线粒体基因的突变

自从1988年发现第1个mtDNA突变以来，目前已发现100多个与疾病相关的点突变、200多种缺失和重排。大约60％的点突变影响tRNA，35％影响多肽链的亚单位，5％影响rRNA。mtDNA基因突变可影响氧化磷酸化（OXPHOS）功能，使ATP合成减少，一旦线粒体不能提供足够的能量可引起细胞发生变性甚至坏死，导致一些组织和器官功能的减退，出现相应的临床表现。

一、突变率

mtDNA突变率比n DNA高10～20倍，其原因有以下几点：①mtDNA中基因排列非常紧凑，任何mtDNA的突变都可能会影响其基因组内的某一重要功能区域。②mtDNA是裸露的分子，不与组蛋白结合，缺乏组蛋白的保护。③mtDNA位于线粒体内膜附近，直接暴露于呼吸链代谢产生的超氧粒子和电子传递产生的羟自由基中，极易受氧化损伤。例如， mtDNA链上的脱氧鸟苷（d G）可转化成羟基脱氧鸟苷（8－OH－d G），导致mtDNA点突变或缺失。④mtDNA复制频率较高，复制时不对称。亲代重链被替换下来后，长时间处于单链状态，直至子代轻链合成，而单链DNA可自发脱氨基，导致点突变。⑤缺乏有效的DNA损伤修复能力。

确定一个mtDNA是否有致病性突变，有以下几个标准：①突变发生于高度保守的序列或发生突变的位点有明显的功能重要性；②该突变可引起呼吸链缺损；③正常人群中未发现该mtDNA突变类型，在来自不同家系但有类似表型的患者中发现相同的突变；④有异质性存在，而且异质性程度与疾病严重程度呈正相关。

二、突变类型

mtDNA突变类型主要包括点突变、大片段重组和mtDNA数量减少。

（一）点突变

点突变发生的位置不同，所产生的效应也不同。已知的由mtDNA突变所引起的疾病中，2／3的点突变发生在与线粒体内蛋白质翻译有关的tRNA或rRNA基因上，使tRNA和rRNA的结构异常，影响mtDNA编码的全部多肽链的翻译过程，导致呼吸链中多种酶合成障碍；点突变发生于mRNA相关的基因上，可导致多肽链合成过程中的错义突变，进而影响氧化磷酸化相关酶的结构及活性，使细胞氧化磷酸化功能下降。

（二）大片段重组

mtDNA的大片段重组包括缺失和重复，以缺失较为常见。大片段的缺失往往涉及多个基因，可导致线粒体氧化磷酸化功能下降，产生的ATP减少，从而影响组织器官的功能。

最常见的缺失是8 483～13 459位碱基之间5.0kb的片段，该缺失约占全部缺失患者的1／3，故称“常见缺失”（common deletion），由于A8、A6、COXⅢ、ND3、ND4L、ND4、ND5及部分tRNA基因的丢失，造成氧化磷酸化中某些多肽不能生成，ATP生成减少，多见于Kearns－Sayre综合征（KSS）、缺血性心脏病等；另一个较为常见的缺失是8 637～16 073位碱基之间7.4kb的片段，两侧有12bp的同向重复序列，丢失了A6、COXⅡ、ND3、ND4L、ND4、ND5、ND6、cytb、部分tRNA和D－环区的序列，多见于与衰老有关的退行性疾病；第3种常见的缺失是第4 389～14 812位碱基之间10.4kb的片段，由于大部分基因丢失，能量代谢受到严重破坏。

引起mtDNA缺失的原因可能是mtDNA分子中同向重复序列的滑动复制或同源重组，典型疾病为KSS、慢性进行性眼外肌瘫痪（CPEO）等。

（三）mtDNA数量减少

mtDNA数量的减少可为常染色体显性或隐性遗传，即提示该病由核基因缺陷所致线粒体功能障碍。

三、突变的修复

过去人们认为线粒体中缺乏DNA修复系统，近年来的研究表明，线粒体有一定的自我修复能力。

mtDNA的修复机制主要有两种。一种为切除修复：核酸内切酶先切除损伤DNA片段，然后DNA聚合酶以未损伤链为模板，复制正确的核苷酸序列以填补形成的空缺。线粒体内存在上述过程所需的几种酶。另一种为转移修复：通过转移酶识别突变核苷酸（如甲基化核苷酸），并将该突变核苷酸清除。线粒体中虽然存在该修复类型所需的某些酶，但种类较少，清除突变碱基的能力远低于n DNA，而且在分裂旺盛的组织中有酶活性，在分裂终末组织（如脑组织）中则无酶活性。