線粒體DNA遺傳變異與人類環境適應性

鄭世珍 李福祥 錢桂生 戢福云

線粒體是真核生物細胞內的重要細胞器，處于新陳代謝和生物能量轉換中心地位，在生命活動中發揮著重要作用［1-2］。線粒體通過氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)產生人體用于工作的ATP和維持體溫的熱量，而線粒體偶聯狀態則決定著產生ATP和熱量的相對水平。線粒體緊密偶聯，則ATP能量產生較多;線粒體解偶聯，則熱量產生較多。伴隨著氧化磷酸化，線粒體產生大量細胞活性氧(reactive oxygen species，ROS)，同時，線粒體通過開放線粒體通透性轉換孔(mitochondrial permeability transition pore，mtPTP)，調節以能量輸出及活性氧損傷為基礎的細胞凋亡［3］。線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)是細胞內除細胞核 DNA(nuclear DNA，nDNA)外唯一存在的遺傳物質。已有研究顯示，mtDNA突變不僅與人類leber氏遺傳性視神經病、線粒體腦肌病、糖尿病、高血壓、心力衰竭、心肌梗塞、視力障礙、神經性耳聾、智力衰退、心理障礙、腎功能不全、腫瘤、肌無力等多種疾病的發生有關，也在人類適應不同氣候環境時發揮著重要作用［3-11］。

一、人類mtDNA

人類mtDNA是除核DNA(nuclear DNA，nDNA)外唯一存在于細胞內的遺傳物質，屬母系遺傳。人類mtDNA分子由16，569個堿基組成，呈雙鏈超螺旋閉合環狀分子，共含有37個編碼基因，分別編碼16S rRNA和12S rRNA、22個tRNA和呼吸鏈中13個多肽(即細胞色素b、細胞色素C氧化酶的3個亞基、ATP酶的2個亞基以及NADH脫氫酶的7個亞基)。其中，mtDNA所編碼的13個多肽是電子傳遞鏈(electron transport chain，ETC)的重要組成成分。線粒體呼吸鏈將來源于NADH和H+的電子轉移到復合物Ⅰ(NADA脫氫酶)或將琥珀酸鹽的電子傳遞給復合物Ⅱ(琥珀酸脫氫酶)，再依次傳遞給輔酶Q、復合物Ⅲ、細胞色素C和復合物Ⅳ(細胞色素c氧化酶)，最后傳遞給1/2個O2生成H2O。與此同時，導致跨膜質子移位形成跨膜質子梯度和/或跨膜電位。線粒體內膜上的ATP合成酶利用跨膜質子梯度能量合成ATP。合成的ATP通過線粒體內膜ADP/ATP載體與細胞質中ADP交換進入細胞質，參與細胞的各種需能過程［12-14］。

內源性活性氧(ROS)是線粒體氧化磷酸化的副產品，其產生途徑為:從復合物Ⅰ、Ⅲ直接轉移一個電子給O2形成超氧負離子(superoxide anion，);兩個 由錳超氧化物歧化酶歧化形成過氧化氫(hydrogen peroxide，H2O2);H2O2失去一個電子而形成羥基(-OH)。

線粒體活性氧會損傷線粒體脂質和蛋白質，并誘發mtDNA發生突變。線粒體也可以通過線粒體通透性轉換孔(mtPTP)調節細胞凋亡。當出現過度的Ca++吸收、氧化應激增強或線粒體ΔΨ、ADP、ATP減少時，PTP開放并隨之發生ΔP崩潰，凋亡前體蛋白(細胞色素c、caspase-9前體、凋亡誘導因子和核酸內切酶G)從線粒體內膜釋放到胞質中，從而降解細胞蛋白和核酸［14］。

