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1、线粒体及其相关疾病的遗传学研究进展作者：小小小作者：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 o早
2、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Lebers遗传性视神经病(LH0N)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(3243AG)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
3、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进行了单核昔酸多态性分析 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
4、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，mt
5、DNA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
6、、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
7、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m
8、tDNA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，突变导致核昔酸或氨基酸替换，或基因编码
9、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
10、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 o 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
11、）、MILS（母系遗 传Leigh氏综合征）、MIDD（母系遗传糖尿病伴耳聋）、DEAF（氨基糖昔类诱导性 耳聋或非综合症性耳聋）、心肌病和肌红蛋白尿等（http： /www. mitomap. Org）4 o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
12、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-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
13、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)
14、 ； 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C0X (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)o2. 1. 3 MERRF(myo
15、clonic 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C0X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 / MEL
16、AS overlap syndrome) 0 mt-A3243G、T8356C 和 G12147A等点突变可以分别引起MERRF / MELAs重组综合征。2. 1. 4 NARP(neurogenic weakness, ataxia and retinitis pigmentosa)MILS (maternally inherited Leigh syndrome)NARP是一种母系遗传综合征，主要特征有：1)共济失调、色素性视网膜炎 和外周神经病：2) MR1检查发现NARP,病人的小脑和大脑有轻度弥漫性萎缩， 严重者可出现基础神经节损害；3)肌肉活检往往检查不到破碎红纤维。MILS是
17、Leigh氏疾病(Leigh disease)中一种与mtDNA突变有关的神经变性疾病。NARP和MILS通常由位丁 MTA6基因上一个位点的两种异质性突变8993TG/C引起，疾病的严重程度与异质性水平由关。当突变阈值位干70%95%之间 时可以引起NAPR,当突变阈值高于90%时可以引发母系遗传Leigh氏综合征。 这两种综合征还与mtDNA上其它位点的突变有关，如9176TC 4 02. 1. 5线粒体耳聋Mt-12S rRNA基因是与耳聋相关的一个突变热点，其上的一些点突变(如 A1555G、T961C和C1494T等)已经被证实能够引发DEAF(氨基糖首类诱导性耳聋 或非综合征性耳聋
18、)；另个突变热点是mt-tRNASer(UCN)基因，如A7445G、 7472insC和T7511C等也与DEAF有关；此外，mt-tRNASer (UCN)基因上的点突 变A3243G也能够导致MIDD (母系遗传糖尿病伴耳聋综合征)的发生(htp： /WWW. mitomap. Org) 02. 2重组突变mtDNA重组突变是最早被报道的与人类疾病相关的mtDNA突变。虽然发生 重组mtDNA片段长度可以从一个碱基到几千个碱基不等，但重组突变主要分 为：大片段缺失(deletion)和倍增(duplication) 0缺失突变可以单独存在于患 者中，也能与倍增同时出现。最常见的一种重组突
19、变是长度在5kb左右，跨越 Cytb基因和CoxII基因之间区域(包含tRNAS和蛋白质的编码基因)的单个大片 段mtDNA缺失/倍增。这种大片段重组突变通常与一些典型的疾病表型有关，如 Pearson氏综合征、KSS (Kearn-Sayre综合征)、CPE0慢性进行性外眼肌麻痹) 和Pearson氏骨髓-胰腺综合征。重组突变并不只限于上述几种疾病表型，也能 涉及糖尿病、听力丧失和几乎所有线粒体脑肌病4 o单个大片段的mtDNA重组突变可能形成于卵子发生时期或胚胎发育早期。 与大片段缺失/倍增突变相关的疾病大多为散发性，且复发风险小，据 Chinnery等报道患病妇女的下一代发病风险仅为4.
