线粒体（mitochondrion）是真核细胞的能量代谢中心，由于线粒体是细胞氧化磷酸化和ATP形成的场所，故被称为细胞的氧化中心和动力工厂。研究发现，线粒体中存在有DNA（mtDNA）、RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、tRNA、核糖体和氨基酸活化酶等进行DNA复制、转录和蛋白质翻译的全部分子。此外，有性生殖的受精方式决定了线粒体遗传表现为母系遗传的特点。故线粒体的功能与活性氧的产生、细胞氧化还原、细胞凋亡、信号转导等密切相关，参与机体的进化、发育、遗传、代谢等。1981年，Anderson等测定了人类线粒体基因组全部核苷酸序列。1987年，Wallace等人发现Leber视神经病的发生与mtDNA突变有关，明确提出线粒体DNA突变可引发人类疾病。到目前为止已发现人类100余种疾病与线粒体基因的病理突变有关。

线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）是独立于细胞核染色体外的基因组，被称为“第25号染色体”或“M染色体”。人类线粒体基因组全长16 569bp，呈双链闭合环状DNA分子（图2-21）。外环为重链（H链），富含鸟嘌呤，内环为轻链（L链），富含胞嘧啶。mtDNA分为编码区与非编码区，编码区为保守序列，此区包含37个基因，包括2种rRNA（16S、12S）基因、22种tRNA基因和13种编码氧化磷酸化酶复合体亚基的基因。13种基因所编码的蛋白质已被确定，包含以下几类：细胞色素氧化酶复合体活性中心的亚单位（COXⅠ、COXⅡ、COXⅢ）；ATP合成酶复合体F ₀部分的亚基（A6和A8）；NADH脱氢酶复合体的亚基（ND1、ND2、ND3、ND4、ND4L、ND5和ND6）以及细胞色素b的亚基。线粒体基因组内各基因之间排列极为紧凑，部分区域还出现重叠。无启动子和内含子，缺少终止密码子，仅以U或UA结尾。mtDNA有两段非编码区，一是控制区（control region，CR），又称D环区（displacement loop，D-loop），与mtDNA的复制及转录有关，包括H链复制的起始点（O _H）、H链和L链转录的启动子（P _H和P _L）以及4个高度保守序列；另一个是L链复制起始区（O _L）。H链复制起始点与L链复制起始点相隔2/3个mtDNA。H链是12种多肽链、2种rRNA和14种tRNA转录的模板，而L链仅作为1种多肽链和8种tRNA转录的模板。

mtDNA与核DNA的不同之处在于，mtDNA分子上缺少组蛋白对DNA的保护作用，基因之间少有间隔，而且线粒体内无DNA损伤修复系统，这些因素使mtDNA易于突变且难以修复，并将突变传递到子代细胞中。此外，大部分细胞中含有数百个线粒体，每个线粒体内含有2～10个拷贝的mtDNA分子，这样每个细胞可含有数千个mtDNA，从而构成细胞中mtDNA异质性的分子基础。

mtDNA与核DNA相比有其独特的传递规律，其遗传特点呈非孟德尔遗传方式，又称核外遗传。了解线粒体遗传规律有助于更好地认识线粒体疾病的病因学与发病机制。

线粒体拥有自己的遗传物质，能够独立进行复制、转录和翻译。然而，维持线粒体结构和功能的大分子复合物以及氧化磷酸化酶的蛋白质亚单位则需要核DNA编码，在细胞质中合成后，经特定的转运方式进入线粒体。例如，线粒体呼吸链-氧化磷酸化系统的80多种蛋白质亚基中，mtDNA仅编码13种，绝大部分需要依赖于核DNA编码，nDNA和mtDNA的相互协调，两者共同作用参与机体代谢调节。此外， mtDNA基因的转录还受核DNA的调控，由核DNA编码的转录活化因子和协同活化因子是mtDNA转录的主要调控因子。因此，线粒体是一种半自主细胞器，受线粒体基因组和核基因组两套遗传系统的共同控制，mtDNA与核 DNA基因突变均可导致线粒体蛋白质合成受阻，引起细胞能量代谢障碍。

