線粒體遺傳系統(tǒng)與線粒體疾病概述

范艷艷 吳姣榕 肖義軍

(福建師范大學生命科學學院 福州 350108)

線粒體是真核細胞的重要細胞器，它不僅為細胞提供能量，也與細胞凋亡、細胞衰老、信號轉導、細胞氧化還原電位的調(diào)節(jié)、細胞電解質(zhì)平衡等生命活動密切相關。因此，一旦線粒體出現(xiàn)功能性障礙，就可能導致機體發(fā)生疾病。醫(yī)學上把線粒體功能障礙引起的疾病稱為線粒體疾病，線粒體疾病大多由線粒體DNA突變引起[1]。

1 線粒體的遺傳系統(tǒng)

線粒體是一種半自主細胞器，具有自身的遺傳物質(zhì)線粒體DNA(mtDNA)和蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，它既受到自身DNA調(diào)控，也受核DNA的調(diào)控。細胞中mtDNA來源于卵子，遺傳方式嚴格遵循母系遺傳。受精時當精子與卵子融合，卵子能通過泛素水解酶降解精子線粒體，若遺留未被降解的精子線粒體，胚胎在胚泡期即死亡。

與核基因組不同，mtDNA以多拷貝形式存在于線粒體和細胞中。mtDNA的突變可發(fā)生在大量不同的mtDNA分子上，突變體突變含量可在0%～100%之間，其突變在細胞中隨機分配，不遵循孟德爾定律[2]。一個卵母細胞中約有15萬個mtDNA分子，卵子發(fā)生過程中只有部分mtDNA進入初級卵母細胞中，受精卵經(jīng)過卵裂和胚胎發(fā)育，最終僅有幾個拷貝的mtDNA分子進入新生兒的組織細胞中。因此，同一母系家族成員間的疾病表型，或者同一患者組織間的突變負荷(發(fā)生突變的mtDNA與全體mtDNA的比值)常常會大不相同。體細胞每經(jīng)歷一次有絲分裂，mtDNA又會隨著線粒體一起被隨機分配到子代細胞中，因此組織中mtDNA的突變負荷會隨組織細胞分裂而變化。也就是說，同一患者的疾病表型也能隨時間推移而表現(xiàn)出變異[3]。

2 線粒體疾病的發(fā)生機制、常見種類和治療策略

2.1 線粒體疾病的發(fā)生機制 目前已確定的在線粒體中發(fā)揮功能的蛋白質(zhì)有近900種。據(jù)推測，線粒體的生命活動需要的蛋白質(zhì)多達1000～2000種，人類線粒體自身基因組只編碼其中13種蛋白質(zhì)，約相當于線粒體生命活動總蛋白質(zhì)的1%不到。線粒體中很多功能蛋白是由線粒體基因組和核基因組編碼的亞基共同組成的，如果編碼這些蛋白質(zhì)的基因發(fā)生突變，蛋白質(zhì)的功能就有可能受到影響甚至喪失，導致線粒體功能障礙[1]。目前已知的線粒體疾病絕大多數(shù)來源于線粒體基因編碼蛋白質(zhì)的缺失或缺陷，可見mtDNA發(fā)生突變的頻率遠高于細胞核DNA。其原因是線粒體呼吸鏈產(chǎn)生的氧自由基積累會導致mtDNA的損傷和突變： 機體95%以上的氧自由基來自于線粒體，正常情況下氧自由基被線粒體中的超氧化物歧化酶清除，當機體衰老或出現(xiàn)退行性病變時超氧化物歧化酶活性降低，導致線粒體中氧自由基積累，同時由于缺乏組蛋白保護并且沒有完整的突變修復功能，使得mtDNA的突變率非常高[1]。mtDNA突變與表型之間的關系復雜，同一mtDNA突變可以引發(fā)不同的疾病表型,同一疾病表型也可以由不同的突變引起。

一個細胞中有多個線粒體，每個線粒體的突變位點都有可能不同，因此線粒體中的DNA存在異質(zhì)性。組織器官發(fā)生異常病變往往是突變負荷超過一定閾值后，野生型mtDNA的數(shù)量難以維持呼吸鏈的功能造成的。突變負荷的高低決定了大多數(shù)線粒體疾病的發(fā)生與臨床表型[3]，由于人體不同組織器官對能量供應的需求不同，故不同組織器官發(fā)病的突變負荷也不同。細胞代謝水平的旺盛程度與細胞內(nèi)線粒體含量成正比例關系。能量需求越高的部位對mtDNA的突變越敏感，如心臟、骨骼肌、大腦等器官，較低的突變負荷便能夠引起臨床癥狀。

2.2 線粒體疾病的常見種類 目前已發(fā)現(xiàn)，線粒體功能異常與100多種人類疾病密切相關。線粒體疾病的好發(fā)部位有神經(jīng)系統(tǒng)、胃腸道系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、心臟、內(nèi)分泌腺、眼睛、腎臟及肝臟等。由于mtDNA突變致病的分子機制還沒有被完全闡明,突變與疾病表型之間的確切關系至今仍有很多不明確的地方。以下列舉一些常見的線粒體疾病。

