线粒体DNA疾病

这样极低含量的基因通常不能达到病理性阈值(Cravenet al., 2011)。瓶颈阶段的mtDNA可能导致下一代女性胚胎中的异质性基因扩增，不过近期报道显示这种交叉转移不会超过5%，不足以引起疾病。因此，这两种技术都是安全的(Samuels et al., 2013)。 现代治疗的潜在问题

虽然这些在临床上使用的现代治疗在很大程度上被认为是足够安全的,但在关于人群接受治疗后mtDNA的表现上仍然存在一些不确定性。在这些不确定性的问题得以解决之前，理所应当的应该对现代治疗的临床应用加以限制，除非没有更好的选择，否则不应该使用。有严重的表型和存在致病性同质DNA突变的家庭是最佳的治疗人选，因为在经典治疗方案中他们唯一能受益的只有卵母细胞捐赠。然而这样的家庭是相对罕见的。很大程度上是因为要证明同质突变是致病原因很困难却又至关重要。因此第一家庭选择正确的治疗方式将势在必行。

目前最有可能也符合伦理的试点测试已经在动物模型和（异常的）人类胚胎上进行过了，有积极的结果。 然而，接受这些治疗的人群产生的后代的mtDNA后续行为仍然存在问题，这些问题已经被研究人员标记下来，并在论文中提及了。这些问题虽然不是mtDNA治疗理念的致命缺陷，但它们的确表明了这些治疗相关的一些不确定性。它们全部都与第三方“受体”的mtDNA单体有连接，这些第三方受体提供了拥有健康mtDNA的卵母细胞。在一个随机的配对中，捐赠者和受供者的单体相差有可能非常大：对人类的mtDNA成对比较显示多达130个单核苷酸多态性（SNP）的差异（（Blanco et al., 2011），从而导致位于mtDNA的蛋白质编码区域的20个氨基酸的变化（Craven etal.,2011））。平均两个欧洲人或两个非洲人就会分别在29.3和78.3点位发生变化(Lippold et al.,2014)。因此一个相当复杂的核DNA和不同的mtDNA的混合物就会出现包含了患者（供体)及其父亲的核DNA，无核受体卵母细胞的mtDNA的大部分以及假定的野生型mtDNA（单体B）和小部分携带患者的mtDNA（单体A，如果供体是异质的，它也许既不是突变型也不是野生型）。从而这三种不同的mtDNA就能最大程度的在胚胎中表现出来，其中健康的野生型单体B组成了绝大多数，大约99%。这个新的单体无论是对患者还是父系核DNA都是异物，这样结合的意义目前为止尚未被探索。

第一个潜在的问题涉及核-线粒体之间的相互作用（图3A）。能量的生成依赖核基因和mtDNA之间广泛的相互作用（Johnson et al., 2001; Reinhardtet al., 2013）。通常子代的mtDNA是从父系的染色遗传而来。这种联合遗传被认为是促进核-线粒体的交流。然而，当细胞核传输时，这个联合转运就被干扰了，并且mtDNA面临一个完全未知的核DNA。这样的情况很有可能导致一些并发症，雄性鼠的mtDNA-核错配时，一些生理参数如呼吸，行为（（Nagao et al.,1998），种间/亚种间异质）以及学习（（Roubertoux et al .,2003),亚种间异质）能力都下降了。男性尤其暴露于风险中，因为mtDNA的母体遗传特性意味着自然选择的一些重要方面仅仅在雌性身上才起作用，也就是说，正如LHON里探讨的那样，mtDNA突变的积累被促进了，这种积累对雄性有害。然而，近来一些论点提出，男性过度的视神经病变可能还有其他致病原因（例如雌激素水平的降低，因为雌激素似乎可以减轻LHON中的线立体功能损伤。（Giordano et al.,2011)),并且在猕猴和鼠模型上的研究支持:在现代治疗下，

核-线粒体相互作用即使真的产生影响，其影响也也很有限。近来的研究发现在老鼠胚胎干细胞中，mtDNA单体规定了基因表达的模式，因此，核DNA-mtDNA相互作用无疑取决于mtDNA单体。然而，在异种线粒体老鼠上进行的活体实验显示，和线粒体系统似乎有能力代偿高水平的变异。在这些以小家鼠基因背景下负载着土色mtDNA的异种线粒体鼠身上，并没有观察到消极的活体反应。相反的，conplastic种群负载着一系列不同的mtDNA（M.m.驯养种群，但也属于M 小家鼠的一种）以及M.m.驯养种群的核，在这个种群中，观察到了行为差异以及不同的实验性自身免疫性脑脊髓炎（roubertoux et al.,2003;Yu et al.,2009）。这种并发症有一部分是由于一个特定的mtDNA单体上单个突变造成的，这个特殊的mtDNA单体是被用于该项实验中（也被用于少数其他实验中）的New Zealand Black（NZB）（Moreno-Loshuertos et al.,2006,2013）。在体细胞克隆实验中发现：供体细胞和其受体卵母细胞的一个特定mtDNA基因差异甚至可能对进化有益。mtDNA-线粒体mRNA拷贝数率与各自的单倍型的差异也许能为mRNA水平的同型异源性的必要性提供支持的论证（Bowles et al.,2008)。

