线粒体DNA遗传变异与人类环境适应性

郑世珍 李福祥 钱桂生 戢福云

线粒体是真核生物细胞内的重要细胞器，处于新陈代谢和生物能量转换中心地位，在生命活动中发挥着重要作用［1-2］。线粒体通过氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)产生人体用于工作的ATP和维持体温的热量，而线粒体偶联状态则决定着产生ATP和热量的相对水平。线粒体紧密偶联，则ATP能量产生较多;线粒体解偶联，则热量产生较多。伴随着氧化磷酸化，线粒体产生大量细胞活性氧(reactive oxygen species，ROS)，同时，线粒体通过开放线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore，mtPTP)，调节以能量输出及活性氧损伤为基础的细胞凋亡［3］。线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)是细胞内除细胞核 DNA(nuclear DNA，nDNA)外唯一存在的遗传物质。已有研究显示，mtDNA突变不仅与人类leber氏遗传性视神经病、线粒体脑肌病、糖尿病、高血压、心力衰竭、心肌梗塞、视力障碍、神经性耳聋、智力衰退、心理障碍、肾功能不全、肿瘤、肌无力等多种疾病的发生有关，也在人类适应不同气候环境时发挥着重要作用［3-11］。

一、人类mtDNA

人类mtDNA是除核DNA(nuclear DNA，nDNA)外唯一存在于细胞内的遗传物质，属母系遗传。人类mtDNA分子由16，569个碱基组成，呈双链超螺旋闭合环状分子，共含有37个编码基因，分别编码16S rRNA和12S rRNA、22个tRNA和呼吸链中13个多肽(即细胞色素b、细胞色素C氧化酶的3个亚基、ATP酶的2个亚基以及NADH脱氢酶的7个亚基)。其中，mtDNA所编码的13个多肽是电子传递链(electron transport chain，ETC)的重要组成成分。线粒体呼吸链将来源于NADH和H+的电子转移到复合物Ⅰ(NADA脱氢酶)或将琥珀酸盐的电子传递给复合物Ⅱ(琥珀酸脱氢酶)，再依次传递给辅酶Q、复合物Ⅲ、细胞色素C和复合物Ⅳ(细胞色素c氧化酶)，最后传递给1/2个O2生成H2O。与此同时，导致跨膜质子移位形成跨膜质子梯度和/或跨膜电位。线粒体内膜上的ATP合成酶利用跨膜质子梯度能量合成ATP。合成的ATP通过线粒体内膜ADP/ATP载体与细胞质中ADP交换进入细胞质，参与细胞的各种需能过程［12-14］。

内源性活性氧(ROS)是线粒体氧化磷酸化的副产品，其产生途径为:从复合物Ⅰ、Ⅲ直接转移一个电子给O2形成超氧负离子(superoxide anion，);两个 由锰超氧化物歧化酶歧化形成过氧化氢(hydrogen peroxide，H2O2);H2O2失去一个电子而形成羟基(-OH)。

线粒体活性氧会损伤线粒体脂质和蛋白质，并诱发mtDNA发生突变。线粒体也可以通过线粒体通透性转换孔(mtPTP)调节细胞凋亡。当出现过度的Ca++吸收、氧化应激增强或线粒体ΔΨ、ADP、ATP减少时，PTP开放并随之发生ΔP崩溃，凋亡前体蛋白(细胞色素c、caspase-9前体、凋亡诱导因子和核酸内切酶G)从线粒体内膜释放到胞质中，从而降解细胞蛋白和核酸［14］。