mtDNA密码与nDNA的通用密码有若干不同之处，表现在几个方面：mtDNA的遗传密码中UGA编码色氨酸，而非终止信号。AGA和AGG不是精氨酸的密码子而是终止密码子，加上通用密码中的UAA和UAG，故线粒体共有4个终止密码子。甲硫氨酸密码子有两个，即AUG和AUA。起始甲硫氨酸密码子由AUG、AUA、AUU和AUC四个密码子编码。线粒体的tRNA兼并性较强，其反密码子主要识别密码子的前两位碱基，因此，仅用22个tRNA便可识别线粒体mRNA的多达48个密码子。

受有性生殖中受精方式的影响，卵母细胞带有较多的线粒体，而精子中的线粒体几乎不能进入卵细胞。因此，人类受精卵中的线粒体几乎全部来自母亲的卵母细胞，并将mtDNA传递给她的所有子女，但只有她的女儿们能将其mtDNA传递给下一代，这种传递方式称为母系遗传（maternal inheritance）。如果家系中一些成员具有相似的临床症状，并且都是从女性患者传递而来，则应考虑可能为 mtDNA基因突变造成的。然而，有时某些突变的mtDNA未能通过遗传瓶颈，使得疾病的传递也可能不完全符合母系遗传。另外，如果是编码线粒体蛋白的核基因突变，则不会呈现母系遗传。

纯质性（homoplasmy）是指一个组织或细胞中所有的线粒体含有相同的基因组，要么都是野生型，要么都是突变型。反之，如果一个组织或细胞中既含有野生型线粒体基因组，又含有突变型线粒体基因组，则称为异质性（heteroplasmy）。异质性产生的机制在于，mtDNA能够自主进行复制，与细胞周期及细胞核复制无关；并且随细胞分裂随机分配到子细胞中，造成不同的细胞、组织或器官中携带突变型mtDNA的比例也不同，这也造成了线粒体基因病存在组织特异性表型和表型多样性，即同一突变在同一家系的不同成员的不同表现，同一患者在不同发育期的不同临床症状等。

异质性细胞内野生型和突变型mtDNA的相对比例，决定了个体是否出现线粒体病及其临床表型。如果携带突变型线粒体比例较低时，野生型mtDNA所发挥的补偿作用使产能没受到明显影响。然而，当突变型mtDNA达到一定比例，产生的能量不足以维持细胞的正常需要时，就会出现异常表型，即线粒体病。因此，mtDNA突变存在阈值效应，能引起特定组织器官功能障碍的最低数量的突变mtDNA，称为阈值（threshold）。产生有害影响的阈值依赖于受累细胞或组织对能量的需求。因此，高需能的组织，如脑、骨骼肌、心脏、肾脏、肝脏等，更容易受到mtDNA突变的影响，较低的突变型mtDNA比例就能引起临床症状。此外，阈值还受突变类型、组织、老化程度的影响，个体差异很大。例如，突变的mtDNA随着年龄的增加在细胞中逐渐积累，病情也常表现为与年龄相关的渐进性加重。

细胞在有丝分裂时，mtDNA要经过复制分离。复制后的野生型和突变型mtDNA随机分配到子细胞中，使子细胞中有不同比例的突变型mtDNA，这种随机分配导致mtDNA异质性变化过程称为复制分离。这种有丝分裂的随机分离是造成不同组织、不同细胞在不同的发育期，突变mtDNA所占的比例发生改变的主要原因。在连续分裂过程中，异质性细胞中突变型mtDNA和野生型mtDNA的比例会发生漂变，向同质性的方向发展。

