线粒体是真核细胞中的一种细胞器，直径范围为0.5～10μm。线粒体能产生供应细胞作为化学能量的绝大多数三磷酸腺苷（ATP），因此，有细胞“动力工厂”之称 ^［1-2］。除了提供细胞能量，线粒体还参与了一系列其他细胞功能，如信号转导、细胞分化、细胞凋亡以及细胞周期和细胞生长的调控 ^［3］。线粒体同时也是细胞内产生自由基的主要场所。线粒体功能缺陷与多种人类疾病相关 ^［4］，如母系遗传性疾病［如母系遗传性聋病、Leber遗传性视神经病变（LHON）和其他神经肌肉疾病等］和复杂性疾病（如癌症、帕金森病、糖尿病、高血压等）。

线粒体遗传学研究始于20世纪50年代，我国遗传学家陈士怡教授发现酵母小菌落现象，而这种小菌落是由细胞质遗传引起的 ^［5］。20世纪60年代Schatz等在酵母和人类线粒体中发现了DNA，进一步发现酵母小菌落是由于线粒体DNA缺失（mtDNA）所致 ^［6］。1980年有研究者首次报道了人类mtDNA母系遗传现象 ^［7］。1981年英国Sanger研究小组完成了人类线粒体基因组的测序 ^［8］。同年，美国Attardi研究小组阐释了人类线粒体转录和翻译机制 ^［9］。1988年Wallace通过对mtDNA突变与LHON之间关系的研究 ^［10］，首次提出mtDNA突变可引起人类的疾病。这一系列的研究成果都为线粒体研究的深入开展奠定了坚实的基础，也开创了线粒体生物医学研究的一个崭新的时代。

线粒体自身带有遗传物质DNA，即mtDNA，为环状结构。

1963年Nass发现mtDNA后，人们又在线粒体内相继发现了信使 RNA（mRNA）、转运 RNA（tRNA）、核糖体RNA（rRNA）及DNA聚合酶、RNA聚合酶、核糖体和氨基酸活化酶等DNA复制、转录和蛋白质翻译所需的分子，说明线粒体具有独立的遗传体系。

线粒体与原核生物有许多共同的特点。内共生假说认为线粒体来源于被原始的前真核生物吞噬的好氧性细菌，这种细菌和前真核生物共生，在长期的共生过程中演化成了线粒体。线粒体单一的环状染色体含有多个拷贝的DNA，同时线粒体拥有独立的DNA、RNA及蛋白合成系统。线粒体本身只保留了少量基因，如在人类mtDNA中只保留了编码线粒体蛋白合成所需要的12S和16S的rRNA、22种tRNA基因和组成线粒体氧化磷酸化复合体所需的13种多肽。而线粒体中的其他1 500余个蛋白是由分散在染色体中的核DNA编码，这些基因编码的线粒体蛋白在细胞质核糖体中合成，通过线粒体蛋白转入系统有选择地运输到线粒体内 ^［11］。

线粒体具有自身的基因组，基因排列非常紧凑，基因之间没有间隔，无内含子序列。mtDNA为环状双链DNA分子，一条是富含G的重链（H链，外环），另一条是富含C的轻链（L链，内环）。mtDNA长度为16 569bp，编码37个基因，包括编码氧化磷酸化呼吸链复合体必需的13个多肽，编码线粒体蛋白质合成所需的22个tRNA基因和2个编码rRNA（ 12S rRNA、 16S rRNA）的基因 ^［3］（图1-7-1）。

线粒体基因组包含13个编码蛋白质的基因，包括细胞色素b基因（ Cytb）、细胞色素氧化酶3个亚基基因（ COXⅠ、 COXⅡ和 COXⅢ）、NADH氧化还原酶7个亚基基因（ ND1、 ND2、 ND3、 ND4、 ND4L、 ND5和 ND6）和ATP酶2个亚基基因（ ATPase6和 ATPase8），这些都是线粒体内膜呼吸链的组成成分 ^［3，12］。

线粒体基因组包含22个编码tRNA的基因，其中 tRNA- Glu、 A1a、 Asn、 Cys、 Tyr、 Ser（ UCN）、 Gln 和 Pro 由 H链编码； tRNA- Phe、 Val、 Leu（ UUR）、 Leu（ CUN）、 Ile、 Met、 Ser（ AGY）、 Trp、 Asp、 Lys、 Gly、 Arg、 His和 Thr则由 L 链编码。H链编码的tRNA基因散布于蛋白质基因和rRNA基因之间，相邻基因间隔1～30个碱基或紧密相连，也可发生重叠 ^［13-16］。

线粒体的1 2S rRNA和 16S rRNA基因位于H链的 tRNA ^Phe和 tRNA ^{Leu （ UUR ）}基因之间，以 tRNA ^Val基因为间隔。rRNA基因的二级结构很保守，形成多个大小不一的茎环结构。环的核苷酸代替率高于茎，并且C＞T转换是一种常见的形式 ^［17-20］。

线粒体基因组中主要存在两段非编码区，一段为控制区（control region），又称D环区，另一段是L链复制起始区。D环区位于 tRNA ^Pro和 tRNA ^Phe基因之间，是整个线粒体基因组序列和长度变异最大的区。L链复制起始区长30～50bp，位于 tRNA ^Asn和 tRNA ^Cys基因之间，该段可折叠成茎环结构。非编码区包含有H链复制起始区OH保守序列节段（conserved sequence blocks：CSBⅠ、CSBⅡ、CSB Ⅲ），L链启动子（ISP），H 链启动子（HSP）以及终止结合序列（TAS） ^［21-23］。

