第二节 mtDNA突变引起的疾病

尽管mtDNA的发现已经40余年，线粒体疾病的概念也早于1962年就已提出，但它在人类病理学方面的重要性在近些年的研究中才变得越来越明显。mtDNA突变与疾病的报道也在不断增加，因而先后提出了线粒体遗传学（mitochondrial genetics）和线粒体医学（mitochondrial medicine）等新概念及新学科。这些新概念和新学科用以开展以下几方面的应用及研究：一是对人类寻根或人类起源的研究；二是对衰老和肿瘤的研究；三是对心、神经－肌肉疾病的关系研究。从而探讨线粒体与人类进化、疾病和衰老的关系，并指导临床上对疾病的诊治。

一、线粒体疾病的分类

根据不同的立足点，线粒体疾病可以有不同的分类。从临床角度，线粒体疾病可涉及心、脑等组织器官。从病因和病理机制角度，线粒体疾病有生化分类和遗传分类之别。

（一）生化分类

根据线粒体所涉及的代谢功能，线粒体疾病可分为以下5种类型：底物转运缺陷、底物利用缺陷、Krebs循环缺陷、电子传导缺陷和氧化磷酸化偶联缺陷（表9－1）。

（二）遗传分类

根据缺陷的遗传原因，线粒体疾病分为n DNA缺陷、mtDNA缺陷及n DNA和mtDNA联合缺陷3种类型（表9－2）。

二、主要的线粒体遗传病

线粒体疾病主要影响神经、肌肉系统，所以有时也统称为线粒体脑肌病（mitochondrial encephalomyopathy）。但不同的疾病，同一疾病不同的个体都有不同的临床表现。由于mtDNA全序列已经被弄清楚，利用现代生物学技术可以使线粒体疾病得到明确诊断。

线粒体疾病的治疗尚待突破。目前线粒体疾病治疗的基本内容包括：补充疗法、选择疗法和基因疗法。所谓补充疗法是给患者添加呼吸链所需的辅酶，目前运用较广泛的是辅酶Q。其在KSS、心肌病及其他呼吸链复合物缺陷的线粒体病的治疗中都有一定作用；同时在缓解与衰老有关的氧化／抗氧化平衡异常方面也发挥了功效。另外，ubiquinone、L－肉胆碱、抗坏血酸（维生素C）、2－甲基萘茶醌（维生素K3）和二氯乙酰酸也能暂时缓解部分线粒体病的症状。所谓选择疗法是指选用一些能促进细胞排斥突变线粒体的药物对患者进行治疗，以增加异质体细胞中正常线粒体的比例，从而将细胞的氧化磷酸化水平升高至阈值以上。一种可能的药物是氯霉素，作为ATP合成酶的抑制剂，连续低剂量使用此药能促进对缺陷线粒体的排斥。所谓基因治疗是指尝试将正常的线粒体基因转入患者体内以替代缺陷mtDNA而发挥作用。现在认为有3种基因治疗方法可行，即胞质mtDNA表达法、线粒体转染法和异质性细胞正选择法。

（一）mtDNA点突变引起的疾病

由mtDNA点突变引起的常见疾病见表9－3。有一些疾病（如CPEO）既可由点突变所致，也可由缺失所引起，但一般而言，在临床上，由点突变引起的疾病比由缺失引起的疾病症状相对较轻。

1.Leber遗传性视神经病 （Leber hereditary optic neuropathy，LHON；OMIM＃535000） LHON是人类母系遗传病的典型病例。主要症状为双侧视神经萎缩，一般发病为18～30岁，男女发病比例为4∶1。1988年，Wallace最先发现mtDNA第11778位点的G转换成了A，使NADH脱氢酶亚单位4（ND4）蛋白质中第340个氨基酸由精氨酸变成了组氨酸。大约50％的LHON病是由该位点突变引起的。除此之外，现在已发现10多种点突变与该病的发生相关，它们分布于ND1、ND2、ND3、ND4、ND6、细胞色素b等基因中，有些突变单独可引起LHON，有些则必须与其他突变配合作用才发生LHON。LHON的研究也提出了线粒体疾病中的一个概念，即多种突变的相互作用，其中也包括核基因的作用，最终导致疾病的发生。

2.线粒体脑肌病伴乳酸中毒及脑卒中样发作综合征 （mitochondrial myopathy， encephalopathy，lactic acidosis and stroke－like episodes，MELAS；OMIM＃540000） MELAS的常见症状为突发呕吐、乳酸中毒、肌肉组织病变、有碎红纤维，有时伴痴呆、耳聋、身材矮小等症状。脑卒中具可逆性，它使大脑皮质和脊髓白质损伤，经CT或MRI检查检出。一般很少见MELAS的家系中患者有上述全部症状，而其母系亲属常仅表现神经异常。约80％的患者mtDNA编码的tRNA基因3243位点有A→G的突变，另4种少见的突变均出现在该基因的3291、3271、3256和3252位点。具有mtDNA突变的个体也常随年龄的增加而病情加重。

