线粒体DNA与肺部疾病的研究进展

毛明清，李男，宋楠，加慧，李云霞，夏书月*

（1.沈阳医学院内科学专业2016级硕士研究生，辽宁 沈阳 110034；2.内科学专业2015级硕士研究生；3.沈阳医学院附属中心医院呼吸内科）

线粒体DNA（mtDNA）是真核细胞中唯一存在的除核DNA外的遗传物质［1-3］。每个细胞中有几百至几千个线粒体，且每个线粒体中又有2～10拷贝的mtDNA。近年来，由于分子生物学技术的迅速发展，mtDNA在肺部疾病的诊治及预后中的作用受到广泛关注。线粒体在氧化磷酸化的同时产生大量自由基、mtDNA较核DNA的易突变性，以及mtDNA与细菌DNA的同源性等，使得mtDNA与肺部疾病的早期诊断、发生发展及预后有着密切关系。本文就mtDNA与肺部疾病的关系进行综述。

1 mtDNA的结构与生物学功能

1.1 mtDNA的结构 线粒体有内外两层膜封闭，包括外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能区隔。人mtDNA是含有16 569 bp的闭环双链分子，有轻、重链之分，又可分为编码区和非编码区两个区域［1］。其编码区共37个基因，其中13个基因编码氧化磷酸化所需的13种多肽，包括复合物I（NADH脱氢酶）中的7个亚基（ND 1-6、NDS），复合物Ⅲ（细胞色素C还原酶）中的1个亚基（Cytb），复合物Ⅳ（细胞色素C氧化酶）中的3个亚基（COI-Ⅲ）以及ATP合成酶的2个亚基（ATPase6、ATPase8）；同时，mtDNA还可以编码合成蛋白和生成ATP必需的22种tRNAs和2种rRNAs（16SrRNA、12SrRNA）。mtDNA无内含子，唯一的非编码区为D-loop区，是mtDNA复制转录的调控区，含有基因复制起点和负责转录调控的启动子区。

1.2 mtDNA的生物学功能 线粒体是细胞凋亡的主要位点，也是细胞内氧化应激的源头［4］。线粒体可以通过线粒体通透性转换孔（mtPTP）调节细胞凋亡，内源性活性氧（ROS）是线粒体电子传递链发生氧化磷酸化反应时伴随产生的副产品［1］。mtDNA缺乏染色质结构，不与组蛋白结合，且不被核膜所包裹，因此易受氧化损伤。此外，ROS会损伤线粒体脂质和蛋白质，并诱发mtDNA发生突变［1］。而mtDNA本身又缺乏有效的DNA氧化损伤修复系统。因此，与核DNA相比，mtDNA更易发生突变。

Margulis在1970年提出了“线粒体形成的内共生学说”，即在真核细胞的进化过程中，细菌由于被原始真核细胞吞噬，在长期互利共生中逐渐演化形成了现在的线粒体，而被吞噬细菌的DNA则演化成了现在的mtDNA［2］。研究显示，mtDNA与细菌DNA的免疫刺激活性类似，可以被机体固有的PRR免疫系统识别，从而激活炎症反应［4-6］。因此，mtDNA本身具有独立于线粒体代谢的内源性致炎作用。

2 mtDNA与肺部疾病

2.1 mtDNA与肺癌 原发性支气管肺癌，简称肺癌，为起源于支气管黏膜或腺体的恶性肿瘤。在我国，肺癌发病率为肿瘤的首位，并由于早期诊断不足致使预后差［7］。肺癌患者出现症状就诊时大多已属于晚期（Ⅲ／Ⅳ期），因此显著提高生存率，仍有赖于早期诊断、规范治疗和评估预后。由于mtDNA有长度较短、分子结构简单及数量大等特点，使得外周血游离mtDNA成为倍受瞩目的肿瘤早期监测分子工具［8］。江磊［9］指出，mtDNA突变在早期癌组织中大量存在，但在周围的正常组织中少有发现，提示其可能成为肺癌检测的早期指标提供依据。Huang等［10］研究发现，在肺癌患者中，mtDNA作为筛查、诊断或预后工具的临床实用性很弱。而Yang等［11］研究发现，mtDNA突变在肺癌患者的呼出气冷凝液中更常见，可能作为肺癌患者筛选、诊断或预后的临床实用工具。李林海［3］研究表明，mtDNA突变可削弱正常的细胞线粒体呼吸功能，释放高水平的ROS，进而增加肿瘤发生的危险性，所以认为肿瘤发生与mtDNA有密切关系。mtDNA的突变不仅在肿瘤的检测上有一定的意义，在肿瘤的治疗上也有一定意义。可以根据肿瘤细胞和正常细胞线粒体结构和功能的差异，设计一种源头创新的抗肿瘤药物，其药学机制为靶向突变的mtDNA且优先破坏肿瘤细胞，而对正常细胞无影响或仅有很小的毒性。

