線粒體DNA遺傳變異與人類環(huán)境適應(yīng)性

鄭世珍 李福祥 錢桂生 戢福云

線粒體是真核生物細(xì)胞內(nèi)的重要細(xì)胞器，處于新陳代謝和生物能量轉(zhuǎn)換中心地位，在生命活動(dòng)中發(fā)揮著重要作用［1-2］。線粒體通過(guò)氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)產(chǎn)生人體用于工作的ATP和維持體溫的熱量，而線粒體偶聯(lián)狀態(tài)則決定著產(chǎn)生ATP和熱量的相對(duì)水平。線粒體緊密偶聯(lián)，則ATP能量產(chǎn)生較多;線粒體解偶聯(lián)，則熱量產(chǎn)生較多。伴隨著氧化磷酸化，線粒體產(chǎn)生大量細(xì)胞活性氧(reactive oxygen species，ROS)，同時(shí)，線粒體通過(guò)開(kāi)放線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition pore，mtPTP)，調(diào)節(jié)以能量輸出及活性氧損傷為基礎(chǔ)的細(xì)胞凋亡［3］。線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)是細(xì)胞內(nèi)除細(xì)胞核 DNA(nuclear DNA，nDNA)外唯一存在的遺傳物質(zhì)。已有研究顯示，mtDNA突變不僅與人類leber氏遺傳性視神經(jīng)病、線粒體腦肌病、糖尿病、高血壓、心力衰竭、心肌梗塞、視力障礙、神經(jīng)性耳聾、智力衰退、心理障礙、腎功能不全、腫瘤、肌無(wú)力等多種疾病的發(fā)生有關(guān)，也在人類適應(yīng)不同氣候環(huán)境時(shí)發(fā)揮著重要作用［3-11］。

一、人類mtDNA

人類mtDNA是除核DNA(nuclear DNA，nDNA)外唯一存在于細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)，屬母系遺傳。人類mtDNA分子由16，569個(gè)堿基組成，呈雙鏈超螺旋閉合環(huán)狀分子，共含有37個(gè)編碼基因，分別編碼16S rRNA和12S rRNA、22個(gè)tRNA和呼吸鏈中13個(gè)多肽(即細(xì)胞色素b、細(xì)胞色素C氧化酶的3個(gè)亞基、ATP酶的2個(gè)亞基以及NADH脫氫酶的7個(gè)亞基)。其中，mtDNA所編碼的13個(gè)多肽是電子傳遞鏈(electron transport chain，ETC)的重要組成成分。線粒體呼吸鏈將來(lái)源于NADH和H+的電子轉(zhuǎn)移到復(fù)合物Ⅰ(NADA脫氫酶)或?qū)㈢晁猁}的電子傳遞給復(fù)合物Ⅱ(琥珀酸脫氫酶)，再依次傳遞給輔酶Q、復(fù)合物Ⅲ、細(xì)胞色素C和復(fù)合物Ⅳ(細(xì)胞色素c氧化酶)，最后傳遞給1/2個(gè)O2生成H2O。與此同時(shí)，導(dǎo)致跨膜質(zhì)子移位形成跨膜質(zhì)子梯度和/或跨膜電位。線粒體內(nèi)膜上的ATP合成酶利用跨膜質(zhì)子梯度能量合成ATP。合成的ATP通過(guò)線粒體內(nèi)膜ADP/ATP載體與細(xì)胞質(zhì)中ADP交換進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，參與細(xì)胞的各種需能過(guò)程［12-14］。

內(nèi)源性活性氧(ROS)是線粒體氧化磷酸化的副產(chǎn)品，其產(chǎn)生途徑為:從復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ直接轉(zhuǎn)移一個(gè)電子給O2形成超氧負(fù)離子(superoxide anion，);兩個(gè) 由錳超氧化物歧化酶歧化形成過(guò)氧化氫(hydrogen peroxide，H2O2);H2O2失去一個(gè)電子而形成羥基(-OH)。

