線粒體最主要作用是供能.基質(zhì)內(nèi)含有與三羧酸循環(huán)所需的全部酶類,內(nèi)膜上具有呼吸鏈酶系及ATP酶復(fù)合體.線粒體能為細(xì)胞的生命活動(dòng)提供場(chǎng)所,是細(xì)胞內(nèi)氧化磷酸化和形成ATP的主要場(chǎng)所,有細(xì)胞"動(dòng)力工廠" (power plant)之稱.另外,線粒體有自身的DNA和遺傳體系,但線粒體基因組的基因數(shù)量有限,因此,線粒體只是一種半自主性的細(xì)胞器，線粒體廣泛分布于各種真核細(xì)胞中，其主要功能是通過呼吸鏈(電子傳遞鏈和氧化磷酸化系統(tǒng))為細(xì)胞活動(dòng)提供能量，并參與一些重要的代謝通路，維持細(xì)胞的鈣、鐵離子平衡，以及參與其他生命活動(dòng)的信號(hào)傳導(dǎo)。

　　《中華航空航天醫(yī)學(xué)雜志》(季刊)創(chuàng)刊于1990年，是中華醫(yī)學(xué)會(huì)主辦、中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主管的以航空航天醫(yī)學(xué)為主要研究?jī)?nèi)容的綜合性學(xué)術(shù)期刊，每季度末月出版，國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行。主要讀者對(duì)象為從事航空航天醫(yī)學(xué)專業(yè)的高、中級(jí)專業(yè)人員和航空航天人-機(jī)工程人員。辦刊方針是堅(jiān)持四項(xiàng)基本原則，堅(jiān)持改革開放，貫徹"雙百"方針，提倡實(shí)事求是，推動(dòng)航空航天醫(yī)學(xué)的發(fā)展，促進(jìn)航空航天醫(yī)學(xué)同其它生物醫(yī)學(xué)專業(yè)及工程專業(yè)的交流滲透。

　　此外，線粒體還與活性氧(reactiveoxygen species，ROS)的產(chǎn)生及細(xì)胞凋亡有關(guān)[1-3]。組成線粒體的蛋白質(zhì)有1000多種，除呼吸鏈復(fù)合體蛋白受mtDNA與核基因雙重編碼，其他蛋白均由核基因編碼。mtDNA突變或核基因突變都能引起線粒體功能紊亂[1，4]。早在1963年，Nass等人就發(fā)現(xiàn)有遺傳物質(zhì)DNA的存在。1981 年，Anderson等發(fā)表了人類mtDNA全序列。1988年，Holt和Wallace分別在線粒體腦病和Leber's遺傳性視神經(jīng)病(LHON) 患者的細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了mtDNA突變，從此開辟了研究mtDNA突變與人類疾病的新領(lǐng)域。隨著對(duì)mtDNA研究的深入，人們對(duì)mtDNA的突變和人類疾病的相關(guān)性日益重視。芬蘭的數(shù)據(jù)顯示人群?jiǎn)蝹�(gè)點(diǎn)突變(3243A>G)的比率為1∶6000，然而，英國(guó)資料表明mtDNA疾病的患病率或易患比率為 1∶3500[5]。動(dòng)物模型和人類研究證據(jù)均證明，mtDNA突變是引起人類多因素疾病，部分遺傳性疾病以及衰老的重要原因之一。本文將從以下幾個(gè)方面對(duì)mtDNA突變和相關(guān)疾病進(jìn)行闡述。

　　1 線粒體DNA的遺傳學(xué)特征

　　線粒體DNA是存在于線粒體內(nèi)而獨(dú)立于細(xì)胞核染色體的較小基因組。與核基因相比，線粒體DNA具有一些顯著特征。

　　1.1 母系遺傳

　　Giles等[6]通過對(duì)幾個(gè)歐洲家系線粒體DNA進(jìn)行了單核苷酸多態(tài)性分析時(shí)，發(fā)現(xiàn) mtDNA 分子嚴(yán)格按照母系遺傳方式進(jìn)行傳遞。母系遺傳是指只由母親將其mtDNA分子傳遞給下一代，然后再通過女兒傳給后代。有研究表明[7]，在受精過程中，精子線粒體會(huì)被卵子中泛素水解酶特異性識(shí)別而降解，這很好地解釋為什么父源性mtDNA不能傳播給后代。

