人类线粒体突变与线粒体疾病

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1、人类线粒体突变与线粒体疾病食科1083袁惠雄 30线粒体是细胞内唯一存在于细胞核外又带有遗传物质的细胞器，由于这一特殊性，有关 其进化和来源的问题曾有过很多争论。但因为与临床的关系过去不很明确，对它的生物学意 义并未引起足够的重视。80年代后随着线粒体的序列和基因组组成的测定，以及发现了线 粒体DNA(mtDNA)突变可能与人类疾病相关以来，线粒体与人类健康的问题开始受到关注。1 mtDNA分子生物学人mtDNA分子是一个长16 569bp的双链闭环超螺旋DNA。Anderson等测定的人类 mtDNA结构表明，它有13个多肽编码基因，22个tRNA基因和2个rRNA基因。这些基因呈 紧密排列

2、，基因内没有内含子，但有一个长12kntp的非编码区，称为控制区，也叫取代 环(D-1oop)，含有转录及复制的调控信号。mt DNA的双链中一条称为重链(H链)，另一条是轻链(L链)。重链上有28个基因，轻链 则有9个。每条链各有自己的启动子。转录产生了连续的多顺反子，经加工后成为成熟的 rRNAs， tRNAs 及 mRNA。2 mtDNA突变由于特殊的生物学环境和遗传学地位，mtDNA更容易发生突变。目前解释其突变率高的 原因有：mtDNA呈裸露状态，没有组蛋白的保护，容易受到侵害；线粒体内缺乏较有效的修 复系统；复制时有不对称状态，出现的单链DNA有自发的脱氨基效应；复制频率和次数较

3、nDNA高。对这些假设还无一致认识，但已发现突变仍有一定的特征，即基因编码序列比较 保守，不同种属间可以看到基因序列有较高保守性D-环区则常有多态现象，不同人种甚至 不同家族间即可有差异。这一性质现已被用作亲缘关系鉴定，在法医学、犯罪学和骸骨分析 等领域中应用。在可能导致mtDNA突变的环境有害因子中，研究较多的是活性氧自由基。线粒体在呼吸 链代谢中产生的超氧粒子和电子转运过程中生成的羟自由基，都可能对mtDNA造成损伤。受 此影响，DNA链上的脱氧鸟苷(dG)转化成羟基加成物8-羟基脱氧鸟苷(8-OH-dG),随后在DNA 复制中可诱发点突变。点突变的产生，提高了 DNA双链的分离(sepa

4、ration)机会，促使 mtDNA发生进一步突变，如缺失和重排。重排是发生在缺失之后的事件。缺失的mtDNA片段， 既可能形成细胞内的小环(minicircle)，也可能在mtDNA或nDNA上造成重排，而发生在 nDNA 上的重排，通常较mtDNA 上的重排后果更严重更迅速。例如，激活原癌基因或使抑癌 基因失活，从而诱发肿瘤。许多资料显示，mtDNA突变有“热点”及与之相应的序列和结构， 这也许对预防和治疗因mtDNA突变引起的疾病有所启示。按照突变发生的细胞不同，可以将mtDNA突变大致分为系统性(systemic)和体细胞性 (somatic)两类。前者是指突变发生在母系生殖细胞mtD

5、NA 上，经过减数分裂和有丝分裂， 突变的mtDNA随机分布到子代细胞。携带一定比例的突变的mtDNA的个体在生长发育中，其 突变mtDNA经历缓慢的积累过程，而且体内组织器官都携带损伤的mtDNA，往往在一定年龄 时由于达到了该组织器官的阈值(threshold)而表现出疾病症状。体细胞mtDNA突变是指突 变发生在出生后，例如，与年龄相关的mtDNA突变多发生在中年到老年这一时期。它也形成 异质体(heteroplasmy)。突变mtDNA比例与能量缺损程度大致相当，当突变积累过多时，能 量输出会降到正常的细胞、组织和器官的功能最低需要量以下。不同器官组织的能量阈值有 所不同，以中枢神经系

6、统最高，向下依次是心脏、骨骼肌、内分泌系统、肾、肝。即使是同 一突变，随着线粒体缺陷程度不同，其影响也有差异，从而导致不同的临床症状。而发生在 不同器官组织的mtDNA突变，造成的后果如临床表现亦会有所不同。由于细胞所需能量的 90%以上为线粒体提供，可以想见像神经、肌肉、血小板这类耗氧能较高的组织发生mt DNA 突变，其后果显然较严重。另一方面，在发生mtDNA突变的细胞，由于突变积累需要一定的 时间，加上野生型mtDNA的补偿作用，需要有相当比例的突变存在才能造成疾病的表现型。 这就形成了线粒体疾病在中老年人中较多的特征。线粒体疾病的这种年龄相关性，在两类 mtDNA突变中都有表现。3

