线粒体基因突变机制及其相关疾病的研究进展
【文献标识码】 A 【文章编号】 1726-7587(2004)06-0893-04
线粒体是位于真核细胞浆中的一些小体(0.5～1μm)，由内膜、外膜、基质和膜间隙构成。分子量1万以下的小分 子物质可透过外膜，而内膜对许多物质具有选择性，内膜的这种相对的不通透性对于合成三磷酸腺苷(ATP)时所需维持的质子梯度很重要。
线粒体间质、内膜、外膜、内外膜间空隙都储存多种酶或酶群。基质含线粒体DNA(mitochonˉdrial DNA，mtDNA)、复制和转录mtDNA所必需的蛋白质、蛋白质合成的线粒体核糖体和实现其他功能(指柠檬酸循环和脂肪酸的β氧化作用)的酶。大部分线粒体蛋白由核基因组编码，在胞浆内转化并引入线粒体。线粒体的正常功能有赖于其正常结构的维持，任何一部分出现障碍都可能使线粒体的功能异常。通常线粒体的功能异常可从线粒体膜、酶、结构蛋白的损伤，mtDNA的突变和编码线粒体蛋白的核基因的突变这三种机制进行考虑，本文就基因突变机制进行综述。
, 百拇医药
1 线粒体基因组概况
人线粒体基因组是16569个碱基对组成的双股DNA分子，在线粒体基质内复制和合成。每个线粒体含2～10个mtDNA的拷贝，每个细胞有10 3 ～10 4 mtDNA拷贝。mtDNA只含37个基因，其中24个是合成蛋白质时所需的RNA编码基因(22个tRNA和两个rRNA)，其余的13个基因参与编码呼吸链关键性复合酶的亚单位。线粒体呼吸链由5个复合酶组成，含有大约100个不同的蛋白质亚单位。线粒体基因组编码复合酶Ⅰ(NADH脱氢酶)的7个亚单位、复合酶Ⅲ(细胞色素C还原酶)的1个亚单位、复合酶Ⅳ(细胞色素C氧化酶)的3个亚单位和复合酶Ⅴ(ATP合成酶)的2个亚单位。仅有复合物Ⅱ(琥珀酸脱氢酶)是完全由核DNA编码的。因而线粒体基因组在调节氧化磷酸化作用中起关键作用。mtDNA有以下独特的性质和遗传原则:(1)mtDNA是裸露的，缺乏组蛋白和DNA结合蛋白的保护;(2)mtDNA复制快速且催化复制的DNA聚合酶γ不具有校读功能，复制错误率高;(3)每个细胞中含有数百个线粒体，每个线粒体含多个DNA分子，所以细胞中可同时存在正常mtDNA和突变mtDNA，即具有异质状态(heteroplasmic state);(4)mtDNA编码基因排列紧密，无内含子，所以mtDNA的任何突变可影响到其基因组内的一些重要功能区域;(5)mtDNA突变基因的表型表达具有阈值效应(threshold effect)，也就是说突变mtDNA是否在组织产生表型效应，这要依突变mtDNA与正常mtDNA相对比例和该组织对线粒体产生的ATP依赖程度而定;(6)线粒体是半自主性细胞器，mtDNA基因的复制、转录和翻译受核DNA的制约;(7)线粒体位于胞质中，在细胞分裂时随机将mtDNA分配到子细胞中去，1个卵细胞含数十万个mtDNA，而1个精细胞仅含数百个mtDNA，因此发生生殖系遗传以母系遗传为主。相应地有些线粒体病亦为母系遗传，如线粒体脑肌病、糖尿病等 [1] 。(8)所有的mtDˉNA复制酶都是由核基因编码的，mtDNA复制速度在单位时间内与它的长度呈正比，因此发生了缺失突变的mtDNA与正常大小的mtDNA相比具有增殖优势，也就是说随着时间的增长，异常的mtDNA有在体细胞内积累的趋势。
, 百拇医药
2 mtDNA的突变
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。与遗传性疾病相关的mtDNA突变主要是点突变，与衰老相关的主要是mtDNA的缺失突变。至今已发现老年人不同组织的mtDNA缺失类型有十几种，最短的3610bp，最长的10.4kb，其中某些缺失只见于某类组织，而另一些缺失却可能在不同组织或器官中出现。不管是mtDNA的点突变还是片段缺失都可以导致线粒体内tRNA的种类不全以及mRNA的不足，使多种蛋白质合成受阻，影响线粒体的功能。
2.1 mtDNA突变的机制
2.1.1 氧化损伤 根据突变细胞系的不同，可分为生殖细胞系突变和体细胞系突变两种。mtDNA的体细胞系突变与氧自由基损伤关系密切。这是因为mtDNA是唯一存在于人胞质中的DNA分子，在线粒体内膜上合成，而氧化磷酸化场所也在线粒体内膜。正常细胞呼吸时，大约有1%～5%的氧会逃逸出呼吸链而形成活性氧(reactive oxygen species，ROS)，且在缺血、缺氧等因素损伤时，产生的ROS会更多，加上mtDNA是裸露的，缺乏组蛋白和DNA结合蛋白的保护，因此mtDNA极易受到氧化损伤。
