线粒体医学的最新研究进展
线粒体医学的最新研究进展
耿稚江译
关键词：线粒体
早在100年前，Altmann首先观察到线粒体，但直到1962年Luft等发现一例高代谢病人中线粒体功能不良时，才第一次将其与人类疾病联系在一起。随后，线粒体在人类疾病中的作用得到进一步确定，不同类型的大脑肌肉病变综合征的病人有呼吸链功能缺陷和线粒体形态畸变。1963年Nass等发现线粒体含有它自己的DNA，即线粒体DNA(mtDNA)。1981年报道了人和小鼠mtDNA的完整序列。然而，线粒体疾患的遗传基础一直不清楚，直至1988年发现mtDNA的第一个致病性突变才快速地推进了线粒体疾患的研究。现在已知与人类疾病有关的mtDNA突变已达50种以上。
线粒体是位于所有真核细胞浆中的一些小体(0.5～1μm)；它们有自己的DNA。线粒体的结构有内膜、外膜、基质和膜间隙，分子量1万以下的小分子物质可透过外膜，而内膜只有氧和二氧化碳可以通过，内膜的这种相对的不通透性对于合成三磷酸腺苷(ATP)时所需维持的质子梯度很重要。内膜折成嵴状，以增加呼吸链的酶复合物聚集时所需的膜表面。基质含mtDNA分子、复制和转录mtDNA所必需的蛋白质、蛋白质合成的线粒体核糖体和实现其他功能(指柠檬酸循环和脂肪酸的β氧化作用)的酶.大部分线粒体蛋白由核基因组编码,在胞浆内转化并引人线粒体,靶向线粒体的蛋白质多含有线粒体氨基末端的导向肽,进入细胞器后被撕裂。
, 百拇医药
人线粒体基因组是双股的16569个碱基对分子，在线粒体基质内复制和合成每个线粒体含2～10个mtDNA的拷贝，每个细胞有103～104mtDNA拷贝，mtDNA只含37个基因，其中24个是蛋白质合成时所必需的编码RNAs(22个tRNA和两个rRNA)。其余的13个基因编码是呼吸链关键性亚单位(由核DNA和mtDNA共同编码)的蛋白质，因而在调节氧化磷酸化作用中关键作用。mtDNA有其独特的性质和遗传原则，与核基因的特性和核遗传的原则明显不同。
氧化磷酸化作用
呼吸链由5个酶复合物组成，含有大约100个不同的蛋白质亚单位，这些亚单位执行氧化磷酸化的功能，产生细胞内各种不同代谢过程所需的普通能量(ATP)，在复合物Ⅰ的7个亚单位(NADH脱氢酶)、复合物Ⅲ的1个亚单位(细胞色素C还原酶)、复合物Ⅳ的3个亚单位(细胞色素C氧化酶)和复合物Ⅴ的2个亚单位(ATP合成酶)中均存在mtDNA。编码亚单位复合物Ⅱ(琥珀酸脱氢酶)是由核编码完成的，呼吸链由跨线粒体内膜增加质子梯度来产生ATP、基质外的复合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ质子泵。复合物Ⅴ将电化学梯度所产生的能量用于二磷酸腺苷(ADP)合成ATP的过程。
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线粒体遗传学
胚胎发育期和不同的生理状态可严格地调节氧化磷酸化的能力，核或mtDNA的突变使氧化磷酸化能力受损，可形成许多线粒体疾病，目前绝大多数已明确遗传原因的线粒体疾病都是因mtDNA突变引起的。mtDNA突变有两种类型：包括缺失和重复的大分子重排和点状突变，突变可自发地发生于种系中允许母体遗传；或发生于体细胞中造成散发的病例。还有证据指出，突变可以积聚在所有人类有丝分裂后的组织中，与正常的老龄化或常见疾病的发生有关，如心力衰竭、糖尿病、或神经退化性病变。在同一个细胞内带有混合突变的异质体和正常mtDNAs的细胞中，如有足够的正常mtDNA代偿那些有缺陷者时，呼吸链的功能可以不损伤。但是，当突变的mtDNA与正常mtDNA的比例超过一定的阈值时，即会发生呼吸链缺陷。产生症状的阈值信赖于特定组织对氧需求的程度。像中枢神经系统、心脏、骨骼肌、肝和肾等组织有高度的能量需求，故特别敏感。
