线粒体DNA对细胞影响

线粒体DNA的损伤及其对细胞的影响

张明帅 生物化学 291305117

摘要： 线粒体DNA(Mitochondrial DNA, mtDNA)是线粒体内具有遗传效应的双股闭环DNA分子，其遗传信息量虽小，却控制着线粒体一切最基本的性质，对细胞及其功能有着重要影响。mtDNA的损伤会导致细胞结构及功能的变化，已越来越引起人们的重视。本文就近年来mtDNA的损伤及其对细胞影响的研究进展作一综述。

关键词：DNA 线粒体 DNA损伤 细胞

线粒体是细胞质中最重要的细胞器之一，作为细胞能量储存和提供的场所，其以氧化磷酸化方式将食物内蕴藏的能量转变为可被机体直接利用的ATP高能磷酸化合物。动物体85%的能量产生于此。线粒体内的线粒体DNA( mitochondrial DNA, mtDNA)是核外惟一具有遗传效应的物质，控制着线粒体一此基本性质，对细胞的结构及功能有着重要影响。mtDNA由于其自身的结构特点及其处于线粒体这个氧化磷酸化活跃的部位，极易受损，从而影响细胞的能量代谢、分裂增生等，并且与细胞的凋亡、恶变等有着密切的关系。

1线粒体DNA的结构特点及其易损性

mtDNA具有自我复制功能并能控制一定的遗传性状，其遗传信息量虽小，却控制着线粒体一此最基本的性质。自Anderson等1981年测定出人mtDNA的全部序列以来，其作为一种结构相对简单而精致的真核生物基因组，引起了人们的极大兴趣。人mtDNA为全长16 596 bp的双股闭环分子，一股为重链(H链)，一股为轻链(L链)，均具有编码功能，其编码2个:RNA,22个tRNA以及13个与氧化磷酸化有关的多肤。mtDNA 非编码控制区( control region)包括H V区( hypervariahle region) , D-loop区及复制转录区，除此外，mtDNA各基因之间很少有非编码碱基的存在。mtDNA的基因结构全部是外显子，不包含内含子。哺乳动物细胞mtDNA仅占整个细胞DNA的0.1%一1%, 1个线粒体中可含有2个~ 10个mtDNA，而整个细胞可含有1 000多个mt DNA。mtDNA可以发生突变，突变后同样有遗传效应。

mtDNA缺乏有效的基因修复系统，而且由于线粒体自身的特点使之极易受损。原因可能有以下儿点：（1） mtDNA几乎不受DNA结合蛋自质(组蛋自)的保护，即是裸露的，易受外界因素损伤；（2）线粒体内脂肪/DNA的比值很高，使具有嗜脂性的致癌物优先在占细胞总DNA量很少的mtDNA上聚集；(3) mtDNA在整个细胞周期中处于不停的合成状态，易受外界因素的干扰，稳定性差；（4）线粒体内氧浓度很高，易产生氧自由基及过氧化氢等活性氧簇，本身又不能合成谷胱甘肽将其有效去除，因此mtDNA易受活性氧损伤，造成核酸片段的丢失、碱基修饰以及插入突变等，尤以核酸片段的丢失最为常见;(5) mtDNA在复制时由于，mtDNA多聚酶的校对性差，以及tRNA基因部位易形成发夹样结构，导致其复制错配频率明显高于核DNA。

mtDNA的损伤因素众多，包括物理因素、化学因素、药物、衰老等，在成年体细胞，最常见的是缺血缺氧引起氧自由基及一氧化氮增多，而ATP生成减少所造成的损伤。在二氯化钴模拟的缺氧模型中mtDNA是氧化损伤的最初目标。缺血缺氧情况下，DNA氧化损伤标志物8－羚基脱氧鸟嘌呤在mtDNA中含量显著增多，mtDNA迅速断裂、缺损，而核DNA则保持相对稳定。