20、 11%。3体细胞mtDNA突变在衰老和肿瘤中的作用3. 1 体细胞mtDNA突变与衰老体细胞mtDNA突变会随着衰老而逐渐积累。在40岁以下人群中的骨骼肌中 基本检测不到异常mtDNA,而在50岁以上人群骨骼肌中可以发现大量mtDNA重 组突变，这些突变可能与肌肉组织的老化有关13 o有人在一些帕金森病人 和正常老年人的黑质神经元中发现高频率的mtDNA缺失突变(帕金森病人mtDNA 突变水平高于正常对照)，推测这些突变可能与脑组织的老化有关14。体细 胞mtDNA突变可能是由于活性氧(ROS)对正常mtDNA的氧化损伤造成的，而这些 突变的积累会进一步损害线粒体呼吸链功能，并产生更多的RO
21、S和突变，从而 加速衰老进程15 衰老是否由体细胞mtDNA突变直接推动的呢？ mtDNA突变体小鼠模型的建 立为我们开启了一扇窗户。Trifunovic等16利用基因敲入(knock-in)技术 来建立mtDNA突变型小鼠，并研究mtDNA突变对小鼠表型的影响，他们发现这 些小鼠有明显的早衰表现，如：寿命缩短、体重减轻、骨质疏松、驼背、心脏 肥大和生育能力衰退等。Kujoth等对上述mtDNA突变体小鼠的深入研究揭示： mtDNA突变的积累并不与氧化压力标志物有关，也不会导致细胞增值缺陷，而 是与凋亡标志物有紧密联系，在正常老龄化小鼠中也能观察到相似水平的凋亡 标志物，体细胞mtDNA突变的
22、积累引起的细胞凋亡，可能是推动哺乳动物衰老 的核心机制。虽然mtDNA突变体小鼠模型是研究衰老的一个很好的工具，但其 实验结果并不能证实mtDNA突变一定会加速哺育动物的自然老化过程，因为正 常衰老小鼠体内不可能有如此众多的mtDNA突变分子；况且，不含mtDNA突变 体的小鼠模型也可以展示出早衰的表现17 o mtDNA突变体小鼠模型说明： mtDNA突变的大量积累可以直接导致个体早衰；体mtDNA突变有可能在人类衰 老中发挥关键作用。但鉴于这些小鼠体内的mtDNA突变体水平远远高于自然老 化的人类，并且小鼠与人类的生理条件也存在明显差异，因而，mtDNA突变在 人类衰老中的确切作用和机制还
23、有待于深入探讨。3.2突变与肿瘤长期以来人们怀疑线粒体缺陷（包括mtDNA突变）可能对癌症的发展起重要 作用。虽然人们从很多肿瘤细胞中都观察到体细胞mtDNA突变，但这些突变导 致肿瘤发生的确切机制却鲜为人知。Petros等报道：MTCOX I基因突变在 11%12%前列腺癌患者出现，同比只在7. 8%的健康对照中出现；癌症患者 MTCOX I基因上的突变位点在进化上更加保守；MTATP6基因上的T8993G点突变 能够加速PC3前列腺癌细胞在裸鼠中形成肿瘤，并且可以促进肿瘤组织产生更 多的ROS. Ohta等向裸鼠体内植入含突变型或野生型mtDNA的转线粒体杂交瘤细 胞，并观察老鼠体内所形成
24、的肿瘤的形态，发现突变型mtDNA可以明显促进肿 瘤的生长。如果向含突变型mtDNA的转线粒体杂交瘤细胞的细胞核中导入一段 与突变基因互补的正常线粒体基因，再用新构建的瘤细胞去感染裸鼠，那么突 变型mtDNA促肿瘤生长作用会受到明显抑制，提示mtDNA突变有可能通过阻止 肿瘤细胞的调亡来促进肿瘤或癌症的发展18 o4结语近年来，与mtDNA突变相关的研究日新月异。mtDNA突变之所以能引起人 们的广泛关注，是因为：1）mtDNA突变已经成为人类遗传性疾病的重要病因； 2）mtDNA突变（主要是序列多态性）可以为人类起源、进化和迁徙规律的研究19,以及法医学鉴定提供可靠的遗传学证据；3）体细胞m
25、tDNA突变有可能 在衰老和肿瘤中发挥关键作用。然而，至今为止，人们还没有从分子水平上阐 明mtDNA突变的致病机制；也无法根治mtDNA疾病。对于体细胞mtDNA突变在 衰老和癌症中的作用上仍然不清。可以预见，在未来的一段时期内，还将围绕 着这些难题继续展开研究。【参考文献】1 Wallace DC. Mitochondrial diseases in man and mouseJ . Science, 1999, 283（5407）： 1482-1488.2 DiMauro S, Schon EA. Mitochondrial respiratory-chain diseases J .