3.肌阵挛性癫伴碎红纤维综合征（myoclonic epilepsy and ragged－red fiber disease， MERRF；OMIM＃545000） MERRF是一种线粒体肌病（mitochondrial myopathy，MM），它除了具有MM的特征（即破碎的肌红纤维和形态异常的线粒体）之外，还伴有失控的阵挛性癫 （周期性抽搐）；具有明显的母系遗传性，患者的母系亲属常表现一些症状，如脑电图异常、感音性听力丧失、痴呆、呼吸异常、扩张性心肌病和肾功能障碍等症状。80％～90％MERRF患者mtDNA的tRNA基因的第8344位存在A→G突变，小部分患者在同一基因的8356位存在T→C突变。主要影响线粒体呼吸链的酶复合物Ⅰ和Ⅳ。该突变使tRNALys的TψC Loop区发生改变，蛋白质合成受阻。

4.神经性肌软弱、共济失调、色素性视网膜炎（neuropathy，ataxia and retinitis pigmentosa，NARP；OMIM＃551500） NARP与mtDNA上ATPase基因第8993位的点突变有关。患者表现为色素性视网膜炎、共济失调、癫 、痴呆、近端神经肌肉衰弱及发育迟缓等。当突变型mtDNA＞90％时，患者就表现出Leigh病，通常在幼年期发病，一般会致命。

5.氨基糖苷类抗生素致聋 链霉素、庆大霉素等氨基糖苷类抗生素能致聋早已是常识了，但其分子机制一直不清楚。1993年，Prezant等通过对3个母系遗传的氨基糖苷类抗生素致聋（aminoglycoside antibiotics induced deafness，AAID）家系的研究，首次报道了mtDNA编码的12SrRNA基因第1555位点A→G的突变；同年Ghodsian和Prezant等在散发患者中也发现1555位点的突变。资料表明，线粒体1555位点的突变对造成耳聋的外显率存在时间依赖性。由此看来，疾病的发生并非单一由mtDNA突变决定的，核基因对突变的表型效应有一定的作用。另一个导致听力丧失的同质性突变是mtDNA 7445位点T→C的突变。7445位点T→C的突变是一个重链上的COX I基因的最后一个核苷酸和轻链上紧靠3′末端tRNASer基因的核苷酸的轻微变化。从机制上讲这种突变表现为干扰轻链多顺反子mtRNA的正常进程，并且可观察到tRNASer数量上的和线粒体蛋白质合成速率上的剧减。在这种情况下，线粒体单倍体的差异造成了外显率的差异。

6.母系遗传性肌病和心肌病（maternally inherited myopathy and cardiomyopathy， MMC；OMIM＃590090） MMC患者表现线粒体肌病、肥大性心肌病，主要是mtDNA的tRNA基因3260位A→G突变。它与导致MELAS的基因属于异等位基因。因此，MMC和MELAS可能是一种遗传病的两个等位表现。有人证明在心肌病患儿中存在A→G点突变，从而使呼吸链复合物Ⅰ和复合物Ⅳ中酶活力低下，产生致死性心肌疾病。

7.Leigh病和神经肌病、运动失调及视网膜色素变性症 Leigh病（Leigh disease；OMIM＃256000）或称亚急性坏死性脑脊髓肌病（subacute necrotizing encephalomyopathy），症状为呼吸异常、声音微弱、视力听力受、运动失调、衰弱、高血压等。NARP患者临床症状多样，包括末端肌无力、感觉神经元病变、视网膜色素变性、发育迟缓、运动失调和痴呆等。这两种病都有较明显的母系遗传性，都与mtDNA 8993位点T→G的突变有关。这一碱基变化使ATP酶6基因第156位亮氨酸（Leu）变成精氨酸（Arg），即ATP酶合成缺陷，氧化磷酸化作用受阻，从而使供能不足。

（二）mtDNA缺失、重复导致的疾病

mtDNA缺失与重复存在于许多神经、肌肉性疾病及一些退化性疾病、肾病和肝病中，甚至衰老也与之有关。

1.Kearns－Sayre综合征（Kearns－Sayre syndrom，KSS；OMIM＃530000） 本病又称为慢性进行性眼外肌麻痹（chronic progressive external ophthalmoplegia，CPEO）或眼肌病。患者可表现一系列不同的症状，从仅有眼肌麻痹、眼睑下垂及四肢肌病发展到色素性视网膜炎、乳酸中毒、感觉神经性听力丧失、运动失调、心脏传导功能障碍，甚至痴呆。具有前一部分症状时，称为CPEO；发展成为后一部分症状时，即称为KSS。本病在人群中往往是散发的。KSS有以下3个共同特征：①20岁以前发病，30～40岁即死亡；②进行性眼外肌麻痹（progressive external ophthalmoplegia，PEO）；③色素性视网膜炎。这种病的早期诊断较困难。通过对许多国家或地区典型的KSS患者研究发现，几乎所有的患者均有mtDNA缺失。缺失片段大小范围在2.0kb～7.0kb之间，缺失大多发生在重链与轻链的两个复制起始点之间。

