线粒体及其相关疾病的遗传学研究进展（作者:___________单位: ___________邮编: ___________）作者：齐科研相蕾陈静宋玉国霍正浩杨泽【关键词】线粒体DNA 基因突变疾病线粒体广泛分布于各种真核细胞中，其主要功能是通过呼吸链(电子传递链和氧化磷酸化系统)为细胞活动提供能量，并参与一些重要的代谢通路，维持细胞的钙、铁离子平衡，以及参与其他生命活动的信号传导。
此外，线粒体还与活性氧(reactiveoxygen species，ROS)的产生及细胞凋亡有关［1-3］。
组成线粒体的蛋白质有1000多种，除呼吸链复合体蛋白受mtDNA与核基因双重编码，其他蛋白均由核基因编码。
mtDNA突变或核基因突变都能引起线粒体功能紊乱［1，4］。
早在1963年，Nass等人就发现有遗传物质DNA的存在。
1981年，Anderson等发表了人类mtDNA全序列。
1988年，Holt和Wallace分别在线粒体脑病和Leber’s遗传性视神经病(LHON)患者的细胞中发现了mtDNA突变，从此开辟了研究mtDNA突变与人类疾病的新领域。
随着对mtDNA研究的深入，人们对mtDNA的突变和人类疾病的相关性日益重视。
芬兰的数据显示人群单个点突变(3243A＞G)的比率为1∶6000，然而，英国资料表明mtDNA疾病的患病率或易患比率为1∶3500［5］。
动物模型和人类研究证据均证明，mtDNA突变是引起人类多因素疾病，部分遗传性疾病以及衰老的重要原因之一。
本文将从以下几个方面对mtDNA突变和相关疾病进行阐述。
1 线粒体DNA的遗传学特征线粒体DNA是存在于线粒体内而独立于细胞核染色体的较小基因组。
与核基因相比，线粒体DNA具有一些显著特征。
1.1 母系遗传Giles等［6］通过对几个欧洲家系线粒体DNA进行了单核苷酸多态性分析时，发现mtDNA 分子严格按照母系遗传方式进行传递。
母系遗传是指只由母亲将其mtDNA分子传递给下一代，然后再通过女儿传给后代。
有研究表明［7］，在受精过程中，精子线粒体会被卵子中泛素水解酶特异性识别而降解，这很好地解释为什么父源性mtDNA不能传播给后代。
1.2 异质性和突变负荷核基因突变所产生的突变体分为纯合子(homozygote，等位基因都发生突变，含量为100％)和杂合子(heterozygote，等位基因中的一个发生突变，突变含量为50%)与核基因不同，线粒体基因突变发生在成千上万个mtDNA分子上，由此而产生突变体的突变含量几乎变化于0%到100%之间。
人们将细胞或组织同时拥有突变型和野生型mtDNA的状态称为异质性；将细胞或组织只拥有一种mtDNA(全部是突变型mtDNA，或野生型mtDNA)的状态称为均质性［2］。
突变负荷(mutation load)是衡量mtDNA突变体异质性程度的重要指标，它是指发生突变mtDNA占全体mtDNA的百分比。
一般情况下，mtDNA疾病的发生及其临床表型往往取决于突变负荷的指标：当人肌肉中mt-A3243G点突变突变负荷达到50%时就足以造成骨骼肌细胞的氧化损伤和肌肉组织形态学异常；另外，A3243G突变负荷的高低与疾病的严重程度呈一定的相关性。
1.3 阈值效应当异质性mtDNA突变体的突变负荷较低时，与突变型mtDNA 共存的野生型mtDNA会发挥足够的补偿作用，以维持线粒体呼吸链的功能。
然而，当突变负荷超过一定范围，使得野生型mtDNA 分子的数量不足以维持呼吸链的功能时，组织或器官就会出现功能异常，这种现象称为阈值效应［2］。
人体不同组织、器官对mtDNA突变的易感性存在差异，能量需求高的部位(如骨骼肌、脑、心、肾小管和内分泌腺)容易受突变影响，较低的突变负荷就能引起临床症状；能量需求低的部位(如肺、皮肤和韧带)对突变不敏感，较高的突变负荷才能导致异常的产生。
1.4 “瓶颈”和随机分配异质性mtDNA突变体的突变负荷在不同的世代交替间变化较为明显，这种效应即为线粒体遗传的“瓶颈”。
一个被广泛接受的假设是：在卵子发生早期，原始卵母细胞中的mtDNA 数量会急剧减少，从而产生’’瓶颈”。
然而，Cao［8］等对单个小鼠生殖细胞mtDNA的计数显示：在卵子发生的初中级阶段，原始卵母细胞中含有稳定的、适中的mtDNA拷贝数；而在初级卵母细胞的成熟阶段，mtDNA 数量才会有实质性的增加。
这说明“瓶颈”的产生并不是因为卵子发生早期mtDNA数量急剧减少所造成，而是由于卵母细胞经历了多次分裂使得最终分配到每个卵子中mtDNA 的有效数量较少所致。
在有丝分裂时(包括卵子发生)，mtDNA分子被随机分配到子代细胞中。
存在于卵母细胞中的mtDNA分子大约有150000个，经过卵子发生，只有一部分mtDNA进入初级卵母细胞中，形成异质性水平相差很大的卵母细胞群；受精卵经历卵裂和胚胎发育，最后只有几个拷贝的mtDNA分子进入新生儿的组织细胞中。
因此，同一母系家族成员间在疾病表型上时常会迥然不同。
体细胞每经历一次有丝分裂，mtDNA分子会随着线粒体一起被随机分配到子代细胞中，所以组织中mtDNA的突变负荷可以随着组织细胞的分裂而改变，进一步说，同一患者的疾病表型也能够随着时间的推移而表现出很大的变异性。
2 mtDNA疾病的临床特征线粒体是真核细胞重要的细胞器，因此，mtDNA疾病影响许多组织，出现变化多端临床特征。
