全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第21卷 第2期
2009年4月
Vol. 21, No. 2
Apr., 2009
文章编号 ：1004-0374(2009)02-0291-04
线粒体 DNA 与 DN A 甲基化的关系
王　萍， 房静远*
(上海交通大学医学院附属仁济医院，上海市消化疾病研究所，上海200001)
摘　要：线粒体DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)遗传信息量虽小，却控制着线粒体一些最基本的
性质，对细胞及其功能有着重要影响。m t D N A 的损伤与衰老、肿瘤等疾病的发生有关。D N A 甲基
化是调节基因表达的重要方式之一。mtDNA 基因的表达受核 DNA (nuclear DNA, nDNA)的调控，
m t D N A 和 n D N A 协同作用参与机体代谢调节和发病。本文就近年来 m t D N A 与 D N A 甲基化的关系作
一综述。
关键词：线粒体 D N A ；D N A 甲基化；基因表达；疾病
中图分类号：Q523; Q244; Q786　　文献标识码：A
The relationship between mitochondrial DNA and DNA methylation
WANG Ping, FANG Jing-yuan*
(Renji Hospital, Shanghai Jiaotong University School of Medicine, Shanghai Institute of Digestive Diseases,
Shanghai 200001, China)
Abstract: Mitochondrial DNA(mtDNA) determines the primary nature of mitochondrial and plays an important
role in cell function.The damage of mtDNA is associated with aging, tumor and other diseases. DNA methylation
is a major way to regulate gene expression. mtDNA expression is regulated by nuclear DNA. mtDNA and nDNA
participating in metabolic regulation and pathogenesy synergisticly. The relationship between mitochondrial
DNA and DNA methylation were reviewed here.
Key words: mitochondrial DNA；DNA methylation；gene expression；disease
收稿日期：2008-10-14；修回日期：2009-03-04
*通讯作者：jingyuanfang@yahoo.com
线粒体是真核细胞的能量代谢中心，其生物学
功能受细胞核和线粒体自身两个遗传体系的控制，
许多线粒体DNA (mitochondrial DNA, mtDNA)和相
关核DNA(nuclear DNA, nDNA)的变异与衰老、神
经退行性疾病、糖尿病以及肿瘤等疾病的发生有
关。DNA 甲基化是表观遗传修饰的主要组成部分之
一，对基因的表达起重要调节作用。m t D N A 和
nDNA 均参与组织特异性的形成、细胞代谢及疾病
发生。本文就 mtDNA 与 DNA 甲基化的关系作一综
述。
1　线粒体 DNA 的结构特征
线粒体是动物细胞中除核以外唯一含有DNA的
细胞器。1981年， Anderson等完成了mtDNA全序列
的测定，并绘制了详细的功能图谱[1]。mtDNA 呈双
