浅述线粒体基因组与疾病
四川大学 郑文 生物技术专业
线粒体是胞质细胞器，现大多数研究认为线粒体是15亿年前由和原始真核细胞共生的好氧细菌进化而来(Wallace 2005)。线粒体是细胞物质氧化的主要场所和能量供给中心。近年来的研究发现，线粒体在退行性疾病中扮演着关键的角色。在这篇文章里，我将从线粒体的遗传的角度，来探讨它与相应疾病的关系。
线粒体的遗传方式
作为半自主细胞器，线粒体包含其自身特有的蛋白质合成机制和自主复制的线粒体DNA（mtDNA）。人的mtDNA分子是一个长16,569bp的双链闭环超螺旋DNA，包括H（重）链和L（轻）链。人类mtDNA结构表明，它编码13个电子传递链上的亚基，22个tRNA和2个rRNA。这些基因呈紧密排列，基因内没有内含子，但有一个长1～2kntp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(Graeber et al 1998)（图一 A）。mtDNA分子上无核苷酸结合蛋白,缺少组蛋白的保护，而且线粒体内无DNA损伤修复系统，因些mtDNA易于突变，并且突变容易得到保存(Meissner 2007)。
现行解释mtDNA复制机制的模型主要有三种(Bowmaker et al 2003)。第一种模型认为，其复制起始于OH（重链复制起点）在聚合酶γ (POLG)的作用下沿顺时针方向合成2/3长度的mtDNA，再从OL（轻链复制起点）开始以逆时针方向完成mtDNA的复制（图一 B）。基于这个模型，会形成暂时的单链mtDNA，而单链mtDNA会更容易发生突变。第二种模型认为，双链从OH开始单向复制（图一 C）。而对复制中间体的双向凝胶电泳实验则暗示可能存在一个新的复制模型，其认为mtDNA的复制是双向的，并起始于一个较长的起始区域上的多个起始点(Bowmaker et al 2003)（图一 D）。
mtDNA的结构和复制机制使之较nDNA有更高的突变率，据报道mtDNA的突变率比nDNA高10到20倍。mtDNA的高突变率造成个体及群体中其序列差异较大。任何两个人的mtDNA，平均每1000个碱基对中就有4个不同。其中部分有害突变会导致线粒体遗传病的产生。
线粒体的半衰期在神经元中一般为18到24天，而肌细胞中为18天(Korr et al 1998)，这样的遗传周期导致在一个个体的生命周期中，线粒体可以遗传几百甚至上千代，在物种进化中发生的遗传漂变等效应，线粒体基因组在一个个体生命周期中就可以完成。
不同的类型的细胞所包含的mtDNA的拷贝数目也不相同，可以从几千到肝细胞中的25000个拷贝(Berdanier & Everts 2001)。而相应的拷贝数的变化也可能导致疾病的产生。
受精卵中的线粒体主要来自卵细胞，精子携带的入受精卵的线粒体会被特异性的标记而被降解，因而受精卵中来自卵细胞的mtDNA对表型起决定性作用，突变会沿母系连续积累，呈现母系遗传的特点。一般哺乳动物细胞中含有成百上千个线粒体，而每个线粒体中含有多个mtDNA的拷贝。如果受精卵遗传到的是既有致病的也有野生型的mtDNA，那么受精卵就是一个含异质mtDNA的细胞。那么当这个含异质mtDNA的细胞分裂分化成不同的组织时，由于在分裂中mtDNA的随机分配，子代细胞携带的异质的mtDNA的数目、种类各不相同，和亲代细胞也有较大差异，因此，子代细胞发育成的不同组织其所含的致病的mtDNA的数目、比例和种类也会不同（图二 左侧）。代代相传，经历一个遗传漂变的过程后，当致病的mtDNA在某个特定组织中积累到超过一个阈值时，呼吸容量降低，细胞功能失调。线粒体这种独特的遗传特点，使得致病的线粒体基因随着时间在特定组织中积累增多，从而让线粒
图一.
