trúc “mào” làm tăng diện
tích bề mặt của màng trong gấp ba lần so với màng ngoài và điều này liên quan đến
chức năng của nó là tăng cƣờng vận chuyển điện tử và tổng hợp ATP. Màng trong

8


chứa nhiều protein vận chuyển chủ động ATP, ADP, acid béo và các protein
kênh vận chuyển các ion Na +, K+, Ca2+ và H+. Màng trong là nơi bám của 5 phức
hợp thuộc chuỗi hô hấp bao gồm chuỗi vận chuyển điện tử (phức hợp I-IV), ATP
synthase (phức hợp V, còn gọi là F 1F0-ATPase) và adenine nucleotide
translocase (ANT) [9].
Xoang gian màng (khoảng xen kẽ giữa hai màng) là nơi trung chuyển các chất
giữa hai màng, môi trƣờng cũng tƣơng tự và cân bằng với bào tƣơng của tế bào.
Xoang gian màng chứa nhiều ion H+ từ chất nền đi ra do hoạt động của chuỗi vận
chuyển điện tử, chứa cytochrome c (Cyt c) là chất mang điện tử cơ động cho chuỗi
hô hấp, giải phóng Cyt c vào bào tƣơng sẽ hoạt hóa enzyme caspase có vai trò trong
quá trình chết theo chƣơng trình của tế bào [32].
Chất nền (matrix) là một vùng vật chất không định hình chứa nhiều cấu trúc
đặc biệt. Chất nền này là một phức hệ protein tan trong nƣớc, tƣơng đối đậm đặc và
chứa các enzyme của chu trình Krebs, các enzyme của quá trình oxy hóa acid béo,
acid amin và bộ máy di truyền riêng của ty thể. Nhƣ vậy, ở tế bào động vật, thực vật
và ngƣời ngoài hệ gen nhân, còn có hệ gen tế bào chất nằm trong ty thể. Ty thể có
vật chất di truyền và bộ máy của riêng nó để tổng hợp nên các RNA cũng nhƣ
protein của chúng. Các DNA ngoài nhiễm sắc thể này mã hóa một số các peptide

của ty thể (ở ngƣời là 13 loại peptide). Các peptide này gắn vào lớp màng trong
cùng với các protein khác đƣợc mã hóa trong nhân tế bào [32].
Ty thể nhân lên theo phƣơng thức rất giống với tế bào vi khuẩn. Khi chúng trở
nên quá lớn, chúng bắt đầu chia đôi. Quá trình này xảy ra sau khi bộ DNA của ty
thể đƣợc nhân đôi hoàn toàn, đƣợc thực hiện bằng sự tạo thành rãnh bên trong và
sau đó màng ngoài thắt lại hình thành hai ty thể con. Đôi khi các ty thể mới đƣợc
tổng hợp ở các trung tâm giàu protein và polyribosome cần thiết. Tuy nhiên, nhiều
ty thể không phân đôi và bị phân hủy trong lyzosome theo cơ chế tự tiêu
(autophagy). Cơ chế này giúp duy trì số lƣợng ty thể đặc trƣng trong một tế bào [9].

9


1.1.2. Chức năng của ty thể
1.1.2.1. Ty thể hoạt động như một nhà máy năng lượng của tế bào
Ty thể đóng vai trò trung tâm trong quá trình chuyển hóa năng lƣợng của tế
bào. Quá trình hô hấp biến đổi hóa học và trao đổi chất tại ty thể đã giúp chúng
chuyển đổi năng lƣợng hóa học tiềm tàng trong các hợp chất hữu cơ tạo ra CO2,
H2O và giải phóng năng lƣợng vào phân tử cao năng ATP. ATP đƣợc tạo thành từ
quá trình phosphoryl hóa oxy hóa dựa trên các phức hệ hô hấp (gọi là chuỗi vận
chuyển điện tử) nằm trên màng trong của ty thể. Quá trình oxy hóa của tế bào sử
dụng nguồn các đƣơng lƣợng khử NADH và FADH2 nhƣ nguồn điện tử chính trong
chuỗi vận chuyển điện tử. Các thành phần của chuỗi vận chuyển điện tử nằm ở
màng trong của ty thể bao gồm bốn phức hợp I, II, III và IV và một số chất mang
điện tử. Các điện tử đƣợc vận chuyển dọc theo chuỗi, ba trong bốn phức hợp hoạt
động nhƣ máy bơm proton, đẩy proton từ chất nền tạo thành dòng chuyển proton.
Nhờ gradient proton và sự chênh lệch điện thế qua màng, mà ATP đƣợc tổng hợp từ
ADP và Pi bởi phức hệ F0F1 synthase, do đó cho phép các proton trở lại chất nền.
Sự kết hợp vận chuyển điện tử và tổng hợp ATP hoạt động theo cơ chế hóa thẩm.
Có hai giai đoạn tạo ra ATP ở ty thể, đó là chu trình Krebs diễn ra trong chất nền và

quá trình phosphoryl hóa oxy hóa ở chuỗi vận chuyển điện tử nằm ở màng trong ty
thể với sự xúc tác của các phức hệ enzyme [23].
Nguồn tạo ra năng lƣợng trong ty thể là carbohydrate, chất béo và protein
đƣợc lấy từ thức ăn, trong đó chủ yếu là carbohydrate. Các hợp chất carbohydrate,
chủ yếu là glucose thông qua quá trình đƣờng phân (glycolysis) đƣợc phân cắt và
biến đổi cuối cùng tạo thành pyruvate, chất khử NADH và một lƣợng ATP.
Pyruvate đƣợc đƣa vào ty thể và bị oxy hóa, decarboxyl hóa để tạo thành acetylCoA (acetyl-CoA có thể tạo ra từ quá trình oxy hóa acid béo) và tiếp tục đƣợc oxy
hóa hoàn toàn qua chu trình Krebs để tạo thành CO 2, H2O và năng lƣợng chủ yếu
đƣợc tích trữ dƣới dạng ATP. Trong chu trình Krebs, điện tử và proton H + đƣợc
tách ra và chuyển đến các phân tử nhận điện tử là NAD + và FAD trong chuỗi vận