, 百拇医药
自由基可攻击mtDNA碱基，也可攻击糖基。攻击糖基时，首先脱氧核糖链上一核糖被夺取氢，然后导致链断裂，碱基逸失。自由基攻击mtDNA碱基的方式主要是直接使碱基氧化修饰，氧化修饰后的碱基在复制过程中容易出现错配而导致突变 [2] 。例如脱氧鸟嘌呤核苷(deoxyguanosine，dG)可被氧化成8-oxo-dG(8-oxo-7，8-dihdro-2′deˉoxyguanosine)，在mtDNA复制过程中8-oxo-dG很容易错配，并且错配后稳定存在，从而为一些变性疾病奠定基因水平的基础 [3] 。对于mtDNA而言，这些碱基、糖基的改变最终可导致点突变、缺失或插入突变。目前发现的与疾病相关的mtDNA的tRNA基因点突变就有70余种 [4] 。
4977bp缺失是这些缺失中最普遍和研究最多的类型 [5] 。研究发现老年人的多种组织中存在mtDNA 4977 缺失，发生率明显高于对照组。缺失发生在mtDNA nt8483与nt13459之间，nt8470～8482及nt13447～13459为核酸序列完全相同的13bp重复区(ACCTCCCTCACCA)，目前认为该重复区可能是mtDNA 4977 缺失发生的结构基础 [5] 。mtDNA 4977 缺失片段包括ATPase8、ATPase6、COⅢ、ND3、ND4和ND5等编码的基因，缺失的发生使线粒体氧化磷酸化复合物I的第5亚单位基因与复合物V(ATPase)的第8亚单位基因融合。缺失的发生会影响线粒体的氧化磷酸化。缺失突变型mtDNA比完整的野生型mtDNA长度小，其复制速度快，具有增殖优势，导致细胞中缺失突变mtDNA分子比例随年龄增长渐进性积累增加。细胞可以通过反馈增加线粒体的个数或mtDNA的拷贝数来弥补mtDNA氧化损伤对细胞造成的影响，然而这种弥补是有限度的。
, 百拇医药
2.1.2 细胞抗氧化机制的削弱 在氧自由基产生的同时，机体细胞可以通过抗氧化酶:超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、过氧化氢酶(catalase，CAT)、谷胱苷肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-PX)等来灭活之。哺乳动物细胞在胞浆存在Cu、Zn-SOD，在线粒体内有Mn-SOD。然而，机体细胞在受到缺血、缺氧、毒素损害等多种情况下抗氧化酶的活性均可以降低。随年龄增大，Cu、Zn-SOD、CAT、GSH-PX活性也降低，Mn-SOD的活性在60岁前增高，而后开始下降，而且Mn-SOD/CAT、Mn-SOD/GSH-PX活性比随年龄增大而增加，这表明自由基清除酶在60岁以前可以有效清除自由基，但60岁后，自由基的产生与清除就会失衡，而产生氧化应激，可见，自由基清除酶的功能下降与氧化应激的不断增强，对于人类衰老进程中发生中的mtDNA氧化损伤起着重要的作用 [6] 。但抗氧化酶产生保护机制极为复杂，抗氧化酶灭活过程是需能过程，而衰老导致呼吸链能量产生减少，从而影响氧自由基的灭活 [7] 。对DNA而言，唯一有效防御自由基的措施是非酶性的，组蛋白和紧密完整的染色体结构可以有效地保护DNA，然而mtDNA却缺乏组蛋白及DNA结合蛋白的保护，这是mtDNA对氧化损伤敏感性较核DNA高的重要原因之一。
, 百拇医药
2.2 mtDNA的修复机制 以前多数研究者认为，mtDNA缺乏有效的修复机制，然而近年来，不断的研究发现线粒体还是具有一定的DNA氧化损伤修复能力的 [8] 。(1)碱基切除修复:碱基切除修复被证实是通过一种DNA糖基酶，这种酶可以识别损伤的碱基，裂解其糖苷键。在细菌与哺乳动物细胞中有三种蛋白质参与鸟嘌呤核苷损伤修复:8-oxo-Gua DNA糖基酶/AP水解酶(Fpg Pro.或MutM);A DNA糖基酶(MutY)，这种酶可以识别并切除与8-oxo-Gua错配的碱基A;8-oxo-dGTP酶(MutT)，此酶可以水解8-oxo-d GTP，生成8-oxo-dGMP。这样，损伤的鸟嘌呤核苷就不会再插入新合成的DNA中。目前，Fpg Pro.与MutT类似物已经从线粒体中分离出来，线粒体中是否存在MutY类似物仍需进一步探讨 [9] 。(2)核苷切除修复:这一过程需要多种酶复合体同时参与，最终导致一段寡核苷酸链的切除。这一复杂的修复过程目前还未在线粒体中发现。已证实线粒体却可以修复4-硝基喹啉(4-Nitroquinoline)诱导的DNA损伤，而在核内4-硝基喹啉(4-Nitroquinoline)的损伤是通过核苷切除修复途径修复的，是否有核苷切除修复蛋白质与线粒体修复过程还未知 [10] 。(3)重组修复:田鼠的mtDˉNA可以通过重组修复去除Cisplatin(含重金属化合物)引起的链内交联;最近发现人的心肌细胞的mtDNA可以通过重组来修复损伤 [11] 。因此说，mtDNA拥有一定的自我修复能力，然而大量研究显示mtDNA遭受比核DNA高数十倍的突变率，这可能是因为一方面线粒体中氧化应激水平太高了，另一方面是其自我修复能力比核DNA要差许多。