2.骨髓／胰腺综合征（Pearson syndrome） 或称胰腺综合征（pancreas syndrome；OMIM＃557000）是一种致死性的儿童疾病，伴发各类血细胞减少，表现为铁粒幼红细胞贫血、骨髓前体的空泡形成、胰腺纤维变性、分泌障碍及脾萎缩等。偶尔能存活的个体到青年期常发展成为KSS的表型特征。Pearson综合征主要与mtDNA缺失有关，偶尔也有mtDNA点突变导致的KSS的病例，为8334位tRNALys和3242位tRNALeu的突变。绝大多数mtDNA缺失患者是散发的，且无家族史。这表明mtDNA缺失多半是发育过程中新的突变。

3.线粒体心肌病（mitochondrial cardiomyopathy） 主要累及心脏和骨骼肌，患者常有严重的心力衰竭，常见临床表现为劳力性呼吸困难、心动过速、全身肌无力、全身严重水肿、心脏和肝脏增大等症状。原发型心肌病可由线粒体基因组缺失而致。Ozawa等1990年报道，原发型、肥厚型和扩张型心肌病患者心肌mtDNA中存在有7.5kb的缺失，缺失部位两侧为同向重复序列CATCAACAACCG，缺失位于ATP合成酶6基因和D环区之间。随后的研究发现，非常染色体显性遗传的肥厚型心肌病患者心肌mtDNA中，存在大量的点突变，突变可发生在蛋白编码区，导致或不导致所编码的氨基酸改变，也可能发生在tRNA和rRNA编码区。事实上，心肌细胞mtDNA突变的发生率随年龄增大而升高，这种趋势在35岁后更明显，70岁以上的老年人均有部分心肌mtDNA缺失。

缺血性心肌病（ischemic cardiomyopathy）患者也常具有mtDNA的点突变。研究证明，缺血及再灌注产生的自由基是造成mtDNA突变的主要原因，这对目前普遍采用的扩张血管治疗方法的使用提出了新的问题。如何减少心肌细胞受缺氧和再灌注异常的影响，减轻mtDNA受损程度，是目前缺血性心脏病治疗当中一个新的研究热点。

4.帕金森病（Parkinson disease，PD） PD是一种晚年发病的运动失调症，有震颤、动作迟缓且常常出错等症状，又称震颤性麻痹，少数患者有痴呆症状。该病的病因是复杂的，但患者脑组织特别是黑质中存在mtDNA中缺乏复合物Ⅰ、Ⅲ或Ⅳ。从患者脑组织的线粒体中可检测到4977bp的缺失，主要累及ND3、ND4L、ND4及ND5基因。

5.阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD） AD是一种晚年发生的渐进性痴呆，临床表现为记忆力丧失、认知功能异常和全面智能减退；10％的患者伴有肌阵挛，30％～40％患者具有PD的特征。研究发现mtDNA突变也是AD的病因之一。

6.2型糖尿病（2型DM） 2型糖尿病通常晚年发病，胰岛素水平正常或偏低，患者较肥胖。流行病学研究表明，先证者年龄越大，则母系遗传因素作用越明显。mtDNA突变与2型糖尿病的病因存在一定的相关性。现已在一个大的母系遗传成人发病并伴有耳聋的家系中发现患者肌肉和血细胞的mtDNA中存在10.4kb的缺失和mtDNA tRNA基因3243位A→G突变。分子生物学技术检测发现，当线粒体核苷酸3243位由A突变为G，就会引发“线粒体基因突变糖尿病”。

（三）n DNA改变引起的线粒体功能障碍呈孟德尔遗传

1.编码线粒体蛋白的基因缺陷 这方面已定性的疾病比较少，如丙酮酸脱氢酶复合体缺陷、肉碱棕榈酮转移酶缺陷等。主要从以下方面寻找线索：①有孟德尔遗传的家族史；②生化方面可检测的特定酶缺陷；③组织化学方面的研究，如一些呼吸链蛋白亚基是由核基因编码的；④利用rho°细胞进行的互补试验研究，如将Leigh病与COX缺陷的患者的成纤维细胞与He La细胞融合后可使COX活性恢复正常。由此推测，其相关的酶或蛋白质是由He La细胞的核基因编码的。