10


chuyển điện tử để tạo thành NADH và FADH 2. Chuỗi vận chuyển điện tử bao
gồm bốn phức hợp: nicotinamide adenine dinucleotide coenzyme Q reductase
(NADH-CoQ reductase/ phức hệ I), succinate CoQ reductase (phức hệ II),
ubiquinol cytochrome b reductase (phức hệ III), cytochrome c oxidase (phức hệ
IV) và hai phân tử vận chuyển điện tử giữa các phức hệ là coenzyme ubiquinone
(CoQ) và Cyt c. Phức hệ I và II có vai trò xúc tác cho sự nhận điện tử của CoQ từ
NADH và succinate. Sau đó phức hệ III xúc tác cho quá trình chuyển điện tử từ
CoQ đến Cyt c. Cuối cùng phức hệ IV xúc tác cho sự vận chuyển điện tử từ Cyt c
tới chất nhận cuối cùng là oxy phân tử. Ở mỗi giai đoạn, điện tử đi qua các phức
hệ, năng lƣợng đƣợc giải phóng ra kèm theo việc bơm các proton (H +) từ chất nền
qua màng trong ra xoang gian màng và làm xuất hiện điện thế màng. Do đó, hệ
thống F0F1 synthase hoạt động và tổng hợp ATP từ ADP và phosphate vô cơ [35].
ATP là nguồn năng lƣợng lớn đƣợc sử dụng cho tất cả các quá trình trao đổi
chất cần thiết bên trong tế bào. Vì vậy, khi ty thể bị tổn thƣơng, quá trình sản sinh
ra năng lƣợng bị chậm lại, thậm chí là ngừng lại hoàn toàn. Pyruvate không đƣợc
chuyển hóa tiếp, nên bị biến đổi thành lactate, vì vậy các bệnh nhân bị bệnh ty thể

thƣờng có hàm lƣợng lactate trong máu và trong dịch não tủy cao. Do gần nhƣ tất
cả các tế bào đều dựa vào nguồn năng lƣợng ổn định do ty thể cung cấp nên khi ty
thể bị tổn thƣơng có thể gây ra sự rối loạn đa hệ thống, ảnh hƣởng đến nhiều loại tế
bào cũng nhƣ mô và các cơ quan [35].
1.1.2.2. Ty thể và quá trình lão hóa
Lão hóa là một quá trình sinh học phức tạp, là yếu tố nguy cơ lớn cho sự phát
triển của ung thƣ, thoái hóa thần kinh và các bệnh tim mạch. Cơ chế phân tử của sự
lão hóa là vấn đề phức tạp, tuy nhiên quá trình oxy hóa và nitrate hóa protein trong
tế bào đã đƣợc đề xuất là cơ sở cho việc suy giảm chức năng của tế bào và làm giảm
khả năng chống chịu của cơ thể [60].
Các gốc tự do, chủ yếu là các dạng oxy phản ứng (ROS – Reactive oxygen
species) đƣợc xem là những phân tử tín hiệu của nhiều hoạt động sinh lý. Những

11


năm 1990, hydrogen peroxide đƣợc phát hiện là có liên quan đến cytokine, insulin,
yếu tố tăng trƣởng, AP-1 và tín hiệu NF-кB [48]. Sau đó, nhiều báo cáo chỉ ra rằng
H2O2 có thể thúc đẩy sự bất hoạt phosphatase bằng sự oxy hóa cysteine làm ảnh
hƣởng đến con đƣờng truyền tín hiệu [58].
Hệ quả của các phản ứng hô hấp trong ty thể là các điện tử chƣa ghép cặp, sự
tƣơng tác của các điện tử này với oxy tạo thành các gốc superoxide rất hoạt động,
các gốc tự do có hoạt tính cao. Có 8điểm trong ty thể có khả năng sản xuất O2-,
superoxide đƣợc chuyển hóa thành hydrogen peroxide (H2O2) bởi superoxide
dismutase (SOD) khi có sự tham gia của một điện tử và 2 proton H+ [48].
Ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy rằng ROS có thể gây ra những thay
đổi trong quá trình dịch mã protein. Cụ thể, H2O2 có thể oxy hóa nhóm thiol (-SH)
trong cysteine để tạo thành axit sulphenic (-SOH), tiếp theo phản ứng với GSH sinh
ra glutathionylate (-SSG) mang liên kết disulfide (-S-S-) hoặc amide sulfenyl (-SN).
Mỗi sự thay đổi này có thể ảnh hƣởng đến hoạt động của một protein nhất định.

Phosphorylase bị tác động khá nặng bởi ROS, làm ức chế hoạt động tách gốc
phosphate [48].
Hơn nữa, các gốc tự do khác nhƣ các gốc hydroxyl (OH.) và hydrogen
peoxyde (H2O2) cũng có thể tồn tại ở nồng độ tƣơng đối cao, gây nên nguy cơ oxy
hóa lipid làm tổn thƣơng màng tế bào và ảnh hƣởng đến cấu trúc DNA. Đáng chú ý
rằng sự tác động của các gốc tự do này tới DNA ty thể sẽ lớn hơn DNA trong nhân
do DNA ty thể không liên kết với Histone và không có cơ chế tự sửa chữa. Khả
năng tạo năng lƣợng ATP của ty thể giảm và tăng quá trình oxy hoá làm hƣ hại cấu
trúc tế bào. Gốc tự do có thể phá rách màng tế bào khiến chất dinh dƣỡng thất thoát,
tế bào không tăng trƣởng, không đƣợc sửa chữa và chết. ROS phá hủy hoặc ngăn
cản sự tổng hợp protein, lipid, đƣờng, tinh bột, enzyme trong tế bào, làm cho
collagen, elastin mất tính đàn hồi khiến da nhăn nheo, cơ khớp cứng nhắc [22].
ROS đƣợc cho là tác nhân chính gây ra những tổn thƣơng sinh lý của tế bào.
Sự tích lũy ROS và các tác nhân oxy hóa có liên quan đến nhiều bệnh lý, bao gồm