两栖类和哺乳类mtDNA中HSP的转录起始位点位于 tRNA ^Phe基因上游35nt处，这一段间隔区中存在一个潜在的开放阅读框（ORF），编码一个含26个氨基酸的多肽，相应的RNA长155nt，包含起始密码子ATG和一个线粒体通用的终止密码子。在人的Hela细胞线粒体中也发现了相似的RNA（ 7SRNA），也含有一个线粒体通用的终止密码子及polyA尾，是Hela细胞中含有polyA尾最多的线粒体RNA（mtRNA），其间也有一个潜在的ORF，编码23或24个氨基酸的多肽。

mtDNA中的密码子与核基因密码子有某些差异 ^［24-26］。主要有如下特征：

（1）AUA成为起始密码子，而不是通用的Ile密码子。

（2）UGA编码Trp密码子，而不是终止密码子。

（3）AGA，AGG编码终止密码子，而不是Arg密码子。

（4）tRNA兼用性较强，仅用22个tRNA来识别多达48个密码子。

mtDNA突变主要包括基因的碱基突变以及插入、缺失和拷贝数变异。

mtDNA碱基突变包括错义突变和蛋白质生物合成基因突变。①错义突变又称氨基酸替换突变，发生于mRNA相关的基因上，主要与脑脊髓性及神经性疾病有关，如LHON和神经肌病；②蛋白质生物合成基因突变分为tRNA或rRNA基因突变，这类突变所致疾病较错义突变所致疾病表现出更具系统性的临床特征，并与线粒体肌病相关，典型疾病包括线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作（MELAS）、肌阵挛性癫痫伴破碎红纤维（MERRF）、母系遗传的肌病及心肌病。

mtDNA缺失发生的原因往往是由于mtDNA的异常重组或在复制过程中异常滑动所致，mtDNA缺失突变主要引起绝大多数眼肌病，即卡恩斯-塞尔综合征（KSS），这类疾病多为散发而无家族史。而插入突变在mtDNA中则较为少见。

拷贝数变异通常为mtDNA拷贝数大大低于正常，分为常染色体显性或隐性遗传，提示该病是由核基因缺陷所致线粒体功能障碍。这种突变较少，仅见于一些致死性婴儿呼吸障碍、乳酸中毒或肝、肾衰竭的病例。

线粒体的遗传方式属于母系遗传（maternal inheritance） ^［7，27］（图1-7-2）。而且还具有mtDNA半自主复制、阈值效应、遗传瓶颈效应和mtDNA突变发生率高等特性。

由于有性生殖中受精方式的限制，在精卵结合时，卵母细胞拥有40万～50万拷贝的mtDNA分子，而精子中只有数百拷贝的mtDNA。受精时mtDNA进入受精卵后被卵母细胞的核酸酶消化，因此，受精卵中的mtDNA几乎全都来自于卵子，来源于精子的mtDNA对表型无明显作用，这种双亲信息的不等量传递决定了线粒体遗传病的传递方式不符合孟德尔遗传，而是表现为母系遗传。因此，如果具有相同临床症状的家族成员都是从女性传递下来的，就有可能是由mtDNA突变造成的 ^［7，27］。

核基因调控mtDNA的复制，mtDNA的复制与细胞的类型和细胞的实时代谢需求有关。mtDNA聚合酶在mtDNA复制中起作用。mtDNA重链和轻链有不同的复制起点。一条链首先开始，然后是另一条链。复制方向相反，最后产生两个新的mtDNA分子。每一个线粒体有多份DNA拷贝。mtDNA分子的数量是限制线粒体分裂的一个因素，当线粒体内有足够的mtDNA、膜面积和膜蛋白时，便分裂为2个新的线粒体，类似于细菌的二分裂模式。线粒体不但可以彼此融合，而且还可以互相交换遗传物质。

人类mtDNA有三个启动序列，分别是H1、H2和L。H1启动2个rRNA的转录，H2启动除2个rRNA外的整个重链的转录，L启动整个轻链的转录。重链的转录会伴随着一个多顺反转录物的产生，轻链则可以转录产生一个可作为引物的小片段转录物或者一个长片段转录物。当mtRNA酶存在时，轻链转录产生一个可作为引物的小片段转录物。全长的转录物然后被分割成有功能的tRNA、rRNA和mRNA分子。转录的发生涉及三种蛋白：线粒体RNA聚合酶（POLRMT），线粒体转录因子A（TFAM）和线粒体转录因子B1、B2（TFB1M、TFB2M）。这三种蛋白的结合开启了转录过程。转录发生的具体过程仍不清楚。但这三种蛋白和转录的发生存在着必然的联系。

卵母细胞中大约有10万个线粒体，当卵母细胞成熟后，线粒体的数目会减少，可能少于10个，但不会超过100个，这个过程被称之为遗传瓶颈效应。由于线粒体是随机分布的，因此，如果通过遗传瓶颈携带某种突变的一个线粒体被保留下来，细胞分裂时，突变型和野生型mtDNA发生分离，随机地分配到子细胞中，使子细胞拥有不同比例的突变型mtDNA分子，这种随机分配导致mtDNA异质性变化的过程称为复制分离。在连续的分裂过程中，异质性细胞中突变型mtDNA和野生型mtDNA的比例会发生改变，向同质性的方向发展。在分裂不旺盛的细胞中突变mtDNA具有复制优势（如肌细胞），经过逐渐的积累，形成只有突变型mtDNA的同质性细胞，最终影响组织的功能。