　　1.2 異質(zhì)性和突變負(fù)荷

　　核基因突變所產(chǎn)生的突變體分為純合子(homozygote，等位基因都發(fā)生突變，含量為100%)和雜合子(heterozygote，等位基因中的一個(gè)發(fā)生突變，突變含量為50%)與核基因不同，線粒體基因突變發(fā)生在成千上萬個(gè) mtDNA分子上，由此而產(chǎn)生突變體的突變含量幾乎變化于0%到100%之間。人們將細(xì)胞或組織同時(shí)擁有突變型和野生型mtDNA的狀態(tài)稱為異質(zhì)性;將細(xì)胞或組織只擁有一種mtDNA(全部是突變型mtDNA，或野生型mtDNA)的狀態(tài)稱為均質(zhì)性[2]。

　　突變負(fù)荷 (mutation　load)是衡量mtDNA突變體異質(zhì)性程度的重要指標(biāo)，它是指發(fā)生突變mtDNA占全體mtDNA的百分比。一般情況下，mtDNA疾病的發(fā)生及其臨床表型往往取決于突變負(fù)荷的指標(biāo)：當(dāng)人肌肉中mt-A3243G點(diǎn)突變突變負(fù)荷達(dá)到50%時(shí)就足以造成骨骼肌細(xì)胞的氧化損傷和肌肉組織形態(tài)學(xué)異常;另外，A3243G突變負(fù)荷的高低與疾病的嚴(yán)重程度呈一定的相關(guān)性。

　　1.3 閾值效應(yīng)

　　當(dāng)異質(zhì)性mtDNA突變體的突變負(fù)荷較低時(shí)，與突變型mtDNA共存的野生型mtDNA會(huì)發(fā)揮足夠的補(bǔ)償作用，以維持線粒體呼吸鏈的功能。然而，當(dāng)突變負(fù)荷超過一定范圍，使得野生型mtDNA 分子的數(shù)量不足以維持呼吸鏈的功能時(shí)，組織或器官就會(huì)出現(xiàn)功能異常，這種現(xiàn)象稱為閾值效應(yīng)[2]。人體不同組織、器官對(duì)mtDNA突變的易感性存在差異，能量需求高的部位(如骨骼肌、腦、心、腎小管和內(nèi)分泌腺)容易受突變影響，較低的突變負(fù)荷就能引起臨床癥狀;能量需求低的部位(如肺、皮膚和韌帶)對(duì)突變不敏感，較高的突變負(fù)荷才能導(dǎo)致異常的產(chǎn)生。

　　1.4 “瓶頸”和隨機(jī)分配

　　異質(zhì)性mtDNA突變體的突變負(fù)荷在不同的世代交替間變化較為明顯，這種效應(yīng)即為線粒體遺傳的“瓶頸”。一個(gè)被廣泛接受的假設(shè)是：在卵子發(fā)生早期，原始卵母細(xì)胞中的mtDNA 數(shù)量會(huì)急劇減少，從而產(chǎn)生''瓶頸"。然而，Cao[8]等對(duì)單個(gè)小鼠生殖細(xì)胞mtDNA的計(jì)數(shù)顯示：在卵子發(fā)生的初中級(jí)階段，原始卵母細(xì)胞中含有穩(wěn)定的、適中的mtDNA拷貝數(shù);而在初級(jí)卵母細(xì)胞的成熟階段，mtDNA數(shù)量才會(huì)有實(shí)質(zhì)性的增加。這說明“瓶頸”的產(chǎn)生并不是因?yàn)槁炎影l(fā)生早期mtDNA數(shù)量急劇減少所造成，而是由于卵母細(xì)胞經(jīng)歷了多次分裂使得最終分配到每個(gè)卵子中mtDNA 的有效數(shù)量較少所致。

　　在有絲分裂時(shí) (包括卵子發(fā)生)，mtDNA分子被隨機(jī)分配到子代細(xì)胞中。存在于卵母細(xì)胞中的mtDNA分子大約有150000個(gè)，經(jīng)過卵子發(fā)生，只有一部分mtDNA 進(jìn)入初級(jí)卵母細(xì)胞中，形成異質(zhì)性水平相差很大的卵母細(xì)胞群;受精卵經(jīng)歷卵裂和胚胎發(fā)育，最后只有幾個(gè)拷貝的mtDNA分子進(jìn)入新生兒的組織細(xì)胞中。因此，同一母系家族成員間在疾病表型上時(shí)常會(huì)迥然不同。體細(xì)胞每經(jīng)歷一次有絲分裂，mtDNA分子會(huì)隨著線粒體一起被隨機(jī)分配到子代細(xì)胞中，所以組織中 mtDNA的突變負(fù)荷可以隨著組織細(xì)胞的分裂而改變，進(jìn)一步說，同一患者的疾病表型也能夠隨著時(shí)間的推移而表現(xiàn)出很大的變異性。