2线粒体DNA损伤对细胞的影响

mtDNA无内含子，所以mtDNA损伤更具有功能性的结果，更容易造成细胞的损害。但相对于核DNA, mtDAN损伤具有一些特殊的遗传特征；(1)由于线粒体存在于细胞中，故mtDNA的遗传方式为母系遗传，因此，发和在生殖细胞中的突变能引起母系家族性疾病，而发生在发育过程中或体细胞组织中的突变则会引起散发的疾病和与年龄相关的氧化磷酸化活性降低。（2）一个细胞中往往有成白上千个线粒体，一个细胞内所有的mtDNA分子都是一致的，为同质性。而当mtDNA突变时，就会导致细胞内同时存在野提高班型和突变型，这两种mtDNA为异质性，此时，细胞分裂与线粒体增殖都导致一种被称作“复制分离”的过程。突变型mtDNA若得到发展，就会改变表型。(3) mtDNA突变的表型与核基因的表达不同，主要由某种组织中野生型与突变型rntDNA的相对比例及该种组织对线粒体ATP产生的依赖程度所决定。突变型mtDNA的数目需达到某种程度才足以引起某器官或组织的功能异常，这称为阈值效应。此外，突变mtDNA在不同组织中的差别表达与这些组织对线粒体供给能量的依赖程度密切相关。中枢神经系统、心脏、骨骼肌、肝脏等对能量依赖程度较高氧化磷酸化功能缺陷往往在这些器官和组织中表现也明显。(4) mtDNA 各基因排列紧密，利用率高，除mtDNA D-loop区.的一小段区域外，其他序列无内含子，且部分区域出现基因的重叠，因此mtDNA的任何突变都会累及基因组中的一个重要功能区域。基于mtDNA基因组的高度限制性以及其在能量代谢中占据的枢纽性地位，病理性的mtDNA突变更为普遍。

(5)mtDNA已确定了多于核氧化磷酸化基因约10倍以上的同义及置换突变，加之mtDNA易受损伤的结构特点导致了高频的基因突变。故氧化磷酸化功能随年龄增长而降低，其与体细胞中mtDNA突变的累积相平行。

mtDNA的损害，可以造成细胞功能的一系列变化，主要表现在以下儿个方而。

2.1 影响呼吸链复合物的活性研究表明，缺血缺氧情况下，mtDNA损伤加重，呼吸链复合物iv和舌性下降显著，可能系它们的大多数亚单位由mtDNA编码所致。mtDNA氧化损伤在人类主要是mtDNA缺失，mtDNA缺失是由4 977个碱基对缺失组成，从人类mtDNA 8 483位到13 459位，由重复序列AＣCTCCTCACCA组成。此缺失区域编码线粒体ATP酶亚单位6，细胞色素氧化酶亚单位3和还原酶尼克酸胺腺嘌呤二核甘酸脱氢酶亚单位3、4L、4、5，此功能区域碱基对缺失易导致呼吸链复合物功能受损,ATP生成减少。

2.2 与细胞凋亡有关 线粒体凋亡是细胞凋亡发生的第一步，而mtDNA作为线粒体内的重要物质，在凋亡过程，中发挥着重要作用。mtDNA的大片段缺失，可增加人类细胞对紫外线导致凋亡的易感性；在游离脂肪酸造成的b细胞凋亡，mtDNA是其敏感损伤目标；它也是石棉等因素导致细胞凋亡的首要靶目标。其主要通过氧化相关机制损害 mtDNA，从而导致细胞凋亡。研究显，细胞内氧自由基

生成增加，有mtDNA的细胞在3~ 4 d内迅速死亡，而无mtDNA的细胞则对氧化作用相对耐受。近年来，有学者发现缺少mtDNA的细胞也能发生凋亡，但其凋亡发生机制及信号传递与存在mtDNA的细胞有明显不同。并且mtDNA损伤所致的细胞氧化磷酸化缺陷能加速细胞凋亡的发生。

2.3 与细胞分裂增生有关 线粒体广泛参与了细胞的各种功能，细胞线粒体丢失、mtDNA的损伤，可影响细胞分裂增殖，导.致细胞死亡及各种疾病。其影响因素考虑有以下几点：（１）影响细胞的能量代谢，造成细胞能量供应不足，从而影响细胞分裂增生。（２）mtDNA突变后，影响线粒体DNA复制和分裂的速度。在细胞有丝分裂时，线粒体DNA也要发生复制、分离的过程，将母细胞的mtDNA复制后分配到两个子细胞。当mtDNA发生突变后，在细胞有丝分裂时，mtDNA的复制和分离速度减慢从而影响到整个细胞的有丝分裂速度，造成细胞分裂增生减慢。(3)影响细胞骨架。细胞骨架主要由肌动蛋白丝，微管和中间丝组成，其参与了细胞增殖、维持细胞形态及细胞间的连接等活动，而中间丝的结构要靠磷酸化及去磷酸化调控。线粒体功能障碍时，要影响细胞的磷酸化及去磷酸化功能，从而影响细胞骨架的正常功能。Rusanen等观察有mtDNA 3 243→Ｇ突变的成肌细胞发现，由于细胞的氧化磷酸化障碍选择性地造成了波形蛋白网络断裂，波形蛋白的极性紊乱，长度变化，在细胞核周围形成较大的束包绕细胞核，细胞数目增长速度明显低于对照组。( 4)线粒体功能受损时，可激活钙/钙调蛋自激酶(alcium/ caLnodulin kinase)，激活cAMP反应体结合蛋自(cAMP-responsive elemeny-binding protein)，从而影响细胞增殖。(5)影响细胞端粒；mtDNA受损时，影响线粒体功能，可造成细胞端粒缩短，从而影响细胞的分裂复制。