二、人類mtDNA遺傳變異

mtDNA序列突變率很高，其突變率是nDNA上線粒體基因10倍以上［2-13，15-16］。與nDNA相比，mtDNA在結構和功能上有著自己獨特的特點:①mtDNA缺乏組蛋白和DNA結合蛋白的保護，并且，mtDNA與氧化磷酸化場所(線粒體內膜)相距很近，直接暴露于氧化磷酸化過程中產生的活性氧中，易受到自由基的攻擊;②mtDNA復制速度很快且催化復制的DNA聚合酶C不具有校讀功能，復制錯誤率高，與nDNA相比其修復機制不完善;③每個細胞中含有數百個線粒體，每個線粒體又含多個DNA分子，因此，細胞中可同時存在正常mtDNA和突變mtDNA，即mtDNA具有異質性;④mtDNA無內含子，mtDNA的突變很容易影響到其基因組內的一些重要功能區域;⑤突變mtDNA是否在組織產生表型效應主要決定于突變mtDNA與正常mtDNA相對比例及該組織的能量消耗程度;⑥線粒體是半自主性細胞器，mtDNA基因的復制、轉錄和翻譯受到nDNA的調控。

mtDNA遺傳變異可以歸納為中性、有害性和適應性遺傳變異三種類型。①中性變異包括同義堿基替換(synonymous base substitutions，S)和堿基更換(base changes)，后者所編碼的氨基酸發生改變或rRNAs、tRNAs序列有所變化，但其功能并未發生改變。這些變異的種內保守指數(interspecific conservation index，CI)通常較低;②有害變異則是指多肽氨基酸發生了非同義突變(non-synonymous mutation，NS)或rRNAs、tRNAs序列發生變化，并顯著地減低了其功能。這些突變可經過純化選擇加以消除或導致疾病產生;③適應性變異則是指多肽氨基酸發生改變或rRNAs、tRNAs序列發生變異，這些變異可以改變線粒體進化上保守的功能，并且不能通過純化選擇加以消除。反之，該突變可被擴充為線粒體在適應新環境時所形成的mtDNA進化樹上一個區域特異性的旁枝［13］。已有的研究成果表明，人類祖先從熱帶和亞熱帶非洲移居至較寒冷的歐洲和西伯利亞時，大約1/4古老的mtDNA遺傳變異有助于人類適應新的環境。

三、人類mtDNA及其環境適應性遺傳變異

適應性mtDNA遺傳變異是在對全球原居民mtDNA序列的研究中首次被發現的。由于mtDNA具有母系遺傳的特性，mtDNA遺傳變異不能通過重組消除而只能不斷沿著呈放射狀的母性譜系累積，所以，不同個體之間mtDNA核苷酸數量上的差別與他們從同一個女性祖先分枝的時間是相對應的。

對全球mtDNA序列變異的研究表明，所有的mtDNA變異可以歸納為一個單一模式的mtDNA序列，即單倍型。單倍型序列在公元前150 000年至200 000年的非洲就已經存在［1-2］。以此為起源，4個特異的亞撒哈拉非洲mtDNA單倍型(L0、L1、L2和L3)呈輻射狀形成新的相關的單倍型。公元前65 000年，非洲東北部的L3單倍型群體離開非洲而移居至溫帶的歐亞大陸，從而形成M和N單倍型。而由于亞洲單倍型mtDNA的增多，在西伯利亞的東北部，現僅存3個富集的單倍型A、C和D。公元前20 000年出現白令大陸橋時，單倍型A、C和D橫跨白令海峽來到北美洲。大約公元前15 000年，單倍型X也穿過北極圈，可能經由歐洲扎根在北美的北部中心。隨后，單倍型B在公元前12 000年到15 000年可能通過航海而繞過北極在北美洲的北部、中部及南部與單倍型A、C、D 會合［1-2，14］。

在分析mtDNA單倍型這一過程中，研究者發現，mtDNA分布存在兩個明顯的中斷，第一個中斷出現在大量的非洲群體移居至溫帶歐亞大陸后所形成的兩個譜系M和N之間，第二個中斷則出現在當前大量的歐亞群體移居至北極寒冷地區后所剩下的四個單倍型A、C、D和X之間。由于這兩個明顯的中斷都與氣候的顯著變化相關，因此，可以猜測，某種特定的mtDNA遺傳變異能降低線粒體耦聯效率，從而增加產熱量以幫助人類移居并適應更為寒冷的北方高緯度地區［1-2］。對西伯利亞雅庫特人和溫帶地區人群基礎代謝率的觀察結果支持了這個猜想，前者的基礎代謝率明顯高于后者［17］。