王红梅等［12］研究发现，mtDNA含量降低可能与非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）的发生、转移、治疗和预后具有密切关系。薛金良［13］研究发现，mtDNA 16390A/G 和16519T/C基因多态性与晚期NSCLC患者生存期相关，G或T碱基携带者生存期显著长于A或C碱基携带者。江磊［9］研究发现，mtDNA突变主要集中于HVRII区的OH区，突变率最高的位点是73和263位点，可为基因诊断提供参考。郑世珍［14］通过对我国西南地区汉族人群肺癌易感相关性实验研究发现，mtDNA单倍型与肺癌易感性密切相关：mtDNA单倍型D和F是个体罹患肺癌的保护因素，单倍型G和M7是个体罹患肺癌的危险因素。Qi等［15］研究发现，在NSCLC患者中高度突变的mtDNA 10398G患者比低度突变的mtDNA 10398G患者有更长的总生存期（P＜0.05），低度突变的mtDNA 10398G异质性可能作为NSCLC患者预后不良的标志物。祁月潇等［16］研究发现，mtDNA含量低且10398A的NSCLC患者的总生存期显著短于mtDNA含量高且10398G的患者，所以mtDNA含量和10398的基因型可能会成为预测NSCLC的新分子靶标。Fang等［17］研究发现，整个线粒体基因组有高频率的体细胞突变，因此从整个mtDNA基因组中检测体细胞突变，在一定程度上可作为中国人肺癌诊断的工具。Xu等［18］研究发现，线粒体基因组DNA拷贝数是线粒体功能维持和细胞代谢获取能量的关键，诱导NSCLC的上皮-间质转化（EMT）伴随着mtDNA拷贝数的增多，表明能量代谢可促进NSCLC的EMT过程。Ma等［19］研究表明，在A549肺癌细胞中，CXCL12通过极化线粒体再分配诱导肺癌细胞迁移，完整的mtDNA对线粒体再分配和CXCL12诱导的趋化反应是极其重要的。