链闭环结构，全长16 569bp，分为轻链(L链)和重链
(H 链)，两条链均具有独立编码功能。mtDNA 由编
码区和非编码区(包括D一loop区)组成。编码区编
码参与氧化磷酸化和生成ATP所必需的多肽，而非
编码区包含了重链的复制起点、重链和轻链的转录
启动子，是 mt D N A 分子复制和转录的调控中心。
mtDNA 含有 37 个基因，包括 2 个 rRNA 分子、22
个 tRNA 分子和编码氧化磷酸化系统的13 个蛋白质
亚单位 [2]。
人类mtDNA 的大小与nDNA的 6 x 109 bp 的组
成相比相差甚远。但是，mtDN A 的突变有其独特
的遗传特征：(1)母系遗传。(2)异质性：线粒体基
因突变可以产生突变含量介于 0 到 100% 之间的
292 生命科学 第21卷
mtDNA 突变体，人们将细胞或组织同时存在突变
型和野生型mtDNA 的状态称为异质性。(3)阈值效
应(threshold effect): 当突变负荷超过一定范围，野
生型 mtDNA 的数量不能维持呼吸链的功能时，组
织或器官就会出现异常，这种现象称为阈值效应。
人体不同组织、器官对mtDNA 突变的易感性存在
差异，能量需求低的部位(如肺、皮肤和韧带)对突
变不敏感，较高的突变负荷才能引发异常情况，即
阈值高；能量需求高的部位(如骨骼肌、脑、心、
肾小管和内分泌腺)容易受突变影响，较低的突变
负荷就能引起临床症状，即阈值低。(4 )广谱性：
mtDNA 的任何突变都可能累及人体基因组中的重要
功能区域部分，因此病理性mtDNA 的突变比nDNA
突变更为常见。 (5)高突变率：mtDNA 的突变率比
nDNA 高 10 倍以上 [3,4]。
2　线粒体 DNA 的损伤
有许多原因引起 mtDNA 的损伤，包括物理因
素、化学因素、药物、衰老等。最常见的是缺血
缺氧引起氧自由基及一氧化氮增多和 ATP 生成减
少，进而造成线粒体功能损伤、细胞凋亡和肿瘤发
生等。与 nDN A 相比，mtD N A 更容易受到氧化损
伤和诱变因素的攻击，原因可能在于：(1)线粒体
内膜的脂类含量高，亲脂性诱导突变的化合物容易
在mtDNA 附近积聚 ；(2)mtDNA 几乎不受组蛋白保
护 ；(3)mtDNA 缺乏完善的DNA 切除修复机制 ；(4)
mtDNA 中除了一小段D 环区域外，其他序列无内含
子，因此，任何 mtDNA 的突变都会影响到其基因
组内的一个重要功能区域；(5)线粒体内氧浓度很
高，易产生氧自由基及过氧化氢等活性氧簇
(ROS)，但本身不能合成谷胱甘肽将其有效去除 ；
(6)mtDNA 在整个细胞周期中都处于不断合成状态，
易受外界干扰，稳定性差[5,6]。产生的mtDNA 损伤
主要表现在：(1)mtDNA 结构改变：有核酸片段缺
失、碱基修饰、插入突变等，其中以 mtDNA 缺失
最常见。Kim 等 [7]提出 mtDNA 缺失主要发生在DNA
损伤后的修复阶段。 (2)mtDNA 拷贝数的改变。 (3)
mtDNA 的核内整合：当细胞内外环境有害因素增加
时，mtDN A 可能会整合到核基因组中，而如果该
整合恰好发生在癌基因或抑癌基因上，使癌基因激
活或抑癌基因失活，则可能导致癌症的发生。Shay
和 Werbin[8]在对 HeLaTG 细胞的研究中，发现了整
合在核基因组C-myc 基因位点中的细胞色素C 氧化
酶亚单位Ⅲ，产生的融合 mtRNA 同时具有 C-myc
和细胞色素 C 氧化酶亚单位Ⅲ的遗传信息。
3　DNA 甲基化
表观遗传学与传统意义上的遗传学不同，是指
可以影响基因转录活性而不涉及 DNA 序列的改变，
包括 D N A 甲基化、组蛋白修饰、染色质重构和
RNAi 调控。所谓 DNA 甲基化是指在DNA 甲基转移
酶(DNA methyltransferase，Dnmt)的作用下，以S-
腺苷甲硫氨酸(SAM)为甲基供体，将甲基基团转移