在正常人的细胞中，所有的mtDNA都来源于母亲的卵细胞，若每个细胞内的所有mtDNA都相同，全部突变或者全部正常，称之为同质性（homoplasmy）。而在同一细胞里的mtDNA同时存在野生型mtDNA和突变型 mtDNA，称之为异质性（heteroplasmy） ^［28］。在异质性细胞中，异质性细胞的表型依赖于细胞内突变型和野生型mtDNA的相对比例，能引起特定组织器官功能障碍的突变mtDNA的最少数量称阈值 ^［29］。在含有大量突变型mtDNA的组织细胞中，mtDNA的供能不足以维持基本的细胞功能，就会出现异常性状，即线粒体疾病。而出现异常性状表型的阈值就是线粒体的阈值效应。阈值效应和细胞及组织的能量需求度密切相关 ^［30-31］。因此，高能耗组织更容易受线粒体影响。

研究表明，mtDNA突变率明显高于核DNA，为10～20倍 ^［4］。mtDNA高突变率可归结为以下5个方面：

（1）mtDNA处于高超氧化物的环境下，mtDNA更易受到损伤。

（2）线粒体中的mtDNA损伤后，修复能力非常有限。由于缺乏有效的像核DNA所具有的多种DNA修复机制，mtDNA发生损伤后，突变难以修复。

（3）mtDNA复制频率较高，复制时不对称。亲代H链被替换下来后，长时间处于单链状态，直至子代L链合成，而单链DNA可自发脱氨基，导致点突变。

（4）由于线粒体中的mtDNA缺乏组蛋白保护而呈现裸露的闭合双环状结构，使其更易被损伤。

（5）mtDNA中基因排列非常紧凑，任何mtDNA的突变都可能会影响到其基因组内的某一重要功能区域。

确定一个mtDNA是否为致病性突变，应遵循以下4个评判标准：

（1）突变发生在高度保守的序列或发生突变的位点有明显的功能改变。

（2）突变可引起氧化磷酸化功能障碍。

（3）正常人群没有发现该mtDNA突变，但是在不同家系中发现类似表型的患者中发现相同的突变。

（4）存在异质性，而且异质性程度与疾病的严重程度呈现正相关。

线粒体疾病是由于线粒体呼吸链功能失调导致的一组异质性疾病。这些疾病可由核基因或mtDNA突变引起。由核基因突变导致的线粒体病，如常染色体显性视神经萎缩（ADOA）主要是核基因 OPA1突变引起的；由mtDNA突变导致线粒体病，如仅累及单个器官（如LHON仅累及眼部），但常见线粒体病累及多个器官系统，并且多表现出神经和肌肉的病变，如卡恩斯-塞尔综合征（KSS）、慢性进行性眼外肌瘫痪（CPEO）、线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作（MELAS）、肌阵挛性癫痫伴破碎红纤维（MERRF）、神经衰弱伴共济失调和色素性视网膜炎（NARP）或亚急性坏死性脑脊髓病。然而，线粒体疾病患者的临床表现仍存在巨大的差异性，许多个体并不完全符合某一种特定疾病类别。线粒体疾病常见的临床症状有上睑下垂、眼外肌瘫痪、上下肢近端肌肉病变和运动失调、心肌病、感音神经性聋、视神经萎缩、色素性视网膜病变和糖尿病。中枢神经系统症状常表现为脑病、癫痫、痴呆、偏头痛、卒中样发作、共济失调和痉挛。这些临床缺陷的形成与严重程度依赖于多种因素，如胚胎发育早期线粒体突变基因组的复制分离程度、突变的线粒体基因在某一特定组织中存在的数量以及在临床上出现异常之前组织中突变的mtDNA达到的阈值水平等。

人类对线粒体疾病的初步认识始于1959年，Luft发现第一例女性患者由于肌细胞线粒体异常导致失去呼吸控制（respiratoty control） ^［32］。 直到1988年 Wallace 等通过对mtDNA突变和LHON之间关系的研究 ^［10］，发现LHON是mtDNA 11 778位G突变为A的线粒体疾病后，才真正明确提出线粒体疾病这一概念。

目前发现了大量与人类线粒体疾病相关的mtDNA突变位点。近几年来又发现大量核基因编码线粒体蛋白的突变和线粒体缺陷与神经退行性疾病、衰老和肿瘤相关。而线粒体遗传变异（由mtDNA和/或 nDNA）导致氧化磷酸化功能的缺陷是引起神经肌肉疾病；导致记忆、视力、听力丧失和体力下降；造成心血管病、糖尿病、肠胃病、酒精中毒症、神经退行性疾病如阿尔茨海默病、帕金森病，以及肿瘤等多种疾病的重要病因。