根据临床特征mtDNA疾病可以分三组：典型综合征、可能与mtDNA紧密关联的综合征以及与常见病相关的表型。
由于缺乏蛋白保护并且没有完整的突变修复功能，mtDNA突变率非常高。
线粒体基因组的高突变率不但产生了大量致病突变体，还产生了更多的序列多态性［9］。
致病性mtDNA突变一般具有以下特点：1)突变位点在进化上比较保守，突变导致核苷酸或氨基酸替换，或基因编码产物的生物学功能丧失；2)突变导致的生化损伤和疾病的临床表型能够分离；3)当突变是异质性突变时，组织损伤程度与突变负荷呈正相关；4)同一突变可以从遗传上相互独立的患者中发现。
致病性的mtDNA突变通常位于编码蛋白质、tRNAS或rRNAs 的基因上，并能够引起广泛的临床症状。
mtDNA突变与表型之间的关系复杂，相同的突变可以引发不同的疾病表型，例如，tRNALleu(UUR)基因上的A3243G突变既能出现在MELAS患者中，也能出现在CPEO、线粒体肌病、糖尿病伴耳聋患者中；同一疾病表型也可以由不同的突变引起，例如，MELAS可以由20多个点突变(位于编码tRNAS或呼吸链复合体蛋白亚基的线粒体基因上)引起，也可以由重组突变引起［4］。
一些彼此独立的因素可以影响mtDNA疾病的临床表现，包括：突变体的异质性水平、组织分布、器官对呼吸链的依赖程度、核背景和环境因素等。
由于mtDNA突变致病的分子机制还没有被完全阐明，突变与疾病表型之间的确切关系至今仍显得扑朔迷离。
从遗传学角度可以将mtDNA突变分为两大类：点突变和重组突变。
2.1 点突变与点突变相关的人类遗传性疾病有：LHON(Leber遗传性视神经病变)、MELAS(线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作)、MERRF(肌阵挛性癫痫症和破碎红纤维病)、NARP(神经性肌无力-共济失调-色素性视网膜炎)、MILS(母系遗传Leigh氏综合征)、MIDD(母系遗传糖尿病伴耳聋)、DEAF(氨基糖苷类诱导性耳聋或非综合症性耳聋)、心肌病和肌红蛋白尿等(http：//)［4］。
此外，mtDNA点突变还与一些代谢疾病(如高血压、糖尿病、高胆固醇血症等)和神经变性疾病(如帕金森症、阿尔茨海默氏症等)的易感性有关。
2.1.1 LHON(Leber hereditary Optic neuropathy)LEON是第一个被鉴定出与mtDNA点突变有关的母系遗传疾病，临床上以两侧连续急性或亚急性视力衰退为特征，主要累及青少年男性。
Man等对英格兰人口进行的调查显示，每100，000天中，有11.82人携带mtDNA-LHON突变，其中至少有3.22人会因为患LHON而出现视觉衰退。
这项调查提示LHON是一种常见的人类疾病。
大多数与LHON有关的点突变位于MTND基因上，其数目已经超过30余种。
三种原发性mtDNA突变G11778A、G3460A和T 1 4484C 分别位于MTND4、MEND 1和MTND6基因上，由它们引起的LHON病例约占所有LHON患者的95%。
LHON病原性突变体的外显率(penetrance，具有特定遗传基因的个体在一定环境下表现其遗传基因的概率)变化非常大，不同的LHON 突变有不同的外显率，即使相同突变的外显率在不同个体间也存在差异。
很多因素决定了LEON的外显率，包括继发性突变位点［10］secondary mutation，在健康人中存在，但能增加疾病外显率、单倍型(haplotype)以及核基因［11］等。
2.1.2 MELAS(mitochondrial encephalomyopathy with lactic acidosis and stroke-like episodes)MELAS是一组具有高度临床变异性和遗传异质性的mtDNA疾病，它的主要特征有：1)脑顶枕叶局灶性损害及由此引起的卒中样发作；2)乳酸性酸中毒和破碎红纤维Cragged redfiber，RRF)；3)其他中枢神经表现，如痴呆、反复头痛和呕吐、癫痫发作、色素性视网膜炎和耳聋；4)一些患者有共济失调的表现；5)少数患者出现糖尿病、肠道假梗阻和心肌病；6)生化上，线粒体复合体I常有缺损，而复合体Ⅳ不易受累，出现的破碎红纤为COX(细胞色素C氧化酶)阳性［12］。
与MELAS相关的mtDNA点突变已经超过20个。
人多数MELAS 病例是由mt-tRNA(leuUUR)基因上的异质性突变A3243G引起；少数则是由其它mtDNA点突变(如T3271C)和大片段重组突变所致：也有一些MELAS患者的mtDNA是正常的(突变可能发生在核基因上)。
2.1.3 MERRF(myoclonic epilepsy and ragged red fibers)MERRF是一种母系遗传的神经肌肉紊乱症，它的主要特征：1)肌阵挛、癫痫、肌无力和消瘦伴破碎红纤维；2)耳聋和痴呆；3)小脑齿状核和次级小叶出现神经元丧失与神经胶质过多症；4)一些病人躯干部有对称性脂肪增多的表现；5)生化上，线粒体复合体I常有缺损，而复合体Ⅳ不易受累，出现的破碎红纤维为COX阴性。
大多数与MERRF有关的mtDNA突变位于tRNALYS基因上，其中A8344G点突变最为常见。
有时，MERRF可以与MELAS综合征合并存在，形成MERRF／MELAS重叠综合征(MERRF／MELAS overlap syndrome)。