2.线粒体蛋白质转运的缺陷 n DNA编码的线粒体蛋白质是在胞质内合成转送入线粒体的不同部位。转运的过程有较复杂的机制。在胞质内合成的前体蛋白比成熟蛋白要大一些，原因是成熟蛋白多了一个前导肽（leader peptide）。前导肽作为一个识别信号与位于线粒体外膜上的受体蛋白相结合，并通过连系内、外膜的一个通道进入线粒体基质，这个转运过程是耗能过程。进入基质的前体蛋白的前导肽被线粒体蛋白酶水解。协助蛋白转运的其他因子还包括胞质和基质内的热休克蛋白（heat－shock protein），它可使转运的蛋白保持非折叠的状态。

两种基因突变会引起蛋白转运的线粒体疾病：一是前导肽上的突变将损害指导蛋白转运的信号，使蛋白转运受阻；二是蛋白转运因子的改变，如前导肽受体、抗折叠蛋白酶等。

3.基因组间交流的缺损 如上所述，线粒体基因组依赖于核基因组，n DNA编码的一些因子参与mtDNA的复制、转录和翻译。现发现有两类疾病的mtDNA有质或量上的改变，但它们均呈孟德尔遗传。因此，mtDNA的改变只是第2次突变。

（1）多重mtDNA缺失：这类患者不像KSS等疾病表现单一的缺失，而是表现mtDNA的多重缺失，且呈孟德尔遗传方式，可能n DNA上的基因存在缺陷。比较典型的如常染色体显性遗传的慢性进行性外眼肌麻痹（autosomal dominantly inherited chronic progressive external ophthalmoplegia，AD－CPEO）。

（2）mtDNA耗竭：这类患者主要为mtDNA完全缺损，也就是mtDNA量的异常而不是质的异常。患者往往病情较重，早年夭折。根据临床症状主要分为3类：①致命的婴儿肝病；②先天性婴儿肌病；③婴儿或儿童肌病。这些疾病均呈常染色体隐性遗传，可能是控制mtDNA复制的核基因发生突变所致。

三、其他与线粒体有关的疾病

（一）肿瘤

mtDNA在物理、化学及某些生物学因素作用下可游离出线粒体膜，从而有可能穿过核孔，随机整合到核基因组中。获得性整合可能与肿瘤及衰老有关，而种系性的核内整合则是生物进化的结果。细胞质内游离mtDNA或mtDNA片段的来源有以下几种：①溶酶体内核酸水解酶活性的降低，导致其不能完全消化被吞噬的衰老或损伤线粒体，则mtDNA就会游离于胞质中。②线粒体的病理性崩溃。在感染或多数癌变前期线粒体会受到破坏，继而出现反应性增生。这种损伤和增生会周而复始，反复进行，从而导致线粒体的肿胀，甚至崩溃、破裂，mtDNA也就直接游离于胞质中了。③错配小片段的产生，完整的mtDNA体积较大，常结合有DNA复制、转录或其他调节蛋白和酶类，通常很难穿出线粒体膜。然而，mtDNA在内、外环境因素的影响下，会不断产生复制错误。例如，mtDNA中有许多4个、5个及7个bp的不同重复序列，复制过程中的错配会造成相邻重复片段间DNA丢失。④线粒体mRNA在胞质中被反转录成mtDNA，在逐渐衰老的机体中或受致癌因素的作用下，反转录酶有可能错误地将线粒体mRNA反转录成游离的mtDNA。

越来越多的资料表明，mtDNA可以稳定地整合到n DNA中。Kamimura已在人的胎盘组织、白细胞和数个细胞系中发现了mtDNA对n DNA的整合。进一步的研究表明，在特定条件下n DNA片段及mtDNA片段可以在细胞内游走，从而造成两者遗传物质的相互交换和插入。

因为mtDNA比n DNA具有更高的拷贝数，所以其突变较容易探查。对癌症mtDNA突变的研究一般仅限于线粒体的基因组区域。在一项对10种结肠癌细胞系进行的完整线粒体基因组分析中，所显示的7种体细胞突变，预示着可影响其功能。

（二）Huntington舞蹈病

还有一些病症也是由于氧化磷酸化受损所致，如Huntington舞蹈病，其尽管属于常染色体显性遗传病，但也与mtDNA调节有关。所有这些疾病都是由于氧化磷酸化能力下降，造成供能不足，或者氧化－抗氧化平衡被破坏，导致氧自由基增多所致。氧自由基主要为过氧化物或过氧阴离子，它们可与脂类、蛋白质及核酸作用，产生阻碍DNA复制及转录的物质。与氧化磷酸化相关的病，一般具有4个突出的特征：①与氧化磷酸化酶缺陷有关；②常累及最依赖于线粒体能量的组织；③基因型复杂，具有多种mtDNA甚至核DNA突变，但表型相似；④常在成年后发病，病情随年龄增加而加重。

（左伋）