随着线粒体研究的深入，相继提出了“线粒体医学”的概念和“衰老的线粒体理论”“线粒体疾病”“线粒体和细胞死亡”，以及“衰老的线粒体自由基理论”等线粒体相关理论。

很多人体重要的生化过程都在线粒体中进行，包括三羧酸循环、β-氧化和部分尿素合成过程。20世纪70年代，随着生化分析手段在临床实践中的应用，人们对线粒体相关疾病也进行了分类，具体分为底物转换与利用的缺陷、三羧酸循环系统没活力改变、电子传递链中断和氧化磷酸化失偶联等几类疾病。另外，线粒体疾病有着特征性的表现。第一，遗传方式复杂。构成氧化磷酸化的蛋白质组分，是由核DNA和mtDNA共同参与编码的，因此，缺陷基因的遗传方式可以是常染色体隐性或显性遗传，也可以是非孟德尔式的母系遗传。第二，疾病的表现非常复杂。常有多个系统、器官被涉及，而且，相同的突变在同一个家族中不同的个体，可有不同的临床表现。第三，环境因素和遗传背景在疾病的发生发展与表现上有着复杂的影响。

氨基糖苷类药物性耳聋是指由于使用氨基糖苷类抗生素（AmAn）而导致的耳聋。AmAn因其广谱高效的抗菌作用以及低廉的价格在临床上被广泛用于控制革兰氏阴性和阳性菌感染，但此类抗生素可导致不可逆转的听力损失。对常规量AmAn易感的耳聋可能具有母系遗传的倾向，这些易感个体具有线粒体 12S rRNA基因 m.1555A＞G 突变和m.1494C＞T 突变 ^［33-34］。管敏鑫教授团队通过对中国汉族聋病人群进行系统的临床评估和分子遗传学研究，以AmAn作用的靶基因（线粒体 12S rRNA）为突破点，在国际上首次全面系统地阐述了药物性耳聋致病的分子机制（图1-7-3）。通过对所收集的非综合征型聋病患者线粒体 12S rRNA基因突变的筛查，绘制了我国汉族人群药物性耳聋患者线粒体 12S rRNA基因突变频谱 ^［35］。而且在国际上首次发现11个与药物性耳聋相关的新突变和10个继发性突变位点 ^［36-46］。通过细胞与生化功能研究，首次阐述了线粒体遗传背景（线粒体单体型和继发性突变）和核修饰基因对m.1555A＞G突变相关耳聋表型表达的修饰作用，并首次提出药物性耳聋增强子理论和在国际上首次确定第一个耳聋核修饰基因 TRMU/MTO2 ^［47-49］。

药物性耳聋患者可分为两类：一类因接受了毒性剂量的AmAn而致聋，这类患者多无遗传背景；另一类是接受了常规剂量的AmAn而致聋，这类患者有遗传家族史。位于线粒体 12S rRNA高度保守的解码区的同质性的m.1555A＞G和m.1494C＞T突变导致很多患者的氨基糖苷类抗生素耳聋。m.1555A＞G突变和m.1494C＞T突变会在 12S rRNA的高度保守的A位形成新的1494C-G1555 或 1494U-A1555 碱基对（图1-7-4）。这些改变使得 12S rRNA在二级结构上与细菌的 16S rRNA的相应区域的二级结构更加相似，因此，由于m.1494C＞T和m.1555A＞G突变在 12S rRNA形成U-A和G-C配对使得AmAn的结合更加容易，这就是为何携带这些突变的人在接触了AmAn时会出现或加重耳聋的原因。携带m.1494C＞T和m.1555A＞G突变的细胞的生化特征是线粒体蛋白合成异常，进而细胞呼吸功能出现异常，细胞内外离子浓度失衡，最终导致毛细胞变性死亡。

主要表现为双耳对称性高频听力损害。

临床上线粒体 12S rRNA的m.1555A＞G和m.1494C＞T突变可以检测AmAn高敏个体，携带该突变的个体本人及其母系亲属均为高危人群。

针对AmAn高危人群，首先采取易感基因检测，指导临床医生优化给药方案，提高AmAn在人群中应用的安全性。AmAn所致听力损害一旦发生，很难恢复。听力改善主要依靠佩戴合适的助听器，重度耳聋患者可以考虑人工耳蜗移植。

遗传性视神经病变是指任何疾病引起视网膜节细胞（RGC）及其轴突发生退行性变，表现为视神经纤维的变性和消失，传导功能障碍，出现视野改变、视力减退及至丧失。ADOA和LHON是最常见的两种视神经病变，常见青少年发病，危害严重，这两种病均与RGC损伤有关 ^［50-51］。其中，50%～60% 的 ADOA 患者是由于携带编码线粒体蛋白的 OPA1基因突变所致，而LHON是由mtDNA突变引起 ^［52］。因此，线粒体功能障碍在RGC损伤和视神经萎缩中起重要作用。

mtDNA突变是LHON发病的分子基础。自1988年Wallace等发现LHON家族中mtDNA ND4 m.11778G＞A突变以来 ^［10］，目前已发现50多个与LHON相关的mtDNA突变位点，这些突变位点分为原发突变和继发突变。原发突变，如 ND4 m.11778G＞A突变，是LHON发病过程中必需的，仅发生在LHON家族中，此类突变往往造成显著的线粒体功能缺陷 ^{［10，53-54］}。继发突变，如 tRNAMet m.4435A＞G，往往与原发突变协同作用而影响LHON的发病 ^［55］，这类突变在LHON家族中存在，但也在正常人群中低于LHON患者的频率出现。