, 百拇医药
3 核基因突变导致线粒体功能异常
核DNA也参与编码呼吸链关键性复合酶，并且对mtDˉNA起调控作用。尽管mtDNA突变的发生率比核DNA的突变发生率要高10～20倍 [12] ，但编码线粒体蛋白的核DNA的相应基因若有缺陷或发生突变也同样可以影响到线粒体的功能 [13] 。
4 基因转录调节异常导致线粒体功能异常
氧化磷酸化系统是由mtDNA和核DNA共同编码的，它们存在一些相似的转录调节因子。核内调节氧化磷酸化系统的核转录因子1(NRF-1)和核转录因子2(NRF-2)能调控编码氧化磷酸化复合物Ⅳ的表达，而改变线粒体的功能;此外，mtDNA的转录也有一些线粒体的转录因子调控(mtˉTFA)，NRF-1和NRF-2在体外能与mtTFA的启动子结合，表明编码氧化磷酸化系统的mtDNA和核DNA存在一些相似的转录调节因子。转录因子受损或功能异常，例如转录因子的氧应激损害，也可影响到线粒体的功能。研究发现AD病人核内编码氧化磷酸化有关酶的线粒体和核基因的表达都有减少，可能是核和线粒体的OXPHOS有关基因的调节失控所致 [14] 。
, 百拇医药
5 与线粒体功能异常相关的疾病
1962年，Luft [15] 等发现第一个线粒体疾病，即Luft病，其特点是电子转运到ATP合成的脱偶联，病人在没有相应的ATP产生情况下消耗大量的氧，所产生的能量作为热量从汗液中排除了。现在已知与人类疾病有关的mtDNA突 已达50种以上。可发生严重的多系统病变如贫血、胰腺分泌不良、肾病、肝病、湿疹、糖尿病和其他内分泌紊乱等。严重的病人可表现为临床综合征 [16] ，如:MELAS综合征(线粒体肌病、脑病、乳酸性酸中毒和卒中样发作)、MERRF综合征(肌阵挛性癫痫和红纤维)、Kearns-Sayre综合征(色素性视网膜炎、进行性外眼肌麻痹、共济失调和心脏传导缺陷)和Leber遗传性眼部神经病变。Friedreich共济失调，Wilson病和常染色体隐性痉挛性截瘫等神经退行性病变都是线粒体病变，以进行性步态和肢体共济失调、腿部肌腱反射消失、构语障碍和肥大性心肌病为特点的Friedreich共济失调(FRDA)是由于基因frataxin突变所致。Frataxin是一种调节线粒体铁转运的线粒体蛋白。因frataxin缺乏而造成的线粒体基质中铁的超负荷，可导致ROS产生增加，然后再破坏呼吸链复合物(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)及乌头酸酶，从而影响线粒体的功能。Paraplegin基因突变造成常染色体隐性遗传性痉挛性截瘫。Paraplegin与已知的线粒体金属蛋白酶极为相似，是ATP酶的一个亚组，丢失paraplegin可导致线粒体的呼吸链功能不良。
, 百拇医药
然而，这些都是mtDNA突变达到了阈值效应的结果。我们的发现与疾病增加相关的线粒体DNA的缺失可能仅仅是冰山一角，其底部还可能存在着许多目前尚未检测到的突变。那些阈值效应以下的突变虽然没能够使机体以线粒体功能异常为突出表现而发病，但也可能参与了多种疾病的发病机制。mtDNA由于可以存在异质状态，突变所占的比例可以千差万别，对细胞的影响也各不相同，所以对不同疾病来说，其具体作用机制可能就很不一样。例如Hamˉblet等[17] 利用PCR及Southern技术发现AD病人的mtDNA缺失5kb的机率比对照组大6.5倍，表明AD病人中mtDNA的损伤积累比一般人更为严重。因此，有关线粒体功能异常及其机制的研究有很广阔的前景。
参考文献
1 Fosslien E.Mitochondrial medicine-Molecular pathology of defective oxidative phosphorylation.Annals of Clinical and Laboratory Science，2001，31(1):25-67.