7、线粒体疾病1988年Wallace等第1次提出Leber遗传性视神经眼病是由mtDNA突变引起,自那 时以来已有上百种疾病证实或怀疑与mtDNA突变有关。对于以mtDNA突变为原因的线粒体疾 病，不同的实验室有自己的分类习惯或标准。这并不影响对问题的理解。突变基因型与表型 之间有更复杂的关系值得探讨。表1列出一些由mtDNA突变所引起的疾病，这些疾病也可能 由核突变或其它影响线粒体功能的情况而引起。值得注意的是，某一种线粒体疾病往往并不 限于某一特定位点的突变，不同患者可以检出几个不同的位点，但这些不同位点的突变在疾 病的严重程度上或影响的范围上不相同。例如，已经证实至少有4个特异位点上发生点

8、突变， 都可导致Leber遗传性视神经病(LHON)。类似的例子还有线粒体脑肌病、乳酸中毒、中 风样发作综合征(MELAS)7，神经性肌无力、运动失调及色素性视网膜炎(NARP)，肌阵 挛性癫痫和破损性红肌纤维病(MERRF)，母系遗传的肌病及心肌病(MMC) 口。，慢性进行性 眼外肌麻痹(CPEO)m等。但在与LHON有关的4个突变位点中，并非表现的严重程度都相 同。突变可以仅与LHON有关，也可以有更严重的临床症状，如全身的肌张力障碍(dystonia) Hi。而从分布和发病人数上看，这四个突变位点也有差异。在mtDNA的错义突变中，LHON 算是有较为定型的临床表现的线粒体疾病，与其他相

9、比较为典型。而在相当多的线粒体疾病 中尽管突变的基因型相同，但临床表现却不相同，或者有较多的临床症状，给诊断带来不少 困难。非胰岛素依赖型糖尿病(NIDDM)是糖尿病的一个亚型，在临床诊断中需要与其他糖尿病 进行鉴别。已有较多的研究资料说明，该亚型与mtDNA 上的突变相关，突变的性质为点突变, 具有母系遗传的特征，且与神经性耳聋共分离mi。除了这一亚型的糖尿病已经确认与mtDNA 点突变有关外，其他亚型的糖尿病患者也发现了 mtDNA突变，其关系还需更多的证明。老年性痴呆症也值得注意。这个病是严重影响老年人健康的难以治愈的疾病。已知有4 个染色体基因的突变或异常与AD有关，除此而外，mtDN

10、A突变也可能与AD有关。已经在一 些AD患者的脑组织中检测到mtDNA特异的突变。最近，用细胞学和分子生物学技术发 现，培养的神经细胞在受到活性氧自由基的作用时，不仅会产生AD特异的beta蛋白样物质， 而且该物质对mtDNA也有损伤作用aw，这就使老年性痴呆与mt DNA突变之间的联系有了 更充分的证据。由于mtDNA突变常常造成细胞OXPHOS功能降低并最终导致细胞的死亡，对 于许多由mtDNA突变引起的神经和肌肉退行性疾病来说,从线粒体功能缺损对组织和器官的 影响上去理解疾病的多种表现是有意义的。但是，从表中还可以看出，某一种疾病可以是不同的几种突变所引起，以线粒体肌病最 为突出，这个性

11、质与上述LHON并不相同。LHON中的4个突变都只与LHON相关，而与线粒 体肌病有关的mtDNA突变，并不仅仅是引起线粒体肌病这一种疾病，常常可以导致另一些疾 病，或者说另一些疾病常常合并线粒体肌病，其原因是否因为突变的组织器官较为广泛，需 有更多资料来加以证实。尽管已经有相当多的线粒体疾病被证实是mtDNA突变的原因，但仍应当记住，在mtDNA 突变中，更多的是对机体无害也无益的所谓“中性突变”，以一定频率存在于线粒体群体中， 构成mt DNA的多态性。同时，野生型线粒体的补偿(complemen tat ion)对发生了 mt DNA突变 的细胞起到保护作用。这就使mtDNA突变时，并不

12、立即产生严重后果。体外实验表明，带有 突变的mtDNA的细胞并非只能朝恶性方向发展，细胞在复制分离过程中，有相当的部分具有 形成野生型同质体的倾向Hi。但突变的mt DNA其复制速率往往超过野生型，这是突变得以 积累的另一个重要原因。补偿和积累是对立的，不同的组织或细胞可能会有较大的差异。由 于线粒体的数量在不同的组织细胞中是不同的，很明显，含线粒体的组织细胞，尤其是不分 裂的组织细胞，其补偿能力较低而突变积累较快，容易达到阈值。对于线粒体疾病的检测，一个值得探讨的问题是，不取病理组织而用患者的其他组织来 源的DNA样品，能否做出同样的诊断结果，即患者不同组织细胞的mtDNA突变是否具有相同 的特征(突变类型及性质)。某些病例检出多种突变的情形说明，要判断究竟什么突变在疾病 的产生上起作用，还需做更多的研究。而随着mtDNA突变在疾病发生中的作用逐步明确，基 因诊断和治疗也应当提上议事日程。