哺乳动物线粒体基因组和线粒体DNA复制模型(Bowmaker et al 2003). A, 哺乳动物线粒体基因组可以编码13条多肽和其翻译所需的各种RNA分子。图中用到的缩写如下： ND, NADH脱氢酶; cyt b, 细胞色素b; COX, 细胞色素C氧化酶; A, ATP合酶； rRNA, rRNA基因。用单字母代码表示的22个tRNAs基因也标记出了最长非编码区和取代环的边界。 B, 哺乳动物mtDNA链不对称复制模型，其认为两条链的不间断合成是从时空上都不同的两个不同的复制起点OH和OL开始的。图中示意的是复制的一个中间态，
其中前导链的合成已经超过了2/3的基因组，并且暴露出OL进而启动了滞后链沿逆时针方向的合成。 C,双链从OH开始单向复制，OH 决定了复制的起点和终点;图中折线的箭头所指方向即复制的延伸方向。D,由Bowmaker 等提出的新模型，双向θ 复制启动下游的OH 并随后在OH发生复制叉捕获（复制叉由a标记）。值得注意的是，当复制叉a被捕获后是难以从实验中区分模型C和模型D中的复制中间体的。 体疾病呈现出随着年龄的增加而加重的病症。这可以解释部分疾病为何会随着年龄增加而加重的原因，但是对于有些疾病还是不能解释，比如在有的极端情况下，组织或者细胞中全是致病的mtDNA，但是这种线粒体疾病却也表现出和年龄相关的特点。既然所有的mtDNA疾病都导致了呼吸作用缺陷，那么按照常理其引发的临床表现也应该相同，但事实上是不同mtDNA突变可导致相同疾病，而同一突变也可引起不同表型，比如乳酸性酸中毒线粒体脑病 (MELAS)中的神经生物学上症状的严重程度就不尽相同，又比如线粒体脑肌病伴有破碎红纤维的肌阵挛癫痫（MERRF）和乳酸性酸中毒线粒体脑病(MELAS)之间有不同的mtDNA突变但却有相似的临床表现(Chan 2006)。这可能是因为不同组织甚至家族成员中突变的mtDNA水平有差异而产生的结果。因为肌细胞和神经细胞对能量的需求特别大，对致病的线粒体的耐受阈值低，因此一般线粒体病的主要特征都表现在神经肌肉组织方面的问题——比如肌肉无力、运动障碍、听力丧失、平衡协调能力减退、惊厥等。
线粒体的融合和分离
可是，mtDNA遗传漂变学说没有考虑线粒体自身融合和分裂的事实。也就是说其实单个线粒体独自存在的时间很短，它很快会和临近的线粒体融合，而线粒体的融合和分离使得细胞中线粒体的总数始终处于一个持续的波动状态。线粒体的融合不仅有内外膜的融合，而且有线粒体基质的融合，一般推断还应该有线粒体拟核的互相混合，虽然目前只有拟核发生和分裂、mtDNA重组等比较少的实验结果支持这个观点(Chan 2006)。如果是这样，那么异质细胞中的线粒体就应该同时具有突变型和野生型mtDNA，而不应该认为仅含有两者中的一个（图二 右侧），即线粒体在细胞分裂之前就提前同质化了。这使得子代中线粒体的遗传漂变大大减弱，产生同质细胞的可能性也大大降低。
另外可能发生在拟核内突变型和野生型
mtDNA的融合将更有效得减缓子代细胞在突变型mtDNA水平上的波动。即使没有拟核的混合，突变型mtDNA和野生型mtDNA的表达产物在线粒体中混合也会有助于保持整个线粒体行驶正常的功能和容忍一定程度的mtDNA突变(Chan 2006)。
线粒体的异质性和其独特的融合分裂行为，无疑使得线粒体致病性突变对线粒体或细胞功能的影响变得扑朔迷离，难以预测。尤其是线粒体疾病和年龄相关和衰老的特点，更增加了线粒体疾病研究的困难，也昭示着线粒体疾病中的未知和神秘。
图二.
线粒体动力学或许可以减缓线粒体DNA遗传中
的波动变化(Chan 2006)。
（左侧）传统mtDNA遗传观点认为线粒体是独立分
散的细胞器，其中只包含野生型（图中灰色）和
突变型（图中红色）mtDNA中的一种。在细胞分裂
中线粒体随机分离，可能产生具有高突变负荷的
子代细胞。经过多次分裂后（虚线所示），这种遗
传漂变最终可能得到一个同质性细胞（底部）。（右
侧）结合了线粒体动力学的观点。在异质细胞中
的线粒体高度互相融合，进而产生了既包括野生
型也包括了突变型mtDNA的线粒体（紫色），由此
子细胞中的遗传漂变达到了最小化。图中为了简
化没有标示出mtDNA形成拟核的过程。
线粒体基因组突变、缺失与疾病
正常线粒体的功能受核基因和线粒体基因的共同控制。经典的线粒体功能失调一般由线粒体基因突变或者核基因突变引起，且症状多出现在脑和骨骼肌组织，故一般这类疾病又称为线粒体脑肌病。这类疾病中由线粒体突变或者缺失引起的占较大比例。自1988年Wallace等第一次提出Leber遗传性视神经眼病是由mtDNA突变引起，到现在人们已经发现了数以百计的与疾病相关的线粒体点突变，缺失和重排(Brown et al 1995)。现在普遍接受的mtDNA损伤机制是活性自由基学说。在线粒体氧化磷酸化过程中产生的活性自由基（ROS）是重要的导致mtDNA突变的环境有害因子，胞嘧啶被氧化后与腺嘌呤错误配对造成GC到AT的转换。有研究报道显示在氧化应激的情况下线粒体DNA相比于核DNA会受到更大范围的损伤，且损伤状态会持续更长时间。基于此，有人提出可以把线粒体DNA的损伤情况作为检验ROS相关疾病的生物指标(Yakes & VanHouten 1997)。导致线粒体功能异常mtDNA突变主要有点突变和缺失突变两种。下表中列举了常见的线粒体疾病、其mtDNA突变类型以及主要基因突变。近日，我国科学家对中国常见的8个线粒体DNA突变位点(A3243G, T8993G/C, A8344G, A1555G, G11778A, G3460A and T14484C)进行检验后发现，被检验者至少带有一个突变点的占总数的10.1%，其中A3243G的出现的比例最高(Cao et al)。而且A3243G和A8344G的发生比率与病患的年龄显著相关。在人类骨骼肌中，A3243G的突变水平与癫痫症和痴呆有关。A3243G tRNALeu突变（UUR）与乳酸性酸中毒线粒体脑病（MELAS）有关，A8344G tRNALys突变水平与MERRF病人小脑共济失调和肌阵挛性癫痫有关。在血液中T8993G/C突变水平与临床严重的NARP（神经衰弱、共济失调和视网膜炎）综合征有关。