, 百拇医药
2 Suliman HB，Carraway MS，Velsor LW，et al.Rapid mtDNA deletion by oxidantsin rat liver mitochondria after hemin exposure.Free Radic Biol Med，2002，32(3):246-256.
3 Li D，Zhang W，Zhu J，et al.Oxidative DNA damage and8-hydroxy-2-deoxyguanosine DNA glycosylase/apurinic lyase in human breast cancer.Mol Carcinog，2001，Aug，31(4):214-223.
4 Rabilloud T，Strub JM，Carte N，et al.Comparative proteomics as a new toolfor exploring human mitochondrial tRNA disorders.Biochemistry，2002，41(1):144-150.
, http://www.100md.com
5 Wei HY，Lee CF，Lee HC，et al.Increases of mitochondrial mass and mitochondrial genome in association with enhanced oxidative stress in human cells harboring4，977BP-deleted mitochondrial DNA.Ann N Y Acad Sci，2001，928:97-112.
6 Lu CY，Lee HC，Fahn HJ.Oxidative damage elicited by imbalance of tfee radical scavenging enzymes is associated with large-scale mtDNA deletions in aging human skin.Mutat Res，1999，423(1-2):11-21.
7 Francois S，Daniel C，Tom K.Prospects for the Genetics of human longevity.Human Genet，1993，91:519.
, 百拇医药
8 Grishko V，Solomon M，Wilson GL，et al.Oxygen radical-induced miˉtochondrial DNA damage and repair in pulmonary vascular endothelial cell phenotypes.Am JPhysiol Lung Cell Mol Physiol，2001，280(6):1300-1308.
9 Souza Pinto NC，Croteau DL，Hudson EK，et al.Age-associated inˉcrease in8-oxo-deoxyguanosine glycosylase/AP lyase activity in rat mitochondria.Nucleic-Acids-Res，1999，Apr15;27(8):1935-1942.
10 Croteau DL，Bohr VA.Repair of oxidative damage to nuclear and mitoˉchondrial DNA in mammalian cells.J Biol Chem，1997，272(41):25409-25412.
, http://www.100md.com
11 Kajander OA，Karhunen PJ，Holt IJ，et al.Prominent mitochondrial DNA recombination intermediates in human heart muscle.EMBO Rep，2001，Nov，2(11):1007-1012.
12 Fosslien E.Mitochondrial medicine-Molecular pathology of defective oxidative phosphorylation.Annals of Clinical and Laboratory Science，2001，31(1):25-67.
13 Shoubridge EA.Nuclear genetic defects of oxidative phosphorylation. Hum Mol Genet，2001，Oct1;10(20):2277-2284.
, 百拇医药
14 Chandrase KK，Hatanpaa K，Rapoport SI，et al.Decreased expression of nuclear and mitochondrial DNA-encoded genes of oxidative phosphoˉrylation in association neocortex in Alzheimer disease.Brain Res Mol Brain Res，1997，44:99-104.
15 Luft R，Ikkos D，Palameri G，et al.A case of severe hypermetabolism of non-thyroid origin with a defect in the maintenance of mitochondrial respiratory control:a correlated clinical，biochemical，and morphological study.J Clin Invest，1962，41:1776-1804.
, 百拇医药
16 Read CY，Calnan RJ.Mitochondrial disease:beyond etiology unknown.J Pediatr Nurs，2000，15(4):232-241.
17 Hamblet NS，Castora FJ.Elevated levels of the Kearns-Sayre synˉdrome mitochondrial DNA deletion in temporal cortex of Alzheimer’s patients.Mutat Res，1997，379:253-262.
