第2节 线粒体DNA突变与疾病
根据线粒体所处的细胞不同，可将线粒体DNA突变分为体细胞突变和生殖细胞突变。体细胞mtDNA突变一般是散发的，无家族史，氧化磷酸化能力随年龄的增加而衰退，其主要是伴随生殖细胞mtDNA突变起作用。生殖细胞mtDNA突变可分轻型、中型和重型三种。轻型突变通常有亚临床的氧化磷酸化能力下降，随着年龄增长而产生的体细胞突变积累，常出现老年化的器官病变。中型突变就是常说的线粒体遗传病，呈母系遗传。重型突变一般是致死性的。目前已发现大约30多个点突变和多种缺失与线粒体遗传病有关（图5－4）。
线粒体DNA的突变类型可分为三类：①mtDNA编码基因的点突变；②mtDNA的大片段缺失和重复；③mtDNA数量的减少。点突变通常为母系遗传；单发的片段缺失或重复多为散发性；而多发的大片段缺失或mtDNA数量的减少可为常染色体显性或隐性遗传，即提示该病是核基因缺陷所致的线粒体功能障碍。
一、mtDNA点突变与疾病
1.Leber遗传性视神经病（MIM 535000）
Leber遗传性视神经病（Leber’s hereditary optic neuropathy，LHON）是以德国眼科医师Theodor Leber（1840—1917）的名字命名的。该病是人类发现的第一种母系遗传的疾病，迄今尚未发现有男性患者将此病传给后代的例子。由此病开始，学者们才注意到疾病的致病机制可能与mtDNA有关。
LHON的主要症状为视神经坏死引起的急性无痛双侧性中央视力丧失，其眼部特征包括环视乳头毛细血管扩张性微血管病和视盘周围神经纤维层膨胀，同时常伴有心脏节律失常。一般发病年龄为18～30岁，男女发病比例为4∶1。现已发现许多mtDNA突变与LHON有关，其中最早发现也是最重要的是mtDNA第11778位G→A，该位点编码NADH－辅酶Q复合物亚单位ND4第340位的精氨酸。这是一个极为保守的氨基酸，在电子传递过程中具有重要的功能。此位点的突变降低了电子传递的效率，从而减少了视神经ATP的供给，导致视神经功能的下降，最终引起视神经的萎缩、死亡。此突变是1988年Wallace最先发现的，因此称之为Wallace突变。后来的研究表明，大约50%的LHON病人是由该位点的突变引起的。除此以外，现在已发现10多种点突变与该病的发生有关，它们分布于ND1、ND2、ND3、ND4、ND6、细胞色素b等基因中（表5－4）。最近还发现X染色体上一个基因位点与LHON视萎缩有关，这也许可解释为何LHON男性患者较多。
图5－4 人类线粒体DNA的部分突变
表5－4 与LHON病相关的mtDNA突变
续表
利用Wallace突变可对约50%LHON患者进行基因诊断。采用PCR－RFLP的方法，在11778bp两侧设计一对引物，通过PCR扩增，其产物用MaeⅢ酶切后进行电泳，突变个体可产生两条带而正常个体则不能，异质性突变个体可出现三条带，这样可以做出准确的诊断。
2.mtDNA突变与氨基糖甙类抗生素致聋（MIM 561000）
人们早已认识到链霉素、庆大霉素等氨基糖甙类抗生素的耳毒性副作用，但其分子机制一直不清楚。1993年，Prezant等通过母系遗传的氨基糖甙类抗生素致聋（aminoglycoside anti－biotics induced deafness，AAID）家系的研究，首次报道了mtDNA 12S－rRNA基因1555A→G的突变与此耳聋有关。随后国内外的一些研究证实该突变导致机体对氨基糖甙类抗生素易感性升高，极少剂量的氨基糖甙类抗生素就会致聋。AAID的发生是遗传因素和环境因素共同作用的结果。
3.MELAS综合征（MIM 540000）
MELAS综合征又称为线粒体肌病、脑病伴乳酸中毒及中风样发作综合征（mitochondrial myopathy，encephalopathy，lactic acidosis，and stroke－like episodes，MELAS），其主要症状为阵发性呕吐、乳酸酸中毒、肌肉组织病变。中风具有可逆性，它使大脑皮质和脊髓白质损伤，可通过CT或MRI检出。约80%的患者是由于mtDNA 3243A→G的突变引起，该突变改变了tRNALeu基因的结构，可能降低了转录活性并改变线粒体rRNA基因和mRNA转录的比例。