26、N Engl J Med, 2003, 348 (26): 2656-2668.3 Ghelli A, Zanna C, Porcelli AM, et al. Leber，s hereditary optic neuropath(LHON)pathogenic mutations induce mitochondrial- dependent apoptotic death in transmitochondrial Cells Incubated with Galactose Medium J . J Biol Chem, 2003, 278： 4145-4150.4 Brandon MC
27、, Lott MT, Nguyen KC, et al. MIT0MAP： a human mitochondrial genome database-2004 update j . Nucleic Acids Res, 2005, 33： D611-613.5 Schaefer AM, Taylor RW. The epidemiology of mitochondrial disorders-past, present and future j . Biochim Biophys Acta, 2004, 1659： 115-120.6 Giles RE. Blanc H, Cann HM,
28、 Wallace DC. Maternal inheritance of human mitoch ondrial DNA J . Proc Natl Acad Sci USA, 1980, 77(11)： 6715-6719.7 St John J, Sakkas D, Dimitriadi K, et al. Failure of elimination of paternal mitochondrial DNA in abnormal embryosJ . Lancet, 2000, 355 (9199): 200.8 Cao L, Shitara H, Horii T, et al.
29、The mitochondrial bottleneck Occurs without reduction of mtDNA content in female mouse germ cells J . Nat Genet, 2007, 39(3): 386-390.9 Carelli V, Achilli A, Valentino ML, et al. Haplogroup effects and recombination of mitochondrial DNA： novel clues from the analysis of Leber hereditary optic neurop
30、athy pedigrees j . Am J Hum Genet, 2006, 78(4): 564-574.10 Li R, Qu J, Zhou X, et al. The mitochondrialtRNA(Thr)A15951G mutation may influence the phenotypic expression of the LHON-associated ND4 G11778A mutation in a Chinese familyJ Gene, 2006, 376(1)： 79-86.11 Hudson G, Keers S, Yu Wai, et al. Ide
31、ntification of an X- chromosomal locu and haplotype Modulating the phenotype of a mitochondrial DNA disorder J . Am J Hum Genet 2005； 77(6): 1086- 1091.12 Zeviani M, Muntoni F, Savarese N, et al. A MERRF/MELAS overlap syndrome associated with a new point mutation in the mitochondrial DNA tRNA(Lys)ge
32、ne J . Eur J Hum Genet, 1993, 1 (1): SO- 87.13 Melone MA, Tessa A, Petrine S, et al Revelation of a new mitochondrial DNA mutation(G12147A)in a MELAS/MERFF phenotypeJ .Arch Neurol, 2004, 61(2)： 269-272.14 Bender A, Krishnan KJ, Moiris CM, et al. High levels of mitochondrial DNA deletions in substant
33、ia nigra neurons in aging and Parkinson disease J . Nat Genet, 2006, 38 (5): 515-517.15 Harman D. Free radical theory of aging J . Mutat Res, 1992, 275(3-6)： 257-266.16 Trifunovic A, Wredenberg A, Falkenherg M, et al. Premature ageing in mice expressing defective mitochondrial DNA polymeraseJ Nature
34、, 2004. 429(6990): 417-423.17 Vermulst M, Bielas JH, Kujoth GC, et al. Mitochondrial point mutations do not limit the natural lifespan of mice J . Nat Genet, 2007, 39(4): 540-543.18 Ohta S. Contribution of somatic mutations in the mitochondrial genome to the development of cancer and tolerance against anticaneer drugsJ . Oncogene, 2006, 25 (34): 4768-4776.19 Macaulay V, Hill C, Achilli A, et al. Single, rapid coastal settlement of Asia revealed by analysis of complete mitochondrial genomes J . Science, 2005, 308(5724): 1034-1036.