2.4 与细胞恶变有关 目前认为肿瘤的生物学特征不仅取决于核内遗传物质，而且与核外的mtDNA也有一定的关系,mtDNA的易受损伤的结构特点决定了其极易受致癌物攻击，是致癌物作用的重要靶点，各种因素所致mtDNA损伤(包括突变、整合和不稳定性等)与细胞的癌变、肿瘤的发生之间可能存在一定的关系。有学者发现, mtDNA D－looploop环不稳定以及线粒体拷贝数的减少，与人类体细胞的癌变有关。在许多肿瘤中亦有线粒体DNA畸变的报到。并且，mtDNA损伤时，还可能增加肿瘤的侵袭性；但也有研究认为 , mtDNA的改变是细胞癌变的一个重要因素，mtDNA拷贝数的改变多出现在细胞癌变的早期，而与肿瘤的转移并无相关性。mtDNA损伤导致肿瘤的可能机制有以下儿个方而。

2.4.1 mtDNA突变和表达异常 mtDNA缺乏内含子，突变大都发生于编码区。mtDNA在各种与之结合高效的内源性损伤因子和外源性致癌物的作用下发生突变，突变的累积增加了肿瘤的发生危险性。已知活性氧簇与ATP的生成和肿瘤的启动、进展有关。正常细胞线粒体可摄取机体90%以上的氧，1%一2%用于转化为活性氧簇超氧化物和过氧化物等；mtDNA的突变可以增加活性氧簇的产生，而活性氧簇的增多又加重了突变效应，从而加剧了活性氧簇超氧化物和过氧化物的氧化损伤作用，影响线粒体基因组的生物发生并激活核基因组。肿瘤细胞mtDNA的转录水平(mRNA)常常增高，而过氧化氢等活性氧簇可以影响mtDNA的表达。

2.4.2 线粒体基因组不稳定 微卫星不稳定(MSI)是核基因组的不稳定性(NGI)中最常见且仅在肿瘤组织中发生的事件。线粒体基因组也可以出现不稳定。活性氧簇的破坏、滑链错配和不平衡交换可能是mtGI产生的主要原因。

2.4.3 mtDNA与核内DNA间的整合作用 在生物的不断进化过程中，适当的线粒体基因组成分对核基因组的插入整合作用对生物进化有意义，并且某些mtDNA插入核DNA，还可修复核DNA的损伤。但不良的插入可能是某此些遗传病、畸形

甚至肿瘤易感性的主要病因之一。在内源性和(或)外源性损伤因子的直接或间接作用下会造成线粒体的肿胀裂解，mtDNA损伤片段产生过多，同时由于胞质中DNA酶活性较正常细胞明显下降，甚至丧失，导致mtDNA的降解失调，使游离于线粒体外的mtDNA片段得以大量产生，获得游离的mtDNA在一定的条件下就可能会具有类似致瘤病毒的作用，穿过核孔，随机整合到核基因组中。假如这种整合抑制了肿瘤抑制基因或激活了癌基因的活性，就可能导致细胞的恶性转化。

3 小节与展望

mtDNA作为核外的遗传物质，控制着线粒体的基本功能，由于其所处的位置及自身结构特点，极易受损，其损伤对细胞的影响，特别是对细胞恶变的影响，正越来越引起重视。mtDNA损伤后是如何进行修复的？同时，因线粒体基因组的复制和转录都接受了细胞核的指导和调控。核DNA与mtDNA的相互关系如何？两者之间相互影响的具体途径怎样？这些问题，都需要进一步研究。

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