近日，我国科学家对中国常见的8个线粒体DNA突变位点(A3243G, T8993G/C, A8344G, A1555G, G11778A, G3460A and T14484C)进行检验后发现，被检验者至少带有一个突变点的占总数的10.1%，其中A3243G的出现的比例最高(Cao et al)。而且A3243G和A8344G的发生
比率与病患的年龄显著相关。在人类骨骼肌中，A3243G的突变水平与癫痫症和痴呆有关。A3243G tRNALeu突变（UUR）与乳酸性酸中毒线粒体脑病（MELAS）有关，A8344G tRNALys突变水平与MERRF病人小脑共济失调和肌阵挛性癫痫有关。在血液中T8993G/C突变水平与临床严重的NARP（神经衰弱、共济失调和视网膜炎）综合征有关。
常见线粒体突变或缺失引发的疾病
mtDNA点突变——编码蛋白基因
Leber氏遗传性视神经病变(LHON)
Leber氏遗传性视神经病变(LHON)是一种主要累及视盘黄斑束纤维，导致视神经退行性变的遗传性疾病。由发生在线粒体复合物I亚基的点突变引起，是一种最为常见的线粒体遗传病。LHON具有ND4 G11778A、ND1G3460A、ND6 T14484C 3 个原发突变位点。一般均有mtDNA 11778位点的点突变，中国人中14484/ND6突变不明显(Qu et al)。另外有报道MtDNA 3866位点T-C碱基的改变使ND1亚基第187位进化高度保守的异亮氨酸转变为苏氨酸，从而改变该蛋白的结构，进而影响其功能。
神经病、共济失调及色素性视网膜炎（NARP）
神经病、共济失调及色素性视网膜炎（neuropathy, ataxia and retinitis pigmentosa，NARP）由ATP合酶亚基编码基因的一个点突变（T8993G）导致156位亮氨酸突变为精氨酸而发生的线粒体疾病(Rak et al 2007)。其主要病症有视网膜恶性病变，导致视觉丧失等。
Leigh综合征
Leigh综合征导致大脑损伤，使产生共济失调、惊厥、视觉和听力损伤、发育迟缓以及呼吸肌失控。它亦能造成肌肉无力，特别是能导致吞咽、发音以及眼球运动困难。Leigh综合征由线粒体或者核基因组缺陷而严重影响线粒体中的有氧代谢造成(Finsterer 2008)。 一种由于线粒体氧化磷酸化障碍所导致的严重退行性脑病.常染色体SURF1基因突变所致细胞色素C氧化酶缺乏是导致Leigh综合征的常见原因。
mtDNA点突变——tRNA基因
线粒体脑肌病、乳酸中毒以及卒中样发作（MELAS）
线粒体脑肌病、乳酸中毒以及卒中样发作（mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis and strokelike episodes，MELAS）导致大脑周期性卒中发作，常使患者发生偏头痛、呕吐及惊厥，有时造成大脑发生永久性损伤，主要发病期在童年和成年早期。近期研究发现，大多数病患都具有mtDNA 3243异质性突变(He & Zhang)，病初期异质性突变水平和惊厥负相关，和乳酸症状正相关。
肌阵挛性癫痫发作伴破碎红纤维（MERRF）
肌阵挛性癫痫发作伴破碎红纤维（myoclonus epilepsy with ragged red fibers，MERRF）最常见的体征是肌阵挛（肌肉阵发性痉挛）、惊厥、共济失调及肌肉无力。在线粒体tRNA(Lys)基因8313处G到A的颠换使得tRNA(Lys)的稳定性降低和氨基酰化水平降低，这可能是G8313A突变的致病机制(Bacman et al 2003)。
mtDNA点突变——rRNA基因
氨基糖甙药物性耳聋(AID)
氨基糖甙药物性耳聋(AID)最早发现于1993年(Fischel-Ghodsian 1999)，是一类线粒体12S rRNA A1555G突变引起的致病突变，当与氨基糖甙类抗生素接触后才出现耳聋。最近的研究发现在线粒体12S rRNA 上有68处变异，其中A1555G突变拥有最高的频率(Lu et al)。
mtDNA缺失
Pearson综合征
Pearson综合征是一种发生在婴儿期的疾病，导致严重的贫血和胰腺疾病。患此病的儿童若未死亡可转发为KSS。对患儿的研究发现，其所有组织中都存在mtDNA单个长片段缺失，具体分析缺失则一般为4977个碱基对的丢失(Pogozelski et al 2003)。
Kearns-Sayre综合征（KSS）
Kearns-Sayre综合征（KSS）该病症表现为上睑下垂和色素性视网膜炎。该病的其他一般症状包括心脏传导阻滞和共济失调。另一些不典型的症状有智力发育迟缓或有智力衰退迹象，性成熟推迟以及过短身材等。主要因为mtDNA上大片段的缺失造成线粒体功能障碍(Lopez-Gallardo et al 2009)，发病主要在20岁之前。
慢性进行性外眼肌麻痹（CPEO）
慢性进行性外眼肌麻痹（chronic progressive external ophthalmoplegia，CPEO）多见于成人。因为眼部肌肉进行性麻痹而使眼部运动受损，出现上睑下垂等临床显著症状。CPEO主要因为单个长片段的缺失或者多个mtDNA的缺失引起(Lopez-Gallardo et al 2009)。
非胰岛素依赖型糖尿病
非胰岛素依赖型糖尿病是一种年龄相关性疾病，是老年人最常见的一种内分泌系疾病。研究表明，成年期糖尿病患者存在mtDNA的异质均有异质体10.4kbmtDNA片段缺失，缺失位于4389-14812位点之间，缺失部分包括L链起点（O2）和除rRNa、ND1部分cytb和相邻的RNA外的所有mtDNA编码基因(Tuppen et al)。缺失后的mtDNA分子小因而具有自制优势，易于在细胞内聚积而使异质体达到阈值效应。少数非胰岛素依赖型糖尿病患者表现为mtDNA的点突变。如mtDNA3243位A→G突变，不仅影响了tRNALeu的合成，还累及转录终止因子的结合，造成线粒体蛋白的合成不足，影响了ATP的生产，这一突变的母亲遗传倾向较大(Tuppen et al)。