2.2 mtDNA与急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合征 急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）是指由各种肺内和肺外致病因素所导致的急性弥漫性肺损伤和进而发展的急性呼吸衰竭。急性肺损伤（ALI）和ARDS是造成呼吸衰竭及多器官功能障碍的主要原因之一，病死率高达35%～40%［20］。Nakahira等［21］研究发现，在分析仅有脓毒症或ARDS患者时，mtDNA浓度的升高增加了患者的死亡风险。何谦等［22］研究表明，没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）可以通过保护线粒体、减少mtDNA的释放，从而降低百草枯导致的肺组织炎症反应水平。常玉立［23］在mtDNA激活内皮细胞引起ALI的实验研究中发现，临床浓度的mtDNA即可早期活化微血管内皮细胞（PMECs），增加其通透性，使其高表达黏附分子ICAM-1、E-selectin及血管活性因子vWF、EGDF等，提示创伤使组织细胞破裂，释放mtDNA等成分入血，并且激活中性粒细胞和PMECs是创伤后全身炎症反应综合征（SIRS）的启动因素。动物实验证实临床水平的线粒体可溶性碎片经大鼠尾静脉注射后能诱发系统性炎症，其主要活性物质是mtDNA和线粒体甲酰化蛋白，二者均可激活循环中的中性粒细胞，引起系统性炎症［23］。Ruchko 等［24］指出，mtDNA损伤可能是氧化导致肺动脉内皮细胞凋亡的触发物，了解mtDNA修复的限速决定因素可能成为干预ALI的新靶点。Zhang等［25］研究发现，mtDNA含有未甲基化的CpG基序，表现出免疫刺激能力。LPS以依赖于TLR4的方式诱导mtDNA的释放，而且mtDNA以依赖于TLR9而不依赖于TLR4的方式导致ALI和全身性炎症反应。Lee等［26］研究发现，mtDNA以损伤相关分子模式（DAMPs）存在于浓缩红细胞、新鲜冰冻血浆（FFP）及血小板中，从而为mtDNA介导输血相关ALI提 供 证 据 。 Sun等［27］研 究 发 现 ，mtDNA DAMPs在炎症病理条件下增加内皮细胞通透性，从而证明mtDNA DAMPs可能会成为ALI重要的治疗目标。Kuck等［28］研究发现，mtDNA DAMPs介导细菌诱导的灌流大鼠肺血管损伤的前馈循环，mtDNA与铜绿假单胞菌对血管滤过系数（Kf）的影响通过Toll样受体9（TLR9）的寡核苷酸抑制剂，靶向线粒体的Ogg1以及通过将DNaseⅠ添加到灌注介质中而减弱。所以深入研究mtDNA在ALI/ARDS发病机制中的具体作用，不仅可以为寻找新的治疗靶点奠定理论基础，而且也有望在疾病的始动环节上控制ALI的发生。

2.3 mtDNA与慢阻肺、哮喘以及慢阻肺-哮喘重叠综合征（ACOS） 慢性阻塞性肺疾病简称慢阻肺（COPD），是以持续性气流受限为特征，这种气流受限通常呈进行性发展，与气道和肺部对有害颗粒物或气体的增强的慢性炎症反应有关［29］。哮喘是一种异质性疾病，通常以慢性气道炎症为特征。ACOS的特征是持续性气流受限，同时具有与哮喘相关的特征和与COPD相关的特征。由于COPD复杂的病理生理特点，其发病机制迄今尚未完全明了，遗传易感性研究也无突破性进展。戢福云等［30］研究发现，具有mtDNA单倍型M7的个体易患COPD，而单倍型D和F则有助于个体抵御COPD的发生，其分子机制尚待深入阐明。Carpagnano等［31］研究表明，在炎症/氧化呼吸道疾病中，分析呼出mtDNA与nDNA的比值，可作为一个新的呼出非侵入性标志物。Carpagnano等［32］在新的研究中发现，在ACOS患者中，mtDNA/nDNA比值增加，可知这种疾病存在线粒体功能障碍，这使得它更倾向于COPD而不是哮喘。因此mtDNA/nDNA的比值可作为鉴别诊断哮喘、COPD和ACOS的一个有效标志物。Konokhova等［33］研究表明，与健康对照组相比，COPD患者肌肉中氧化损伤的DNA（8-OHdG）水平显著更高，mtDNA缺失率更高。Liu等［34］研究发现，COPD与白细胞mtDNA拷贝数和血清谷胱甘肽浓度降低有关，其是由白细胞线粒体调节紊乱所致。

2.4 mtDNA与睡眠呼吸暂停低通气综合征 睡眠呼吸暂停低通气综合征（sleep apnea hypopnea syndrome，SAHS）是由多种原因导致睡眠状态下反复出现低通气和（或）呼吸中断，引起间歇性低氧血症伴高碳酸血症以及睡眠结构紊乱，进而使机体发生一系列病理生理改变的临床症状，包括：中枢型（CSAHS）、阻塞型（OSAHS）和混合型（MSAHS）［35］。 临 床 上 最 常 见 的 SAHS 是OSAHS［35］，患者多伴不同器官的损害。所以，对此疾病的早发现、早诊断和早治疗对患者健康极其重要。李红［36］研究发现，OSAHS患者的mtDNA D-Loop区存在大量变异位点，多为多态性现象；且mtDNA变异位点可能与OSAHS患者的临床表现及并发症有密切联系；携带不同变异位点的OSAHS患者的临床表现各不相同。Lacedonia等［37］研究发现，OSAHS患者诱发的氧化应激可致mtDNA损伤，间歇性缺氧可能是导致这一过程的主要机制。兰国斌等［38］研究发现，单纯OSAHS或高血压患者线粒体清除ROS的功能减退，促使细胞内ROS水平明显增加，损伤mtDNA，OSAHS合并高血压患者的损伤更加严重。因此，OSAHS促发血压升高可能是通过损伤线粒体功能从而增加细胞内ROS浓度发生氧化应激所致。

