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心血管疾病(cardiovascular disease, CVD)是全球范围内造成死亡和经济负担最严重的非传染性疾病,而冠心病(coronary heart disease, CHD)是患病率和死亡率最高的心血管疾病。线粒体作为细胞内最重要的细胞器之一,在与冠心病发生相关的活性氧(reactive oxygen species, ROS)产生,脂质氧化,炎症反应以及细胞凋亡等重要病理过程中均充当重要角色。线粒体基因突变已被报道与高血压,心肌病和高胆固醇血症等多种心血管疾病相关。为了研究线粒体基因突变是否参与冠心病的发生,本研究对中国人群中冠心病患者进行了大规模的线粒体基因组测序筛查,发现了一个具有母系遗传特性的汉族冠心病家系BJH15。该家系共四代,32个成年家庭成员,其中有13人罹患冠心病,且呈现发病年龄和临床表型的异质性,母系成员患病外显率为76.92%。本研究对该冠心病家系的临床表型,遗传学,分子生物学和生物化学特征进行了研究。BJH15家系冠心病的发生具有母系遗传的特征,这表明线粒体基因组在疾病的发生和遗传过程中发挥作用。对该家系成员线粒体基因组进行测序发现,母系成员属于B5单倍体型,且存在共同的tRNAThr15927G>A突变。15927位点对应于tRNAThr的42位点,在进化中高度保守,该位点突变破坏了tRNAThr反密码子臂的28C-42G碱基对,影响tRNA的结构和稳定性。Northern Blot检测发现携带该突变的母系成员线粒体tRNAThr水平平均下降80%。15927G>A突变改变tRNAThr的构象,相对于无突变的对照样本,其电泳迁移速率变慢,而且氨酰化水平平均降低约39%。tRNAThr代谢的紊乱导致突变样本细胞线粒体蛋白质合成水平平均下降53%。线粒体蛋白质合成障碍进一步导致线粒体氧化呼吸链复合体损伤,并影响氧化呼吸效率。经测定,携带15927G>A突变的冠心病患者细胞系总体呼吸氧耗,以苹果酸盐和谷氨酸盐为底物的呼吸氧耗,以琥珀酸盐和3-磷酸甘油为底物的呼吸氧耗和以N, N, N, N’-四甲基对苯二胺和抗坏血酸盐为底物的呼吸氧耗分别降低了33%,35%,30%和31%。另外,氧化呼吸链损伤还造成突变细胞中活性氧的产量平均增加22%。透射电镜观察显示,携带15927G>A突变的冠心病患者来源的永生化淋巴细胞线粒体形态发生变化,线粒体分裂出现障碍。Western Blot分析发现,携带15927G>A突变的细胞中,与线粒体分裂相关的MFF蛋白水平显著下降,而其他与线粒体分裂融合及自噬相关基因的蛋白质水平无显著变化。与之前的报道不同,本研究发现的母系遗传冠心病家系中,携带突变的患者线粒体tRNAThr氨酰化水平降低,但其他线粒体tRNA氨酰化水平并未发生变化。这表明可能有tRNAThr代谢特异性的基因缺陷存在,导致其稳定性及氨酰化异常。但对苏氨酰.RNA合成酶(TARS2)基因序列及蛋白表达水平的检测均未发现异常,是否存在其他相关基因缺陷有待进一步的研究工作证实。线粒体氧化磷酸化复合体的酶活测定和线粒体形态学研究显示,相对于携带15927G>A突变的正常对照,冠心病患者细胞样本酶活性的降低更为严重,线粒体形态学变化(线粒体的膨大,嵴排列的异常,溶酶体的增多等)更为显著。这表明除了线粒体tRNAThr15927G>A突变,还可能存在其他因素,尤其是核修饰基因参与该家系冠心病的发生。综上所述,本研究发现的母系遗传冠心病家系冠心病的发生与线粒体tRNAThr15927G>A突变相关。线粒体tRNAThr15927G>A突变造成tRNAThr稳定性和氨酰化水平降低,引起线粒体基因组表达异常,导致线粒体功能缺陷,在母系遗传冠心病发生和发展中发挥作用。因此线粒体tRNAThr15927G>A突变可作为冠心病的遗传性危险因素之一。本研究为冠心病的发病机理研究提供了新的视角,并可能为今后的治疗及药物开发提供新的启示。