总结
几乎人体内所有细胞的直接能量来源都是线粒体，因此,线粒体病可以说是一种导致多系统紊乱的疾病，它能损伤不止一种体细胞、组织或器官。许多线粒体疾病具有随着年龄增加而加重的特性，具体原因尚不确定，可能是因为异质线粒体在细胞分裂过程中随机分配中产生含有致病mtDNA过高的子代，而这种子细胞因致病mtDNA含量超过阈值故会出现病症，同样由其分化而来的组织也会表现出相应的病症。显然，如果这种致病的子细胞在个体发育中出现的越早，那么对个体的影响也会越大。
参考文献
Bacman SR, Atencio DP, Moraes CT. 2003. Decreased mitochondrial tRNA(Lys) steady-state levels
and aminoacylation are associated with the pathogenic G8313A mitochondrial DNA mutation. Biochemical Journal 374: 131-6
Berdanier CD, Everts HB. 2001. Mitochondrial DNA in aging and degenerative disease. Mutation
Research-Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis 475: 169-84
Bowmaker M, Yang MY, Yasukawa T, Reyes A, Jacobs HT, et al. 2003. Mammalian mitochondrial
DNA replicates bidirectionally from an initiation zone. Journal of Biological Chemistry 278: 50961-9
Brown MD, Torroni A, Reckord CL, Wallace DC. 1995. PHYLOGENETIC ANALYSIS OF LEBERS
HEREDITARY OPTIC NEUROPATHY MITOCHONDRIAL DNAS INDICATES MULTIPLE INDEPENDENT OCCURRENCES OF THE COMMON MUTATIONS. Human Mutation 6: 311-25
Cao YY, Ma YN, Zhang Y, Li YJE, Fang F, et al. Detection of eight frequently encountered point
mutations in mitochondria in Chinese patients suggestive of mitochondrial encephalomyopathies. Mitochondrion 10: 330-4
Chan DC. 2006. Mitochondria: Dynamic organelles in disease, aging, and development. Cell 125:
1241-52
Finsterer J. 2008. Leigh and Leigh-Like Syndrome in Children and Adults. Pediatric Neurology 39:
223-35
Fischel-Ghodsian N. 1999. Mitochondrial deafness mutations reviewed. Human Mutation 13: 261-70 Graeber MB, Grasbon-Frodl E, Eitzen UV, Kosel S. 1998. Neurodegeneration and aging: Role of the
second genome. Journal of Neuroscience Research 52: 1-6
He ZW, Zhang CD. Mitochondrial encephalomyopathy with lactic acidosis and stroke-like episodes
correlates with heteroplasmic mutations of mitochondrial DNA 3243 A single-case genealogy analysis. Neural Regeneration Research 5: 295-300
Korr H, Kurz C, Seidler TO, Sommer D, Schmitz C. 1998. Mitochondrial DNA synthesis studied
autoradiographically in various cell types in vivo. Brazilian Journal of Medical and Biological Research 31: 289-98
Lopez-Gallardo E, Lopez-Perez MJ, Montoya J, Ruiz-Pesini E. 2009. CPEO and KSS differ in the
percentage and location of the mtDNA deletion. Mitochondrion 9: 314-7
Lu JX, Li ZY, Zhu Y, Yang AF, Li RH, et al. Mitochondrial 12S rRNA variants in 1642 Han Chinese
pediatric subjects with aminoglycoside-induced and nonsyndromic hearing loss. Mitochondrion 10: 380-90
Meissner C. 2007. Mutations of mitochondrial DNA - cause or consequence of the ageing process?