到胞嘧啶和鸟嘌呤(CpG)二核苷酸的胞嘧啶中5位碳
原子上。Dnmtl 主要起维持甲基化作用，Dnmt3a 和
Dnmt3b则以从头甲基化为主[9]。多种基因的启动子
区和第一外显子富含CpG，而CpG 相对集中的区域
称之为 CpG 岛。生理情况下 CpG 岛多为非甲基化
状态。基因组中大约 80% 的 CpG 位点处于甲基化
状态，它们主要分布于占基因组 99% 的非 CpG 岛
区、X 染色体、重复序列、原病毒等寄生性 D N A
序列中。细胞分裂复制的DNA子链必须进行适当地
甲基化修饰，否则遗传性不稳定、易变异，其染
色体脆性增加、易断裂 [10]。异常的甲基化常发生
在 CpG 岛，导致基因的失活，与肿瘤的发生发展
密切相关。人类肿瘤发生中常有总基因组DNA甲基
化水平降低、 癌基因低甲基化或抑癌基因启动子区
高甲基化[11]。
4 　线粒体DNA 与核DNA 甲基化的关系
除mtDNA 自身编码的37 个基因外，其余与线
粒体结构和功能相关的基因均由nDNA 编码，在胞
质中合成后再进入线粒体内发挥作用和 nDNA 编码
线粒体的聚合酶、核糖体蛋白和结构蛋白。线粒体
和核基因组之间的联系是双向的，两者协同调控细
胞凋亡和各种代谢途径[7]。线粒体转录因子(ATfam)
是由nDNA 编码的调节mtDNA 复制的关键分子，在
启动子区含有许多潜在的能够被甲基化的 CpG 岛。
在体外，Choi等[12]将 Tfam 启动子连接荧光素酶报
告基因，分别在SssI (CG)、HpaII (CCGG)及 HhaI
(GCGC)甲基化酶作用下使其甲基化，再瞬时转染
HepG2 细胞，然后检测荧光素活性。结果发现，与
未甲基化载体组比较，SssI和HpaII作用的甲基化
组和SV启动子驱动的对照组的荧光素酶活性的下降
均小于10%，提示SssI和 HpaII的作用位点不参与
调节Tfam启动子活性。相反，在HhaI作用下，启
动子活性抑制达到24.4%，而对照组没有变化。存
在于Tfam启动子上的核呼吸因子-1结合区域包含2
个HhaI 作用位点，并不包含HpaII 位点，提示核
293第2期 王　萍，等：线粒体 D N A 与 D N A 甲基化的关系
呼吸因子-1区域甲基化是引起Tfam启动子表达沉默
的一条途径，可以进一步减少 mtDNA 含量。这种
甲基化作用导致的基因表达沉默可能参与调控线粒
体生物发生和呼吸功能，进而引起人类许多疾病的
发生 。
同样，mtDN A 损伤也会影响 nDN A 的甲基化
状态。在缺血缺氧情况下，mtDNA 中 ROS 引起氧
化损伤的标志物8-羟基脱氧鸟苷(8-OHdG)含量显著
增多, 而 DNA甲基化水平降低[13]。在这过程中，8-
OHdG抑制了胞嘧啶的甲基化形成以及干扰甲基化转
移酶的功能，使 DNA 的甲基化水平改变，进而影
响相关基因的表达。Smiraglia等 [14]发现mtDNA拷
贝数变化也可以影响nDNA 的甲基化水平。他们通
过基因组限制性酶切扫描技术发现肿瘤细胞的nDNA
中有 64 个低甲基化区和 50 个高甲基化区。去除
mtDNA 后，有 22 个区域发生改变，其中 17 个出
现低甲基化，5 个转变成高甲基化。他们再次导入
mtDNA 后观察这些区域的变化，发现5 个高甲基化
区仍然保持甲基化状态，而17个低甲基化区域中的
5个则重新出现甲基化。以上结果表明mtDNA 减少
或缺失可以引起表观遗传改变，这种现象是复杂
的，呈部分可逆性，揭示 mtDNA 的拷贝数变化对
调控 nDNA 的甲基化水平具有重要作用。
叶酸是 DN A 合成、修复和甲基化的必需物质
之一。叶酸缺失可以引起遗传和表观遗传修饰的变
化。同样，叶酸缺乏引起 m t D N A 的损伤，诱导
mtDNA 大片段缺失。mtDNA 缺失和突变的累积在
衰老和肿瘤发生的过程中起重要作用。Crott等 [15]
分别以不足量、足量和补充量的叶酸饲养大鼠 20
周，发现随着饮食中叶酸量的增加，大鼠肝脏中