已经报道10个LHON相关的原发突变，位于编码线粒体呼吸链复合体Ⅰ亚基的基因，其中三个原发位点 ND4 m.11778G＞A， ND1 m.3460G＞A 和 ND6 m.14484T＞C突变占95%以上 ^［4，10］。这些突变导致进化上高度或中度保守的氨基酸发生改变，使编码蛋白质空间结构和功能稳定性发生改变，从而造成线粒体功能障碍和ATP代谢功能障碍，最终造成视网膜神经节细胞退行性变导致视力损伤。

在欧美人群中，m.4216T＞C，m.4917A＞G，m.9804G＞A，m.13708G＞A，m.15257G＞A，m.15812G＞A，m.7444G＞A 等继发突变与LHON发病具有明显的相关性，而且往往与原发突变或者其他继发突变共同作用影响LHON的外显率和表现度 ^［56-57］。 ND1 m.3394T＞C，m.3635G＞A，m.3866T＞C， ND4 m.11696G＞A， ND5 m.12811T＞C， ND6 m.14502T＞C， tRNA ^Met m.4435A＞G， tRNA ^Glu m.14693A＞G， tRNA ^Thr m.15951A＞G等为中国人群中LHON相关的线粒体突变位点 ^{［55，58-66］}。其中， tRNA ^Met m.4435A＞G 和 tRNA ^Thr m.15951A＞G已被引用到在线人类孟德尔遗传（OMIM）数据库，作为阐述LHON发病机制的重要证据，同时被世界上最权威的线粒体研究数据库MITOMAP命名为“LHONmodulator”（LHON 调控子） ^［4］。

LHON的男性多发、不完全外显和家系内或家系间不同成员表现度的差异，表明其他因素，包括核修饰基因（X连锁易感基因和其他核修饰基因）、线粒体继发突变和单体型、表观遗传因素以及环境因素（吸烟、饮酒、药物的使用、饮食习惯以及毒物接触等）等在LHON的发生发展过程中起到修饰作用 ^{［60，67］}。管敏鑫教授团队利用外显子组测序的方法在中国LHON遗传家系中（携带m.11778G＞A突变）成功鉴定了第一个核修饰基因 YARS2（酪氨酰-tRNA合成酶2），初步阐明了 YARS2突变和m.11778G＞A协同作用导致LHON表型表达的机制 ^［68］。线粒体蛋白YARS2编码一类氨酰tRNA合成酶（AARS），负责把酪氨酸正确连接到tRNA上供线粒体蛋白质的合成。在5个LHON家系中发现同时携带 YARS2 c.572G＞T纯合突变和m.11778G＞A突变的母系成员发病，而携带 YARS2 c.572G＞T杂合突变和m.11778G＞A突变的其他母系成员视力正常。通过对源自患者的永生淋巴细胞株进行功能分析，发现 YARS2 c.572G＞T突变导致蛋白表达的减少，tRNA代谢障碍（包括降低氨酰化水平、tRNA稳定性），加重与m.11778G＞A突变相关的复合体Ⅰ和Ⅳ的活力损失，使线粒体功能障碍达到导致LHON发病的阈值，从而产生临床症状 ^［68］。因此，在这些家系中核修饰基因 YARS2和线粒体基因突变的协同作用是LHON发病的重要原因，这丰富了LHON的分子致病机制，为早期诊断、干预和防治提供了新的理论依据。

常染色体显性视神经萎缩（ADOA）［OMIM 165500］是一种由于视神经纤维退行性变所致的视神经萎缩，呈常染色体显性遗传，主要累及形成视神经的视网膜神经节细胞及其轴突 ^［69-70］。发病率为1/35 000～1/12 000。ADOA表现为双眼隐匿性进行性视力下降，常在儿童期发病（平均发病年龄为6～10岁）。家系内和家系间患者的发病进程有显著差异，50%～75%的患者随着年龄的增长视力逐渐下降。

OPA1基因是ADOA的主要致病基因，定位于3q28-q29，50%～60%的ADOA患者携带 OPA1基因突变 ^［71］。到目前为止，已报道354个 OPA1基因变异，包含84个错义突变（24%），48个平截突变（13%），55个移码突变（15%），28个缺失 /插入突变（8%），2个重复（1%），88个未知突变（25%），49个无义突变（14%）。其中，ADOA相关的致病性突变300多个，基础域（16个，占5.4%），GTP酶区（118个，占40%），中央动力区（86个，占29%），GTP酶效应区（25个，占8.4%）和非特异性结构域（51个，17%），因此GTP酶区和中央动力区为 OPA1基因突变热点区。而外显子8、9、12和27的突变频数较高，为 OPA1基因突变热点区 ^［71-74］。

遗传异质性研究表明 OPA4（18q12.2-q12.3）， OPA5（22q12.1-q13.1）和 OPA8（16q21-q22）与 ADOA 有关 ^［75-77］。 OPA3（19q13-q13.3）， OPA6（8q）和 OPA7（11q14.1）与常染色体隐性视神经萎缩密切相关 ^［78-79］。 OPA2（Xp11.4-p11.21）为X连锁视神经萎缩相关基因 ^［80］（表1-7-1）。

所有的患者在发病前均呈健康而无明显症状。大多数患者在青年时期发病，男性多于女性。因致病突变不同，男女比例有所不同，病理过程可分为两期：

患者发病后早期症状表现为视力模糊，视力急剧下降和视物颜色改变，约半数的患者双眼可同时发病。若单眼发病，则另一只眼也常在半年内发病。眼外部检查可见盲区扩大。80%的患者视力持续下降至眼前数指。急性期后期，中心视力可逐渐改善。改善的程度与致病突变有关，m.14484T＞C致病突变引起的LHON，中心视力改善可较显著。急性期后，患者逐渐进入视神经萎缩期。