突变mtDNA在不同组织中的分布情况影响病人的临床症状，与核DNA不同的是mtDNA不能发生与细胞分裂绝对同步的复制，故子细胞中mtDNA分子的分离不能产生完全相同的分布。事实上，其分布是随机的，可能某个子细胞接受了所有突变mtDNA分子的遗传，而另一个细胞却一个也没有。因此，在细胞有丝分裂中异质体水平必然地不会维持稳定。早在胚胎发生阶段的突变mtDNA的偏斜分布可产生组织之间有不同的突变mtDNA水平，发育晚期的细胞分离也可产生同一组织中的不同细胞内有各种水平的突变mtDNA，这种在分离中的变异性还发生于种系中，突变mtDNA水平可从一代到下一代间发生戏剧性的改变。
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线粒体疾病的实验室研究
实验室诊断线粒体疾病的方法大部分是联合应用生化及形态学方法来评价呼吸链功能，用分子遗传学方法来检测正在进行的mtDNA突变或核突变，也可应用极谱法(氧谱法)来直接检测从肌肉或其他组织刚刚分离出的新鲜线粒体的呼吸链功能，加入能进入呼吸链不同位点的不同底物检测氧的消耗量。
不同的形态学方法也常应用于评价呼吸链功能，用酶组织化学染色法检查琥珀酸脱氢酶(SDH)细胞色素C氧化酶(COX)、和ATP合成酶的活性是可靠的方法，但此法难以评价NADH脱氢酶的活性，应该注意到在用酶组织化学法检测前，高度的缺陷就已经存在，酶缺陷镶嵌型这种特性常见于mtDNA突变影响了tRNA基因的病人，即一些肌肉纤维段完全缺乏COX和含线粒体的积聚。这种纤维被Gomori trichrome染成红色，故常叫做红纤维(RRFs)。用SDH和COX活性的双重染色，此时所看到的RRFs显现为兰色，而正常肌纤维呈棕色，检测特异性呼吸链亚单位的免疫组织化学法可用于诊断。电子显微镜下显示：丰富的嵴被打乱或基质中线粒体呈结晶状结构，线粒体聚集是氧化磷酸化缺陷的代偿性应答的表现。
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分子遗传学方法可检测特异性mtDNA和核基因的突变。通过PCR很容易诊断出已知的mtDNA的点突变。用Southern印迹分析或长的PCR可检测mtDNA的分子重排，此诊断方法中的一个误区就是异质体删除和虽在肌肉中水平较高但可能不出现在血液中的点突变，PCR产物的直接序列测定常用于检测已知的和新的mtDNA突变，检测mtDNA序列的基因缺口排列，在将来可使分子遗传学诊断简单化，并能高产量地完全测定出mtDNA序列。
经典的线粒体疾病
第一个被报道的线粒体疾病是Luft氏病，其特点是电子转运的ATP合成的偶联很检散，病人在没有相应的ATP产生的情况下消耗巨大量的氧，所产生的能量作为热量从汗液中排除了。此后，很快就有证据表明产生能量的缺陷还表现在某些大脑肌肉病变综合征的病人中。然而，直到1988年报道了第一例由mtDNA突变引起的疾病时，才发现这些疾病的分子遗传学基础。
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迄今已报道了50种以上mtDNA的各种突变所造成的多种临床表现即临床上的MELAS综合征(线粒体肌病、脑病、乳酸性酸中毒和卒中样发作)、MERRF综合征(肌阵挛性癫痫和红纤维)和Kearns-Sayre综合征(色素性视网膜炎、进行性外眼肌麻痹、共济失调和心脏传导缺陷)。
线粒体DNA在全长2～8kb之间的全长缺失和所谓常见的4977bp缺失可在1/3的病例中表现出来，缺失的mtDNA的患儿中有广泛的组织分布，并可发生严重的多系统病变如贫血、胰腺分泌不良、肾病、肝病、湿疹、糖尿病和其他内分泌紊乱等。受影响的成人的肌肉和脑组织中通常有高水平缺失的mtDNA，但血液中没有，并发展成包括睑下垂、眼肌麻痹和骨骼肌轻度无力或更严重的Kearns-Sayre综合征在内的PEO。有些儿童可以从幼儿期的致命性的贫血中恢复，直到青春期才发生严重的神经肌肉病变，表明不同组织内缺失的mtDNA水平出现纵向的改变是非常重要的。可能在快速分裂的组织中如骨髓，通过克隆选择而丢失缺失的mtDNA，而有丝分裂后的组织(如脑和肌肉)将随时间替代聚集的缺失的mtDNA。
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Leber氏遗传性眼部神经病变(LHON)是一种以青年男性为主的先天性遗传性失明，90%以上的这种病例有复合物亚单位Ⅰ编码的mtDNA基因点突变，这些突变经常发生于同质体，相当于复合物Ⅰ的中等度缺陷。