Zeitschrift Fur Gerontologie Und Geriatrie 40: 325-33
Pogozelski WK, Hamel CJC, Woeller CF, Jackson WE, Zullo SJ, et al. 2003. Quantification of total
mitochondrial DNA and the 4977-by common deletion in Pearson's syndrome lymphoblasts using a fluorogenic 5 '-nuclease (TaqMan (TM)) real-time polymerase chain reaction assay and plasmid external calibration standards. Mitochondrion 2: 415-27
Qu J, Zhou XT, Zhao FX, Liu XL, Zhang ML, et al. Low penetrance of Leber's hereditary optic
neuropathy in ten Han Chinese families carrying the ND6 T11484C mutation. Biochimica Et Biophysica Acta-General Subjects 1800: 305-12
Rak M, Tetaud E, Duvezin-Caubet S, Ezkurdia N, Bietenhader M, et al. 2007. A yeast model of the
neurogenic ataxia retinitis pigmentosa (NARP) T8993G mutation in the mitochondrial ATP synthase-6 gene. Journal of Biological Chemistry 282: 34039-47
Tuppen HAL, Blakely EL, Turnbull DM, Taylor RW. Mitochondrial DNA mutations and human
disease. Biochimica Et Biophysica Acta-Bioenergetics 1797: 113-28
Wallace DC. 2005. A mitochondrial paradigm of metabolic and degenerative diseases, aging, and
cancer: A dawn for evolutionary medicine. Annual Review of Genetics 39: 359-407
Yakes FM, VanHouten B. 1997. Mitochondrial DNA damage is more extensive and persists longer
than nuclear DNA damage in human cells following oxidative stress. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 94: 514-9
浅述线粒体基因组与疾病
四川大学 郑文 生物技术专业
线粒体是胞质细胞器，现大多数研究认为线粒体是15亿年前由和原始真核细胞共生的好氧细菌进化而来(Wallace 2005)。线粒体是细胞物质氧化的主要场所和能量供给中心。近年来的研究发现，线粒体在退行性疾病中扮演着关键的角色。在这篇文章里，我将从线粒体的遗传的角度，来探讨它与相应疾病的关系。
线粒体的遗传方式
作为半自主细胞器，线粒体包含其自身特有的蛋白质合成机制和自主复制的线粒体DNA（mtDNA）。人的mtDNA分子是一个长16,569bp的双链闭环超螺旋DNA，包括H（重）链和L（轻）链。人类mtDNA结构表明，它编码13个电子传递链上的亚基，22个tRNA和2个rRNA。这些基因呈紧密排列，基因内没有内含子，但有一个长1～2kntp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(Graeber et al 1998)（图一 A）。mtDNA分子上无核苷酸结合蛋白,缺少组蛋白的保护，而且线粒体内无DNA损伤修复系统，因些mtDNA易于突变，并且突变容易得到保存(Meissner 2007)。
现行解释mtDNA复制机制的模型主要有三种(Bowmaker et al 2003)。第一种模型认为，其复制起始于OH（重链复制起点）在聚合酶γ (POLG)的作用下沿顺时针方向合成2/3长度的mtDNA，再从OL（轻链复制起点）开始以逆时针方向完成mtDNA的复制（图一 B）。基于这个模型，会形成暂时的单链mtDNA，而单链mtDNA会更容易发生突变。第二种模型认为，双链从OH开始单向复制（图一 C）。而对复制中间体的双向凝胶电泳实验则暗示可能存在一个新的复制模型，其认为mtDNA的复制是双向的，并起始于一个较长的起始区域上的多个起始点(Bowmaker et al 2003)（图一 D）。
mtDNA的结构和复制机制使之较nDNA有更高的突变率，据报道mtDNA的突变率比nDNA高10到20倍。mtDNA的高突变率造成个体及群体中其序列差异较大。任何两个人的mtDNA，平均每1000个碱基对中就有4个不同。其中部分有害突变会导致线粒体遗传病的产生。
线粒体的半衰期在神经元中一般为18到24天，而肌细胞中为18天(Korr et al 1998)，这样的遗传周期导致在一个个体的生命周期中，线粒体可以遗传几百甚至上千代，在物种进化中发生的遗传漂变等效应，线粒体基因组在一个个体生命周期中就可以完成。
不同的类型的细胞所包含的mtDNA的拷贝数目也不相同，可以从几千到肝细胞中的25000个拷贝(Berdanier & Everts 2001)。而相应的拷贝数的变化也可能导致疾病的产生。
受精卵中的线粒体主要来自卵细胞，精子携带的入受精卵的线粒体会被特异性的标记而被降解，因而受精卵中来自卵细胞的mtDNA对表型起决定性作用，突变会沿母系连续积累，呈现母系遗传的特点。一般哺乳动物细胞中含有成百上千个线粒体，而每个线粒体中含有多个mtDNA的拷贝。如果受精卵遗传到的是既有致病的也有野生型的mtDNA，那么受精卵就是一个含异质mtDNA的细胞。那么当这个含异质mtDNA的细胞分裂分化成不同的组织时，由于在分裂中mtDNA的随机分配，子代细胞携带的异质的mtDNA的数目、种类各不相同，和亲代细胞也有较大差异，因此，子代细胞发育成的不同组织其所含的致病的mtDNA的数目、比例和种类也会不同（图二 左侧）。代代相传，经历一个遗传漂变的过程后，当致病的mtDNA在某个特定组织中积累到超过一个阈值时，呼吸容量降低，细胞功能失调。线粒体这种独特的遗传特点，使得致病的线粒体基因随着时间在特定组织中积累增多，从而让线粒
图一.