据对MELAS进行的尸体研究报告，nt.3243的突变在所有组织均以相似的高比例存在，为93%～96%；症状较轻的一名亲属肌肉组织检测，突变的mtDNA比例稍低，为62%～89%；无症状者亲属最低，为28%。该位点的检测可以合成一对引物，扩增包括mtDNA 2695～4724的片段，然后用Bsp120I酶切（图5－5）。
4.MERRF综合征（MIM 545000）
MERRF综合征又称为肌阵挛性癫痫和破碎红纤维病（myoclonus epilepsy and ragged－red fibers，MERRF），是一种罕见的中枢神经系统及骨骼肌疾病，呈母系遗传，以肌阵挛性癫痫和小脑共济失调为主要特征，同时伴有智力低下、听力损失、脊神经退化等。破碎红纤维是指大量的团块状异常线粒体主要聚集在肌细胞中，电子传导链中复合物Ⅱ的特异性染料能将其染成红色。
大多数MERRF病例是由于mtDNA上tRNALys基因点突变（─→8344AG）引起。这个突变位于该基因TΨC环处，该处序列在进化上具有保守性，而突变的发生可能以某种方式改变了线粒体蛋白质的合成。少数该病患者mtDNA为T8356C点突变，症状相对轻微。
二、mtDNA缺失与疾病
mtDNA的缺失存在于许多神经性疾病及一些退行性疾病中，甚至衰老也与此有关。
图5－5 mtDNA 3243位突变分析
A：未酶切的PCR产物（2029bp）B：正常对照，可看到两条带（1731bp和297bp）C：异质性突变病例，产生了两条额外的带（1184bp和547bp） D：λ－DNA／EcoRⅠ＋HindⅢmarkers
mtDNA缺失引起的疾病往往是散发的，无家族史，严重mtDNA缺失的妇女一般十分虚弱，因而很难怀孕，也就不能将她的突变遗传下去。
1.Kearns－Sayre综合征（KSS）（MIM 530000）
本病又称慢性进行性眼外肌麻痹。KSS有以下共同特征：①20岁以前发病；②进行性的眼外肌麻痹；③色素视网膜炎。研究发现，几乎所有的患者均有mtDNA的缺失。缺失片段大小范围在2.0～7.0kb之间，30%～50%KSS患者的缺失片段为4977bp，断裂点分别位于ATP酶亚单位8基因中的第8468位和ND5基因的第13446位。
2.非胰岛素依赖性糖尿病（NIDDM）（MIM 520000）
1992年，在符合母系遗传的糖尿病伴感音神经耳聋的家系中发现了mtDNA 10.4kb的片段缺失和tRNA基因3243位A→G突变。1995年，日本学者发现ND1基因中的3316位G→C突变与NIDDM发病存在相关性。该项研究方兴未艾，最终结论有待进一步研究。
三、mtDNA－核DNA与疾病
（一）mtDNA和核DNA的相互作用
mtDNA和核DNA共同编码了氧化磷酸化系统的5个酶复合物（图5－6），而mtDNA的复制、转录和翻译过程中所需要的几十种酶均由核DNA编码（表5－5），所以，线粒体的遗传自主性要受核基因的一定限制，若编码这些酶的核基因发生突变，也可能导致线粒体功能障碍，产生类似线粒体遗传病的症状。
图5－6 线粒体基因组和核基因组之间的协同作用
表5－5 氧化磷酸化途径中有关酶复合物各亚单位肽链
（二）核基因突变引起的线粒体疾病
这类疾病主要表现为线粒体功能障碍，但呈孟德尔遗传。例如，鸟氨酸氨基转移酶（OAT）是一个单体性线粒体基质酶，催化鸟氨酸和谷氨酸γ－半醛之间的相互转化。OAT活性的缺陷会引起脉络膜和视网膜变性，从而导致成人失明，其遗传方式为常染色体隐性遗传。OAT基因定位于10q26。该基因突变的结果可能改变了OAT蛋白的构象，并阻止其进入线粒体基质。其他一些核基因突变造成的疾病，如底物利用缺陷、铁转运缺陷和电子传递缺陷等，其遗传机制与线粒体基因病不同，它们遵循孟德尔遗传定律，大多为常染色体隐性遗传或X－连锁隐性遗传。
四、环境因素对线粒体功能的影响
线粒体对环境因素的变化比较敏感，外界的一些环境因素可影响线粒体的功能。例如，在有害物质或病毒入侵等情况下，线粒体可发生肿胀甚至破裂，肿胀后的体积有的比正常体积大3～4倍。一些细胞病变时，可看到线粒体中累积大量的脂肪或蛋白质，有时可见线粒体基质颗粒大量增加，这些物质的充塞往往影响线粒体的功能，甚至导致细胞死亡。微波照射下的线粒体会发生亚微结构的变化，从而导致功能异常。氰化物、CO等物质可阻断呼吸链上的电子传递，造成生物氧化中断、细胞死亡等。因此，线粒体常作为分子细胞病理学检查的重要依据。
（付四清）
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