与其他原因所致的视神经萎缩非常相似，以致无法区别，视力也随着视神经的萎缩而下降，最终视力完全丧失而不能再恢复。部分患者可有残留视力并停止恶化。眼底检查可见视神经盘苍白、凹陷、边缘不清或扩大。

ADOA表现为双眼隐匿性进行性视力下降，常在儿童期发病（平均发病年龄为6～10岁） ^［51］。家系内和家系间患者的发病进程有显著差异，50%～75%的患者随着年龄的增长视力会逐渐下降 ^［52］。视力损伤是不可逆的，常表现为2级视力损伤，也有1级或3级视力损伤，视力由6/6到手动，平均视力为6/60～6/18 ^［69］。眼底检查呈双眼对称性颞侧视神经盘苍白，提示RGC纤维进入视神经前减少 ^［70］。Barboni等 ^［81］报道， OPA1 突变携带者视神经盘明显小于对照，神经视网膜边缘变形，视神经盘萎缩。而杯盘比大于0.5的视神经盘形态学改变在ADOA中也有报道 ^［82］。光学相干断层成像测量视神经纤维层厚度，呈双眼视神经盘周围对称性变薄，颞侧1/4尤为明显 ^［83-85］。由于乳头黄斑束的原发性受累，表现为盲中心暗点，少数患者表现为中心或旁中心暗点，而周边视野正常 ^{［52，82］}。ADOA患者蓝黄轴颜色混淆，表现为蓝色盲，是ADOA的重要特征 ^［86］。患者一般不会出现瞳孔传入障碍，瞳孔对光反射未见异常 ^［87-88］。

相对性中心暗点、绝对性中心暗点、周边视野缩窄、双颞侧偏盲表现。

视力≥0.1者：图形视觉诱发电位检查显示，P100波潜伏期延迟及振幅下降或无波形；视力＜0.1者：闪光视觉诱发电位检查显示，P100波潜伏期延迟及振幅下降或无波形。

神经纤维层有局部病变，黄斑中心凹处视网膜神经上皮层无明显改变。

视神经杯盘比未见改变，注意与青光眼做鉴别诊断。

主要检测线粒体复合物活力，复合物Ⅰ活力可见下降，但此项检查因需肌肉活检故不常用。

基因检测是本病的黄金诊断标准。根据中国人群LHON的线粒体突变频谱筛查三个原发突变（包括 ND1 m.3460G＞A、 ND4 m.11778G＞A、 ND6 m.14484T＞C）以及其他继发突变（包括 ND1 m.3394T＞C、m.3635G＞A、m.3866T＞C、 ND4 m.11696G＞A、 ND6 m.14502T＞C、 tRNA ^Met m.4435A＞G、 tRNA ^Glu m.14693A＞G、 tRNA ^Thr m.15951A＞G等）。因其他突变致病的患者可做mtDNA测序以期检测少见突变，但因mtDNA多态性存在，测序结果很难与LHON的临床表现做相关解释。因此，mtDNA全测序和继发突变的检测目前并不作为LHON临床常规检测项目。

遗传性视神经病变的治疗方法很局限 ^［89］。根据患者的需求，为其提供辅助设施（如低视力教具等），积极治疗其他疾病（如糖尿病和癫痫），并警惕新的并发症（如心肌病和神经性耳聋）。建议患者戒烟、戒酒，避免与有毒物质接触（如一氧化碳，亚硝酸物等），注意缓解生活中的压力 ^［90-91］。

复合维生素、琥珀酸盐、辅酶Q10（CoQ10）及其衍生物等，用于恢复急性期患者视神经盘血液循环，对视力恢复起辅助作用 ^［92］。CoQ10在临床上比较常用，原发性CoQ10缺陷患者具有明显疗效。Huang等 ^［93］报道CoQ10使得携带m.11778G＞A的患者的视力明显改善，另有报道CoQ10除了具有抗氧化作用外还能增强线粒体内膜电子传递 ^［94］。

基因治疗是指将外源正常基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入人体靶细胞，以矫正或弥补基因的缺陷，或者外源基因制造的产物发挥治疗作用，最终达到治疗疾病目的。

自然状态下细胞内大多数基因表达都有组织特异性和诱导表达性，人为操纵外源基因的导入和表达称为异位表达（ectopic expression）。用腺病毒载体将目的基因转染至细胞核进行异位表达，蛋白产物需线粒体靶向序列运送至线粒体 ^［94］。艾地苯醌（idebenone）是一种 CoQ10的类似物，目前被广泛用于治疗LHON、ADOA等线粒体疾病。艾地苯醌能在低氧条件下起作用，并被认为具有抗氧化特性，通过呼吸链复合体增加ATP的产生 ^［95］。对16个线粒体细胞病患者进行随机双盲交叉性研究，CoQ10可使血浆乳酸和氧化应激标记物水平降低 ^［96］。Mashima等 ^［97］研究发现艾地苯醌联合维生素B ₂和维生素C可加速LHON患者的视力恢复。Floreani等 ^［98］对含LHON相关原发突变的胞质杂合体的生化特征进行研究，认为抗氧化剂（谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶）对细胞有保护作用。有研究报道外源性谷胱甘肽是一种有效的外源性抗氧化物，可望成为治疗LHON的一种新型药物 ^［99］。溴莫尼定（brimonidine）是一种α ₂受体激动剂，具有神经保护功能，对缺血视神经模型的研究表明，溴莫尼定具有抗凋亡作用，可减轻RGC的损伤，常被用于青光眼的治疗 ^［100］。视神经病变模型的研究表明：美金刚、丙戊酸和前列腺素等均具有RGC保护作用 ^{［101-102］}。