2.2.1 Leber氏遺傳性視神經(jīng)病變 Leber氏遺傳性視神經(jīng)病變(Leber′s hereditary opticneuropathy, LHON)是第一個被鑒定出與mtDNA點突變有關的母系遺傳疾病，該病患者以視力衰退為主要臨床特征，青少年失明多與LHON相關。世界各地已發(fā)現(xiàn)60多個mtDNA突變與LHON發(fā)病密切相關，且絕大多數(shù)LHON患者只攜帶該病3個mtDNA原發(fā)突變中的1個[4]。

2.2.2 腫瘤 癌細胞產(chǎn)生ATP的途徑并非有氧呼吸而是糖酵解。癌細胞代謝方式的不同導致了線粒體代謝方式的改變，從而幫助癌細胞逃脫凋亡[5]。大量研究表明，多種惡性腫瘤細胞出現(xiàn)了線粒體突變，即線粒體的結構功能、代謝水平、mtDNA序列與正常細胞相比都呈現(xiàn)差異。Ohta[6]將含有突變型mtDNA的轉線粒體雜交瘤細胞植入小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)突變型mtDNA使腫瘤迅速生長。結腸癌是首次發(fā)現(xiàn)與mtDNA點突變相關的疾病，隨后研究發(fā)現(xiàn)肺癌、膀胱癌等也與mtDNA的突變有關。

2.2.3 阿茲海默病 阿茲海默病(Alzheimer’s disease, AD)是一種神經(jīng)退行性疾病，65周歲以上的老人是該疾病的高發(fā)人群。在AD發(fā)病初期，線粒體功能發(fā)生紊亂，線粒體的分裂與融合均有所改變。同時溶酶體的功能也有所減弱，導致線粒體自噬水平降低。患者線粒體中多種酶活性降低，活性氧增多，造成氧化應激(氧化還原反應失調(diào))和代謝損傷。β-淀粉樣蛋白與線粒體相互作用導致線粒體損傷被認為是發(fā)病的可能機制： 該蛋白損害葡萄糖等營養(yǎng)物質(zhì)的傳送，使突觸末端線粒體功能失常，是患者認知能力下降的直接原因[5]；此外mtDNA的缺失還導致神經(jīng)細胞中鈣離子穩(wěn)態(tài)被破壞，線粒體攝取多余的鈣離子，最終誘導線粒體凋亡。因此，調(diào)節(jié)鈣離子濃度是治療阿茲海默病的策略之一。

2.2.4 癲癇 線粒體疾病患者中，癲癇的發(fā)生極為普遍。線粒體腦病中，癲癇是當前或晚發(fā)癥狀之一。線粒體疾病典型癥狀之一是血液中堆積乳酸導致酸中毒。乳酸中毒伴卒中樣發(fā)作(MELAS綜合征)是癲癇中的一種，與MELAS綜合征相關的mtDNA點突變超過了20種。此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)肌陣攣性癲癇與破損性紅肌纖維病(MERRF)的發(fā)病個體為mtDNA異質(zhì)性，發(fā)病程度與mtDNA突變量相關聯(lián)[3]。

2.2.5 心力衰竭 心力衰竭是心臟搏出的血液不能夠供給靜脈回流及身體組織代謝需要而導致的疾病，其發(fā)病率及死亡率很高。線粒體功能異常是心力衰竭的病因之一，無論是線粒體DNA突變還是常染色體遺傳導致的線粒體疾病，幾乎都會伴隨心肌病的發(fā)生，而大片段的mtDNA發(fā)生突變或缺失則會導致心臟傳導功能的異常[7]。

2.3 線粒體疾病的治療策略 對于線粒體疾病，目前臨床上一般采用藥物或支持性療法來緩解癥狀，如補充維生素、抗氧化劑，改善營養(yǎng)，治療癲癇發(fā)作，調(diào)節(jié)血乳酸水平等。這些治標的方法在一定程度上可以緩解患者痛苦。

不過，線粒體疾病治療的目的在于恢復線粒體的正常功能，因此基因療法可能是最根本的解決方法，即利用基因工程技術，將正常mtDNA基因移植到病人細胞內(nèi)來取代或者矯正病人的突變基因，達到根治mtDNA疾病的目的。主要的策略有： ①降低突變異質(zhì)性程度。例如，Srivastava等[8]通過向人線粒體輸入專一性限制性內(nèi)切酶來選擇性降解突變mtDNA分子。②替換突變型mtDNA。例如，利用原核轉移技術，將攜帶mtDNA突變的受精卵體外除去胞質(zhì)，然后將細胞核轉移到一個含有野生型mtDNA的無核卵細胞，并將其植入母體子宮。

此外低氧治療可能對線粒體疾病有所幫助，致死性線粒體疾病可在低氧環(huán)境下得到緩解。在患有線粒體疾病的模型小鼠實驗中，低氧條件下的小鼠生存時間比正常條件下的小鼠多6個月以上[9]。原因可能是缺氧環(huán)境在抑制ATP產(chǎn)生的同時，減弱了自由基的產(chǎn)生，是線粒體疾病治療的另一個新方向。

目前對于線粒體疾病的研究日益增多，以線粒體為靶點的藥物分子設計是研究熱點之一。此外，通過促進線粒體自噬來清除受損線粒體，維持正常線粒體數(shù)量，保證線粒體功能的穩(wěn)定也是線粒體疾病治療研究的重要方向。