mtDNA 缺失的发生率下降。与叶酸不足量组比较，
足量组和补充量组 m t D N A 缺失发生率分别下降
54 .5 5 % 和 6 8 . 7 5 %。因此，补充叶酸可以减少
mtD N A 缺失的发生。
5　疾病与线粒体 DN A、D N A 甲基化
研究表明，线粒体DNA 异常与衰老、神经退行
性疾病、糖尿病以及肿瘤等疾病的发生有关，而DNA
甲基化异常参与了肿瘤等疾病的发生发展。nDNA 的
甲基化改变可以预测肿瘤的预后，而 mtDNA 的低
拷贝与肿瘤的预后不佳密切相关 [14]，因此，推测
两者之间可能存在联系，共同影响疾病的进展，现
将近年来的相关报道进行以下介绍。
5.1　前列腺癌　Xie等 [16]利用溴化乙啶诱导早期前列
腺癌的细胞株 LNCaP 产生mtDNA 缺失、mtDNA 减
少和 mtD NA 正常三组细胞，分别研究这三种情况
下内皮素B受体(the endothelin B receptor)、O6-甲
基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶(O6-methylguanine-DNA
methyltransferase)和E-钙黏附蛋白(E-cadherin)基因
启动子的甲基化水平。然后去除诱导， mtDNA 含
量恢复后再观察甲基化的变化。研究发现mtDNA 含
量减少可以诱导基因甲基化，mtDNA 的含量恢复后
则甲基化水平下降。实验还发现 m t D N A 含量、
DNMT1 表达和相关基因启动子高甲基化水平三者之
间关系密切，说明 mtDNA 含量可以调节肿瘤相关
基因 CpG 岛的甲基化状态，mtDNA 含量减少可能
参与肿瘤的发展，检测 mtDNA 量可能成为估计肿
瘤预后的重要手段之一。
5.2　胃癌　RUNX3 是一种抑癌基因，属于RUNXs，
定位于 1p36，其启动子甲基化可以使基因表达减
少。Gargano等 [17]检测了100例胃癌患者的肿瘤组
织中基因组微卫星不稳定(nMSI)和线粒体微卫星不
稳定(mtMSI)的变化，以及40 例胃癌患者的RUNX3
甲基化水平。结果发现 55% 胃癌患者存在 RUNX3
启动子甲基化，其中82%患者为稳定的微卫星不稳
定，5% 为低水平的微卫星不稳定，13% 为高水平
的微卫星不稳定(nMSI-H); 11% 患者发生mtMSI，
进一步的研究显示nMSI-H、mtMSI 和 RUNX3 甲基
化有关，说明在胃癌发生过程中，RUN X 3 甲基化
是导致 mtMSI 和 nMSI － H 的主要原因之一。
5.3　糖尿病　Jin等[18]报道在2型糖尿病和胰岛素抵
抗患者中存在线粒体功能障碍和mtDNA 的突变或缺
失，并且SAM与线粒体功能失调和胰岛素抵抗有关。
他们 研究了SAM与骨骼肌中线粒体密度和胰岛素敏
感性的关系，结果发现予以 SAM 治疗的 OLETF 大
鼠组，骨骼肌中 mtDNA 密度显著增加，并与胰岛
素敏感性的提高呈相关性，因而证实SAM可以增加
骨骼肌中 mtDNA 密度，从而进一步提高胰岛素敏
感性 。
5.4　其他　Dhillon 等[19]研究 发现男性不育症与
mtDNA 缺失和 GSTM1 启动子甲基化有关，但两者
之间具体联系还没有进一步的报道。
6　展望
mt DN A 作为核外的遗传物质，控制着线粒体
的基本功能，由于其分子结构简单、拷贝量多、无
组织特异性，mtDNA 突变与 mtDNA 相关疾病正越
来越引起人们重视。mtDNA 复制和转录都受 nDNA
294 生命科学 第21卷
的调控, 已经证实mtDNA 与 DNA甲基化存在一定关
联，但具体机制尚不清楚，比如两者之间相互影响
的具体途径怎样? 何为始发因素？相信随着研究的深
入，必将对相关疾病的诊断和预防产生深远意义。
［参 考 文 献］
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