12


các bệnh thoái hóa thần kinh, tiểu đƣờng, ung thƣ và lão hóa sớm. ROS và các gốc
tự do gây ra các đột biến gen, tăng sự hình thành và tích lũy các đột biến DNA ty
thể ở các mô trong quá trình lão hóa [48]. Theo thuyết ty thể về lão hoá, việc tích
luỹ những tổn thƣơng ở các thành phần bên trong ty thể bao gồm mtDNA, protein,
lipid làm ảnh hƣởng đến chức năng của ty thể. Nói chung, những tổn thƣơng của
mtDNA trong phạm vi rộng với thời gian dài dẫn đến ty thể bị rối loạn, thậm chí
ngừng hoạt động là nguyên nhân làm cho tế bào chết và cơ thể bị lão hoá [21].
1.1.2.3. Ty thể và quá trình tự chết theo chương trình của tế bào
“Chết theo chƣơng trình” (apoptosis) là một quá trình quan trọng giúp các sinh
vật đa bào duy trì sự toàn vẹn và chức năng của mô và để loại bỏ những hƣ hại hoặc
các tế bào không mong muốn. Ty thể đóng vai trò cốt lõi trong việc điều tiết sự chết
của tế bào bằng cách cung cấp nhiều yếu tố quan trọng bao gồm cả sự hoạt hóa

caspase và phân mảnh nhiễm sắc thể. Ty thể có vai trò quan trọng trong cơ chế tích
tụ Ca2+ và rối loạn quá trình oxy hóa, sự tích lũy lƣợng Ca2+ đủ lớn trong ty thể dẫn
đến chết theo chƣơng trình của tế bào. Nồng độ và khả năng hoạt động của Ca2+
trong ty thể đƣợc điều khiển bởi họ protein Bcl-2, yếu tố quan trọng tham gia vào
quá trình chết theo chƣơng trình của tế bào [34].
Tín hiệu gây chết nội bào phụ thuộc vào sự phóng thích Cyt c. Tác động của
Cyt c là liên kết với thụ thể protein hoạt hóa procaspase (Apaf-1), tổ hợp lại với
nhau tạo thành heptamer gọi là apoptosome. Apaf-1 trong apoptosome hoạt hóa
procaspase mở đầu (procaspase-9), từ đó hoạt hóa dòng caspase sát thủ để điều dẫn
sự chết tế bào. Bcl-2 điều hòa con đƣờng apoptosis nội bào bằng cách kiểm soát sự
phóng thích Cyt c và các protein khác từ khoảng gian màng của ty thể vào tế bào
chất. Bcl-2 có hai loại: pro-apoptosis Bcl-2 gia tăng sự giải phóng Cyt c và kích
thích sự chết của tế bào; anti-apoptosis Bcl-2 có tác dụng ngƣợc lại, ức chế sự giải
phóng Cyt c từ đó kìm hãm sự chết của tế bào [32, 60].
Nồng độ Ca2+ trong ty thể cũng quyết định đến sự sống còn của tế bào. Sự kích
hoạt nhóm protein pro-apoptosis Bcl-2 đòi hỏi nồng độ ion Ca2+ trong ty thể phải đủ

13


lớn, từ đó dẫn đến các rối loạn về chức năng của ty thể, kích thích giải phóng Cyt c
và hoạt hóa caspase. Mặt khác, khi một lƣợng lớn Ca2+ tích tụ trong ty thể, sẽ tƣơng
tác với cyclophilin D để kích thích mở lỗ bán thấm trên màng trong của ty thể làm
chất nền bị trƣơng lên làm vỡ màng ty thể và phát tán Cyt c. Hơn nữa, Ca2+ còn
kích thích sự tổng hợp các gốc tự do có hoạt tính cao (ROS). Sự dƣ thừa ROS trong
ty thể hoạt động nhƣ chất trung gian của các con đƣờng truyền tín hiệu chết theo
chƣơng trình [34].
Những rối loạn chức năng của ty thể gây ra bởi sự sai hỏng DNA và các yếu tố
làm tổn thƣơng gen dẫn đến một kết quả chắc chắn là sự chết tế bào theo chƣơng
trình.

1.1.3. Hệ gen ty thể và đặc điểm di truyền của hệ gen ty thể
1.1.3.1. Hệ gen ty thể
Ty thể là bào quan có hệ gen riêng, nhân bản độc lập với gen nhân. DNA ty
thể ngƣời tồn tại ở dạng mạch vòng kép, có kích thƣớc 16.569 bp, gồm 37 gen mã
hóa cho 2 phân tử ARN ribosome, 22 phân tử ARN vận chuyển và 13 phân tử
protein là thành phần cần thiết trong các phức hợp của chuỗi hô hấp.

Hình 1. 3. Hệ gen ty thể [11]

14


ND1-ND6 và ND4L mã hóa 7 tiểu đơn vị của phức hợp (NADH-ubiquinone
oxidoreductase), Cyt b là tiểu đơn vị phức hợp III chỉ đƣợc mã hóa bởi mtDNA
(ubiquinol cytochrome c oxidase reductase), COX 1-3 mã hóa cho 3 tiểu đơn vị của
phức hợp V (ATP synthase). Các phân tử protein còn lại của chuỗi hô hấp đƣợc mã
hóa bởi gen nhân, đƣợc dịch mã trong tế bào chất, sau đó đƣợc vận chuyển vào bên
trong ty thể [59].
Đặc biệt, so với hệ gen nhân, hệ gen ty thể chứa rất ít trình tự không mã hóa
xen kẽ với vùng mã hóa. D-loop nằm giữa gen tRNAPhe (gen MT-TK) và tRNAPro
(gen MT-TP) là vùng không mã hóa lớn nhất và có vai trò quan trọng trong điều
hòa quá trình sao chép và phiên mã của hệ gen ty thể, chứa promoter cho sự phiên
mã chuỗi nặng (H) và chuỗi nhẹ (L), chứa điểm khởi đầu của quá trình tái bản. Hai
gen mã hóa cho rRNA (12S và 16S rRNA) và 22 gen mã hóa cho 22 tRNA đƣợc
nằm giữa các gen mã hóa cho protein. Các gen này cung cấp các RNA cần thiết cho
sự tổng hợp protein bên trong ty thể [11].
Hệ gen ty thể sao chép độc lập với hệ gen nhân bằng một hệ thống riêng trong
ty thể nhƣng các enzyme cho quá trình tái bản lại do hệ gen nhân mã hóa. Quá trình
phiên mã và dịch mã của DNA ty thể lại đƣợc điều khiển bởi gen nhân. Hệ gen ty
thể đƣợc phiên mã từ một điểm khởi đầu nằm trên vùng D-loop, bản phiên mã sau

