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四、线粒体DNA（mtDNA）突变
线粒体病（mitochondrial disease）指以线粒体功能异常为主要病因的一大类遗传代谢性疾病。除线粒体基因组缺陷直接导致的疾病外，编码线粒体蛋白的核DNA（nDNA）突变也可引起线粒体病，但这类疾病表现为孟德尔遗传方式。目前发现还有一类线粒体疾病，可能涉及mtDNA与nDNA的共同改变，认为是核基因组与mtDNA间信息交流缺陷而造成的。根据缺陷的遗传原因，线粒体疾病分为核DNA（nDNA）缺陷、mtDNA缺陷以及nDNA和mtDNA联合缺陷3种类型（表1-1）。下面主要介绍线粒体DNA的一些特征。
表1-1 线粒体疾病的遗传分类
注：PEO：进行性眼外肌麻痹；KSS：眼肌病
线粒体是人体细胞中唯一具有自主DNA的细胞器。在线粒体中要进行很多人体细胞重要的生化过程，包括三羧酸循环、β-氧化和部分尿素合成过程。其中线粒体最重要的功能为氧化磷酸化，其合成的ATP为细胞内各个耗能过程提供直接能源，因此线粒体又被称为细胞的能源加工厂。
在每个线粒体中都存在有2至十几个线 粒 体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）。每个细胞通常具有100至数百个线粒体，因此每个细胞中含有数百至数千个mtDNA。人类的mtDNA是闭合双链DNA，长度为16559bp。由于两条链中G和C含量不同，将G含量高的一条链称为重链（H），C含量高的链为轻链（L），在此双链闭合环中有一区域，没有基因编码区且在人群中有很高的多态性被称为D-Loop区段。mtDNA的复制起点有两个，重链的复制起点位于D-Loop区段内。mtDNA复制的调控机制并未完全清楚，但已知与细胞核的DNA复制并不完全同步。mtDNA复制时由重链的复制起始点开始，单方向进行，直到新合成的重链越过轻链的起始点后，轻链才开始复制，也同样是单一方向。因此，在复制的过程中，有一段时间，即轻链开始复制之前，mtDNA由三股组成，这是mtDNA在复制过程中产生大片段缺失突变的主要原因。
mtDNA虽能合成蛋白质，但其种类十分有限。迄今已知，mtDNA编码的RNA和多肽有：线粒体核糖体中2种rRNA（12S及16S）、22种tRNA、13种多肽（每种约含50个氨基酸残基）。组成线粒体各部分的蛋白质，绝大多数都是由核DNA编码并在细胞质核糖体上合成后再运送到线粒体各自的功能位点上。
人身体所有细胞里面都有线粒体，但只有女性的线粒体基因能随其卵子遗传给后代。男人线粒体只伴随此男人生活一生，然后终结，不能遗传给后代。mtDNA表现为母系遗传。mtDNA结构类型是反映母系脉络的重要指标。通过检测现代人mtDNA，能弄清各民族、各地人的母系血缘关系。通过检测古尸线粒体，可弄清历史上各个民族间的母系血缘关系、历史故事、迁徙路线、历史名人的民族、身份。
由线粒体功能障碍导致的疾病称为线粒体疾病，由于线粒体DNA自身的生物学特点，线粒体疾病的遗传具有以下特征：
由于受精时精子的线粒体不进入卵子，合子细胞中的线粒体，只是从卵子而来，因此，mtDNA只由母亲传递给下一代。线粒体疾病属母系遗传。母亲的线粒体疾病能往下一代遗传，男女都可能得病，也只有下一代的女性，而不是男性个体，才能将线粒体疾病继续往下一代传递。
一个个体中一般仅有一个类型的线粒体DNA。当不止一种类型的mtDNA在单个个体中存在时称线粒体DNA的异质性（heterogeneity），也就是说，同一个体同时存在两种或两种以上类型的mtDNA，异质性的程度以突变mtDNA的比例为指标。异质性可以出现在同一细胞，也可出现在同一组织、器官，这样就造成疾病表型的复杂性，同一突变在同一家系的不同成员间的不同表现，同一病人在不同发育期的不同临床表现等。对于线粒体DNA异质性的检测目前可采用原位PCR、PCR-RFLP、实时荧光定量PCR、长PCR、时相温度梯度凝胶电泳、变性高效液相色谱（DHPLC）等技术。
异质性细胞的表现型依赖于细胞内突变和正常mtDNA的相对比例，能引起特定组织器官功能障碍的突变mtDNA的最少数量称阈值。在特定组织中，突变mtDNA积累到一定程度，超过阈值时，可引起某些器官或组织功能异常，其异常程度与突变mtDNA所占的比例大致相当。阈值是一个相对概念，易受突变类型、组织、老化程度变化的影响，个体差异很大。例如，缺失5kb的变异的mtDNA比率达60%，就急剧地丧失产生能量的能力。线粒体脑肌病合并乳酸血症及卒中样发作（MELAS）患者tRNA点突变的mtDNA达到90%以上，能量代谢急剧下降。
分离细胞分裂时，正常和突变mtDNA发生分离，随机地分配到子细胞中，使子细胞拥有不同比例的突变mtDNA分子，这种随机分配导致mtDNA异质性变化的过程称为复制分离。在连续的分裂过程中，异质性细胞中突变mtDNA和正常mtDNA的比例会发生漂变，向同质性的方向发展。分裂旺盛的细胞（如血细胞）往往有排斥突变mtDNA的趋势，经无数次分裂后，细胞逐渐成为只有野生型mtDNA的同质性细胞。突变mtDNA具有复制优势，在分裂不旺盛的细胞（如肌细胞）中逐渐积累，形成只有突变型mtDNA的同质性细胞。漂变的结果，表型也随之发生改变。
线粒体病是一组多系统疾病，因中枢神经系统和骨骼肌对能量的依赖性最强，故临床症状以中枢神经系统和骨骼肌病变为特征，如果病变以中枢神经系统为主，称为线粒体脑病；如果病变以骨骼肌为主，称为线粒体肌病；如果病变同时侵犯中枢神经系统和骨骼肌，则称为线粒体脑肌病。线粒体疾病通常累及多个系统，表现型有高度差异。
mtDNA与nDNA有不同的遗传特性，因此mtDNA突变所引起疾病的遗传方式、病因、病程也有其自身特性。由于线粒体基因组和生化的复杂性，使线粒体疾病发病机制非常复杂，表现型很不一致。不同的mtDNA突变可导致相同疾病，而同一突变也可引起不同表型，并且通常与突变mtDNA的异质性水平和组织分布相关。如A8344G、T8356C均可导致MERRF；又如低比例的T8993G（ATPase6基因）点突变导致NARP，比例>90%时导致Leigh病；高比例的A3243G突变造成MELAS，低比例时可导致母系遗传的糖尿病和耳聋（表1-2）。
表1-2 一些mtDNA突变相关的疾病
（王艳）