作者单位:450004郑州武警河南总队机关门诊部
100853北京解放军总医院老年心肾科
(收稿日期:2004-03-03)
(编辑李 木), 百拇医药
线粒体是位于真核细胞浆中的一些小体(0.5～1μm)，由内膜、外膜、基质和膜间隙构成。分子量1万以下的小分 子物质可透过外膜，而内膜对许多物质具有选择性，内膜的这种相对的不通透性对于合成三磷酸腺苷(ATP)时所需维持的质子梯度很重要。
线粒体间质、内膜、外膜、内外膜间空隙都储存多种酶或酶群。基质含线粒体DNA(mitochonˉdrial DNA，mtDNA)、复制和转录mtDNA所必需的蛋白质、蛋白质合成的线粒体核糖体和实现其他功能(指柠檬酸循环和脂肪酸的β氧化作用)的酶。大部分线粒体蛋白由核基因组编码，在胞浆内转化并引入线粒体。线粒体的正常功能有赖于其正常结构的维持，任何一部分出现障碍都可能使线粒体的功能异常。通常线粒体的功能异常可从线粒体膜、酶、结构蛋白的损伤，mtDNA的突变和编码线粒体蛋白的核基因的突变这三种机制进行考虑，本文就基因突变机制进行综述。
, 百拇医药
1 线粒体基因组概况
人线粒体基因组是16569个碱基对组成的双股DNA分子，在线粒体基质内复制和合成。每个线粒体含2～10个mtDNA的拷贝，每个细胞有10 3 ～10 4 mtDNA拷贝。mtDNA只含37个基因，其中24个是合成蛋白质时所需的RNA编码基因(22个tRNA和两个rRNA)，其余的13个基因参与编码呼吸链关键性复合酶的亚单位。线粒体呼吸链由5个复合酶组成，含有大约100个不同的蛋白质亚单位。线粒体基因组编码复合酶Ⅰ(NADH脱氢酶)的7个亚单位、复合酶Ⅲ(细胞色素C还原酶)的1个亚单位、复合酶Ⅳ(细胞色素C氧化酶)的3个亚单位和复合酶Ⅴ(ATP合成酶)的2个亚单位。仅有复合物Ⅱ(琥珀酸脱氢酶)是完全由核DNA编码的。因而线粒体基因组在调节氧化磷酸化作用中起关键作用。mtDNA有以下独特的性质和遗传原则:(1)mtDNA是裸露的，缺乏组蛋白和DNA结合蛋白的保护;(2)mtDNA复制快速且催化复制的DNA聚合酶γ不具有校读功能，复制错误率高;(3)每个细胞中含有数百个线粒体，每个线粒体含多个DNA分子，所以细胞中可同时存在正常mtDNA和突变mtDNA，即具有异质状态(heteroplasmic state);(4)mtDNA编码基因排列紧密，无内含子，所以mtDNA的任何突变可影响到其基因组内的一些重要功能区域;(5)mtDNA突变基因的表型表达具有阈值效应(threshold effect)，也就是说突变mtDNA是否在组织产生表型效应，这要依突变mtDNA与正常mtDNA相对比例和该组织对线粒体产生的ATP依赖程度而定;(6)线粒体是半自主性细胞器，mtDNA基因的复制、转录和翻译受核DNA的制约;(7)线粒体位于胞质中，在细胞分裂时随机将mtDNA分配到子细胞中去，1个卵细胞含数十万个mtDNA，而1个精细胞仅含数百个mtDNA，因此发生生殖系遗传以母系遗传为主。相应地有些线粒体病亦为母系遗传，如线粒体脑肌病、糖尿病等 [1] 。(8)所有的mtDˉNA复制酶都是由核基因编码的，mtDNA复制速度在单位时间内与它的长度呈正比，因此发生了缺失突变的mtDNA与正常大小的mtDNA相比具有增殖优势，也就是说随着时间的增长，异常的mtDNA有在体细胞内积累的趋势。
, 百拇医药
2 mtDNA的突变
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。与遗传性疾病相关的mtDNA突变主要是点突变，与衰老相关的主要是mtDNA的缺失突变。至今已发现老年人不同组织的mtDNA缺失类型有十几种，最短的3610bp，最长的10.4kb，其中某些缺失只见于某类组织，而另一些缺失却可能在不同组织或器官中出现。不管是mtDNA的点突变还是片段缺失都可以导致线粒体内tRNA的种类不全以及mRNA的不足，使多种蛋白质合成受阻，影响线粒体的功能。
2.1 mtDNA突变的机制
2.1.1 氧化损伤 根据突变细胞系的不同，可分为生殖细胞系突变和体细胞系突变两种。mtDNA的体细胞系突变与氧自由基损伤关系密切。这是因为mtDNA是唯一存在于人胞质中的DNA分子，在线粒体内膜上合成，而氧化磷酸化场所也在线粒体内膜。正常细胞呼吸时，大约有1%～5%的氧会逃逸出呼吸链而形成活性氧(reactive oxygen species，ROS)，且在缺血、缺氧等因素损伤时，产生的ROS会更多，加上mtDNA是裸露的，缺乏组蛋白和DNA结合蛋白的保护，因此mtDNA极易受到氧化损伤。