線粒體活性氧會(huì)損傷線粒體脂質(zhì)和蛋白質(zhì)，并誘發(fā)mtDNA發(fā)生突變。線粒體也可以通過(guò)線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mtPTP)調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)度的Ca++吸收、氧化應(yīng)激增強(qiáng)或線粒體ΔΨ、ADP、ATP減少時(shí)，PTP開(kāi)放并隨之發(fā)生ΔP崩潰，凋亡前體蛋白(細(xì)胞色素c、caspase-9前體、凋亡誘導(dǎo)因子和核酸內(nèi)切酶G)從線粒體內(nèi)膜釋放到胞質(zhì)中，從而降解細(xì)胞蛋白和核酸［14］。

二、人類mtDNA遺傳變異

mtDNA序列突變率很高，其突變率是nDNA上線粒體基因10倍以上［2-13，15-16］。與nDNA相比，mtDNA在結(jié)構(gòu)和功能上有著自己獨(dú)特的特點(diǎn):①mtDNA缺乏組蛋白和DNA結(jié)合蛋白的保護(hù)，并且，mtDNA與氧化磷酸化場(chǎng)所(線粒體內(nèi)膜)相距很近，直接暴露于氧化磷酸化過(guò)程中產(chǎn)生的活性氧中，易受到自由基的攻擊;②mtDNA復(fù)制速度很快且催化復(fù)制的DNA聚合酶C不具有校讀功能，復(fù)制錯(cuò)誤率高，與nDNA相比其修復(fù)機(jī)制不完善;③每個(gè)細(xì)胞中含有數(shù)百個(gè)線粒體，每個(gè)線粒體又含多個(gè)DNA分子，因此，細(xì)胞中可同時(shí)存在正常mtDNA和突變mtDNA，即mtDNA具有異質(zhì)性;④mtDNA無(wú)內(nèi)含子，mtDNA的突變很容易影響到其基因組內(nèi)的一些重要功能區(qū)域;⑤突變mtDNA是否在組織產(chǎn)生表型效應(yīng)主要決定于突變mtDNA與正常mtDNA相對(duì)比例及該組織的能量消耗程度;⑥線粒體是半自主性細(xì)胞器，mtDNA基因的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯受到nDNA的調(diào)控。

mtDNA遺傳變異可以歸納為中性、有害性和適應(yīng)性遺傳變異三種類型。①中性變異包括同義堿基替換(synonymous base substitutions，S)和堿基更換(base changes)，后者所編碼的氨基酸發(fā)生改變或rRNAs、tRNAs序列有所變化，但其功能并未發(fā)生改變。這些變異的種內(nèi)保守指數(shù)(interspecific conservation index，CI)通常較低;②有害變異則是指多肽氨基酸發(fā)生了非同義突變(non-synonymous mutation，NS)或rRNAs、tRNAs序列發(fā)生變化，并顯著地減低了其功能。這些突變可經(jīng)過(guò)純化選擇加以消除或?qū)е录膊‘a(chǎn)生;③適應(yīng)性變異則是指多肽氨基酸發(fā)生改變或rRNAs、tRNAs序列發(fā)生變異，這些變異可以改變線粒體進(jìn)化上保守的功能，并且不能通過(guò)純化選擇加以消除。反之，該突變可被擴(kuò)充為線粒體在適應(yīng)新環(huán)境時(shí)所形成的mtDNA進(jìn)化樹(shù)上一個(gè)區(qū)域特異性的旁枝［13］。已有的研究成果表明，人類祖先從熱帶和亞熱帶非洲移居至較寒冷的歐洲和西伯利亞時(shí)，大約1/4古老的mtDNA遺傳變異有助于人類適應(yīng)新的環(huán)境。