因此，当nDNA-mtDNA错配造成的轻微毒性在一些实验中被观察到时，似乎细胞有足够的应变能力来对付一定范围内的异型性和基因差异造成的错配。

第二个潜在的问题涉及mtDNA-mtDNA的相互作用（图3B）。如上所述，在胚胎中可以表达多达三种不同的mtDNA(少量的微小变化除外（He et al.,2010;Ye et al.,2014））。不同的人类mtDNA类型表现为氧化磷酸化（OXPHOS）程度上的差异，这可能是由于在进化过程中为了适应不同的气候或能量需求而引起的，而进化论仍然是至今被讨论的争议性话题（详见Wallace and Chalkia，2013）。如果不同的单倍型被混合在一起，即使是在细胞核转运后少量的混合，会发生什么？在老鼠身上，即使携带的任何一种单倍体都是100%健康的，同亚种的mtDNA单倍型混合后也会造成生理变化（例如高血压，体重改变，血液参数（Acton et al.,2007））和行为改变（Sharply et al.,2012）。在异质性程度小于5%时很可能不足以造成严重的临床表现，但仍然需要进一步研究来确定准确的有意义的错配阈值。

第三个现在问题涉及mtDNA隔离，它是指在一个细胞中，一种类型的mtDNA主导另一种类型。这种情况最简单的例子就是;如果突变的mtDNA比未突变的mtDNA有增殖优势，那么即使突变mtDNA最开始只是很小的一部分，最终也会占领整个细胞。正如下将会论述到的，即使在被人们所熟知的疾病中，能够支持mtDNA突变产生这种积极隔离作用的证据也是不充足的。然而，非病理性mtDNA的隔离也许对mtDNA治疗是更为切题的讨论点。如果受影响的女性的mtDNA单体在健康的受体卵母细胞中经历了增值优势（不考虑致病性突变），极小数量的一群供体的移行mtDNA便能够在细胞总体中占主导。（图3C)。

在这个过程中，供体mtDNA的扩增仅仅是由于等位基因的原因，并没有任何致病性突变造成的特殊的隔离。这样的机制可以导致致病性突变的扩增，即使那种突变并不影响隔离。特别指出，如果正在增值的供体mtDNA单体同致病性突变结合在一起，那么由于单倍体隔离造成的扩增会导致伴随的突变的扩增，则有可能会引起其子代及其后代达到致病水平，这个通过单倍体扩增“搭便车”的过程可

由图3C表示。

出于两个原因，我们聚焦于隔离造成的影响。首先，前面所述的移行mtDNA的现象可能会造成一种情况，这种情况远远没有被明确描述过，当几种不同种类的mtDNA同时在一个细胞里表达时，这种情况下隔离需要被考虑到（St John 与Schatten，2004）。其次，正如我们之后将会叙述的，尽管几乎从未被论述过，但有实验证据表明不同的mtDNA单体之间的隔离可能是一个显著的影响，而对另外两个问题的实验证据就更缺乏了。 致病性突变的隔离

由于在培养基中记录到的mtDNA突变和进行性的隔离可能造成巨大的生理并发症（Hayashi et al.,1991;Dunbar et al.,1995;Emmerson et al.,2010）有人也许会期望病理性突变能够造成嫉妒的隔离效应。尽管这个论点极具争议（Craven et al。，2010），却有在人体疾病相关的突变造成隔离的好例子存在。（Larsson et al.,1990;Poulton et al.,1995;Weber et al.,1997)。据我们所知，mtDNA突变的水平总是低于有丝分裂后的组织，如肌肉和脑（Ciafaloni et al.,1992;Larsson et al.,1992;Rahman et al.,2001）。一个可能的原因是由于在组织中有缺陷的细胞和健康的细胞的快速替换（Rahman et al.,2001）。

在包含野生型mtDNA和能导致致命性肾衰竭的4696-bp缺失的mtDNA混合物的老鼠体内（表示为DmtDNA）观察到随着时间增加DmtDNA倾向于在一些组织内积累（例如心脏、骨骼肌、肾、肝脏、睾丸和卵巢）（Sato et al.,2007）。然而这个模型不能清楚的概括在人类身上的发病，原因有三点：第一，肾衰竭在人类mtDNA疾病中并不常见，即使有，也极少的见于mtDNA缺失的报道里；第二，这样的重新排列是母系遗传而来，包含了mtDNA的副本以及缺失，二者都不常见于人类的mtDNA疾病；第三，在女性体内，mtDNA突变水平随着年龄下降，这样的趋势不能反映在人类身上的调查结果（Chinnery et al.,2004）。无论如何，这个模型的确概括了组织细胞有丝分裂之后mtDNA突变的积累，它似乎是人类mtDNA疾病的普遍情况。