哺乳动物线粒体基因组和线粒体DNA复制模型(Bowmaker et al 2003). A, 哺乳动物线粒体基因组可以编码13条多肽和其翻译所需的各种RNA分子。图中用到的缩写如下： ND, NADH脱氢酶; cyt b, 细胞色素b; COX, 细胞色素C氧化酶; A, ATP合酶； rRNA, rRNA基因。用单字母代码表示的22个tRNAs基因也标记出了最长非编码区和取代环的边界。 B, 哺乳动物mtDNA链不对称复制模型，其认为两条链的不间断合成是从时空上都不同的两个不同的复制起点OH和OL开始的。图中示意的是复制的一个中间态，
其中前导链的合成已经超过了2/3的基因组，并且暴露出OL进而启动了滞后链沿逆时针方向的合成。 C,双链从OH开始单向复制，OH 决定了复制的起点和终点;图中折线的箭头所指方向即复制的延伸方向。D,由Bowmaker 等提出的新模型，双向θ 复制启动下游的OH 并随后在OH发生复制叉捕获（复制叉由a标记）。值得注意的是，当复制叉a被捕获后是难以从实验中区分模型C和模型D中的复制中间体的。 体疾病呈现出随着年龄的增加而加重的病症。这可以解释部分疾病为何会随着年龄增加而加重的原因，但是对于有些疾病还是不能解释，比如在有的极端情况下，组织或者细胞中全是致病的mtDNA，但是这种线粒体疾病却也表现出和年龄相关的特点。既然所有的mtDNA疾病都导致了呼吸作用缺陷，那么按照常理其引发的临床表现也应该相同，但事实上是不同mtDNA突变可导致相同疾病，而同一突变也可引起不同表型，比如乳酸性酸中毒线粒体脑病 (MELAS)中的神经生物学上症状的严重程度就不尽相同，又比如线粒体脑肌病伴有破碎红纤维的肌阵挛癫痫（MERRF）和乳酸性酸中毒线粒体脑病(MELAS)之间有不同的mtDNA突变但却有相似的临床表现(Chan 2006)。这可能是因为不同组织甚至家族成员中突变的mtDNA水平有差异而产生的结果。因为肌细胞和神经细胞对能量的需求特别大，对致病的线粒体的耐受阈值低，因此一般线粒体病的主要特征都表现在神经肌肉组织方面的问题——比如肌肉无力、运动障碍、听力丧失、平衡协调能力减退、惊厥等。
线粒体的融合和分离
可是，mtDNA遗传漂变学说没有考虑线粒体自身融合和分裂的事实。也就是说其实单个线粒体独自存在的时间很短，它很快会和临近的线粒体融合，而线粒体的融合和分离使得细胞中线粒体的总数始终处于一个持续的波动状态。线粒体的融合不仅有内外膜的融合，而且有线粒体基质的融合，一般推断还应该有线粒体拟核的互相混合，虽然目前只有拟核发生和分裂、mtDNA重组等比较少的实验结果支持这个观点(Chan 2006)。如果是这样，那么异质细胞中的线粒体就应该同时具有突变型和野生型mtDNA，而不应该认为仅含有两者中的一个（图二 右侧），即线粒体在细胞分裂之前就提前同质化了。这使得子代中线粒体的遗传漂变大大减弱，产生同质细胞的可能性也大大降低。
另外可能发生在拟核内突变型和野生型
mtDNA的融合将更有效得减缓子代细胞在突变型mtDNA水平上的波动。即使没有拟核的混合，突变型mtDNA和野生型mtDNA的表达产物在线粒体中混合也会有助于保持整个线粒体行驶正常的功能和容忍一定程度的mtDNA突变(Chan 2006)。
线粒体的异质性和其独特的融合分裂行为，无疑使得线粒体致病性突变对线粒体或细胞功能的影响变得扑朔迷离，难以预测。尤其是线粒体疾病和年龄相关和衰老的特点，更增加了线粒体疾病研究的困难，也昭示着线粒体疾病中的未知和神秘。
图二.
线粒体动力学或许可以减缓线粒体DNA遗传中
的波动变化(Chan 2006)。
（左侧）传统mtDNA遗传观点认为线粒体是独立分
散的细胞器，其中只包含野生型（图中灰色）和
突变型（图中红色）mtDNA中的一种。在细胞分裂
中线粒体随机分离，可能产生具有高突变负荷的
子代细胞。经过多次分裂后（虚线所示），这种遗
传漂变最终可能得到一个同质性细胞（底部）。（右
侧）结合了线粒体动力学的观点。在异质细胞中
的线粒体高度互相融合，进而产生了既包括野生
型也包括了突变型mtDNA的线粒体（紫色），由此
子细胞中的遗传漂变达到了最小化。图中为了简
化没有标示出mtDNA形成拟核的过程。
线粒体基因组突变、缺失与疾病
正常线粒体的功能受核基因和线粒体基因的共同控制。经典的线粒体功能失调一般由线粒体基因突变或者核基因突变引起，且症状多出现在脑和骨骼肌组织，故一般这类疾病又称为线粒体脑肌病。这类疾病中由线粒体突变或者缺失引起的占较大比例。自1988年Wallace等第一次提出Leber遗传性视神经眼病是由mtDNA突变引起，到现在人们已经发现了数以百计的与疾病相关的线粒体点突变，缺失和重排(Brown et al 1995)。现在普遍接受的mtDNA损伤机制是活性自由基学说。在线粒体氧化磷酸化过程中产生的活性自由基（ROS）是重要的导致mtDNA突变的环境有害因子，胞嘧啶被氧化后与腺嘌呤错误配对造成GC到AT的转换。有研究报道显示在氧化应激的情况下线粒体DNA相比于核DNA会受到更大范围的损伤，且损伤状态会持续更长时间。基于此，有人提出可以把线粒体DNA的损伤情况作为检验ROS相关疾病的生物指标(Yakes & VanHouten 1997)。导致线粒体功能异常mtDNA突变主要有点突变和缺失突变两种。下表中列举了常见的线粒体疾病、其mtDNA突变类型以及主要基因突变。近日，我国科学家对中国常见的8个线粒体DNA突变位点(A3243G, T8993G/C, A8344G, A1555G, G11778A, G3460A and T14484C)进行检验后发现，被检验者至少带有一个突变点的占总数的10.1%，其中A3243G的出现的比例最高(Cao et al)。而且A3243G和A8344G的发生比率与病患的年龄显著相关。在人类骨骼肌中，A3243G的突变水平与癫痫症和痴呆有关。A3243G tRNALeu突变（UUR）与乳酸性酸中毒线粒体脑病（MELAS）有关，A8344G tRNALys突变水平与MERRF病人小脑共济失调和肌阵挛性癫痫有关。在血液中T8993G/C突变水平与临床严重的NARP（神经衰弱、共济失调和视网膜炎）综合征有关。
近日，我国科学家对中国常见的8个线粒体DNA突变位点(A3243G, T8993G/C, A8344G, A1555G, G11778A, G3460A and T14484C)进行检验后发现，被检验者至少带有一个突变点的占总数的10.1%，其中A3243G的出现的比例最高(Cao et al)。而且A3243G和A8344G的发生
比率与病患的年龄显著相关。在人类骨骼肌中，A3243G的突变水平与癫痫症和痴呆有关。A3243G tRNALeu突变（UUR）与乳酸性酸中毒线粒体脑病（MELAS）有关，A8344G tRNALys突变水平与MERRF病人小脑共济失调和肌阵挛性癫痫有关。在血液中T8993G/C突变水平与临床严重的NARP（神经衰弱、共济失调和视网膜炎）综合征有关。
常见线粒体突变或缺失引发的疾病
mtDNA点突变——编码蛋白基因
Leber氏遗传性视神经病变(LHON)
