第三节 线粒体基因组突变与疾病
一、线粒体基因组突变类型
导致线粒体功能异常的mtDNA突变有碱基替换（点突变）、缺失、插入、倒位和重排。大约48%的碱基替换影响呼吸链的多肽亚单位，40%影响线粒体tRNA，9%影响线粒体rRNA，3%影响位于D-loop的调控序列。
（一）碱基替换
1. mRNA基因的碱基替换 mtDNA的mRNA基因的碱基替换，绝大多数是错义突变，导致编码的氨基酸发生改变。如Leber遗传性视神经病通常是由于G11 778A突变，导致了原来编码的精氨酸变为组氨酸。
2. tRNA基因的碱基替换 tRNA是蛋白质合成时运输氨基酸的工具，tRNA碱基替换导致其结构异常，必然影响线粒体的蛋白质生物合成，从而导致线粒体遗传病。同一tRNA基因碱基替换可有不同的临床表现，如A3243G突变，可表现为线粒体肌病脑病伴乳酸性酸中毒及中风样发作综合征、慢性进行性眼外肌麻痹、心肌病或糖尿病伴耳聋；而同一种临床症状，如糖尿病伴耳聋又可由不同的tRNA基因碱基替换引起，例如：A3243G、C12 258A等。
3. rRNA基因的碱基替换 mtDNA有两个rRNA基因，分别编码12SrRNA和16SrRNA。A1 555G突变是12SrRNA基因碱基替换，有这种碱基替换的个体，在使用氨基糖苷类抗生素时可导致耳聋。
（二）缺失、插入、倒位、重排突变
mtDNA的缺失、插入、倒位、重排突变可导致线粒体遗传病。如KSS病可由8469～13 447之间5kb的mtDNA缺失而引起。
（三）mtDNA拷贝数目突变
mtDNA拷贝数目突变指mtDNA拷贝数大大低于正常。这种突变较少，仅见于一些致死性婴儿呼吸障碍、乳酸性酸中毒或肝、肾功能衰竭的病例。
二、常见线粒体遗传病
线粒体病是一类多系统疾病，累及多个器官，以中枢神经和骨骼肌对能量的依赖性最强。病变以中枢神经系统为主，则称为线粒体脑病；病变以骨骼肌为主，则称为线粒体肌病；同时涉及中枢神经系统和骨骼肌，则称为线粒体脑肌病。
（一）Leber遗传性视神经病
Leber遗传性视神经病（Leber hereditary optic neuropathy，LHON；OMIM 535000）是以德国医生TheodorLeber（1840～1917）的名字命名，是最早确诊的人类线粒体病（Wallace，1988）。LHON常为急性或亚急性发病，无疼痛、中心性视觉丧失导致中心盲点。平均发病年龄为18~30岁，患者多为男性，有性别偏好。LHON是视神经和视网膜神经元变性的主要病理特征，另外还有周围神经的变性、心脏传导阻滞及肌张力降低。
LHON均由点突变导致，主要有三个突变G11 778A（11 778位点的G转换成了A，最主要的）、G3460A及T14488C。GG11 778A突变使NADH脱氢酶亚单位4（ND4）第340位氨基酸由精氨酸变成组氨酸。
（二）线粒体脑肌病
1. 伴有破碎红纤维的肌肉阵挛性癫痫
伴有破碎红纤维的肌肉阵挛性癫痫（myoclonic epilepsy associated with ragged-red fibers，MERRF；OMIM 545000）临床表现为多系统紊乱，包括肌阵挛性癫痫、共济失调、肌病、轻度痴呆、耳聋等。患者肌细胞中常见大量团块状的异常线粒体，常被描述为破碎红纤维（RRF），用特殊染料（Gomori Trichrome）可将其染成红色。MERRF发病一般在童年，病情可持续若干年。
80%～90%的MERRF患者由A8344G碱基替换引起。该突变的正式名称为MTTK*MERRF 8344G。MTTK中的MT表示线粒体，第二个T表示tRNA基因，K表示赖氨酸（Lys）。tRNALys突变会引起线粒体中翻译的严重缺陷，从而使呼吸链酶复合体产生多种缺陷。
2. 线粒体肌病脑病伴乳酸性酸中毒及中风样发作综合征
线粒体肌病脑病伴乳酸性酸中毒及中风样发作综合征（mitochondrial myopathy，encephalopathy，lactic acidosis andstroke-like episodes，MELAS；OMIM 540000）的主要临床特征：40岁前开始出现反复休克、肌病、共济失调、肌阵挛、痴呆和耳聋。异常的线粒体不能代谢丙酮酸，导致大量丙酮酸生成乳酸，乳酸在血液和体液中累积，导致血液pH值下降和缓冲能力降低，造成乳酸性酸中毒。特征性病理解剖变化，是在脑和骨骼肌的小动脉和毛细血管管壁中有大量异常形态的线粒体聚集。
约80％患者是由于mtDNA编码的亮氨酸（Leu）tRNA基因3243位点由A转换为G（简写为A3243G）所致，另外有3种少见的突变出现在该基因的3252、3271、3291位点上。
3. Kearns-Sayre综合征