在负载有少量有毒tRNA突变（m.3875delC)的鼠模型里，通过一种在成长的胚胎的细胞或细胞器水平发挥作用的机制，突变负荷被降低了，这与对下文即将详述的对种间牛卵质转移的观察结果相一致（Ferreira et al.,2010）。在老鼠模型中，这个影响取决于最初来自母体的异质性;比起母体，子代有着更高的异质性和更低的平均异质性。作者们认为这样的转换在妊娠期一定是在细胞或细胞器水平发生的。然而，由于无法找到>80%的mtDNA都已突变的卵母细胞，有可能这个影响对卵母细胞的发育起作用。

这些发现与在种系的纯化选择-一个清除高毒性突变的机制-中表现相一致，尤其是在那些蛋白质编码区域。在含有严重ND6突变mtDNA以及野生型mtDNA的异质性老鼠体内，纯化选择已经被直接观察到了。在这些老鼠中，经过四代以内的繁殖，突变被选择性的清除掉，而更温和的细胞色素氧化酶（COI）突变被保存下来。

最近，在负载有导致温度敏感性线粒体功能失常的COI突变的异质性果蝇身上，显示出纯化选择

的一个可能的机制是在细胞器水平对合适的线粒体的选择性增殖（Hill et al.,2014）。

因此这是在动物模型中，病理性mtDNA的隔离的一些证据，尤其涉及对明显有毒性作用的mtDNA的选择。

基因性不同的mtDNA的隔离

为了阐明控制非致病性mtDNA单体之间隔离的机制，采用了卵质转移和分裂球融合的方法来创造出异质性动物模型，运用天然存在的没有特别致病性突变的单倍体。最有名的例子是包含了NZB mtDNA以及普通实验室老鼠品种的mtDNA混合物的异质性老鼠品系。实验室老鼠品种mtDNA几乎没有变异（GOIOS et al.,2007），在NZB种系中只有极少数会表现为与普通的CISmtDNA显著的基因差异。

在NZB/CIS模型中，两种天然存在但基因性不同单体混合物（属于同亚种）会导致组织特异性隔离效应;NZB mtDNA的比例随着时间变化，在肝脏和肾脏中逐渐增加而在血液和脾脏中逐渐减少。即使两种mtDNA都被认定是没有致病性突变的，这样的mtDNA混合物仍会导致如上所述（Sharpley et al.,2012）的有害的生理（Acton et al.,2007）及行为后果。有趣的事，与母体相比较，他们的子代表现出显著的NZBmtDNA水平的下降。这种差异在母体卵母细胞中已经可见了，但在妊娠期仍然有可能发生漂移。这为种系中发生的直接隔离提供了论证，是前面提及的瓶颈效应的补充。

这种隔离效应的基本机制在很大程度上是未知的，在血液中，核基因被发现对隔离是有影响的，在两个mtDNA单体中91SNP被提倡并被广泛讨论，被认为对活性氧蔟tRNA生产链的影响负责（Moreno-Loshuertos et al.,2006）。也许解释为何异质性是有害的最具说服力的观点就是关于进化的那一点。变形蛋白质阅读框架以及不同单体型之间的细小差异的共同演化确保了多聚体媒化合物保持高的效率。

然而，当这些不同的单倍型出现异质性，小的变化会削弱化合物的效率。值得注意的是，NZB小鼠品系比别的单体型生出更多的ROS。即使这些ROS产物本身并没有生理性毒性，其差异也会造成毒性反应机制，使子代倾向于降低NZBmtDNA水平，这个机制有可能发生在细胞和（一部分）细胞器水平（wallace 和Chalkia，2013）。

卵质转移隔离在其他模式的机体内的研究是有限的，在牛体内，种间卵质转移揭示了胚泡发育期和妊娠期间间种族隔离的影响。b.p.indicus mtDNA随着时间呗移除。另外，观察到了在两个种间老鼠模型的效应（M.m.musculus/M.m.domesticus,TableI）。

然而，利用天然的mtDNA的NZB模型已经在异质性模型领域占主导地位有近20年。我们对于mtDNA的大部分知识都是基于这个最突出也研究最透彻的异质性模型得出来的，但他的隔离效应是否是特例，以及其他mtDNA单体型组合是否会造成不同的结果，我们还不得而知。

最近，为了解决这个问题，我们生产了四个卵质传递的老鼠模型，将各种从欧洲的野生老鼠身上捕捉到的天然的mtDNA单体放到共同的实验鼠和核环境中（C57BL/6N）。我们是用的野生型单体展现了在C57BL/6N背景下的遗传学差异频谱，从而使我们能够控制遗传距离（从非常相似的单体，到从相当大数量的人类mtDNA里随机选择的不同的单体，如上所述）。我们还建立了一个数学框架来促进这