Leber氏遗传性视神经病变(LHON)是一种主要累及视盘黄斑束纤维，导致视神经退行性变的遗传性疾病。由发生在线粒体复合物I亚基的点突变引起，是一种最为常见的线粒体遗传病。LHON具有ND4 G11778A、ND1G3460A、ND6 T14484C 3 个原发突变位点。一般均有mtDNA 11778位点的点突变，中国人中14484/ND6突变不明显(Qu et al)。另外有报道MtDNA 3866位点T-C碱基的改变使ND1亚基第187位进化高度保守的异亮氨酸转变为苏氨酸，从而改变该蛋白的结构，进而影响其功能。
神经病、共济失调及色素性视网膜炎（NARP）
神经病、共济失调及色素性视网膜炎（neuropathy, ataxia and retinitis pigmentosa，NARP）由ATP合酶亚基编码基因的一个点突变（T8993G）导致156位亮氨酸突变为精氨酸而发生的线粒体疾病(Rak et al 2007)。其主要病症有视网膜恶性病变，导致视觉丧失等。
Leigh综合征
Leigh综合征导致大脑损伤，使产生共济失调、惊厥、视觉和听力损伤、发育迟缓以及呼吸肌失控。它亦能造成肌肉无力，特别是能导致吞咽、发音以及眼球运动困难。Leigh综合征由线粒体或者核基因组缺陷而严重影响线粒体中的有氧代谢造成(Finsterer 2008)。 一种由于线粒体氧化磷酸化障碍所导致的严重退行性脑病.常染色体SURF1基因突变所致细胞色素C氧化酶缺乏是导致Leigh综合征的常见原因。
mtDNA点突变——tRNA基因
线粒体脑肌病、乳酸中毒以及卒中样发作（MELAS）
线粒体脑肌病、乳酸中毒以及卒中样发作（mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis and strokelike episodes，MELAS）导致大脑周期性卒中发作，常使患者发生偏头痛、呕吐及惊厥，有时造成大脑发生永久性损伤，主要发病期在童年和成年早期。近期研究发现，大多数病患都具有mtDNA 3243异质性突变(He & Zhang)，病初期异质性突变水平和惊厥负相关，和乳酸症状正相关。
肌阵挛性癫痫发作伴破碎红纤维（MERRF）
肌阵挛性癫痫发作伴破碎红纤维（myoclonus epilepsy with ragged red fibers，MERRF）最常见的体征是肌阵挛（肌肉阵发性痉挛）、惊厥、共济失调及肌肉无力。在线粒体tRNA(Lys)基因8313处G到A的颠换使得tRNA(Lys)的稳定性降低和氨基酰化水平降低，这可能是G8313A突变的致病机制(Bacman et al 2003)。
mtDNA点突变——rRNA基因
氨基糖甙药物性耳聋(AID)
氨基糖甙药物性耳聋(AID)最早发现于1993年(Fischel-Ghodsian 1999)，是一类线粒体12S rRNA A1555G突变引起的致病突变，当与氨基糖甙类抗生素接触后才出现耳聋。最近的研究发现在线粒体12S rRNA 上有68处变异，其中A1555G突变拥有最高的频率(Lu et al)。
mtDNA缺失
Pearson综合征
Pearson综合征是一种发生在婴儿期的疾病，导致严重的贫血和胰腺疾病。患此病的儿童若未死亡可转发为KSS。对患儿的研究发现，其所有组织中都存在mtDNA单个长片段缺失，具体分析缺失则一般为4977个碱基对的丢失(Pogozelski et al 2003)。
Kearns-Sayre综合征（KSS）
Kearns-Sayre综合征（KSS）该病症表现为上睑下垂和色素性视网膜炎。该病的其他一般症状包括心脏传导阻滞和共济失调。另一些不典型的症状有智力发育迟缓或有智力衰退迹象，性成熟推迟以及过短身材等。主要因为mtDNA上大片段的缺失造成线粒体功能障碍(Lopez-Gallardo et al 2009)，发病主要在20岁之前。
慢性进行性外眼肌麻痹（CPEO）
慢性进行性外眼肌麻痹（chronic progressive external ophthalmoplegia，CPEO）多见于成人。因为眼部肌肉进行性麻痹而使眼部运动受损，出现上睑下垂等临床显著症状。CPEO主要因为单个长片段的缺失或者多个mtDNA的缺失引起(Lopez-Gallardo et al 2009)。
非胰岛素依赖型糖尿病
非胰岛素依赖型糖尿病是一种年龄相关性疾病，是老年人最常见的一种内分泌系疾病。研究表明，成年期糖尿病患者存在mtDNA的异质均有异质体10.4kbmtDNA片段缺失，缺失位于4389-14812位点之间，缺失部分包括L链起点（O2）和除rRNa、ND1部分cytb和相邻的RNA外的所有mtDNA编码基因(Tuppen et al)。缺失后的mtDNA分子小因而具有自制优势，易于在细胞内聚积而使异质体达到阈值效应。少数非胰岛素依赖型糖尿病患者表现为mtDNA的点突变。如mtDNA3243位A→G突变，不仅影响了tRNALeu的合成，还累及转录终止因子的结合，造成线粒体蛋白的合成不足，影响了ATP的生产，这一突变的母亲遗传倾向较大(Tuppen et al)。
总结
几乎人体内所有细胞的直接能量来源都是线粒体，因此,线粒体病可以说是一种导致多系统紊乱的疾病，它能损伤不止一种体细胞、组织或器官。许多线粒体疾病具有随着年龄增加而加重的特性，具体原因尚不确定，可能是因为异质线粒体在细胞分裂过程中随机分配中产生含有致病mtDNA过高的子代，而这种子细胞因致病mtDNA含量超过阈值故会出现病症，同样由其分化而来的组织也会表现出相应的病症。显然，如果这种致病的子细胞在个体发育中出现的越早，那么对个体的影响也会越大。
参考文献
Bacman SR, Atencio DP, Moraes CT. 2003. Decreased mitochondrial tRNA(Lys) steady-state levels
and aminoacylation are associated with the pathogenic G8313A mitochondrial DNA mutation. Biochemical Journal 374: 131-6
Berdanier CD, Everts HB. 2001. Mitochondrial DNA in aging and degenerative disease. Mutation
Research-Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis 475: 169-84
Bowmaker M, Yang MY, Yasukawa T, Reyes A, Jacobs HT, et al. 2003. Mammalian mitochondrial
DNA replicates bidirectionally from an initiation zone. Journal of Biological Chemistry 278: 50961-9
Brown MD, Torroni A, Reckord CL, Wallace DC. 1995. PHYLOGENETIC ANALYSIS OF LEBERS