基因编码ATP合成酶亚单位6的点突变可造成神经性肌病、共济失调、色素性视网膜炎(NARP)和双侧纹体坏死(Leigh)综合征。这种突变发生于异质体，突变mtDNA的水平与症状的严重性相关，突变的mtDNA水平高可形成幼儿期就发病的mtDNA氏综合征；突变的mtDNA水平低可致发病较晚的轻度NARP综合征。
老龄化
多项研究报道，各种组织中均有与年龄相关的“常见”的4977bp缺失的低水平聚集，但在脑和肌肉这样的有丝分裂后的组织中呈高水平聚集，与MELAS和MERRF有关的碱基对置换也随年龄增加而出现聚集，这种突变线粒体的聚集将导致与年龄相关的氧化磷酸化能力降低。有些研究指出，呼吸链能力下降特别是复合物Ⅰ和Ⅴ的活性下降和对mtDNA氧化性损害增加，均随着年龄增长而增加。然而，近期一项广泛的研究以及其他报道却都没有发现肌肉中氧化磷酸化作用与年龄之间的相关性。这种矛盾可能是受吸烟、不同年龄组的体力活动水平和实验室的方法不同等混淆因素的影响。
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体外试验细胞培养研究曾用于进一步阐明线粒体功能不良在老龄化中的重要性。对于突变的mtDNA聚集是否与年龄相关而形成衰老并且发生与年龄有关的疾病如心力衰竭、痴呆、糖尿病和神经退行性疾病的问题，目前仍有争议。
自由基的作用
mtDNA突变与诸如心脏病、糖尿病、肌无力、失听和痴呆等有关的事实以及mtDNA变随年龄而聚集的现象，都支持线粒体呼吸能力降低的理论，这可能是正常老龄化和年龄相关的神经退行性病变的一个重要因素。线粒体老化理论包括：产生于呼吸链副产物的反应性氧(ROS)与mtDNA发生反应，导致产生损伤呼吸链功能的突变，又进一步刺激自由基的产生等内容。ATP利用度减低使胯膜电位(△φ)下降，释放细胞色素C(近年显示为强力诱发凋亡的因子)而诱发凋亡，mtDNA氧化损害的水平可由8-羟基-2＇-去氧岛苷(OH sdG)的出现来估算，此物的核DNA特别是mtDNA均随年龄而增加。老化的自由基假说已被超氧化物岐化酶(SODs)的动物实验证实，它将O2-转化为过氧化氢。体细胞突变mtDNA聚集可随年龄增多，但其与细胞程序性死亡、疾病和老化之间是否有任何因果关系尚不明了。
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心脏
心脏是高度依赖ATP的器官，线粒体大约构成了心肌细胞总胞浆量的1/3，能量产生不适当是发生心力衰竭的重要因素，心室肥大是心脏负荷增加后的重要代偿性应答。有趣的是，心室肥大伴随着线粒体量增多，又上调了心脏能量的产生，这是使心脏工作增加的机制。因mtDNA突变而发生线粒体疾病的病人中存在心肌病变，故进一步强调了心脏能量产生的重要性。
糖尿病
mtDNA突变和呼吸链功能不良均涉及到糖尿病的发病机制，第一，与线粒体脑病(Kearns-Sayre综合征PEO和MELAS)有关的致病性mtDNA突变曾在患糖病的病人中被检测出来；第二，mtDNA参与糖尿病的直接证据曾在先天遗传性糖尿病及耳聋的家庭中被发现。Ouwenland等报道了一个糖尿病和感觉神经性耳聋的德国家族，其tRNA基因中有常见的MELAS突变A3243G，这个家族由患非胰岛素依赖型糖尿病和耳聋的母亲、9个患儿和2个外孙组织。世界其他他区也曾有一致的或相似的原生型家族和A3243G线粒体突变的描述。
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神经退行性病变
神经元因其对能量的高度需求而特别容易受随年龄下降的线粒体功能的影响。神经元属有丝分裂后组织，比有丝分裂组织的自发mtDNA突变聚集有更大倾向，有丝分裂组织的细胞分裂时，允许选择不带有高水平的突变mtDNA的细胞克隆，巴金森氏病和早老性痴呆症的发病机制与氧化磷酸化缺陷和氧化性损害的增加有关，巴金森氏病病人黑质中同时有复合物Ⅰ缺陷和氧化性损害增加。多巴 胺能神经元选择地吸取神经毒素MPTP，造成人、猿和其他哺乳动物的巴金森氏病，MPTP被代谢为MPP+，此物可选择性地抑制复合物Ⅰ功能，还造成mtDNA的拷贝数目减少。某些mtDNA多形性与发生巴鑫森氏病的危险增加有关。