, 百拇医药
自由基可攻击mtDNA碱基，也可攻击糖基。攻击糖基时，首先脱氧核糖链上一核糖被夺取氢，然后导致链断裂，碱基逸失。自由基攻击mtDNA碱基的方式主要是直接使碱基氧化修饰，氧化修饰后的碱基在复制过程中容易出现错配而导致突变 [2] 。例如脱氧鸟嘌呤核苷(deoxyguanosine，dG)可被氧化成8-oxo-dG(8-oxo-7，8-dihdro-2′deˉoxyguanosine)，在mtDNA复制过程中8-oxo-dG很容易错配，并且错配后稳定存在，从而为一些变性疾病奠定基因水平的基础 [3] 。对于mtDNA而言，这些碱基、糖基的改变最终可导致点突变、缺失或插入突变。目前发现的与疾病相关的mtDNA的tRNA基因点突变就有70余种 [4] 。
4977bp缺失是这些缺失中最普遍和研究最多的类型 [5] 。研究发现老年人的多种组织中存在mtDNA 4977 缺失，发生率明显高于对照组。缺失发生在mtDNA nt8483与nt13459之间，nt8470～8482及nt13447～13459为核酸序列完全相同的13bp重复区(ACCTCCCTCACCA)，目前认为该重复区可能是mtDNA 4977 缺失发生的结构基础 [5] 。mtDNA 4977 缺失片段包括ATPase8、ATPase6、COⅢ、ND3、ND4和ND5等编码的基因，缺失的发生使线粒体氧化磷酸化复合物I的第5亚单位基因与复合物V(ATPase)的第8亚单位基因融合。缺失的发生会影响线粒体的氧化磷酸化。缺失突变型mtDNA比完整的野生型mtDNA长度小，其复制速度快，具有增殖优势，导致细胞中缺失突变mtDNA分子比例随年龄增长渐进性积累增加。细胞可以通过反馈增加线粒体的个数或mtDNA的拷贝数来弥补mtDNA氧化损伤对细胞造成的影响，然而这种弥补是有限度的。
, 百拇医药
2.1.2 细胞抗氧化机制的削弱 在氧自由基产生的同时，机体细胞可以通过抗氧化酶:超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、过氧化氢酶(catalase，CAT)、谷胱苷肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-PX)等来灭活之。哺乳动物细胞在胞浆存在Cu、Zn-SOD，在线粒体内有Mn-SOD。然而，机体细胞在受到缺血、缺氧、毒素损害等多种情况下抗氧化酶的活性均可以降低。随年龄增大，Cu、Zn-SOD、CAT、GSH-PX活性也降低，Mn-SOD的活性在60岁前增高，而后开始下降，而且Mn-SOD/CAT、Mn-SOD/GSH-PX活性比随年龄增大而增加，这表明自由基清除酶在60岁以前可以有效清除自由基，但60岁后，自由基的产生与清除就会失衡，而产生氧化应激，可见，自由基清除酶的功能下降与氧化应激的不断增强，对于人类衰老进程中发生中的mtDNA氧化损伤起着重要的作用 [6] 。但抗氧化酶产生保护机制极为复杂，抗氧化酶灭活过程是需能过程，而衰老导致呼吸链能量产生减少，从而影响氧自由基的灭活 [7] 。对DNA而言，唯一有效防御自由基的措施是非酶性的，组蛋白和紧密完整的染色体结构可以有效地保护DNA，然而mtDNA却缺乏组蛋白及DNA结合蛋白的保护，这是mtDNA对氧化损伤敏感性较核DNA高的重要原因之一。
, 百拇医药
2.2 mtDNA的修复机制 以前多数研究者认为，mtDNA缺乏有效的修复机制，然而近年来，不断的研究发现线粒体还是具有一定的DNA氧化损伤修复能力的 [8] 。(1)碱基切除修复:碱基切除修复被证实是通过一种DNA糖基酶，这种酶可以识别损伤的碱基，裂解其糖苷键。在细菌与哺乳动物细胞中有三种蛋白质参与鸟嘌呤核苷损伤修复:8-oxo-Gua DNA糖基酶/AP水解酶(Fpg Pro.或MutM);A DNA糖基酶(MutY)，这种酶可以识别并切除与8-oxo-Gua错配的碱基A;8-oxo-dGTP酶(MutT)，此酶可以水解8-oxo-d GTP，生成8-oxo-dGMP。这样，损伤的鸟嘌呤核苷就不会再插入新合成的DNA中。目前，Fpg Pro.与MutT类似物已经从线粒体中分离出来，线粒体中是否存在MutY类似物仍需进一步探讨 [9] 。(2)核苷切除修复:这一过程需要多种酶复合体同时参与，最终导致一段寡核苷酸链的切除。这一复杂的修复过程目前还未在线粒体中发现。已证实线粒体却可以修复4-硝基喹啉(4-Nitroquinoline)诱导的DNA损伤，而在核内4-硝基喹啉(4-Nitroquinoline)的损伤是通过核苷切除修复途径修复的，是否有核苷切除修复蛋白质与线粒体修复过程还未知 [10] 。(3)重组修复:田鼠的mtDˉNA可以通过重组修复去除Cisplatin(含重金属化合物)引起的链内交联;最近发现人的心肌细胞的mtDNA可以通过重组来修复损伤 [11] 。因此说，mtDNA拥有一定的自我修复能力，然而大量研究显示mtDNA遭受比核DNA高数十倍的突变率，这可能是因为一方面线粒体中氧化应激水平太高了，另一方面是其自我修复能力比核DNA要差许多。