　　2 mtDNA疾病的臨床特征

　　線粒體是真核細(xì)胞重要的細(xì)胞器，因此，mtDNA疾病影響許多組織，出現(xiàn)變化多端臨床特征。根據(jù)臨床特征mtDNA疾病可以分三組：典型綜合征、可能與mtDNA緊密關(guān)聯(lián)的綜合征以及與常見病相關(guān)的表型。

　　由于缺乏蛋白保護(hù)并且沒有完整的突變修復(fù)功能，mtDNA突變率非常高。線粒體基因組的高突變率不但產(chǎn)生了大量致病突變體，還產(chǎn)生了更多的序列多態(tài)性[9]。致病性mtDNA突變一般具有以下特點(diǎn)：1)突變位點(diǎn)在進(jìn)化上比較保守，突變導(dǎo)致核苷酸或氨基酸替換，或基因編碼產(chǎn)物的生物學(xué)功能喪失;2)突變導(dǎo)致的生化損傷和疾病的臨床表型能夠分離;3)當(dāng)突變是異質(zhì)性突變時(shí)，組織損傷程度與突變負(fù)荷呈正相關(guān);4)同一突變可以從遺傳上相互獨(dú)立的患者中發(fā)現(xiàn)。

　　致病性的mtDNA突變通常位于編碼蛋白質(zhì)、tRNAS或rRNAs的基因上，并能夠引起廣泛的臨床癥狀。mtDNA突變與表型之間的關(guān)系復(fù)雜，相同的突變可以引發(fā)不同 的疾病表型，例如，tRNALleu(UUR)基因上的A3243G突變既能出現(xiàn)在MELAS患者中，也能出現(xiàn)在CPEO、線粒體肌病、糖尿病伴耳聾患者中;同一疾病表型也可以由不同的突變引起，例如，MELAS可以由20多個(gè)點(diǎn)突變(位于編碼tRNAS或呼吸鏈復(fù)合體蛋白亞基的線粒體基因上)引起，也可以由重組突變引起[4]。一些彼此獨(dú)立的因素可以影響mtDNA疾病的臨床表現(xiàn)，包括：突變體的異質(zhì)性水平、組織分布、器官對(duì)呼吸鏈的依賴程度、核背景和環(huán)境因素等。由于mtDNA突變致病的分子機(jī)制還沒有被完全闡明，突變與疾病表型之間的確切關(guān)系至今仍顯得撲朔迷離。

　　從遺傳學(xué)角度可以將mtDNA突變分為兩大類：點(diǎn)突變和重組突變。

　　2.1 點(diǎn)突變

　　與點(diǎn)突變相關(guān)的人類遺傳性疾病有：LHON(Leber遺傳性視神經(jīng)病變)、MELAS(線粒體腦肌病伴高乳酸血癥和卒中樣發(fā)作)、MERRF(肌陣攣性癲癇癥和破碎紅纖維病)、NARP(神經(jīng)性肌無力-共濟(jì)失調(diào)-色素性視網(wǎng)膜炎)、MILS(母系遺傳Leigh氏綜合征)、MIDD(母系遺傳糖尿病伴耳聾)、DEAF(氨基糖苷類誘導(dǎo)性耳聾或非綜合癥性耳聾)、心肌病和肌紅蛋白尿等 (http：//www.mitomap.Org)[4]。此外，mtDNA點(diǎn)突變還與一些代謝疾病(如高血壓、糖尿病、高膽固醇血癥等)和神經(jīng)變性疾病 (如帕金森癥、阿爾茨海默氏癥等)的易感性有關(guān)。

　　2.1.1 LHON(Leber　hereditary Optic neuropathy)

　　LEON是第一個(gè)被鑒定出與mtDNA點(diǎn)突變有關(guān)的母系遺傳疾病，臨床上以兩側(cè)連續(xù)急性或亞急性視力衰退為特征，主要累及青少年男性。Man等對(duì)英格蘭人口進(jìn)行的調(diào)查顯示，每100，000天中，有11.82人攜帶mtDNA-LHON突變，其中至少有3.22人會(huì)因?yàn)榛糒HON而出現(xiàn)視覺衰退。這項(xiàng)調(diào)查提示LHON是一種常見的人類疾病。