2.5 mtDNA与肺纤维化 肺纤维化是肺组织损伤后常见的病理过程，表现为早期的弥漫性炎症，后期的成纤维细胞过度增殖和细胞外基质过度沉积，最终可引起呼吸衰竭，死亡率高达50%～70%［39］。目前认为氧化应激和细胞凋亡是肺纤维化的主要发病机制［4］。近几年研究发现，氧化应激诱导的mtDNA损伤促进肺泡上皮细胞（AEC）的细胞凋亡和肺纤维化，OGG1/ACO-2/SIRT3/mtDNA轴在调节促进肺纤维化的细胞信号传导中发挥重要作用，OGG1表达下调增强了石棉所致的肺纤维化，因此，mtDNA可能成为肺纤维化新的治疗靶点［40-42］。Gazdhar等［43］在多变量模型中研究发现，mtDNA缺失及mtDNA编码的呼吸链功能障碍标记物与肺TGF-β1浓度和预测肺纤维化显著相关。

2.6 mtDNA与肺炎 肺炎是指终末气道、肺泡和肺间质的炎症，可由细菌、病毒、真菌、寄生虫等致病微生物，以及放射线、吸入性异物等理化因素引起。mtDNA作为重要的DAMPs，富含去甲基化的CpG序列，CpG单核苷酸通过TLR9受体，介导丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）磷酸化，上调NF-κB而进一步诱导炎症反应［44］。姜慧［45］研究发现，肺炎链球菌溶血素通过依赖Caspase，并涉及p38MAPK信号通路激活的方式激活线粒体途径，诱导人急性单核细胞白血病单核细胞株（THP-1）凋亡。牟向东等［46］研究发现，PCR法检测肺孢子菌mtDNA对肺孢子菌肺炎（PCP）具有极高的临床诊断价值，特别是痰液的PCR检测，可以作为一种无创的诊断方法，值得推广。

综上所述，mtDNA在肺癌、ALI/ARDS、COPD、哮喘、ACOS、SAHS、肺纤维化、肺炎等肺部疾病的发生发展中发挥重要作用。目前，mtDNA作用于肺部疾病的具体调控机制尚不十分清楚。随着精准医疗的不断发展，对mtDNA相关机制的深入研究，将为其作为新的靶点进行肺部疾病的诊断、治疗与预后奠定基础。

［1］郑世珍，李福祥，钱桂生，等.线粒体DNA遗传变异与人类环境适应性［J］.中华肺部疾病杂志：电子版，2011，4（6）：517-520.

［2］顾晓凌，宋勇.线粒体DNA在急性肺损伤发生、发展中的作用［J］.中华肺部疾病杂志：电子版，2012，5（4）：349-350.

［3］李林海.线粒体DNA突变与乳腺癌风险相关性研究［D］.广州：南方医科大学，2015.

［4］唐美岸，何振华.线粒体在肺纤维化发病机制中的作用及进展［J］.中国实用医药，2010，5（2）：241-243.

［5］ Sparwasser T， Miethke T， Lipford G B，et al.Bacterial DNA causesseptic shock［J］.Nature，1997，386（6623）：336-337.

［6］ Krieg AM.The role of CpG motifs in innate immunity［J］.Curr Opin Immunol，2000，12（1）： 35-43.

［7］方子文.电视胸腔镜下解剖性肺段切除联合系统性淋巴结清扫在IB期老年高危非小细胞肺癌患者切除术后生存及预后因素的研究［D］.广州：南方医科大学，2016.