核基因突变
有关核编码的氧化磷酸化亚单位基因的致病性突变的第一例报道是患Leigh综合征及复合物Ⅱ缺陷的两个同胞兄弟，核复合物Ⅰ亚单位基因突变表现在患致命性多系统病变和复合物Ⅰ缺陷的儿童体内，核基因还是引起常染色显性进行性外眼肌麻痹(adPEO)的原因。adPEO是有遗传性的异源体，已鉴定出其位置是连接在10q23.s～24.3和3p14.1～ 21.2处，核基因还在mtDNA缺失性疾患中起作用。Friedreich氏共济失调，Wilson氏病和常染色体隐性痉挛性截瘫等神经退行性病变都是线粒体病变，以进行性步态和肢体共济失调、腿部肌腱反射消失、构语障碍和肥大性心肌病为特点的Friedreich氏共济失调(FRDA)是由于基因frataxin突变所致。Frataxin是一种调节线粒体铁转运的线粒体蛋白。因frataxin缺乏而造成的线粒体基质中铁的超负荷，可导致ROS产生增加，然后再破坏依赖于Fe-S的呼吸链复合物(Ⅰ，Ⅱ，和Ⅲ)及乌头酸酶，从两例FRDA病人中得到的心肌活体组织中有呼吸链的复合物Ⅰ、Ⅱ、和Ⅲ的功能下降的事实，证实了这个假设。
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Paraplegin基因突变造成常染色体隐性遗传性痉挛性截瘫。Paraplegin与已知的线粒体金属蛋白酶极为相似，是ATP酶的一个亚组，它含有线粒体的输入信号和COX-阴性纤维，RRF病人的肌肉活体组织检查结果，可以说明因丢失paraplegin而导致的呼吸链功能不良。
新的治疗策略
近年来对于线粒体疾病的了解已有很大进展，但目前还没有有效的治疗方法。虽已应用了多种药物治疗，但对其效果尚无一致意见。
线粒体是自由基的重要来源，而自由基的产生增加又是线粒体疾病的重要发病因素，这说明抗氧化剂可能对这样的病人有好处，辅酶Q具有呼吸链内转送电子和作为清除剂分子的双重功能，它对MELAS和Kearns-Sayre综合征的各种症状有良好的效应。不同的化合物(指核黄素、生育酚[维生素E]、琥珀酸盐、抗坏血酸盐[维生素C]、2-甲萘醌[维生素K3]和菸酰胺)曾用于因呼吸链特异性酶复合物缺陷而引起的呼吸链旁路阻滞的治疗。
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肽链酸(PNA)是合成的多胺核酸，可设计PNA分子，所以它是对隐藏点突变或缺失破裂点的短mtDNA序列的补充，目的是应用PNA作为反义探针，可选择性抑制突变mtDNA的复制。这一创新的策略已在体外试验中获得成功，可采用在PNA分子内加入导向肽来解决获得线粒体的困难。
一些带有异质体tDNA突变的病人，其突变mtDNA在分化的肌肉中水平较高而在周围卫星细胞中水平较低，这是肌肉再生的原因。这一发现近期内被用于开发一个治疗策略以治疗在小的肌肉区发生局部坏死的线粒体病病人。令人惊奇的是，退化的肌肉段完全恢复到其原生型状态，并含有很低水平的突变mtDNA，而且呼吸链功能也正常。因此活化卫星细胞成为线粒体肌病特殊病的有效治疗。
基因治疗通过转换或修复有缺陷的基因而最终成为治疗的方法。这种治疗应导向永久的健康。然而，当前将基因导入体外培养的细胞线粒体中是不可能的，线粒体转形系统的缺乏是基因治疗mtDNA疾患的主要障碍。核酸的短片可连接于蛋白质导向序列上，输入分离出来的线粒体中，但出现在哺乳动物线粒体中的频率很低或者不能重组，可能使这个策略不能成功。另种方法是将突变mtDNA的正常拷贝移植入核内(指Leigh/NARP综合征中的突变ATP6基因)，这需要对被选中的基因做大量的再设计。第一，为了将蛋白质产物靶入线粒体中必需加入导向性肽；第二，核和mtDNA之间不同的遗传密码子必需改变以完成再定转译。因此基因疗法用于治疗自身线粒体疾病目前还有较大困难。, 百拇医药
耿稚江译
关键词：线粒体