計算氨基酸替換突變率(NS/S)則進一步證實了適應性mtDNA變異的存在。通過分析各個不同地區mtDNA多肽基因的NS/S比例發現(包括熱帶、亞熱帶非洲群體的單倍型L0、L1、L2和L3，溫帶歐洲群體單倍型 H、I、J、T、U、UK、V 和 W，北極歐亞單倍型 A、C、D 和 X)，ATP6基因在北極居民、cyt b基因在歐洲居民及COI基因在非洲居民中均發現有錯義突變，nDNA基因的突變則表現出與地理區域相關性［2，18］。研究者繼續對mtDNA遺傳變異的地理區域性分布進行了更深入的研究。對從現有的2565個mtDNA序列演繹出的mtDNA進化圖進行分析發現，從熱帶非洲單倍型L的100%到歐亞大陸M+N單倍型的140%，到寒帶N單倍型的180%，進化樹內部分枝的錯義突變發生頻率是逐漸增多的。而且，熱帶非洲群體的內部分枝上氨基酸變化的種內CI(氨基酸功能發生改變的重要性標志)也較北極群體有所增加。實際上，26．3%的古老內部分枝上的氨基酸置換的CI與22個已知的致病的mtDNA錯義突變的平均值相差不超過兩個標準差(www．mitomap．org)，大約1/4的古老的錯義突變具有重要的功能并在適應性選擇中得到富集［1］。

許多最有意義的適應性錯義突變都發生在mtDNA進化樹分枝堿基上，從而呈輻射狀形成一個新的地理區域性分枝［1］。比如，發生在單倍型N中的兩個錯義突變ATP6(A59T)和ND3(A114T)就是促使單倍型N從非洲群體L3系中分離出來的。這些突變改變了高度保守的氨基酸，可能使非洲群體得以移居歐亞大陸。對于和北極單倍型A、C、D和X相關的適應性突變則可通過其CI以及突變距離單倍型根部的位置來鑒定。例如，研究發現，在單倍型A有兩個非常保守、位于根部的氨基酸突變:一個是mtDNA蛋白ND2上的核苷酸突變(4824G)，導致產生錯義突變T119A(CI=82．1%);另一個是ATP6上的核苷酸突變(8794T)，導致產生錯義突變H90Y(CI=72%)。西伯利亞亞單倍型C2也含有兩個保守的位于根部的變異:ND4上堿基發生突變(11969A)，產生錯義突變A404T(CI=85%);cyt b上堿基發生突變(15204C)，產生錯義突變I153T(CI=85%)。同樣，從單倍型N衍出歐洲單倍型T和J。在單倍型T中發現ND2基因在4917(G＞A)發生突變，導致氨基酸發生變化(D150N，CI=90%)。單倍型J又分為兩個亞單倍型J1和J2，各自以靠近進化樹根部的cyt b基因的一個堿基置換突變命名。單倍型J2是15257位堿基發生突變(15257A)，導致氨基酸發生改變(D171N，CI=95%)，而J1則是14798位堿基發生突變(14798C)，導致氨基酸發生改變(F18L，CI=77%)。在亞單倍型UK、北極單倍型A、C、D和X中也發現了14798C突變。這些研究表明，mtDNA的進化具有趨同性，從而進一步證實線粒體高度保守序列的錯義突變在人類對環境適應性方面具有重要的意義。

線粒體作為能量供應細胞器，參與人類重要的生命活動。同時，作為除nDNA外唯一存在的遺傳物質，其DNA突變在人類多種疾病的發生和發展，以及人類適應生存環境中發揮著重要作用。深入了解和研究線粒體及其DNA將會為進化學、遺傳學、病原學、病理生理學，以及疾病的治療帶來新的視野和途徑。

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