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文章编号：1009-5519（2008）12-1836-03 中图分类号：R36 文献标识码：A 除细菌、蓝绿澡和哺乳动物成熟红细胞之外，所有真核细胞都有线粒体。线粒体主要由蛋白质、脂类和水组成。此外，线粒体还含有DNA、多种辅酶（如NAD+、FMN、FAD和CoM等）、维生素和各种无机离子。除植物细胞中叶绿体外，线粒体是真核细胞中惟一含有核外遗传物质的细胞器，线粒体自己的遗传系统能够表达和独立进行蛋白质翻译，人线粒体基因组（mtDNA）分子是一个双链闭环超螺旋DNA。
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，有一个长1～2kntp的非编码区，叫取代环(D-1oop)，含有转录及复制的调控信号。故线粒体既具有自主性又依靠核基因，两套遗传系统同时存在，相互作用，共同控制细胞的重要功能。研究发现，线粒体与能量转换、氧自由基的生成、细胞的死亡、疾病或癌症发生等密切相关。以线粒体结构和功能缺陷为主要疾病原因的疾病常称为线粒体病；如Lerber"s遗传性视神经病、骨髓增生异常综合征（MDS）、Kearns-Sagre综合征、母系遗传糖尿病、老年性痴呆（AD）、消化性肿瘤、肌阵挛性癫痫病、线粒体脑肌病、乳酸中毒、中风样发作综合征(MELAS)，神经性肌无力、运动失调及色素性视网膜炎(NARP)，心肌病(MMC)，慢性进行性眼外肌麻痹(CPEO)等。
1 Lerber"s遗传性视神经病
其特征为20~30岁发病的亚急性视神经病，累及双眼视力下降至10%以下，中央视神经严重缺陷，色觉丧失，且视力很少能恢复，还伴有神经、心血管及骨骼肌等系统异常。表现为母系遗传和倾向于男性发病。在Lerber"s遗传性家族中还发现了其他原发性病变，包括3640，14484、4160和5224碱基对的原发性突变。世界上90%的此病患者即有11778、3460碱基位点突变，又有14484突变[1~3]。
2 骨髓增生异常综合征（MDS）
骨髓增生异常综合征（MDS）是一组起源于造血干细胞，以血细胞病态造血、高风险向急性白血病转化为特征的难治性血细胞质与量异常的异质性疾病。患者骨髓增生活跃，但多呈现外周血细胞减少，这一矛盾现象被称为“无效造血”。Reddy等[4]将20例MDS患者骨髓中的细胞色素c氧化酶Ⅰ和细胞色素c氧化酶Ⅱ的基因经聚合酶链反应扩增并测序，发现16例出现了细胞色素c氧化酶Ⅰ或（和）细胞色素c氧化酶Ⅱ的基因基因突变，并认为在这些位点可能存在突变热点；而Shin[5]等对10例MDS患者的mtDNA进行全基因组测序，发现在MDS整个基因组中均可出现异常突变，并非在细胞色素c氧化酶Ⅰ和细胞色素c氧化酶Ⅱ存在所谓的“基因热点”。最近，Gattermann等[6]又利用异源双分子杂交和DNA测序技术，在1例MDS患者的骨髓和外周血细胞中，检测到40%~50%的mtDNA分子存在线粒体tRNA3242G>A突变。
3 KearNS-Sagre综合征
KearNS-Sagre综合征是一种系统的线粒体病，主要表现为眼肌麻痹、色素性视网膜炎，视力丧失，心肌传导功能障碍，共济失调、痴呆。它是由线粒体DNA缺失引起。缺失多发生于重链与轻链两个起始点之间，约有30%的患者有4977的常见缺失[7]。
4 母系遗传糖尿病
母系遗传糖尿病患者多不肥胖，具有对胰岛素的依赖性，60%的患者伴有神经、肌肉等系统的表现，如：眼肌麻痹，视网膜色素变性，癫痫，卒中样发病，肌萎缩，肌无力和心肌病等。其病因有线粒体DNA的点突变，也有大范围的缺失、重复。
5 老年性痴呆（AD）
5.1 维吉尼亚大学的James P. Bennett等首次发现线粒体DNA与AD有关，线粒体基因和造成AD细胞损伤死亡的淀粉样蛋白之间存在直接联系。 AD的一个主要特征是脑中堆积β淀粉样蛋白形成的斑块。家族性AD可以遗传，约占这种病的10%，其他90%称为散发的AD。
5.2 Bennett等[8]研究了异常线粒体功能与散发AD之间的关系。他们利用胞质杂种细胞模型，植入散发AD患者和未患AD的人的线粒体基因，将后者作为对照组，比较两种不同类型细胞的差别。结果发现来自AD患者的细胞所含的淀粉样蛋白比无病细胞多2倍。研究表明，已经在一些AD患者的脑组织中检测到mtDNA特异的突变[8]。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[9]，这使AD与mtDNA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。
6 消化性肿瘤
6.1 Polyak等[9]在对10个结肠癌细胞系的mtDNA突变研究中，发现7个系存在突变；序列分析发现mtDNA的突变比核的突变至少多10倍；Alonso等[9]用单链构想多态结合异源双链分析法分析了13例结肠癌组织的HV区，结果有2例发生了HV1区A：T/G：C的置换，1例HV2区C：G的缺失。Lu等[9]应用差异杂交法对结肠癌细胞系HT-29的mtDNA表达做了研究，结果显示癌细胞mtDNA转录水平（mtRNA）要比正常细胞高，而且ND4、ND4L的mRNA转录水平可能与细胞的分化有关，对结肠癌预后有判定作用。
6.2 Yamamoto等[9]用斑点杂交法在家族性结肠息肉病（familial polyposis coli，FPC）细胞中也检测到ND1和16 SrRNA的转录水平的增高。线粒体基因组不稳定性（mitochondrial genomic instability，mtGI）是Habano等在结肠癌中发现的。