　　大多數(shù)與LHON有關(guān)的點(diǎn)突變位于MTND基因上，其數(shù)目已經(jīng)超過30余種。三種原發(fā)性mtDNA突變 G11778A、G3460A和T 1 4484C分別位于MTND4、MEND 1和MTND6基因上，由它們引起的LHON病例約占所有LHON患者的95%。LHON病原性突變體的外顯率(penetrance，具有特定遺傳基因的個(gè)體在一定環(huán)境下表現(xiàn)其遺傳基因的概率)變化非常大，不同的LHON 突變有不同的外顯率，即使相同突變的外顯率在不同個(gè)體間也存在差異。很多因素決定了LEON的外顯率，包括繼發(fā)性突變位點(diǎn)[10]secondary mutation，在健康人中存在，但能增加疾病外顯率、單倍型(haplotype)以及核基因[11]等。發(fā)表論文網(wǎng)站

　　2.1.2 MELAS(mitochondrial encephalomyopathy with lactic acidosis and stroke-like episodes)

　　MELAS是一組具有高度臨床變異性和遺傳異質(zhì)性的mtDNA疾病，它的主要特征有：1)腦頂枕葉局灶性損害及由此引起的卒中樣發(fā)作;2)乳酸性酸中毒和破碎紅纖維Cragged redfiber，RRF);3)其他中樞神經(jīng)表現(xiàn)，如癡呆、反復(fù)頭痛和嘔吐、癲癇發(fā)作、色素性視網(wǎng)膜炎和耳聾;4)一些患者有共濟(jì)失調(diào)的表現(xiàn);5)少數(shù)患者出現(xiàn)糖尿病、腸道假梗阻和心肌病;6)生化上，線粒體復(fù)合體I常有缺損，而復(fù)合體Ⅳ不易受累，出現(xiàn)的破碎紅纖為COX(細(xì)胞色素C氧化酶)陽性[12]。

　　與MELAS相關(guān)的mtDNA點(diǎn)突變已經(jīng)超過20個(gè)。人多數(shù)MELAS病例是由mt-tRNA(leuUUR)基因上的異質(zhì)性突變A3243G引起;少數(shù)則是由其它mtDNA點(diǎn)突變(如T3271C)和大片段重組突變所致：也有一些MELAS患者的mtDNA是正常的(突變可能發(fā)生在核基因上)。

　　2.1.3 MERRF(myoclonic epilepsy and ragged red fibers)

　　MERRF是一種母系遺傳的神經(jīng)肌肉紊亂癥，它的主要特征：1)肌陣攣、癲癇、肌無力和消瘦伴破碎紅纖維;2)耳聾和癡呆;3)小腦齒狀核和次級(jí)小葉出現(xiàn)神經(jīng)元喪失與神經(jīng)膠質(zhì)過多癥;4)一些病人軀干部有對(duì)稱性脂肪增多的表現(xiàn);5)生化上，線粒體復(fù)合體I常有缺損，而復(fù)合體Ⅳ不易受累，出現(xiàn)的破碎紅纖維為 COX陰性。

　　大多數(shù)與MERRF有關(guān)的mtDNA突變位于tRNALYS基因上，其中A8344G點(diǎn)突變最為常見。有時(shí)，MERRF可以與MELAS綜合征合并存在，形成MERRF/MELAS重疊綜合征(MERRF/MELAS overlap syndrome)。mt-A3243G、T8356C和Gl2147A等點(diǎn)突變可以分別引起MERRF/MELAs 重組綜合征。

　　2.1.4 NARP(neurogenic weakness，ataxia and retinitis pigmentosa)MILS　(maternally inherited　Leigh syndrome)

　　NARP是一種母系遺傳綜合征，主要特征有：1)共濟(jì)失調(diào)、色素性視網(wǎng)膜炎和外周神經(jīng)病：2)MRl檢查發(fā)現(xiàn)NARP，病人的小腦和大腦有輕度彌漫性萎縮，嚴(yán)重者可出現(xiàn)基礎(chǔ)神經(jīng)節(jié)損害;3)肌肉活檢往往檢查不到破碎紅纖維。MILS是Leigh氏疾病(Leigh disease)中一種與mtDNA突變有關(guān)的神經(jīng)變性疾病。

　　NARP和MILS通常由位丁MTA6基因上一個(gè)位點(diǎn)的兩種異質(zhì)性突變8993T>G/C引起，疾病的嚴(yán)重程度與異質(zhì)性水平由關(guān)。當(dāng)突變閾值位干70%～95%之間時(shí)可以引起NAPR，當(dāng)突變閾值高于90%時(shí)可以引發(fā)母系遺傳Leigh氏綜合征。這兩種綜合征還與 mtDNA上其它位點(diǎn)的突變有關(guān)，如9176T>C[4]。