đó đƣợc endonuclease phân cắt để hình thành nên phân tử rRNA 12S và 16S, tRNA
và mRNA tiền thân. Phân tử mRNA hoàn thiện của ty thể không đƣợc gắn mũ
nhƣng có đuôi polyA. Mô hình phiên mã trên có nhiều điểm giống với một operon
của vi khuẩn [11, 59].
Các tế bào ngƣời có thể chứa tới hàng ngàn bản sao mtDNA trong một tế bào và
có số lƣợng dao động tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng năng lƣợng của từng loại tế bào.
Số bản sao mtDNA giảm nhiều lần trong quá trình tạo tinh trùng nhƣng dƣờng nhƣ
tăng đột ngột trong quá trình tạo trứng. Số lƣợng bản sao mtDNA thay đổi rất lớn ở
các mô khác nhau và đƣợc kiểm soát nghiêm ngặt trong thời kỳ đầu của quá trình
phát triển của động vật. Số bản sao mtDNA tăng khi quá trình trao đổi chất tăng [46].

15


1.1.3.2. Đặc điểm di truyền của hệ gen ty thể
Sự di truyền của các gen trên mtDNA là sự di truyền qua tế bào chất. Giống
nhƣ các DNA ngoài nhân, DNA ty thể đƣợc di truyền theo dòng mẹ, ngƣời mẹ
truyền gen ty thể cho các con, nhƣng chỉ con gái của bà mới có thể truyền các kiểu
gen này cho thế hệ tiếp theo. Cơ chế di truyền này đƣợc lý giải bởi tế bào trứng của
ngƣời phụ nữ trung bình chứa khoảng 100.000 phân tử DNA ty thể, trong đó một
tinh trùng khỏe mạnh chỉ chứa trung bình 100 - 1500 phân tử, mặt khác sự suy thoái
của mtDNA trong đƣờng sinh dục nam và sự phá hủy mtDNA của tinh trùng khi
vào tế bào trứng là rất rõ ràng nên mtDNA trong tế bào hợp tử thƣờng chỉ đƣợc
thừa hƣởng từ trứng [29, 61].
Đối với các gen nằm trong nhân của tế bào sinh vật nhân chuẩn, chúng tuân
theo các quy luật hoạt động của nhiễm sắc thể trong các cơ chế phân bào. Nhƣng
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 trƣng cho chúng. Đột biến mtDNA
đƣợc truyền từ mẹ sang con nhƣng tỷ lệ số bản sao mang đột biến ở mẹ và con
khác nhau, các cá thể mang đột biến trong một phả hệ gia đình cũng có sự thay

đổi về tần suất đột biến vì vậy mức độ biểu hiện bệnh ở mẹ và các con có thể rất
khác nhau [29, 46].
Một đặc điểm khác biệt nổi bật về tính di truyền gen ty thể là tần số xuất hiện
của gen đột biến giữa mẹ và con cái. Ví dụ, một ngƣời mẹ khỏe mạnh mang đột
biến mtDNA có thể sinh ra hai ngƣời con với tần suất mang gen đột biến hoàn toàn
khác nhau, một ngƣời con khỏe mạnh và một ngƣời con có biểu hiện bệnh trầm
trọng ngay từ khi còn nhỏ. Kiểu di truyền này đƣợc gọi là “nút cổ chai”, theo đó tần
suất mang mtDNA đột biến của các thế hệ con cháu khác nhau đáng kể và cũng
khác với mẹ [14, 46, 50].
1.1.3.3. Tính chất không đồng nhất và tốc độ đột biến của ty thể
Mỗi tế bào có thể chứa hàng ngàn bản sao DNA. Vì vậy, khi xuất hiện đột biến
thì trong cùng một mô có thể có cả mtDNA bình thƣờng và mtDNA đột biến, hiện

16


tƣợng này đƣợc gọi là tính không đồng nhất (Heteroplasmy). Nếu các bản sao của
mtDNA đều giống nhau thì đƣợc gọi là đồng nhất giữa các bản sao ty thể
(Homoplasmy).
Số bản sao mtDNA đột biến so với tổng lƣợng mtDNA của tế bào sẽ xác định
mức độ heteroplasmy, là một nhân tố quyết định mức độ nghiêm trọng của bệnh. Đa
số các đột biến mtDNA gây bệnh đều tồn tại ở dạng heteroplasmy. Những hiểu biết
về mức độ dị plasmid của ngƣời mang đột biến là thông số quan trọng để có thể tiên
lƣợng đƣợc tình trạng bệnh lý và sự di truyền của đột biến gen ty thể [14].
mtDNA có tốc độ đột biến cao gấp 10 - 20 lần so với DNA trong nhân, do hệ
gen ty thể ở dạng trần (không liên kết với các protein bảo vệ kiểu histone nhƣ hệ gen
nhân), không chứa trình tự intron, hệ gen ty thể dễ tiếp xúc với các gốc tự do [54].
Ngoài ra, ty thể không có cơ chế sửa chữa DNA hiệu quả nhƣ với DNA trong nhân.
Hiện nay, đã có nhiều đột biến gen ty thể gây bệnh đƣợc phát hiện và nghiên cứu.
Các đột biến gen ty thể này thƣờng gây ra các triệu chứng khác nhau, tuy nhiên chủ

