摘要 ：线粒体基因组突变及编码线粒体结构蛋白的核基因突变与疾病的发生是当前生物医学领域研究的热点之一。线粒体DNA (mtDNA)缺陷会引起细胞或组织氧化磷酸化异常，导致器官机能
摘要：线粒体基因组突变及编码线粒体结构蛋白的核基因突变与疾病的发生是当前生物医学领域研究的热点之一。线粒体DNA (mtDNA)缺陷会引起细胞或组织氧化磷酸化异常，导致器官机能障碍和疾病。而mtDNA的复制、校正修复功能主要依赖于由核基因POLG基因编码的DNA聚合酶γ (DNAPolγ)。据近几年的最新研究表明，POLG基因的突变将会通过mtDNA的异常(包括mtDNA的丢失(depletion/loss)、多重缺失 (multi-deletion)、点突变(point mutation)等)引起不同类型的线粒体疾病。据报道在普通人群中，POLG基因功能的遗传性变异接近于0.5%，并且在这个基因的诸多外显子中已陆续发现了较多的致病突变，这些突变在临床症状上主要表现为普通的神经功能障碍，例如：偏头痛、癫痫、帕金森(氏)综合征等。本文就核基因POLG基因对mtDNA复制调控及致病表达的分子机制的研究进展作简要回顾和综述。
关键词：线粒体DNA (mtDNA);线粒体疾病;POLG基因;
近年来, 线粒体DNA (mtDNA) 突变与疾病之间的关系已逐渐成为医学遗传学、分子遗传学领域研究的一个热点。线粒体功能障碍特别是氧化磷酸化缺陷将导致一系列临床表现多样的疾病，即线粒体疾病。据保守估计该病发生率约为1/6500[1]。研究表明mtDNA有着与核DNA (nDNA)截然不同的遗传特点, 较多的人类疾病都与mtDNA 突变的发生密切相关[2]。线粒体是哺乳动物细胞质内唯一具有遗传物质并且属于半自主性的细胞器，而mtDNA的校正修复机制对线粒体行使其正常功能具有非常重要的意义，其复制要受到核基因的严密控制，任何与mtDNA复制有关的核基因的改变都将影响线粒体的正常功能，特别是编码与mtDNA复制和校正修复有关的聚合酶(DNA聚合酶γ)的核基因——POLG基因。许多线粒体疾病患者都有POLG基因的突变被发现，并表现出很多不同的临床表征。遍及整个POLG基因已有超过100个不同的显性或隐性突变被发现，这些突变有些具有家族遗传的特点，有些是散发性，还有一部分至今还是不明原因。迄今为止，所有已发现或新发现的POLG基因突变都可以在人类DNA POLG基因数据库网站查询到(http://tools.niehs.nih.gov/polg/)。因此, 从分子遗传学角度对控制mtDNA复制的核基因进行研究可以揭示线粒体疾病的发生、发展及其遗传规律, 从而为线粒体疾病的诊断、治疗及其预防提供科学的依据。目前有些mtDNA 突变与疾病之间的关系已经基本弄清, 而编码线粒体结构蛋白的核基因、调控mtDNA复制、校正修复的核基因的突变与mtDNA之间关系尚未明了，还有待进一步研究。
1 人类线粒体基因组的分子遗传学特征
线粒体是真核细胞内最主要的能量来源，在每个细胞里约有103～104个线粒体，其功能是通过氧化磷酸化产生ATP。每一个线粒体基质中含2～10个mtDNA。mtDNA是独立于细胞核染色体外的基因组并具有编码功能。它是由16569个碱基对[3]组成的环状闭合双链DNA分子，外环为重(H)链, 内环为轻(L)链, 两条链均有编码功能，共有37个基因，其中13 个是与线粒体氧化磷酸化(Oxidative Phosphorylation ，OXPHOS) 有关的蛋白质基因，2种rRNA(12S rRNA和16S rRNA)和22种tRNA基因，这些都是装配有功能的线粒体蛋白合成系统所必需的。