三、人類mtDNA及其環(huán)境適應(yīng)性遺傳變異

適應(yīng)性mtDNA遺傳變異是在對(duì)全球原居民mtDNA序列的研究中首次被發(fā)現(xiàn)的。由于mtDNA具有母系遺傳的特性，mtDNA遺傳變異不能通過(guò)重組消除而只能不斷沿著呈放射狀的母性譜系累積，所以，不同個(gè)體之間mtDNA核苷酸數(shù)量上的差別與他們從同一個(gè)女性祖先分枝的時(shí)間是相對(duì)應(yīng)的。

對(duì)全球mtDNA序列變異的研究表明，所有的mtDNA變異可以歸納為一個(gè)單一模式的mtDNA序列，即單倍型。單倍型序列在公元前150 000年至200 000年的非洲就已經(jīng)存在［1-2］。以此為起源，4個(gè)特異的亞撒哈拉非洲mtDNA單倍型(L0、L1、L2和L3)呈輻射狀形成新的相關(guān)的單倍型。公元前65 000年，非洲東北部的L3單倍型群體離開(kāi)非洲而移居至溫帶的歐亞大陸，從而形成M和N單倍型。而由于亞洲單倍型mtDNA的增多，在西伯利亞的東北部，現(xiàn)僅存3個(gè)富集的單倍型A、C和D。公元前20 000年出現(xiàn)白令大陸橋時(shí)，單倍型A、C和D橫跨白令海峽來(lái)到北美洲。大約公元前15 000年，單倍型X也穿過(guò)北極圈，可能經(jīng)由歐洲扎根在北美的北部中心。隨后，單倍型B在公元前12 000年到15 000年可能通過(guò)航海而繞過(guò)北極在北美洲的北部、中部及南部與單倍型A、C、D 會(huì)合［1-2，14］。

在分析mtDNA單倍型這一過(guò)程中，研究者發(fā)現(xiàn)，mtDNA分布存在兩個(gè)明顯的中斷，第一個(gè)中斷出現(xiàn)在大量的非洲群體移居至溫帶歐亞大陸后所形成的兩個(gè)譜系M和N之間，第二個(gè)中斷則出現(xiàn)在當(dāng)前大量的歐亞群體移居至北極寒冷地區(qū)后所剩下的四個(gè)單倍型A、C、D和X之間。由于這兩個(gè)明顯的中斷都與氣候的顯著變化相關(guān)，因此，可以猜測(cè)，某種特定的mtDNA遺傳變異能降低線粒體耦聯(lián)效率，從而增加產(chǎn)熱量以幫助人類移居并適應(yīng)更為寒冷的北方高緯度地區(qū)［1-2］。對(duì)西伯利亞雅庫(kù)特人和溫帶地區(qū)人群基礎(chǔ)代謝率的觀察結(jié)果支持了這個(gè)猜想，前者的基礎(chǔ)代謝率明顯高于后者［17］。

計(jì)算氨基酸替換突變率(NS/S)則進(jìn)一步證實(shí)了適應(yīng)性mtDNA變異的存在。通過(guò)分析各個(gè)不同地區(qū)mtDNA多肽基因的NS/S比例發(fā)現(xiàn)(包括熱帶、亞熱帶非洲群體的單倍型L0、L1、L2和L3，溫帶歐洲群體單倍型 H、I、J、T、U、UK、V 和 W，北極歐亞單倍型 A、C、D 和 X)，ATP6基因在北極居民、cyt b基因在歐洲居民及COI基因在非洲居民中均發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)義突變，nDNA基因的突變則表現(xiàn)出與地理區(qū)域相關(guān)性［2，18］。研究者繼續(xù)對(duì)mtDNA遺傳變異的地理區(qū)域性分布進(jìn)行了更深入的研究。對(duì)從現(xiàn)有的2565個(gè)mtDNA序列演繹出的mtDNA進(jìn)化圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，從熱帶非洲單倍型L的100%到歐亞大陸M+N單倍型的140%，到寒帶N單倍型的180%，進(jìn)化樹(shù)內(nèi)部分枝的錯(cuò)義突變發(fā)生頻率是逐漸增多的。而且，熱帶非洲群體的內(nèi)部分枝上氨基酸變化的種內(nèi)CI(氨基酸功能發(fā)生改變的重要性標(biāo)志)也較北極群體有所增加。實(shí)際上，26．3%的古老內(nèi)部分枝上的氨基酸置換的CI與22個(gè)已知的致病的mtDNA錯(cuò)義突變的平均值相差不超過(guò)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差(www．mitomap．org)，大約1/4的古老的錯(cuò)義突變具有重要的功能并在適應(yīng)性選擇中得到富集［1］。