yếu tập trung vào cơ, thần kinh và các chuyển hóa của cơ thể.
1.2. ĐỘT BIẾN GEN TY THỂ VÀ CÁC BỆNH LIÊN QUAN
1.2.1. Các loại đột biến gen ty thể
Bộ gen ty thể có tỷ lệ đột biến rất cao, cao hơn từ 10 đến 20 lần so với đột biến
DNA trong nhân.
Hầu hết những thay đổi trên DNA ty thể là đa hình và có vai trò quan trọng
trong việc theo dõi sự di cƣ của con ngƣời. Những đột biến mtDNA gây bệnh
đầu tiên đã đƣợc xác định vào năm 1988. Kể từ đó, hơn 250 đột biến mtDNA
gây bệnh đã đƣợc phát hiện và nghiên cứu, bao gồm hai loại đột biến chính là
đột biến điểm và đột biến cấu trúc. Các đột biến mtDNA có tính không đồng
nhất về biểu hiện lâm sàng và tuổi khởi phát bệnh, do đó việc xác định tỷ lệ của
bệnh đột biến gen ty thể là rất khó khăn. Ƣớc tính ở phía Đông Bắc nƣớc Anh có
tỷ lệ 1/10.000 ngƣời đã có biểu hiện lâm sàng bệnh ty thể và 1/6000 ngƣời có
nguy cơ mắc bệnh. Một nghiên cứu gần đây đã cho thấy tần số đột biến là 0,14%

17


đối với đột biến A3243G và 0,2% đối với đột biến A1555G liên quan đến MTRNR1 aminoglycoside gây ra mất thính giác, điều này chứng tỏ rằng những hiểu
biết về đột biến gen ty thể còn nhiều hạn chế [31, 56].
1.2.1.1. Đột biến điểm
Đột biến điểm là đột biến thay thế, mất hoặc thêm một nucleotide xảy ra trong
cấu trúc của gen tại một điểm trên phân tử DNA. Hơn 250 đột biến điểm gây bệnh
đã đƣợc xác định trên gen ty thể qua các bệnh nhân với hàng loạt các rối loạn khác
nhau ( thƣờng di truyền từ mẹ sang con và liên
quan đến nhiều hệ thống cơ quan. Đột biến điểm trên mtDNA có thể xảy ra trên gen
mã hóa tRNA, rRNA hay protein, tuy nhiên hơn một nửa trong số các đột biến điểm
đƣợc báo cáo liên quan đến gen tRNA của ty thể [31].
tRNA ty thể có cấu trúc ngắn hơn và khác biệt với tRNA trong tế bào chất
(mã hóa bởi gen nhân) nên sự sai khác về 1 nucleotide dẫn đến thay đổi dạng

hình L của tRNA, ảnh hƣởng đến cấu trúc bậc ba của chúng. Một số đột biến
trên tRNA ty thể dẫn đến những khiếm khuyết trên phức hợp OXPHOS. Tùy
thuộc vào điểm đột biến trên gen tRNA ty thể sẽ ảnh hƣởng đến các kênh vận
chuyển điện tử khác nhau trong chuỗi hô hấp tế bào. Các nguyên nhân gây ra
khiếm khuyết trong quá trình tổng hợp các tRNA ty thể là rất nhiều bao gồm: kết
thúc phiên mã, biến đổi tRNA trƣởng thành, thay đổi bộ ba đối mã, ảnh hƣởng
đến cấu trúc và chức năng của tRNA do đó giảm khả năng gắn acid amin, giảm
liên kết với các yếu tố dịch mã mtEFT hoặc các ribosome ty thể. Đột biến điểm ở
gen mã hóa protein ty thể đặc biệt ảnh hƣởng đến các chức năng của phức hợp
chuỗi hô hấp tế bào mà nó đảm nhiệm [56].
Đột biến điểm trên mtDNA chủ yếu ở dạng không đồng nhất (heteroplasmy),
tỷ lệ đột biến giữa các mô trong cùng một cá thể cũng rất khác nhau. Một số đột
biến gen ty thể ở dạng đồng nhất (homoplasmy) đang đƣợc nghiên cứu nhiều hơn,
đột biến này thƣờng ảnh hƣởng đến các mô xác định và có biểu hiện lâm sàng đặc

18


trƣng. Tuy nhiên, đột biến điểm gen ty thể rất đa hình nên việc xác định tỷ lệ đột
biến gen gây bệnh ty thể là vấn đề cần đƣợc nghiên cứu nhiều hơn nữa [31].
1.2.1.2. Đột biến cấu trúc mtDNA
Đột biến cấu trúc gen ty thể bao gồm mất đoạn, lặp đoạn và một số sự sắp xếp
cấu trúc phức tạp khác đã đƣợc nghiên cứu gắn với tình trạng bệnh lý. Phần lớn đột
biến cấu trúc mtDNA đƣợc phát hiện liên quan đến mất đoạn, thay đổi kích thƣớc
khoảng 1,3 - 8 kb hay một vài gen. Đột biến mất đoạn mtDNA thƣờng xảy ra ở giai
đoạn sớm trong quá trình phát triển của hợp tử dẫn đến tần số xuất hiện và biểu hiện
bệnh ở các mô là tƣơng tự nhau. Kích thƣớc đoạn mtDNA bị mất có thể do đột biến
gen nhân quy định việc duy trì, sao chép và trao đổi nucleotide trong mtDNA (ví
dụ, POLG và PEO1 mã hóa Twinkle) [56].
Ở cấp độ phân tử, khoảng 60% đột biến mất đoạn mtDNA xảy ra trong khu

vực mtDNA mà hai bên là trình tự lặp ngắn, kiểu mất đoạn này đƣợc gọi là đột biến
mất đoạn type I. Khoảng 30% đột biến mất đoạn mtDNA xảy ra tại những vùng có
trình tự lặp không tuyệt đối, đƣợc gọi là mất đoạn type II. Còn lại khoảng 10% đột
biến mất đoạn xảy ra ở vùng không có trình tự lặp. Mất đoạn mtDNA phổ biến nhất,
gặp ở khoảng 1/3 số bệnh nhân, là đột biến mất đoạn 5 kb (8470 - 13447) đƣợc giới
hạn bởi trình tự lặp 13 bp (type I) [24].
Mặc dù có nguồn gốc khác nhau, hầu hết đột biến mất đoạn mtDNA đều có
đặc điểm chung, chủ yếu xảy ra từ quá trình sao chép. Cơ chế xảy ra đột biến cũng
giống nhau, Krishnan và cộng sự [24] đã đề xuất rằng mất đoạn mtDNA phát sinh
trong quá trình sửa chữa các sai hỏng trong phân tử mtDNA tái bản. Số lƣợng
nucleotide bị mất và tần suất xuất hiện của đột biến trong các mô là cơ sở quan
trọng cho việc xác định triệu chứng lâm sàng của bệnh, nhƣng có thể không tỷ lệ
thuận với nhau.
1.2.2. Các bệnh do đột biến gen ty thể
Ty thể là bào quan sản xuất năng lƣợng quan trọng trong các tế bào nhân
chuẩn. Bệnh ty thể là bệnh lý trong đó khả năng sản xuất năng lƣợng và đảm