［8］彭小红，姚安琪，周福祥.外周血游离线粒体DNA与肿瘤相关性的研究进展［J］.临床肿瘤学杂志， 2014，19（11）：1048-1052.

［9］江磊.线粒体DNA中D-Loop突变在非小细胞肺癌中的意义［D］.蚌埠：蚌埠医学院，2013.

［10］ Huang CY，Chen YM，Wu CH，et al.Circulatingfreemitochondrial DNA concentration and its association with erlotinib treatment in patients with adenocarcinoma of the lung ［J］.Oncol Lett，2014， 7（6）：2180-2184.

［11］ Yang AS， Hsu K， Herbert C， et al.Mitochondrial DNA mutations in exhaled breath condensate of patients with lung cancer［J］.Respir Med，2013，107（6）：911-918.

［12］王红梅，戴纪刚.原发性非小细胞肺癌中线粒体DNA含量变化的研究［J］.中国肺癌杂志，2011，14（2）：141-145.

［13］薛金良.线粒体DNA D-Loop区16390和16519位点基因多态性与晚期非小细胞肺癌预后的关联性研究［D］.石家庄：河北医科大学，2012.

［14］郑世珍.线粒体DNA遗传变异与我国西南地区汉族人群肺癌易感相关性实验研究［D］.重庆：第三军医大学，2012.

［15］ Qi Y， Wei Y， Wang Q， et al.Heteroplasmy of mutant mitochondrial DNA A10398Gand analysis of itsprognostic value in non-small cell lung cancer［J］.Oncol Lett，2016，12（5）：3081-3088.

［16］祁月潇，徐会，周福祥.非小细胞肺癌中线粒体DNA含量及A10398G位点多态性的预后价值［J］.武汉大学学报（医学版），2015，36（3）：369-373.

［17］ Fang Y， Huang J， Zhang J， et al.Detecting the somatic mutations spectrum of Chinese lung cancer by analyzing the whole mitochondrial DNA genomes［J］.Mitochondrial DNA ，2015，26（1）：56-60.

［18］Xu Y，Lu S.Transforming growth factor-β1-induced epithelial to mesenchymal transition increases mitochondrial content in the A549 non-small cell lung cancer cell line［J］.Mol Med Rep，2015，11（1）：417-421.

［19］Ma J，Zheng J， Li Y， et al.CXCL12 induces lung cancer cell migration by polarized mtDNA redistribution ［J］.Hum Cell，2014，27（1）：22-28.

［20］孙红双，吕菁君，魏捷.急性肺损伤发病机制及治疗的未来研究趋势［J］.医学研究杂志，2016（1）：181-183，158.

［21］ Nakahira K，Kyung SY，Rogers AJ，et al.Circulating mitochondrial DNA in patients in the ICU as a marker of mortality：derivation and validation［J］.PLoS Med，2013，10 （12）：e1001577.

［22］何谦，熊骥，曹钰，等.EGCG通过减少线粒体DNA水平减轻百草枯导致急性肺损伤的实验研究［J］.西部医学，2016， 28（6）：759-762.

［23］常玉立.线粒体DNA激活内皮细胞引起急性肺损伤的实验研究［D］.北京：中国人民解放军医学院，2013.

［24］Ruchko MV，Gorodnya OM，Zuleta A，et al.The DNA glycosylase Ogg1 defends against oxidant-induced mtDNA damage and apoptosis in pulmonary artery endothelial cells［J］.Free Radic Biol Med，2011，50（9）：1107-1113.

［25］ Zhang L，Deng S，Zhao S，et al.Intra-peritoneal administration of mitochondrial DNA provokes acute lung injury and systemic inflammation via Toll-like receptor 9［J］.Int JMol Sci，2016，17（9）：E1425.

［26］Lee YL，King MB，Gonzalez RP，et al.Blood transfusion products contain mitochondrial DNA damage-associated molecular patterns：a potential effector of transfusion-related acute lung injury［J］.JSurg Res，2014，191（2）：286-289.