, 百拇医药
3 核基因突变导致线粒体功能异常
核DNA也参与编码呼吸链关键性复合酶，并且对mtDˉNA起调控作用。尽管mtDNA突变的发生率比核DNA的突变发生率要高10～20倍 [12] ，但编码线粒体蛋白的核DNA的相应基因若有缺陷或发生突变也同样可以影响到线粒体的功能 [13] 。
4 基因转录调节异常导致线粒体功能异常
氧化磷酸化系统是由mtDNA和核DNA共同编码的，它们存在一些相似的转录调节因子。核内调节氧化磷酸化系统的核转录因子1(NRF-1)和核转录因子2(NRF-2)能调控编码氧化磷酸化复合物Ⅳ的表达，而改变线粒体的功能;此外，mtDNA的转录也有一些线粒体的转录因子调控(mtˉTFA)，NRF-1和NRF-2在体外能与mtTFA的启动子结合，表明编码氧化磷酸化系统的mtDNA和核DNA存在一些相似的转录调节因子。转录因子受损或功能异常，例如转录因子的氧应激损害，也可影响到线粒体的功能。研究发现AD病人核内编码氧化磷酸化有关酶的线粒体和核基因的表达都有减少，可能是核和线粒体的OXPHOS有关基因的调节失控所致 [14] 。
, 百拇医药
5 与线粒体功能异常相关的疾病
1962年，Luft [15] 等发现第一个线粒体疾病，即Luft病，其特点是电子转运到ATP合成的脱偶联，病人在没有相应的ATP产生情况下消耗大量的氧，所产生的能量作为热量从汗液中排除了。现在已知与人类疾病有关的mtDNA突 已达50种以上。可发生严重的多系统病变如贫血、胰腺分泌不良、肾病、肝病、湿疹、糖尿病和其他内分泌紊乱等。严重的病人可表现为临床综合征 [16] ，如:MELAS综合征(线粒体肌病、脑病、乳酸性酸中毒和卒中样发作)、MERRF综合征(肌阵挛性癫痫和红纤维)、Kearns-Sayre综合征(色素性视网膜炎、进行性外眼肌麻痹、共济失调和心脏传导缺陷)和Leber遗传性眼部神经病变。Friedreich共济失调，Wilson病和常染色体隐性痉挛性截瘫等神经退行性病变都是线粒体病变，以进行性步态和肢体共济失调、腿部肌腱反射消失、构语障碍和肥大性心肌病为特点的Friedreich共济失调(FRDA)是由于基因frataxin突变所致。Frataxin是一种调节线粒体铁转运的线粒体蛋白。因frataxin缺乏而造成的线粒体基质中铁的超负荷，可导致ROS产生增加，然后再破坏呼吸链复合物(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)及乌头酸酶，从而影响线粒体的功能。Paraplegin基因突变造成常染色体隐性遗传性痉挛性截瘫。Paraplegin与已知的线粒体金属蛋白酶极为相似，是ATP酶的一个亚组，丢失paraplegin可导致线粒体的呼吸链功能不良。
, 百拇医药
然而，这些都是mtDNA突变达到了阈值效应的结果。我们的发现与疾病增加相关的线粒体DNA的缺失可能仅仅是冰山一角，其底部还可能存在着许多目前尚未检测到的突变。那些阈值效应以下的突变虽然没能够使机体以线粒体功能异常为突出表现而发病，但也可能参与了多种疾病的发病机制。mtDNA由于可以存在异质状态，突变所占的比例可以千差万别，对细胞的影响也各不相同，所以对不同疾病来说，其具体作用机制可能就很不一样。例如Hamˉblet等[17] 利用PCR及Southern技术发现AD病人的mtDNA缺失5kb的机率比对照组大6.5倍，表明AD病人中mtDNA的损伤积累比一般人更为严重。因此，有关线粒体功能异常及其机制的研究有很广阔的前景。
参考文献
1 Fosslien E.Mitochondrial medicine-Molecular pathology of defective oxidative phosphorylation.Annals of Clinical and Laboratory Science，2001，31(1):25-67.