19


nhiệm vai trò bình thƣờng trong tế bào của ty thể bị tổn hại. Nhiều nghiên cứu
cho thấy đột biến mtDNA là một trong các nguyên nhân chủ yếu gây bệnh ở
ngƣời, ngoài ra một số đột biến gen nhân cũng có thể làm mất chức năng của ty
thể gây nên bệnh ty thể [56]. Bệnh ty thể có ảnh hƣởng đến nhiều cơ quan với tập
hợp các triệu chứng liên quan đến cơ, hệ thần kinh và các cơ quan thiết yếu cho sự
sống cần năng lƣợng cao. Biểu hiện lâm sàng của bệnh ty thể rất đa dạng, có những
triệu chứng đan xen vào nhau, thƣờng đƣợc xác định bởi tình trạng thiếu năng
lƣợng tế bào do khiếm khuyết quá trình phosphoryl hóa oxy hóa.
Sự khởi phát các triệu chứng lâm sàng, sự biến đổi kiểu hình và mức biểu
hiện của bệnh ty thể chịu sự chi phối của một số yếu tố bao gồm hiệu ứng

ngƣỡng, sự phân chia tế bào chất trong phân bào, số lƣợng bản sao DNA đƣợc
nhân lên trong ty thể, và sự di truyền “nút cổ chai”. Nhiều đột biến gen gây bệnh
ty thể ở trạng thái không đồng nhất, trong trƣờng hợp này thì tỷ lệ gen đột biến
có liên quan đến mức độ biểu hiện của bệnh. Tỷ lệ gen đột biến nhỏ nhất cần
thiết có thể gây nên những biến đổi sinh hóa và chức năng của tế bào dẫn đến
biểu hiện lâm sàng của bệnh đƣợc gọi là ngƣỡng biểu hiện của đột biến. Giá trị
ngƣỡng này khác nhau đối với từng loại đột biến và giữa các mô, cơ quan trong
cơ thể; sự hô hấp của tế bào theo con đƣờng hiếu khí sẽ bị ảnh hƣởng sớm hơn
so với con đƣờng kị khí. Thông thƣờng các giá trị ngƣỡng trong khoảng 60 90% gen đột biến mtDNA [14]. Trong quá trình phân bào, ty thể đƣợc tách ngẫu
nhiên và trong tế bào con sẽ không có sự đồng nhất về tỷ lệ đột biến mtDNA, sự
thay đổi này đôi khi thấp hơn hoặc cao hơn ngƣỡng biểu hiện của bệnh. Mặt
khác, mỗi ty thể của tế bào có hàng ngàn bản sao DNA dẫn đến sự thay đổi tỷ lệ
mtDNA đột biến trong tế bào và mô. Cơ chế di truyền “nút cổ chai” cũng quyết
định sự biểu hiện bệnh ty thể ở các con sinh ra từ trứng của ngƣời mẹ mang đột
biến gen ty thể ở dạng không đồng nhất, bởi sự di truyền ngẫu nhiên lƣợng
mtDNA đột biến vào tế bào trứng của mẹ tạo nên tỷ lệ không đồng nhất ở tế bào
hợp tử cao hơn hay thấp hơn ngƣỡng biểu hiện của bệnh [46].

20


Từ việc xác định đƣợc các đột biến mtDNA đầu tiên vào năm 1988, sau đó đã
có nhiều nghiên cứu quan trọng đi sâu tìm hiểu những rối loạn di truyền mtDNA
dẫn đến tình trạng bệnh lý. Hiện nay, đã có hơn 250 đột biến mtDNA gây bệnh
đƣợc xác định. Ngoài ra còn có nhiều báo cáo về các đột biến gen nhân làm thay đổi
protein trong chuỗi hô hấp của ty thể gây nên bệnh ty thể. Những nghiên cứu này
làm sáng tỏ cơ chế phân tử của bệnh ty thể, đặc biệt tập trung vào các khuyết tật di
truyền mtDNA, hệ quả chức năng đặc trƣng của đột biến mtDNA nhằm mang lại sự
tiến bộ về phƣơng pháp chẩn đoán và điều trị bệnh ty thể.
1.2.2.1. Hội chứng gây ra bởi các đột biến điểm phổ biến trên gen mã hóa tRNA

Hội chứng MELAS (mitochondrial encephalopathy, lactic acidosis and
stroke-like episodes) là hội chứng não giật cơ, tăng acid lactic máu và giả tai
biến mạch, đƣợc di truyền từ mẹ sang con. Bệnh có ảnh hƣởng đến nhiều hệ
thống của cơ thể, đặc biệt là não bộ, hệ thần kinh và cơ bắp. Các dấu hiệu và
triệu chứng của rối loạn này thƣờng xuất hiện ở trẻ em sau một thời gian phát
triển bình thƣờng, có thể khởi phát ở mọi lứa tuổi. Triệu chứng của bệnh bao
gồm yếu cơ, đau cơ, đau đầu, nôn, và co giật, một số cá nhân có thể bị đột quỵ
trƣớc tuổi 40. Bệnh tiến triển có thể là liệt nửa ngƣời, bất thƣờng về thị giác, co
giật và nhức đầu nghiêm trọng, những lần đột quỵ lặp lại làm tổn thƣơng não dẫn
đến mất thị lực, mất chức năng trí tuệ [6, 56].
Hầu hết bệnh nhân MELAS đều bị tích tụ acid lactic trong cơ thể dẫn đến
nhiễm toan làm nôn mửa, đau bụng, rất mệt mỏi, yếu cơ và khó thở. Một số trƣờng
hợp MELAS co thắt cơ không tự chủ, giảm thính lực, bệnh tim và thận, tiểu đƣờng,
mất cân bằng nội tiết tố [40].
Nguyên nhân là do một trong các loại đột biến A3243G, A3251G, T3271C,
T3291C, A3252G, A3260G, C3256T trên gen MT-TL1 mã hóa cho tRNALeu; đột
biến G13513A, A12770G và A13514G trên gen MT-ND5 mã hóa cho ND5
ubiquinone oxidoreductase của phức hợp I, G583A trên gen MT-TF mã hóa cho
tRNAPhe, G1642A trên gen MT-TV mã hóa cho tRNAVal, A5814G trên gen MT-TC