許多最有意義的適應(yīng)性錯(cuò)義突變都發(fā)生在mtDNA進(jìn)化樹(shù)分枝堿基上，從而呈輻射狀形成一個(gè)新的地理區(qū)域性分枝［1］。比如，發(fā)生在單倍型N中的兩個(gè)錯(cuò)義突變ATP6(A59T)和ND3(A114T)就是促使單倍型N從非洲群體L3系中分離出來(lái)的。這些突變改變了高度保守的氨基酸，可能使非洲群體得以移居歐亞大陸。對(duì)于和北極單倍型A、C、D和X相關(guān)的適應(yīng)性突變則可通過(guò)其CI以及突變距離單倍型根部的位置來(lái)鑒定。例如，研究發(fā)現(xiàn)，在單倍型A有兩個(gè)非常保守、位于根部的氨基酸突變:一個(gè)是mtDNA蛋白ND2上的核苷酸突變(4824G)，導(dǎo)致產(chǎn)生錯(cuò)義突變T119A(CI=82．1%);另一個(gè)是ATP6上的核苷酸突變(8794T)，導(dǎo)致產(chǎn)生錯(cuò)義突變H90Y(CI=72%)。西伯利亞亞單倍型C2也含有兩個(gè)保守的位于根部的變異:ND4上堿基發(fā)生突變(11969A)，產(chǎn)生錯(cuò)義突變A404T(CI=85%);cyt b上堿基發(fā)生突變(15204C)，產(chǎn)生錯(cuò)義突變I153T(CI=85%)。同樣，從單倍型N衍出歐洲單倍型T和J。在單倍型T中發(fā)現(xiàn)ND2基因在4917(G＞A)發(fā)生突變，導(dǎo)致氨基酸發(fā)生變化(D150N，CI=90%)。單倍型J又分為兩個(gè)亞單倍型J1和J2，各自以靠近進(jìn)化樹(shù)根部的cyt b基因的一個(gè)堿基置換突變命名。單倍型J2是15257位堿基發(fā)生突變(15257A)，導(dǎo)致氨基酸發(fā)生改變(D171N，CI=95%)，而J1則是14798位堿基發(fā)生突變(14798C)，導(dǎo)致氨基酸發(fā)生改變(F18L，CI=77%)。在亞單倍型UK、北極單倍型A、C、D和X中也發(fā)現(xiàn)了14798C突變。這些研究表明，mtDNA的進(jìn)化具有趨同性，從而進(jìn)一步證實(shí)線粒體高度保守序列的錯(cuò)義突變?cè)谌祟悓?duì)環(huán)境適應(yīng)性方面具有重要的意義。

線粒體作為能量供應(yīng)細(xì)胞器，參與人類重要的生命活動(dòng)。同時(shí)，作為除nDNA外唯一存在的遺傳物質(zhì)，其DNA突變?cè)谌祟惗喾N疾病的發(fā)生和發(fā)展，以及人類適應(yīng)生存環(huán)境中發(fā)揮著重要作用。深入了解和研究線粒體及其DNA將會(huì)為進(jìn)化學(xué)、遺傳學(xué)、病原學(xué)、病理生理學(xué)，以及疾病的治療帶來(lái)新的視野和途徑。

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