早在100年前，Altmann首先观察到线粒体，但直到1962年Luft等发现一例高代谢病人中线粒体功能不良时，才第一次将其与人类疾病联系在一起。随后，线粒体在人类疾病中的作用得到进一步确定，不同类型的大脑肌肉病变综合征的病人有呼吸链功能缺陷和线粒体形态畸变。1963年Nass等发现线粒体含有它自己的DNA，即线粒体DNA(mtDNA)。1981年报道了人和小鼠mtDNA的完整序列。然而，线粒体疾患的遗传基础一直不清楚，直至1988年发现mtDNA的第一个致病性突变才快速地推进了线粒体疾患的研究。现在已知与人类疾病有关的mtDNA突变已达50种以上。
线粒体是位于所有真核细胞浆中的一些小体(0.5～1μm)；它们有自己的DNA。线粒体的结构有内膜、外膜、基质和膜间隙，分子量1万以下的小分子物质可透过外膜，而内膜只有氧和二氧化碳可以通过，内膜的这种相对的不通透性对于合成三磷酸腺苷(ATP)时所需维持的质子梯度很重要。内膜折成嵴状，以增加呼吸链的酶复合物聚集时所需的膜表面。基质含mtDNA分子、复制和转录mtDNA所必需的蛋白质、蛋白质合成的线粒体核糖体和实现其他功能(指柠檬酸循环和脂肪酸的β氧化作用)的酶.大部分线粒体蛋白由核基因组编码,在胞浆内转化并引人线粒体,靶向线粒体的蛋白质多含有线粒体氨基末端的导向肽,进入细胞器后被撕裂。
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人线粒体基因组是双股的16569个碱基对分子，在线粒体基质内复制和合成每个线粒体含2～10个mtDNA的拷贝，每个细胞有103～104mtDNA拷贝，mtDNA只含37个基因，其中24个是蛋白质合成时所必需的编码RNAs(22个tRNA和两个rRNA)。其余的13个基因编码是呼吸链关键性亚单位(由核DNA和mtDNA共同编码)的蛋白质，因而在调节氧化磷酸化作用中关键作用。mtDNA有其独特的性质和遗传原则，与核基因的特性和核遗传的原则明显不同。
氧化磷酸化作用
呼吸链由5个酶复合物组成，含有大约100个不同的蛋白质亚单位，这些亚单位执行氧化磷酸化的功能，产生细胞内各种不同代谢过程所需的普通能量(ATP)，在复合物Ⅰ的7个亚单位(NADH脱氢酶)、复合物Ⅲ的1个亚单位(细胞色素C还原酶)、复合物Ⅳ的3个亚单位(细胞色素C氧化酶)和复合物Ⅴ的2个亚单位(ATP合成酶)中均存在mtDNA。编码亚单位复合物Ⅱ(琥珀酸脱氢酶)是由核编码完成的，呼吸链由跨线粒体内膜增加质子梯度来产生ATP、基质外的复合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ质子泵。复合物Ⅴ将电化学梯度所产生的能量用于二磷酸腺苷(ADP)合成ATP的过程。
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线粒体遗传学
胚胎发育期和不同的生理状态可严格地调节氧化磷酸化的能力，核或mtDNA的突变使氧化磷酸化能力受损，可形成许多线粒体疾病，目前绝大多数已明确遗传原因的线粒体疾病都是因mtDNA突变引起的。mtDNA突变有两种类型：包括缺失和重复的大分子重排和点状突变，突变可自发地发生于种系中允许母体遗传；或发生于体细胞中造成散发的病例。还有证据指出，突变可以积聚在所有人类有丝分裂后的组织中，与正常的老龄化或常见疾病的发生有关，如心力衰竭、糖尿病、或神经退化性病变。在同一个细胞内带有混合突变的异质体和正常mtDNAs的细胞中，如有足够的正常mtDNA代偿那些有缺陷者时，呼吸链的功能可以不损伤。但是，当突变的mtDNA与正常mtDNA的比例超过一定的阈值时，即会发生呼吸链缺陷。产生症状的阈值信赖于特定组织对氧需求的程度。像中枢神经系统、心脏、骨骼肌、肝和肾等组织有高度的能量需求，故特别敏感。