21


mã hóa cho tRNACys. Trong đó, đột biến A3243G chiếm 80% số ca mang hội chứng
MELAS, tiếp theo là đột biến T3271C xảy ra khoảng 7,5% [16]. MELAS có thể gây
ra bởi các đột biến điểm mtDNA ở các gen khác nhƣ COXIII, ND1, ND5 hoặc gen
mã hóa tRNAPhe, tRNAVal, tRNACys, rRNA hoặc mất đoạn với kích thƣớc ngắn. Tuy
nhiên, đột biến trên tRNALeu vẫn là đột biến phổ biến nhất liên quan đến kiểu hình
MELAS. Trong số đó, đột biến A3243G đƣợc báo cáo đầu tiên trên gen mã hóa cho
tRNALeu và là đột biến phổ biến nhất ở tất cả chủng tộc [1]. Nhƣ vậy, đột biến

A3243G là một chỉ tiêu quan trọng để chẩn đoán hội chứng MELAS ngoài các kiểm
tra lâm sàng.
Hội chứng CPEO (chronic progressive external ophthalmoplegia) là hội
chứng liệt cơ mắt ngoài tiến triển do rối loạn chức năng ty thể, thƣờng gặp ở ngƣời
lớn. Triệu chứng điển hình của bệnh là liệt cơ mắt, sa mí mắt, rối loạn tâm thần và
đột tử.
CPEO là một bệnh tiến triển chậm, có thể bắt đầu ở mọi lứa tuổi và tiến
triển trong khoảng thời gian 5 đến 15 năm. Các triệu chứng đầu tiên xuất hiện
thƣờng là mí mắt sụp xuống làm giảm giới hạn vận động của mắt, hạn chế tầm
nhìn của mắt, và tổn thƣơng giác mạc. Bệnh nhân thƣờng sử dụng cơ trán để
giúp nâng mí mắt nên có thể xảy ra teo các nhóm cơ trên mặt, khó khăn trong
việc nhai, một số bệnh nhân đục thủy tinh thể, suy giảm thính giác, đau thần kinh
sợi trục, mất điều hòa co cơ, Parkinson [56].
CPEO là tình trạng bệnh gây nên bởi những khuyết tật trong ty thể làm ảnh
hƣởng đến quá trình phosphoryl oxy hóa trên chuỗi hô hấp tế bào. Trong một số
trƣờng hợp, đột biến ở gen MT-TL1 trên mtDNA gây nên CPEO. Nguyên nhân của
bệnh là do đột biến A3243G nằm trên gen mã hóa tRNALeu(UUR) và đột biến T4274C
nằm trên gen mã hóa tRNAIle. Mất đoạn mtDNA là nguyên nhân quan trọng gây
nên hội chứng CPEO, những mất đoạn có kích thƣớc 3,4 đến 6,9 kb với mức độ
không đồng nhất dao động trong khoảng 18,8 đến 85,5% cho thấy các biểu hiện lâm
sàng khác nhau. Một nghiên cứu trên những bệnh nhân nghi mắc bệnh ty thể ở

22


Malaysia cho thấy rằng độ dài, vị trí mất đoạn và mức độ không đồng nhất đóng vai
trò quan trọng trong việc xác định kiểu hình lâm sàng của bệnh nhân CPEO, hai
bệnh nhân nặng đƣợc tìm thấy mất đoạn mtDNA có kích thƣớc 4320 bp và 4717 bp.
Bệnh nhân CPEO có thể mang đột biến điểm, bao gồm các đột biến trên tRNA Leu,
tRNAIle và tRNAAsp. Mặt khác, các đột biến gen POLG, SLC25A4 và C10orf2 trên

DNA nhân cũng là nguyên nhân gây bệnh, những gen này rất quan trọng để bảo vệ
mtDNA. Mặc dù cơ chế chƣa rõ ràng, nhƣng đột biến bất kỳ trong 3 gen này đều
dẫn đến mất đoạn lớn trên mtDNA, dao động từ 2-10 kb [17].
1.2.2.2. Các hội chứng liên quan đến các đột biến điểm phổ biến trên gen mã
hóa protein
Hội chứng Leigh (bệnh viêm não tủy cấp di truyền theo Leigh)/NARP
(neuropathy, ataxia and retinitis pigmentos)
Hội chứng Leigh và NARP (yếu cơ do thần kinh, mất điều hòa và viêm sắc tố
võng mạc) là một phần của chuỗi các rối loạn thoái hóa thần kinh tiến triển gây ra
bởi sự bất thƣờng của chuỗi hô hấp tế bào trong ty thể [53].
Hội chứng Leigh đặc trƣng bởi tình trạng thoái hóa thần kinh tiến triển,
trong đó đặc biệt ảnh hƣởng đến não, não trung gian và hạch thần kinh, thƣờng
dẫn đến tử vong do suy hô hấp. Các dấu hiệu đầu tiên ở trẻ mắc hội chứng Leigh
là nôn mửa, tiêu chảy, khó nuốt dẫn đến ăn uống kém, không phát triển, giảm
trƣơng lực cơ, co cơ không kiểm soát, mất cảm giác và yếu ở các chi, triệu
chứng phổ biến là cử động khó khăn. Một số cá nhân liệt cơ mắt, teo dây thần
kinh thị giác, phì đại cơ tim. Ngoài ra, khó thở thƣờng gặp ở những ngƣời mắc
hội chứng Leigh dẫn đến suy hô hấp, hoặc sự tích tụ lactate trong cơ thể đo đƣợc
ở máu, dịch não tủy và nƣớc tiểu [56].
NARP đƣợc đặc trƣng bởi yếu cơ do thần kinh gây mất cảm giác thần kinh,
mất điều hòa và bệnh võng mạc sắc tố. Triệu chứng khởi phát là mất điều hòa vận
động và trí tuệ chậm phát triển, thƣờng xuất hiện ở trẻ em. Một số bệnh nhân NARP