Kearns-Sayre综合征（Kearns-Sayresyndrome，KSS；OMIM 530000）患者可表现一系列症状，从仅有眼外肌麻痹，眼睑下垂及四肢肌病到视网膜色素变性，乳酸性酸中毒，感觉神经损伤及听力丧失，运动失调，心脏传导功能障碍甚至痴呆。通常20岁以前发病，病程发展较快，多数病人在确诊后几年内死亡。
已发现100多种缺失可导致KSS病。最常见的是8469～13 447之间的5kb片段缺失，约1/3病人由该缺失引起，该缺失的断裂点分别位于ATPase8和ND5基因内，导致ATPase8、ATPase6、COIII、ND3、ND4、ND4L、ND5及多个tRNA基因缺失。
4. 帕金森病
帕金森病（Parkinsondisease，PD；OMIM 556500）又叫震颤性麻痹，是一种老年发病的运动失调症，有四肢震颤、动作迟缓且常常错误等症状，少数患者有痴呆症状。患者脑组织特别是黑质中存在mtDNA缺失。Ozawa（1990）发现患者可检测到mtDNA中有长5kb的缺失，断裂点分别位于ATPase 8基因和ND5基因内，导致线粒体呼吸链功能异常，进而引起神经元功能障碍。
患者病变细胞中mtDNA缺失往往是杂质性的，正常人突变型仅占0.3%，而患者可达5%。一般认为，mtDNA缺失是体细胞突变所致。
（三）心血管疾病
1. 肥厚型心肌病（Hypertrophic cardiomyopathy, HCM）与扩张型心肌病（dilated cardiomyopathy, DCM）
HCM是儿童及青少年人猝死最常见的原因之一，主要临床表现从无症状到轻度胸闷、心悸再到恶性心律失常、心力衰竭，甚至猝死等。主要原因是mt-tRNALeu基因A3243G突变。DCM最常见于8637-16073bp的7436 bp缺失。此外，心力衰竭及冠心病患者的心肌细胞中还存在mtDNA 4 977bp、7 436 bp和10 472 bp缺失同时增加的情况。
2. 高血压
高血压多为多基因病，但部分也具有母系遗传的特征，一些基因突变缺陷如tRNAMetA4435G、tRNALle A4263G、tRNAMet/tRNAGlnA4401G等。
3. 糖尿病－耳聋综合征
糖尿病－耳聋综合征（diabetes mellitus-deafness syndrome，DMDF；OMIM 520000）由线粒体基因缺失或点突变引起。
Maassen和Kadowaki（1996）发现一个符合母系遗传的糖尿病伴耳聋是由于mtDNA的8469～13 447之间5kb的片段缺失。Ballinger（1992）研究的一个家系符合母系遗传，患者为糖尿病伴有耳聋，检查结果是患者mtDNA中有10.4kb大片段缺失。
Van den Ouweland等（1992）报道的另一家系有类似的症状，也属母系遗传，检查结果表明患者为mtDNA的A3243G突变；Reardon等（1992）发现的另一个家系，7例糖尿病伴耳聋患者都有A3243G突变，这个位点突变导致线粒体的亮氨酸tRNA异常。
（四）氨基糖苷类抗生素引起的耳聋
链霉素、庆大霉素、卡那霉素等氨基糖苷类抗生素引起的耳聋（aminoglcoside antibiotics induced deafness，AAID；OMIM 561000）。线粒体12SrRNA由mtDNA 648～1601编码。由于氨基糖苷类抗生素的“天然靶标”是进化上相关的细菌核糖体，而人类线粒体核糖体与细菌核糖体结构相近。12S rRNA结构改变可能导致耳蜗细胞的线粒体核糖体受到氨基糖苷类抗生素的攻击，从而导致耳聋。此外，氨基糖苷类抗生素的耳毒性直接与其在内耳淋巴液中药物浓度较高有关。
Prezant等人（1993）首先通过三个母系遗传的氨基糖苷类抗生素引起的耳聋家系研究，报道了患者mtDNA 12SrRNA基因内A1555G突变。在正常人群中这一位点的突变频率小于1/200。Hutchin等人（1993）推测：由于这一突变扩大了氨基糖苷类抗生素与核糖体结合的“口袋”，并使氨基糖苷类抗生素结合更加紧密，从而使耳蜗受到攻击。
三、线粒体基因突变与衰老
mtDNA大片段缺失与年龄呈正相关，尤其是80岁以上的个体。线粒体是细胞内自由基的源泉，机体95%以上的氧自由基来自线粒体的呼吸链。机体衰老及退行性疾病时，氧自由基清除能力降低，就在线粒体中积累，从而导致mt的损伤，而mtDNA的受损又进一步加速机体衰老。
四、线粒体基因突变与肿瘤
目前已在人类肝癌、结肠癌、胃癌、肺癌、乳腺癌等多种肿瘤及肿瘤细胞株中发现有各种类型的mtDNA点突变。肿瘤mtDNA突变大部分为基因编码区与D环区的T→C或G→A碱基替换。在大多数实体性肿瘤中能量代谢的改变和mtDNA拷贝数和氧化磷酸化相关酶活性降低有着密切的联系。