突变mtDNA在不同组织中的分布情况影响病人的临床症状，与核DNA不同的是mtDNA不能发生与细胞分裂绝对同步的复制，故子细胞中mtDNA分子的分离不能产生完全相同的分布。事实上，其分布是随机的，可能某个子细胞接受了所有突变mtDNA分子的遗传，而另一个细胞却一个也没有。因此，在细胞有丝分裂中异质体水平必然地不会维持稳定。早在胚胎发生阶段的突变mtDNA的偏斜分布可产生组织之间有不同的突变mtDNA水平，发育晚期的细胞分离也可产生同一组织中的不同细胞内有各种水平的突变mtDNA，这种在分离中的变异性还发生于种系中，突变mtDNA水平可从一代到下一代间发生戏剧性的改变。
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线粒体疾病的实验室研究
实验室诊断线粒体疾病的方法大部分是联合应用生化及形态学方法来评价呼吸链功能，用分子遗传学方法来检测正在进行的mtDNA突变或核突变，也可应用极谱法(氧谱法)来直接检测从肌肉或其他组织刚刚分离出的新鲜线粒体的呼吸链功能，加入能进入呼吸链不同位点的不同底物检测氧的消耗量。
不同的形态学方法也常应用于评价呼吸链功能，用酶组织化学染色法检查琥珀酸脱氢酶(SDH)细胞色素C氧化酶(COX)、和ATP合成酶的活性是可靠的方法，但此法难以评价NADH脱氢酶的活性，应该注意到在用酶组织化学法检测前，高度的缺陷就已经存在，酶缺陷镶嵌型这种特性常见于mtDNA突变影响了tRNA基因的病人，即一些肌肉纤维段完全缺乏COX和含线粒体的积聚。这种纤维被Gomori trichrome染成红色，故常叫做红纤维(RRFs)。用SDH和COX活性的双重染色，此时所看到的RRFs显现为兰色，而正常肌纤维呈棕色，检测特异性呼吸链亚单位的免疫组织化学法可用于诊断。电子显微镜下显示：丰富的嵴被打乱或基质中线粒体呈结晶状结构，线粒体聚集是氧化磷酸化缺陷的代偿性应答的表现。
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分子遗传学方法可检测特异性mtDNA和核基因的突变。通过PCR很容易诊断出已知的mtDNA的点突变。用Southern印迹分析或长的PCR可检测mtDNA的分子重排，此诊断方法中的一个误区就是异质体删除和虽在肌肉中水平较高但可能不出现在血液中的点突变，PCR产物的直接序列测定常用于检测已知的和新的mtDNA突变，检测mtDNA序列的基因缺口排列，在将来可使分子遗传学诊断简单化，并能高产量地完全测定出mtDNA序列。
经典的线粒体疾病
第一个被报道的线粒体疾病是Luft氏病，其特点是电子转运的ATP合成的偶联很检散，病人在没有相应的ATP产生的情况下消耗巨大量的氧，所产生的能量作为热量从汗液中排除了。此后，很快就有证据表明产生能量的缺陷还表现在某些大脑肌肉病变综合征的病人中。然而，直到1988年报道了第一例由mtDNA突变引起的疾病时，才发现这些疾病的分子遗传学基础。
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迄今已报道了50种以上mtDNA的各种突变所造成的多种临床表现即临床上的MELAS综合征(线粒体肌病、脑病、乳酸性酸中毒和卒中样发作)、MERRF综合征(肌阵挛性癫痫和红纤维)和Kearns-Sayre综合征(色素性视网膜炎、进行性外眼肌麻痹、共济失调和心脏传导缺陷)。
线粒体DNA在全长2～8kb之间的全长缺失和所谓常见的4977bp缺失可在1/3的病例中表现出来，缺失的mtDNA的患儿中有广泛的组织分布，并可发生严重的多系统病变如贫血、胰腺分泌不良、肾病、肝病、湿疹、糖尿病和其他内分泌紊乱等。受影响的成人的肌肉和脑组织中通常有高水平缺失的mtDNA，但血液中没有，并发展成包括睑下垂、眼肌麻痹和骨骼肌轻度无力或更严重的Kearns-Sayre综合征在内的PEO。有些儿童可以从幼儿期的致命性的贫血中恢复，直到青春期才发生严重的神经肌肉病变，表明不同组织内缺失的mtDNA水平出现纵向的改变是非常重要的。可能在快速分裂的组织中如骨髓，通过克隆选择而丢失缺失的mtDNA，而有丝分裂后的组织(如脑和肌肉)将随时间替代聚集的缺失的mtDNA。