mtDNA 有着独特的分子遗传特征：①母系遗传：由于在受精过程中，精子仅以其头部与卵子融合，但是精子的线粒体集中于尾部，所以受精卵中的线粒体几乎仅有卵细胞提供，由精子提供的mtDNA不足0.1%。因此线粒体疾病呈母系遗传特点，不符合孟德尔遗传规律;②异质性：每个细胞中含有成百上千个线粒体和数以千计的mtDNA 拷贝, 因此细胞可以是正常mtDNA 和突变mtDNA 的混合体(异质性);③高突变率：mtDNA缺乏组蛋白的保护和必要的修复机制, 又直接暴露于OXPHOS 过程中产生的高反应氧中, 因此有着比nDNA 高10～20 倍的突变率;④高利用率：mtDNA 各基因之间排列紧凑, 无内含子, 部分区域还出现重叠, 因此任何mtDNA 的突变都可能影响到其基因组内的一个重要功能区域;⑤阈值效应：突变的mtDNA 是否在组织产生表型效应, 依突变mtDNA 与正常mtDNA 的相对比例和该组织对线粒体产生的ATP 的依赖程度而定, 突变mtDNA 需要达到一定程度才足以引起组织器官功能改变;⑥协同作用：mtDNA 基因的表达受nDNA的制约， 二者协同作用参与机体代谢调节和发病[4~6]。mtDNA本身能够独立自主地进行复制，线粒体蛋白同时被细胞核及mtDNA所编码，无论是线粒体基因组或者是相关的核基因组，其中任何一个编码线粒体蛋白基因的突变都可能导致细胞功能的减退甚至丧失，从而使影响氧化磷酸化过程[7]。
2 POLG基因与mtDNA复制调控
2.1 POLG基因及其编码蛋白的分子遗传结构
虽然，mtDNA能够独立自主地进行复制并且能够编码一些与功能相关的酶，但其复制还要受到核基因的严密调控。与核基因仅在细胞分裂时复制一次不同，线粒体基因不依赖于细胞周期在不断的进行循环复制[8~9]，并且mtDNA每一次的复制都依赖于多个核编码蛋白，这些核编码蛋白中就包括DNA聚合酶γ (Pol-γ)[10]，这是目前已知的唯一一个参与mtDNA复制和校正修复的DNA聚合酶 [11]。编码这种酶的基因是位于15和17号染色体上的POLG基因。mtDNA的复制和校正修复功能就是依赖于POLG基因编码的这种DNA聚合酶γ来完成。据相关报道，这种DNA聚合酶γ已经在生化水平和分子遗传学水平上做过相关的研究分析，证明其在mtDNA复制和校正修复中起着至关重要的作用[12~13]。POLG基因所编码的DNA聚合酶γ全酶是一个大小为195-KDa的异质三联体，这个异质三联体由一个催化亚基和两个相同的附属亚基组成[14]。位于人类15q25染色体上的POLG基因被命名为 POLG1 基因，它编码DNA聚合酶γ的催化亚基(Pol γA)，该基因共有23个外显子，其中在第1个外显子存在CAG三核苷酸重复序列，2~23个外显子具有编码mtDNA聚合酶的功能 (图 1)。研究证明，成熟的催化亚基 (Pol γA)是一个大小为140-KDa的多肽，由羧基端的聚合酶结构域和氨基端的3’→ 5’ 核酸外切酶结构域组成，具有5′→3′ DNA 聚合酶活性和3′→5′ 核酸外切酶校正活性以及5′ 端dRP 裂解酶活性，其中氨基末端的核酸外切酶结构域能够通过提高酶的校正活性来提高mtDNA复制的保真度。
图 1 人类POLG1 基因及其所编码的催化亚基 (Pol γA)[17]
Fig.1 Human POLG1 gene and Human Pol γA protein
同时催化亚基的氨基酸序列在不同物种中具有高度的保守性 (图 2)。
图 2 不同物种中催化亚基保守结构域示意图 [18]