细胞在减数分裂时，异质性mtDNA突变型的比例在不同世代交替间变化显著。人的卵母细胞中约有100 000个线粒体，然而卵母细胞经历减数分裂发育成熟时，绝大多数线粒体会丧失，数目会减少到10～100个。这种卵细胞形成期mtDNA数量锐减的过程，称为遗传瓶颈（genetic bottleneck）。此后，经胚胎的早期发育，每个细胞的线粒体数目又可能达到10 000个以上。通过遗传瓶颈，只有随机的一小部分mtDNA进入成熟的卵细胞传给子代，若保留下来的mtDNA恰巧携带一种突变的基因，使得在发育完成之后的个体中部分子细胞及其分化形成的成体组织细胞含有大量携带突变基因的线粒体。因此，对于有mtDNA异质性的女性，瓶颈效应导致生成异质mtDNA的数量及种类各不相同的卵细胞，造成子代个体间明显的异质性的差异；加之阈值效应，子女中得到较多突变mtDNA者将发病，反之则不发病或病情较轻。

mtDNA的结构特点及所在位置使其具有极高的突变率（比核DNA高约10～20倍），其原因在于：① mtDNA分子上无核苷酸结合蛋白，缺少组蛋白的保护，而且缺乏有效的多种DNA损伤修复机制，修复能力有限。②人线粒体基因排列非常紧凑，无内含子序列，有些基因之间没有间隔，甚至是重叠，因此任何突变都会累及基因组中一个重要的功能区域。③ mtDNA存在于线粒体基质内或依附于线粒体内膜，接近电子传递系统，在持续产生的大量氧自由基的环境下，更易受到损伤。④mtDNA复制频率较高，且复制时不对称，亲代H链长时间处于单链状态，易发生点突变。⑤参与mtDNA复制合成的DNA聚合酶γ较参与nDNA合成的DNA聚合酶α、β识别能力低，易发生复制错误。mtDNA高突变率使得个体和群体中的序列差异较大，多态性也较高。人群中可含有多种中性到中度有害的mtDNA突变，但有害突变会因为选择而消除。因此，突变的mtDNA较普遍，但线粒体基因病并不常见。

致病性mtDNA突变一般具有以下特点：①突变位点在进化上较为保守，突变导致核苷酸或氨基酸替换，或基因编码产物的生物学功能丧失；②突变导致的生化损伤和疾病的临床表型能够分离；③当突变是异质性突变时，组织损伤程度与mtDNA突变型比例呈一定的正相关。

通常发生在13个蛋白质的编码序列上，导致编码的氨基酸发生改变，进而影响氧化磷酸化相关酶的结构及活性，使细胞氧化磷酸化功能下降。该类型突变主要与脑脊髓性及神经性疾病有关，如Leber遗传性视神经病和神经肌病。

由mtDNA突变所引起的疾病中，2/3的碱基突变发生在与线粒体蛋白质翻译有关的 tRNA或 rRNA基因，其中线粒体tRNA基因发生的突变占1/2以上。这类突变影响mtDNA编码的全部多肽链的翻译过程，会引起线粒体内蛋白质合成效率的改变，导致呼吸链中多种酶合成总量下降。mt-tRNA基因突变所导致的疾病比错义突变所致的疾病更具有系统性的临床特征，并且与线粒体肌病相关，代表性疾病有线粒体脑肌病乳酸中毒及卒中样发作（MELAS综合征）、母系遗传的肌病及心肌病等。发生于 rRNA基因的点突变也与线粒体病的发生有关，如氨基糖苷类诱导性耳聋。

以缺失突变更为多见，缺失片段可以从1kb到8kb大小不等，缺失片段的侧翼有重复序列。大片段的缺失往往涉及多个基因，通过影响呼吸链复合物的合成，而导致线粒体氧化磷酸化功能严重下降。片段缺失的量和组织分布是临床症状发生的决定因素。此种突变多见于一些神经性及退行性疾病中，如Kearns-Sayre综合征；此外，绝大多数的眼肌病是由缺失突变引起，这类疾病常常散发而无家族史。

以拷贝数目减少为主，mtDNA的拷贝数大大低于正常，这种突变较少，仅见于一些致死性婴儿呼吸障碍、乳酸中毒或肌、肝、肾衰竭的病例。