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Leber氏遗传性眼部神经病变(LHON)是一种以青年男性为主的先天性遗传性失明，90%以上的这种病例有复合物亚单位Ⅰ编码的mtDNA基因点突变，这些突变经常发生于同质体，相当于复合物Ⅰ的中等度缺陷。
基因编码ATP合成酶亚单位6的点突变可造成神经性肌病、共济失调、色素性视网膜炎(NARP)和双侧纹体坏死(Leigh)综合征。这种突变发生于异质体，突变mtDNA的水平与症状的严重性相关，突变的mtDNA水平高可形成幼儿期就发病的mtDNA氏综合征；突变的mtDNA水平低可致发病较晚的轻度NARP综合征。
老龄化
多项研究报道，各种组织中均有与年龄相关的“常见”的4977bp缺失的低水平聚集，但在脑和肌肉这样的有丝分裂后的组织中呈高水平聚集，与MELAS和MERRF有关的碱基对置换也随年龄增加而出现聚集，这种突变线粒体的聚集将导致与年龄相关的氧化磷酸化能力降低。有些研究指出，呼吸链能力下降特别是复合物Ⅰ和Ⅴ的活性下降和对mtDNA氧化性损害增加，均随着年龄增长而增加。然而，近期一项广泛的研究以及其他报道却都没有发现肌肉中氧化磷酸化作用与年龄之间的相关性。这种矛盾可能是受吸烟、不同年龄组的体力活动水平和实验室的方法不同等混淆因素的影响。
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体外试验细胞培养研究曾用于进一步阐明线粒体功能不良在老龄化中的重要性。对于突变的mtDNA聚集是否与年龄相关而形成衰老并且发生与年龄有关的疾病如心力衰竭、痴呆、糖尿病和神经退行性疾病的问题，目前仍有争议。
自由基的作用
mtDNA突变与诸如心脏病、糖尿病、肌无力、失听和痴呆等有关的事实以及mtDNA变随年龄而聚集的现象，都支持线粒体呼吸能力降低的理论，这可能是正常老龄化和年龄相关的神经退行性病变的一个重要因素。线粒体老化理论包括：产生于呼吸链副产物的反应性氧(ROS)与mtDNA发生反应，导致产生损伤呼吸链功能的突变，又进一步刺激自由基的产生等内容。ATP利用度减低使胯膜电位(△φ)下降，释放细胞色素C(近年显示为强力诱发凋亡的因子)而诱发凋亡，mtDNA氧化损害的水平可由8-羟基-2＇-去氧岛苷(OH sdG)的出现来估算，此物的核DNA特别是mtDNA均随年龄而增加。老化的自由基假说已被超氧化物岐化酶(SODs)的动物实验证实，它将O2-转化为过氧化氢。体细胞突变mtDNA聚集可随年龄增多，但其与细胞程序性死亡、疾病和老化之间是否有任何因果关系尚不明了。
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心脏
心脏是高度依赖ATP的器官，线粒体大约构成了心肌细胞总胞浆量的1/3，能量产生不适当是发生心力衰竭的重要因素，心室肥大是心脏负荷增加后的重要代偿性应答。有趣的是，心室肥大伴随着线粒体量增多，又上调了心脏能量的产生，这是使心脏工作增加的机制。因mtDNA突变而发生线粒体疾病的病人中存在心肌病变，故进一步强调了心脏能量产生的重要性。
糖尿病
mtDNA突变和呼吸链功能不良均涉及到糖尿病的发病机制，第一，与线粒体脑病(Kearns-Sayre综合征PEO和MELAS)有关的致病性mtDNA突变曾在患糖病的病人中被检测出来；第二，mtDNA参与糖尿病的直接证据曾在先天遗传性糖尿病及耳聋的家庭中被发现。Ouwenland等报道了一个糖尿病和感觉神经性耳聋的德国家族，其tRNA基因中有常见的MELAS突变A3243G，这个家族由患非胰岛素依赖型糖尿病和耳聋的母亲、9个患儿和2个外孙组织。世界其他他区也曾有一致的或相似的原生型家族和A3243G线粒体突变的描述。
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神经退行性病变
神经元因其对能量的高度需求而特别容易受随年龄下降的线粒体功能的影响。神经元属有丝分裂后组织，比有丝分裂组织的自发mtDNA突变聚集有更大倾向，有丝分裂组织的细胞分裂时，允许选择不带有高水平的突变mtDNA的细胞克隆，巴金森氏病和早老性痴呆症的发病机制与氧化磷酸化缺陷和氧化性损害的增加有关，巴金森氏病病人黑质中同时有复合物Ⅰ缺陷和氧化性损害增加。多巴 胺能神经元选择地吸取神经毒素MPTP，造成人、猿和其他哺乳动物的巴金森氏病，MPTP被代谢为MPP+，此物可选择性地抑制复合物Ⅰ功能，还造成mtDNA的拷贝数目减少。某些mtDNA多形性与发生巴鑫森氏病的危险增加有关。