超氧化物歧化酶2基因导入携带同质性m.11778G＞A突变的细胞后，超氧化物歧化酶表达量增加，活性氧损伤减轻，有效抑制细胞凋亡，对RGC具有保护作用，从而阻止视力下降 ^［103］。Guy等 ^［104］应用腺病毒将人工合成的野生型 ND4基因导入含 m.11778G＞A突变的胞质杂合体内，结果显示复合物Ⅰ酶活力增强，ATP产量增加，细胞的存活率提高。但是，由于线粒体膜蛋白具有较强的疏水性使异位表达方法的应用受到限制，即在细胞核内表达的mtDNA蛋白不能准确定位并进入线粒体发挥作用 ^［105］。Bonnet等利用靶定在线粒体膜表面上的mRNA对异位表达进行了优化，取携带m.11778G＞A或m.3460G＞A LHON患者的皮肤成纤维细胞进行培养，这些细胞复合物Ⅰ酶活力均显著降低；然而利用优化的异位表达方法可以修复细胞在半乳糖培养基中的存活能力，增加ATP的合成率，提高复合物Ⅰ的活性 ^［106］。以上所述的异位表达都是在细胞水平上进行的，而在临床应用之前必须有动物模型的验证。Ellouze等在线粒体功能缺陷的大鼠模型上，电转野生型 Nd4基因，转染基因可整合到核基因，并能够稳定表达，大鼠视功能恢复 ^{［107-108］}。目前基因治疗仅基于动物模型的研究，应用于临床尚需进一步的研究。

到目前为止，LHON相关mtDNA突变携带者是否发病，何时发病尚不能预测。年龄和性别是LHON患者视力损伤的两个主要影响因素，男性存在约50%的发病风险，而女性的发病风险只有10%。以往的研究表明：多数患者在10～20岁之间发病，随着年龄的增长，发病风险逐渐下降，50岁后的发病率很低。LHON呈母系遗传，男性携带者的后代将不携带此突变，而女性携带者将致病性mtDNA突变传给子代。而异质性突变的传递则相对比较复杂，母亲传给子代突变mtDNA的水平影响其发病风险。当血液中mtDNA突变阈值达到60%时，可能出现表型。

而对未发病异质性突变携带者的遗传咨询和产前诊断均比较困难。ADOA的遗传方式是常染色体显性遗传，携带 OPA1基因突变的患者有50%的概率将致病性突变传给下一代。携带突变的子代43%～100%表现出ADOA症状 ^［109］。若母亲携带已知ADOA突变，可以通过产前诊断来确定妊娠风险。

线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作（MELAS），是最常见的母系遗传线粒体病。在儿童期发作，累及多个器官系统的疾病。临床表现复杂，病情反复发作。主要累及患者视力、智力和运动功能损伤，听力下降也常见 ^{［110-112］}。

MELAS的分子特征是线粒体tRNA基因的点突变，约有80%的患者是线粒体 tRNA ^{Leu （ UUR ）}基因的m.3243A＞G的碱基置换，该位点是转录终止子的结合部位，进化上高度保守，突变导致 tRNA ^{Leu （ UUR ）}基因结构异常，转录终止因子不能结合，rRNA和mRNA合成的比例也发生改变。此外，线粒体内蛋白质的胺酰化修饰程度下降，线粒体膜的通透性改变。这些病理变化与线粒体中蛋白质合成障碍有关。m.3243A＞G突变可能因突变所在tRNA空间结构发生改变，使其无法与密码子正确配对，从而导致蛋白质合成障碍 ^{［110-112］}。少数患者为 tRNA ^{Leu （ UUR ）}基因3271、3252或3291位碱基的点突变 ^{［113-115］}。

m.3243A＞G异质性程度与疾病严重程度呈正相关。肌组织中m.3243A＞G突变型mtDNA达40%～50%时，出现CPEO、肌病和耳聋，达90%时，可出现复发性休克、痴呆、癫痫、共济失调等 ^{［4，116-117］}。

MELAS患者通常在2～10岁发病，发病前通常没有明显的发育迟缓，但四肢躯干短小则是常见的表现。最常见的起病症状为阵发性呕吐、癫痫发作和卒中样发作、血乳酸中毒、近心端四肢乏力和运动不耐症等。

癫痫伴随卒中样发作与短暂性失明常反复发作。卒中样发作的后遗症逐渐造成肢体活动障碍、偏瘫、视力下降、失忆等症状。这些后继症状通常在青春期之前就已出现。在这些患者中，听力下降、精神异常、乳酸症等也呈进行性恶化。

其他常见症状还有肌阵挛、共济失调、昏迷、视神经萎缩、心肌病、视网膜色素变性、糖尿病和神经炎等。本病累及器官系统多，表现复杂，病情可从轻微至十分严重，也常与其他线粒体疾病的症状重叠。