7 儿童线粒体病心肌损害
北京大学第一医院中心实验室齐建光等[10]对23例线粒体患儿临床资料进行回顾性分析，包括询问病史、体格检查、心电图、超声心动图和心肌酶谱、病理检查、分子遗传学检查。结果发现，15例MELAS综合征患儿中，9例心电图检查6例异常；9例超声心动图检查，1例发现肥厚性心肌病；12例心肌酶谱检查，6例CK-MB质量升高，1例心肌钙蛋白升高。13例MELAS综合征患儿行分子遗传学检查，9例发现外周血白细胞mtDNA3243位点A→G突变。6例Leigh综合征患儿行分子遗传学检测，2例发现外周血白细胞mtDNA存在8993位点T→C突变。由此得出结论，线粒体心肌病常见，且会导致心肌病的产生[10]。
总之，mtDNA作为核外重要的遗传物质，与核基因组有较多的不同之处：（1）线粒体基因组排列紧密，很少有内含子序列；（2）mtDMA缺乏组蛋白和DNA结合蛋白，分子裸露；（3）mtDNA的合成始终活跃；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nDNA高。又由于mtDNA长期暴露于由氧化磷酸化过程产生的高浓度的反应性氧簇中，故mtDNA较细胞核基因组（nDNA）更易发生突变，突变型mtDNA的复制较完整的野生型mtDNA要快得多，经过一定时间积累就可能导致线粒体内膜参与能量的酶系功能异常，从而导致疾病。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mtDNA突变，其后果显然较严重。
线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）编码参与氧化磷酸化和ATP生成所必需的多肽，与核基因相比mtDNA突变率非常高，加之本身缺乏有效的损伤修复系统，所以mtDNA被认为与肿瘤发生有密切的关系。mtDNA的编码区内缺乏内含子，大多数突变发生于此编码序列，突变的积累可能导致肿瘤的发生。mtDNA的表达改变可能是癌细胞的一个特性。近年来对线粒体基因组的不稳定性及mtDNA与核基因组的整和研究逐渐增多，另外，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。
近几年，人们对线粒体的研究越来越明确，由线粒体DNA突变导致的疾病不断被报道。研究线粒体DNA突变及其与核DNA的关系，探索相关疾病的危害，对于人类诊断、治疗、预防遗传病的发生，提高人口素质将起到非常重要的作用。
参考文献：
[1] 王为未. 线粒体DNA突变和听力丧失[J]. 国外医学.遗传学分册，1999，22(2):69.
[2] 韩俊英.线粒体DNA及其分子遗传学研究进展[J].国外医学.遗传学分册，1998，2(5)：231.
[3] Riondan-Evap.各种线粒体DNA突变与临床的关系[J].国外医学.遗传学分册，1996，19(2)：87.
[4] Reddy PL，Shetty VT，Dutt D，et al.Increased incidence of mitochon-drialcyochromecytochromec-oxidase gene mutations in patients with myelodysplatic syndromes[J].Br JHaematol，2002，116(3):564.
[5] Shin MG，Kajigay S，Levin BC，et al.Mitochondrial DNA mutations in patients with myelodysplastic syndromes[J].Blood，2003，101(8):3118.
[6] Gatterann N，Wulfert M，Junge B，et al.Ineffective hematopoiwesis lmked with a mitochondrial tRNA mutation (G3242A) in a patient with myelodyspastic syndrome[J].Blood，2004，103(4)：1499.
[7] Polyak K，Li Y，Zhu Lenauer C，et al.Somatic mutations of the mito-chondroial genome in humancolorectaltumours[J]. Nature Genet，1998，20:291.
[8] Davis RE，Miller D，Herrnstadt C，et al. Mutationsinmitochondrial cytochrome c oxidase genes segregate with late-onset Alzheimer dis-ease[J]. Proc Natl Acad Sci USA，1997，94(9)∶4526.
[9] Zhang L，Zhao B，Yew DT，et al. Processing of Alzheimer"s amyloid precursor protein during H202-induced apoptosis in human neuronal cells[J]. Biochem Biophys Res Commun，1997，235(3)∶845.
[10] 齐建光.儿童线粒体心脏损害23例临床分析[J].实用儿科临床杂志，2006，20（1）:12.
收稿日期：2007-10-16