, 百拇医药
2 Suliman HB，Carraway MS，Velsor LW，et al.Rapid mtDNA deletion by oxidantsin rat liver mitochondria after hemin exposure.Free Radic Biol Med，2002，32(3):246-256.
3 Li D，Zhang W，Zhu J，et al.Oxidative DNA damage and8-hydroxy-2-deoxyguanosine DNA glycosylase/apurinic lyase in human breast cancer.Mol Carcinog，2001，Aug，31(4):214-223.
4 Rabilloud T，Strub JM，Carte N，et al.Comparative proteomics as a new toolfor exploring human mitochondrial tRNA disorders.Biochemistry，2002，41(1):144-150.
, http://www.100md.com
5 Wei HY，Lee CF，Lee HC，et al.Increases of mitochondrial mass and mitochondrial genome in association with enhanced oxidative stress in human cells harboring4，977BP-deleted mitochondrial DNA.Ann N Y Acad Sci，2001，928:97-112.
6 Lu CY，Lee HC，Fahn HJ.Oxidative damage elicited by imbalance of tfee radical scavenging enzymes is associated with large-scale mtDNA deletions in aging human skin.Mutat Res，1999，423(1-2):11-21.
7 Francois S，Daniel C，Tom K.Prospects for the Genetics of human longevity.Human Genet，1993，91:519.
, 百拇医药
8 Grishko V，Solomon M，Wilson GL，et al.Oxygen radical-induced miˉtochondrial DNA damage and repair in pulmonary vascular endothelial cell phenotypes.Am JPhysiol Lung Cell Mol Physiol，2001，280(6):1300-1308.
9 Souza Pinto NC，Croteau DL，Hudson EK，et al.Age-associated inˉcrease in8-oxo-deoxyguanosine glycosylase/AP lyase activity in rat mitochondria.Nucleic-Acids-Res，1999，Apr15;27(8):1935-1942.
10 Croteau DL，Bohr VA.Repair of oxidative damage to nuclear and mitoˉchondrial DNA in mammalian cells.J Biol Chem，1997，272(41):25409-25412.
, http://www.100md.com
11 Kajander OA，Karhunen PJ，Holt IJ，et al.Prominent mitochondrial DNA recombination intermediates in human heart muscle.EMBO Rep，2001，Nov，2(11):1007-1012.
12 Fosslien E.Mitochondrial medicine-Molecular pathology of defective oxidative phosphorylation.Annals of Clinical and Laboratory Science，2001，31(1):25-67.
13 Shoubridge EA.Nuclear genetic defects of oxidative phosphorylation. Hum Mol Genet，2001，Oct1;10(20):2277-2284.
, 百拇医药
14 Chandrase KK，Hatanpaa K，Rapoport SI，et al.Decreased expression of nuclear and mitochondrial DNA-encoded genes of oxidative phosphoˉrylation in association neocortex in Alzheimer disease.Brain Res Mol Brain Res，1997，44:99-104.
15 Luft R，Ikkos D，Palameri G，et al.A case of severe hypermetabolism of non-thyroid origin with a defect in the maintenance of mitochondrial respiratory control:a correlated clinical，biochemical，and morphological study.J Clin Invest，1962，41:1776-1804.
, 百拇医药
16 Read CY，Calnan RJ.Mitochondrial disease:beyond etiology unknown.J Pediatr Nurs，2000，15(4):232-241.
17 Hamblet NS，Castora FJ.Elevated levels of the Kearns-Sayre synˉdrome mitochondrial DNA deletion in temporal cortex of Alzheimer’s patients.Mutat Res，1997，379:253-262.
作者单位:450004郑州武警河南总队机关门诊部
100853北京解放军总医院老年心肾科
(收稿日期:2004-03-03)
(编辑李 木), 百拇医药