HEREDITARY OPTIC NEUROPATHY MITOCHONDRIAL DNAS INDICATES MULTIPLE INDEPENDENT OCCURRENCES OF THE COMMON MUTATIONS. Human Mutation 6: 311-25
Cao YY, Ma YN, Zhang Y, Li YJE, Fang F, et al. Detection of eight frequently encountered point
mutations in mitochondria in Chinese patients suggestive of mitochondrial encephalomyopathies. Mitochondrion 10: 330-4
Chan DC. 2006. Mitochondria: Dynamic organelles in disease, aging, and development. Cell 125:
1241-52
Finsterer J. 2008. Leigh and Leigh-Like Syndrome in Children and Adults. Pediatric Neurology 39:
223-35
Fischel-Ghodsian N. 1999. Mitochondrial deafness mutations reviewed. Human Mutation 13: 261-70 Graeber MB, Grasbon-Frodl E, Eitzen UV, Kosel S. 1998. Neurodegeneration and aging: Role of the
second genome. Journal of Neuroscience Research 52: 1-6
He ZW, Zhang CD. Mitochondrial encephalomyopathy with lactic acidosis and stroke-like episodes
correlates with heteroplasmic mutations of mitochondrial DNA 3243 A single-case genealogy analysis. Neural Regeneration Research 5: 295-300
Korr H, Kurz C, Seidler TO, Sommer D, Schmitz C. 1998. Mitochondrial DNA synthesis studied
autoradiographically in various cell types in vivo. Brazilian Journal of Medical and Biological Research 31: 289-98
Lopez-Gallardo E, Lopez-Perez MJ, Montoya J, Ruiz-Pesini E. 2009. CPEO and KSS differ in the
percentage and location of the mtDNA deletion. Mitochondrion 9: 314-7
Lu JX, Li ZY, Zhu Y, Yang AF, Li RH, et al. Mitochondrial 12S rRNA variants in 1642 Han Chinese
pediatric subjects with aminoglycoside-induced and nonsyndromic hearing loss. Mitochondrion 10: 380-90
Meissner C. 2007. Mutations of mitochondrial DNA - cause or consequence of the ageing process?
Zeitschrift Fur Gerontologie Und Geriatrie 40: 325-33
Pogozelski WK, Hamel CJC, Woeller CF, Jackson WE, Zullo SJ, et al. 2003. Quantification of total
mitochondrial DNA and the 4977-by common deletion in Pearson's syndrome lymphoblasts using a fluorogenic 5 '-nuclease (TaqMan (TM)) real-time polymerase chain reaction assay and plasmid external calibration standards. Mitochondrion 2: 415-27
Qu J, Zhou XT, Zhao FX, Liu XL, Zhang ML, et al. Low penetrance of Leber's hereditary optic
neuropathy in ten Han Chinese families carrying the ND6 T11484C mutation. Biochimica Et Biophysica Acta-General Subjects 1800: 305-12
Rak M, Tetaud E, Duvezin-Caubet S, Ezkurdia N, Bietenhader M, et al. 2007. A yeast model of the
neurogenic ataxia retinitis pigmentosa (NARP) T8993G mutation in the mitochondrial ATP synthase-6 gene. Journal of Biological Chemistry 282: 34039-47
Tuppen HAL, Blakely EL, Turnbull DM, Taylor RW. Mitochondrial DNA mutations and human
disease. Biochimica Et Biophysica Acta-Bioenergetics 1797: 113-28
Wallace DC. 2005. A mitochondrial paradigm of metabolic and degenerative diseases, aging, and
cancer: A dawn for evolutionary medicine. Annual Review of Genetics 39: 359-407
Yakes FM, VanHouten B. 1997. Mitochondrial DNA damage is more extensive and persists longer
than nuclear DNA damage in human cells following oxidative stress. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 94: 514-9