二、人类mtDNA遗传变异

mtDNA序列突变率很高，其突变率是nDNA上线粒体基因10倍以上［2-13，15-16］。与nDNA相比，mtDNA在结构和功能上有着自己独特的特点:①mtDNA缺乏组蛋白和DNA结合蛋白的保护，并且，mtDNA与氧化磷酸化场所(线粒体内膜)相距很近，直接暴露于氧化磷酸化过程中产生的活性氧中，易受到自由基的攻击;②mtDNA复制速度很快且催化复制的DNA聚合酶C不具有校读功能，复制错误率高，与nDNA相比其修复机制不完善;③每个细胞中含有数百个线粒体，每个线粒体又含多个DNA分子，因此，细胞中可同时存在正常mtDNA和突变mtDNA，即mtDNA具有异质性;④mtDNA无内含子，mtDNA的突变很容易影响到其基因组内的一些重要功能区域;⑤突变mtDNA是否在组织产生表型效应主要决定于突变mtDNA与正常mtDNA相对比例及该组织的能量消耗程度;⑥线粒体是半自主性细胞器，mtDNA基因的复制、转录和翻译受到nDNA的调控。

mtDNA遗传变异可以归纳为中性、有害性和适应性遗传变异三种类型。①中性变异包括同义碱基替换(synonymous base substitutions，S)和碱基更换(base changes)，后者所编码的氨基酸发生改变或rRNAs、tRNAs序列有所变化，但其功能并未发生改变。这些变异的种内保守指数(interspecific conservation index，CI)通常较低;②有害变异则是指多肽氨基酸发生了非同义突变(non-synonymous mutation，NS)或rRNAs、tRNAs序列发生变化，并显著地减低了其功能。这些突变可经过纯化选择加以消除或导致疾病产生;③适应性变异则是指多肽氨基酸发生改变或rRNAs、tRNAs序列发生变异，这些变异可以改变线粒体进化上保守的功能，并且不能通过纯化选择加以消除。反之，该突变可被扩充为线粒体在适应新环境时所形成的mtDNA进化树上一个区域特异性的旁枝［13］。已有的研究成果表明，人类祖先从热带和亚热带非洲移居至较寒冷的欧洲和西伯利亚时，大约1/4古老的mtDNA遗传变异有助于人类适应新的环境。

三、人类mtDNA及其环境适应性遗传变异

适应性mtDNA遗传变异是在对全球原居民mtDNA序列的研究中首次被发现的。由于mtDNA具有母系遗传的特性，mtDNA遗传变异不能通过重组消除而只能不断沿着呈放射状的母性谱系累积，所以，不同个体之间mtDNA核苷酸数量上的差别与他们从同一个女性祖先分枝的时间是相对应的。

对全球mtDNA序列变异的研究表明，所有的mtDNA变异可以归纳为一个单一模式的mtDNA序列，即单倍型。单倍型序列在公元前150 000年至200 000年的非洲就已经存在［1-2］。以此为起源，4个特异的亚撒哈拉非洲mtDNA单倍型(L0、L1、L2和L3)呈辐射状形成新的相关的单倍型。公元前65 000年，非洲东北部的L3单倍型群体离开非洲而移居至温带的欧亚大陆，从而形成M和N单倍型。而由于亚洲单倍型mtDNA的增多，在西伯利亚的东北部，现仅存3个富集的单倍型A、C和D。公元前20 000年出现白令大陆桥时，单倍型A、C和D横跨白令海峡来到北美洲。大约公元前15 000年，单倍型X也穿过北极圈，可能经由欧洲扎根在北美的北部中心。随后，单倍型B在公元前12 000年到15 000年可能通过航海而绕过北极在北美洲的北部、中部及南部与单倍型A、C、D 会合［1-2，14］。

在分析mtDNA单倍型这一过程中，研究者发现，mtDNA分布存在两个明显的中断，第一个中断出现在大量的非洲群体移居至温带欧亚大陆后所形成的两个谱系M和N之间，第二个中断则出现在当前大量的欧亚群体移居至北极寒冷地区后所剩下的四个单倍型A、C、D和X之间。由于这两个明显的中断都与气候的显著变化相关，因此，可以猜测，某种特定的mtDNA遗传变异能降低线粒体耦联效率，从而增加产热量以帮助人类移居并适应更为寒冷的北方高纬度地区［1-2］。对西伯利亚雅库特人和温带地区人群基础代谢率的观察结果支持了这个猜想，前者的基础代谢率明显高于后者［17］。