核基因突变
有关核编码的氧化磷酸化亚单位基因的致病性突变的第一例报道是患Leigh综合征及复合物Ⅱ缺陷的两个同胞兄弟，核复合物Ⅰ亚单位基因突变表现在患致命性多系统病变和复合物Ⅰ缺陷的儿童体内，核基因还是引起常染色显性进行性外眼肌麻痹(adPEO)的原因。adPEO是有遗传性的异源体，已鉴定出其位置是连接在10q23.s～24.3和3p14.1～ 21.2处，核基因还在mtDNA缺失性疾患中起作用。Friedreich氏共济失调，Wilson氏病和常染色体隐性痉挛性截瘫等神经退行性病变都是线粒体病变，以进行性步态和肢体共济失调、腿部肌腱反射消失、构语障碍和肥大性心肌病为特点的Friedreich氏共济失调(FRDA)是由于基因frataxin突变所致。Frataxin是一种调节线粒体铁转运的线粒体蛋白。因frataxin缺乏而造成的线粒体基质中铁的超负荷，可导致ROS产生增加，然后再破坏依赖于Fe-S的呼吸链复合物(Ⅰ，Ⅱ，和Ⅲ)及乌头酸酶，从两例FRDA病人中得到的心肌活体组织中有呼吸链的复合物Ⅰ、Ⅱ、和Ⅲ的功能下降的事实，证实了这个假设。
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Paraplegin基因突变造成常染色体隐性遗传性痉挛性截瘫。Paraplegin与已知的线粒体金属蛋白酶极为相似，是ATP酶的一个亚组，它含有线粒体的输入信号和COX-阴性纤维，RRF病人的肌肉活体组织检查结果，可以说明因丢失paraplegin而导致的呼吸链功能不良。
新的治疗策略
近年来对于线粒体疾病的了解已有很大进展，但目前还没有有效的治疗方法。虽已应用了多种药物治疗，但对其效果尚无一致意见。
线粒体是自由基的重要来源，而自由基的产生增加又是线粒体疾病的重要发病因素，这说明抗氧化剂可能对这样的病人有好处，辅酶Q具有呼吸链内转送电子和作为清除剂分子的双重功能，它对MELAS和Kearns-Sayre综合征的各种症状有良好的效应。不同的化合物(指核黄素、生育酚[维生素E]、琥珀酸盐、抗坏血酸盐[维生素C]、2-甲萘醌[维生素K3]和菸酰胺)曾用于因呼吸链特异性酶复合物缺陷而引起的呼吸链旁路阻滞的治疗。
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肽链酸(PNA)是合成的多胺核酸，可设计PNA分子，所以它是对隐藏点突变或缺失破裂点的短mtDNA序列的补充，目的是应用PNA作为反义探针，可选择性抑制突变mtDNA的复制。这一创新的策略已在体外试验中获得成功，可采用在PNA分子内加入导向肽来解决获得线粒体的困难。
一些带有异质体tDNA突变的病人，其突变mtDNA在分化的肌肉中水平较高而在周围卫星细胞中水平较低，这是肌肉再生的原因。这一发现近期内被用于开发一个治疗策略以治疗在小的肌肉区发生局部坏死的线粒体病病人。令人惊奇的是，退化的肌肉段完全恢复到其原生型状态，并含有很低水平的突变mtDNA，而且呼吸链功能也正常。因此活化卫星细胞成为线粒体肌病特殊病的有效治疗。
基因治疗通过转换或修复有缺陷的基因而最终成为治疗的方法。这种治疗应导向永久的健康。然而，当前将基因导入体外培养的细胞线粒体中是不可能的，线粒体转形系统的缺乏是基因治疗mtDNA疾患的主要障碍。核酸的短片可连接于蛋白质导向序列上，输入分离出来的线粒体中，但出现在哺乳动物线粒体中的频率很低或者不能重组，可能使这个策略不能成功。另种方法是将突变mtDNA的正常拷贝移植入核内(指Leigh/NARP综合征中的突变ATP6基因)，这需要对被选中的基因做大量的再设计。第一，为了将蛋白质产物靶入线粒体中必需加入导向性肽；第二，核和mtDNA之间不同的遗传密码子必需改变以完成再定转译。因此基因疗法用于治疗自身线粒体疾病目前还有较大困难。, 百拇医药