23


có thể tƣơng đối ổn định trong nhiều năm, nhƣng có thể bị xuống cấp từng đợt,
thƣờng có biểu hiện rõ ràng khi kết hợp với các bệnh do virus [66].
Hầu hết các đột biến gen ty thể gây ra hội chứng Leigh đƣợc báo cáo là trên
các gen MT-ATP6, MT-ND3 và MT-ND5, một vài đột biến đƣợc xác định trên các

gen MT-ND2, MT-ND6 và MT-ND4. Ngoài ra, còn có trƣờng hợp trên gen liên
quan đến quá trình tổng hợp protein, đó là gen MT-TV mã hóa cho tRNAVal, gen
MT-TL1 mã hóa cho tRNALeu, gen MT-TW mã hóa cho tRNATrp và gen MT-TK
mã hóa cho tRNALys. MT-ATP6 là gen duy nhất bị đột biến gây NARP [66].
Trong các trƣờng hợp của hội chứng Leigh, đa số các đột biến nằm trên gen
MT-ATP6, đặc biệt tại vị trí T8993G hoặc T9176C. Sự biến đổi T thành G tại 8993
trong mtDNA ngƣời là một trong các đột biến ty thể kèm theo hội chứng Leigh
đƣợc mô tả nhiều nhất. Đột biến này thay thế leucine thành arginine tại vị trí 156
trên ATPase 6 của ty thể, một trong hai tiểu đơn vị của tiểu phần F o của phức hệ
ATPase (phức hệ V), làm cho quá trình tổng hợp ATP bị lỗi, tạo ra nhiều gốc oxy tự
do, gây nên các triệu chứng lâm sàng khác nhau [53].
Hội chứng Leigh còn liên quan đến sự biến đổi T12706C của gen ND5, dẫn
đến thay thế phenylalanine bằng leucine ở vị trí 124. ND5 là gen chức năng gồm
1812 bp (từ vị trí 12337 tới 14148) đƣợc mã hóa bởi chuỗi nặng 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 nƣớc của phức hệ I. Protein
này là một trong 7 tiểu phần đƣợc 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 [61].
Hội chứng LHON (Leber herteditary optic neuropathy) là hội chứng liệt thần
kinh thị giác di truyền theo Leber, tác động chủ yếu đến võng mạc, gây hội chứng
teo dây thần kinh thị giác, làm mất khả năng nhìn thấy ở cả hai mắt. Bệnh thƣờng
phát triển ở tuổi trƣởng thành, tỷ lệ ảnh hƣởng của nam giới cao hơn 4 đến 5 lần so
với nữ giới. Ngƣời mang bệnh ban đầu hoàn toàn không có biểu hiện cho đến giai

24


đoạn phát triển thị giác làm mờ một mắt, mắt còn lại biểu hiện tƣơng tự sau 2 - 3
tháng, khoảng 25% bệnh nhân khởi phát bệnh với 2 mắt ở cùng thời điểm. Thị lực

giảm nghiêm trọng đến mức không thể đếm đƣợc ngón tay hoặc kém hơn nữa. Sau
giai đoạn cấp tính, đĩa quang trở nên teo. Bất thƣờng về thần kinh nhƣ run chân tay,
bệnh thần kinh ngoại biên, bệnh cơ và rối loạn vận động đƣợc báo cáo là thƣờng
gặp ở bệnh nhân LHON, ở nữ giới có thể phát triển triệu chứng đa xơ cứng [69].
Khoảng 95% trƣờng hợp LHON gây ra bởi các đột biến liên quan đến các tiểu
đơn vị của phức hệ I, bao gồm đột biến G11778A trên gen ND4 (50-70% trƣờng hợp),
đột biến G3460A trên gen ND1 (15% trƣờng hợp) và đột biến T14484C trên gen ND6
(10% trƣờng hợp). Đột biến G11778A là nguyên nhân phổ biến nhất của LHON.
Ngoài ra, còn có các đột biến hiếm khác liên quan đến gen ND5 và ND6 [3].
Các đột biến trên gen ND6 bao gồm T14484C, T14459C, các đột biến này
không những gây ra các triệu chứng của hội chứng LHON mà còn gây ra hội chứng
Leigh. Đột biến G14453A cũng trên gen này, tác động lâm sàng phức tạp hơn, kèm
theo các triệu chứng của LHON còn có các biểu hiện của MELAS.
LHON thƣờng là do một đột biến mtDNA homoplasmy và các con sẽ kế thừa
các đột biến từ mẹ. Tuy nhiên khoảng 50% nam giới sẽ biểu hiện bệnh, trong khi
chỉ có 10% nữ giới bị mất thị giác. Sự tiến triển của bệnh phụ thuộc vào gen đột
biến, 71% bệnh nhân đột biến T14484C có dấu hiệu phục hồi, trong khi đó ở bệnh
nhân A11778G chỉ là 25%. Phần lớn các bệnh nhân mang đột biến A11778G sớm
khởi phát triệu chứng LHON, đã có một vài báo cáo về kiểu hình suy thoái thần
kinh thị giác [69].
1.2.2.3. Các bệnh liên quan đến các đột biến trên gen mã hóa rRNA
Bệnh do đột biến trên gen mã hóa rRNA chiếm tỷ lệ rất nhỏ. Đột biến A1555G
và C1494T đƣợc phát hiện trên gen mã hóa cho rRNA 12S, các đột biến này gây
mất khả năng nghe do kích thích bởi aminoglycoside và mất khả năng nghe không
có hội chứng. Trong đó, đột biến A1555G phổ biến hơn C1494T.

25