［27］ Sun S， Sursal T， Adibnia Y， et al.Mitochondrial DAMPs increase endothelial permeability through neutrophil dependent and independent pathways［J］.PLoS One， 2013， 8 （3）：e59989.

［28］ Kuck JL，Obiako BO， Gorodnya OM，et al.Mitochondrial DNA damage-associated molecular patterns mediate a feedforward cycle of bacteria-induced vascular injury in perfused rat lungs［J］.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol， 2015， 308（10）：L1078-1085.

［29］孙永昌.哮喘-慢阻肺重叠综合征指南解读［J］.中国呼吸与危重监护杂志，2014，13（4）：325-329.

［30］戢福云，郑世珍，李福祥，等.mtDNA遗传变异与COPD遗传易感相关性研究［C］.上海市肺科学会和美国ACCP联合会议，2012.

［31］ Carpagnano GE， Lacedonia D， Carone M， et al.Study of mitochondrial DNA alteration in the exhaled breath condensate of patients affected by obstructive lung diseases［J］.JBreath Res，2016，10（2）：026005.

［32］Carpagnano GE， Lacedonia D，Malerba M，et al.Analysis of mitochondrial DNA alteration in new phenotype ACOS［J］.BMC Pulm Med，2016， 16：31.

［33］ Konokhova Y，Spendiff S，Jagoe RT，et al.Failed upregulation of TFAM protein and mitochondrial DNA in oxidatively deficient fibers of chronic obstructive pulmonary disease locomotor muscle［J］.Skelet Muscle， 2016， 6：10.

［34］ Liu SF，Kuo HC，Tseng CW，et al.Leukocyte mitochondrial DNA copy number is associated with chronic obstructive pulmonary disease［J］.PLoSOne，2015，10（9）：e0138716.

［35］葛均波，徐永健.内科学［M］.8版.北京：人民卫生出版社，2014.

［36］李红.线粒体基因组D-Loop区基因多态与男性OSAHS患者的相关性研究［D］.温州：温州医学院，2008.

［37］Lacedonia D，Carpagnano GE，Crisetti E，et al.Mitochondrial DNA alteration in obstructive sleep apnea［J］.Respir Res，2015，16：47.

［38］兰国斌，蔡少雄，王智泉，等.阻塞性睡眠呼吸暂停综合征和高血压的线粒体功能临床研究分析［C］.中国转化医学和整合医学研讨会，2015.

［39］赵新元.UFPs通过肺泡上皮细胞自噬紊乱诱导肺纤维化的机制研究［D］.杭州：浙江大学，2016.

［40］ Kim SJ，Cheresh P，Jablonski RP，et al.The role of mitochondrial DNA in mediating alveolar epithelial cell apoptosis and pulmonary fibrosis［J］.Int JMol Sci，2015，16 （9）：21486-21519.

［41］ Jablonski RP，Kim SJ，Cheresh P，et al.SIRT3 deficiency promotes lung fibrosis by augmenting alveolar epithelial cell mitochondrial DNA damage and apoptosis ［J］.FASEB J，2017， 31（6）：2520-2532.

［42］ Cheresh P，Morales-Nebreda L，Kim SJ， et al.Asbestosinduced pulmonary fibrosis is augmented in 8-oxoguanine DNA glycosylase knockout mice ［J］.Am J Respir Cell Mol Biol，2015，52（1）：25-36.

［43］Gazdhar A，Lebrecht D， Roth M， et al.Time-dependent and somatically acquired mitochondrial DNA mutagenesis and respiratory chain dysfunction in a scleroderma model of lung fibrosis［J］.Sci Rep，2014，4：5336.

［44］曾俊莉.线粒体DNA抑制脂多糖诱导的肺部炎症反应及相关机制研究［D］.广州：南方医科大学，2015.

［45］姜慧.肺炎链球菌溶血素诱导THP-1细胞凋亡涉及p38MAPK信号通路的激活［D］.重庆：重庆医科大学，2012.

［46］牟向东，宿立，王广发.PCR法对非AIDS患者肺孢子菌肺炎诊断的临床对照研究［C］.中华医学会第七届全国呼吸道感染学术大会暨第一届多学科抗感染治疗学术研讨会，2011.