计算氨基酸替换突变率(NS/S)则进一步证实了适应性mtDNA变异的存在。通过分析各个不同地区mtDNA多肽基因的NS/S比例发现(包括热带、亚热带非洲群体的单倍型L0、L1、L2和L3，温带欧洲群体单倍型 H、I、J、T、U、UK、V 和 W，北极欧亚单倍型 A、C、D 和 X)，ATP6基因在北极居民、cyt b基因在欧洲居民及COI基因在非洲居民中均发现有错义突变，nDNA基因的突变则表现出与地理区域相关性［2，18］。研究者继续对mtDNA遗传变异的地理区域性分布进行了更深入的研究。对从现有的2565个mtDNA序列演绎出的mtDNA进化图进行分析发现，从热带非洲单倍型L的100%到欧亚大陆M+N单倍型的140%，到寒带N单倍型的180%，进化树内部分枝的错义突变发生频率是逐渐增多的。而且，热带非洲群体的内部分枝上氨基酸变化的种内CI(氨基酸功能发生改变的重要性标志)也较北极群体有所增加。实际上，26．3%的古老内部分枝上的氨基酸置换的CI与22个已知的致病的mtDNA错义突变的平均值相差不超过两个标准差(www．mitomap．org)，大约1/4的古老的错义突变具有重要的功能并在适应性选择中得到富集［1］。

许多最有意义的适应性错义突变都发生在mtDNA进化树分枝碱基上，从而呈辐射状形成一个新的地理区域性分枝［1］。比如，发生在单倍型N中的两个错义突变ATP6(A59T)和ND3(A114T)就是促使单倍型N从非洲群体L3系中分离出来的。这些突变改变了高度保守的氨基酸，可能使非洲群体得以移居欧亚大陆。对于和北极单倍型A、C、D和X相关的适应性突变则可通过其CI以及突变距离单倍型根部的位置来鉴定。例如，研究发现，在单倍型A有两个非常保守、位于根部的氨基酸突变:一个是mtDNA蛋白ND2上的核苷酸突变(4824G)，导致产生错义突变T119A(CI=82．1%);另一个是ATP6上的核苷酸突变(8794T)，导致产生错义突变H90Y(CI=72%)。西伯利亚亚单倍型C2也含有两个保守的位于根部的变异:ND4上碱基发生突变(11969A)，产生错义突变A404T(CI=85%);cyt b上碱基发生突变(15204C)，产生错义突变I153T(CI=85%)。同样，从单倍型N衍出欧洲单倍型T和J。在单倍型T中发现ND2基因在4917(G＞A)发生突变，导致氨基酸发生变化(D150N，CI=90%)。单倍型J又分为两个亚单倍型J1和J2，各自以靠近进化树根部的cyt b基因的一个碱基置换突变命名。单倍型J2是15257位碱基发生突变(15257A)，导致氨基酸发生改变(D171N，CI=95%)，而J1则是14798位碱基发生突变(14798C)，导致氨基酸发生改变(F18L，CI=77%)。在亚单倍型UK、北极单倍型A、C、D和X中也发现了14798C突变。这些研究表明，mtDNA的进化具有趋同性，从而进一步证实线粒体高度保守序列的错义突变在人类对环境适应性方面具有重要的意义。

线粒体作为能量供应细胞器，参与人类重要的生命活动。同时，作为除nDNA外唯一存在的遗传物质，其DNA突变在人类多种疾病的发生和发展，以及人类适应生存环境中发挥着重要作用。深入了解和研究线粒体及其DNA将会为进化学、遗传学、病原学、病理生理学，以及疾病的治疗带来新的视野和途径。

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