对MELAS患者需作全面体检，包括对发育迟缓的评估、听力检测、眼部检查、神经系统检查（脑电图、脑部MRI）、心血管功能评估及实验室诊断，以期尽早确诊。

血液和脑脊液的乳酸和丙酮酸浓度升高，血氨增高，氨基酸浓度异常，在激烈运动和卒中发作后，上升尤其明显。脑脊液的蛋白质浓度可升高。

可检测线粒体呼吸链功能，复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ功能均下降，但此项结果也可为正常。

可有破碎红纤维。

主要检测三个主要突变位点（m.3243A＞G，m.3271T＞C，m.3252A＞G）突变 ^［4］。但是阴性结果不能排除本病。mtDNA全序列检测也在逐步开展。致病突变为异质性，定性检测突变位点为阳性结果后，做定量分析。mtDNA突变所致疾病的临床表现和严重程度均与突变异质性的比率、突变在各组织间的分布和阈值效应有关。但基因型和表型的相关性尚未明确。

无特殊的治疗方法，一般采取对症治疗。对癫痫采取常规对症治疗。对乳酸升高而导致的酸中毒需及时纠正。饮食控制糖尿病，辅酶Q、叶酸和维生素对改善症状有一定的辅助作用。预后常不良。

肌阵挛性癫痫伴破碎红纤维（MERRF）是一种罕见的、异质性母系遗传并具有多系统紊乱的症状，包括肌阵挛性癫痫的短暂发作、不能够协调肌运动（共济失调）、肌细胞减少（肌病）、轻度痴呆、耳聋、脊髓神经的退化等。破碎红纤维（ragged-red fi bers）是指大量的团块状异常线粒体主要聚集在肌细胞中，电子传导链中复合物Ⅱ的特异性染料能将其染成红色。一般来说，MERRF在儿童期即可发病，病情可持续若干年 ^［118］。

主要病变位于mtDNA基因组中赖氨酸转运RNA基因。突变位点为 m.8344A＞G，m.8356T＞C，m.8363G＞A和 m.8361G＞A ^{［4，119-121］}。m.8344A＞G 突变占所有突变的80%，其余3个突变约为10%。mtDNA第8 344位点（位于 tRNALys基因处）A＞G的碱基置换，破坏了 tRNALys中与核糖体连接的TC环，结果影响了线粒体氧化磷酸化复合体Ⅰ和复合体Ⅳ的合成，造成呼吸链功能下降，导致患者多系统病变。

MERRF患者通常于10～20岁发病。发病之前，约50%的患者发育接近正常，50%可有四肢躯干短小。几乎所有患者的首发症状为阵发性癫痫，伴有进行性神经系统障碍（智力倒退、共济失调和意向性震颤），超过90%的患者肌肉活检有破碎红纤维，肌纤维紊乱、粗糙，线粒体形态异常并在骨骼肌细胞中积累，用Gomori三色染色法显示为红色，称破碎红纤维。

超过半数的患者有阳性家族史，并符合线粒体疾病母系遗传特征。突变大多为异质性，因阈值较高，所以并不是所有突变携带者都会发病，即使同一家系内的患者严重程度也可有很大不同。脑电图、心电图、肌电图检查常有异常发现。脑部MRI可见退行性病变、脑萎缩、基底神经节钙化。

严重的MERRF患者还可能出现类似卒中样发作或进行性眼外肌麻痹。脑部MRI检查可有类似亚急性坏死性脑脊髓病的脊髓小脑退行性病变。少数患者呈不典型的腓骨肌萎缩症（夏科-马里-图思病）。

血浆和脑脊液的乳酸、丙酮酸和蛋白质浓度在运动后可有明显升高。

破碎红纤维阳性，琥珀酸脱氢酶活力正常，而细胞色素C氧化酶活力低下。

直接检测前文所述4个突变位点。4个主要致病突变阴性的患者可考虑作mtDNA全测序和mtDNA片段缺失突变检测。

无特殊的治疗方法。对癫痫采取对症治疗。物理疗法和有氧运动可以适度改善肌肉运动能力。辅酶Q、叶酸、肉碱和其他维生素有一定的辅助作用。

儿童期发病的患者预后常不良，成人后发病的患者可有较长的生存期。

线粒体疾病已不再被认为是罕见的疾病。每5 000个儿童中就有1个可能患有线粒体疾病。不仅如此，研究显示，每200个成年人中就有1个携带mtDNA突变，而且携带的这些mtDNA突变可能会导致线粒体疾病的发生。在过去的10年里，有关线粒体疾病发病机制的研究飞速发展，然而合适的治疗策略却停滞不前。为此，实施预防和治疗相结合，重点在预防的标本兼治的策略是解决问题的关键，我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》明确指出，今后的工作重点是提高全民人口素质，将疾病防治重心前移，使出生缺陷发生率降至3%（2012年出生缺陷发生率达5.6%）。因此，深入研究我国人群线粒体疾病的遗传特征，发现致病基因，明确致聋基因在我国不同地域的分布特征、流行特点及其生物学功能，全面诠释母系遗传性疾病的分子致病机制，将利于建立系统的防控预警体系，有效地控制母系遗传性疾病的发病率，实现优生优育，推动我国单遗传性疾病的理论和实践创新，符合我国社会和经济发展的重大战略需求。

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