Fig. 2. Schematic linear organization of the pol γ catalytic subunit with conserved domains in different species
另一个定位于染色体17q24.1上命名为POLG 2的基因，编码一个大小为55-KDa的多肽称为Pol γ B或者称附属亚基[15]，它与氨酰tRNA合成酶在结构上具有同源性，在mtDNA复制时可以增强DNA聚合酶A即催化亚基与模板DNA 之间的亲和力，使催化亚基能高效的绑定在模板DNA上，促进mtDNA的复制，并且还涉及复制引物的识别过程，从而增强聚合酶的持续合成能力[16]。
2.2 mtDNA复制及复制调控的关键酶——DNA聚合酶γ (DNA —Polγ)
2.2.1 人类mtDNA 复制的特点和相关机制
mtDNA 复制具有以下几个与核DNA复制不同的特点：第一，mtDNA 复制在不同生物类群中存在多种复制方式，普遍以D—环复制为主 (少数也有θ型复制以及滚环复制);第二，mtDNA 复制过程中涉及到的相关酶和调控因子都是由核基因编码，受到自身基因组与核基因组的双重调控;第三，核DNA 复制准确地在每个细胞分裂时期复制一次，而mtDNA 可以发生多次复制，甚至不发生复制，且通常两条链的复制不是同步的。
人类mtDNA的复制主要以D 环复制的方式进行[19], 即mtDNA 复制的链替换模型(strand-displacement model)，这也是目前公认的大多数脊椎动物包括人的mtDNA 复制的经典模式[20]。哺乳动物及人类mtDNA 的D 环复制过程大致由4个阶段组成，包括：(1) H 链的首先合成：在H 链复制起始点以L 链为模板，首先合成一从轻链启动子转录而来的RNA 引物，然后由DNA 聚合酶γ催化合成一个500～600 bp 长的H 链片段，该片段与L 链以氢键结合，将亲代的H 链置换出来，产生一种D 环复制中间物;(2) H 链片段的延伸：在各种复制相关酶和因子的作用下，复制叉沿着H 链合成的方向移动，新生成的短的H 链片段继续合成;(3)L 链合成的开始：随着原来的H 链被取代，D—环越来越大，当D 环膨胀到环形mtDNA 约2/3 位置时，即暴露出L 链复制的起始位点，单股DNA 吸引mtDNA 引物酶合成第2 个引物，并以原来的H 链为模板开始L 链DNA 的复制; (4) 复制的完成：H 链合成首先完成，L 链的合成随后结束，RNA 引物的去除，完整的DNA 环的连接，最后以环状双螺旋方式释放。
2.2.2 DNA聚合酶γ 对mtDNA 复制的调控作用
维持线粒体基因组功能的正常，需要大量因子参与其复制、修复和表达等过程。与核基因复制相类似，参与mtDNA 复制体系的相关酶和因子主要包括：DNA Polγ、 mtSSB 、引物酶、解旋酶、连接酶、拓扑异构酶以及原料dNTP等 (图 3)。mtDNA 复制必需要有RNA 引物存在，因此，是一个转录依赖的复制体系，其调控主要发生在复制起始阶段这一重要的环节，其中最主要涉及到DNA Polγ—mtSSB—模板—引物之间的相互作用和调节，以及复制起始点RNA 引物的合成与去除。由于参与mtDNA 复制过程的酶和相关蛋白因子都是由核基因编码的，从而使得其调控机制与核基因密切相关。
在mtDNA复制过程中，引发mtDNA产生突变的因素有很多，突变主要来源于其复制时碱基的错配、插入等，或者是其它原因造成的损伤。所以，维持复制的忠实性就需要有相应的复制调控机制的存在，在这些调控机制中最主要涉及到的就是POLG基因编码的DNA聚合酶γ的校正修复、错配修复、重组修复、DNA 切除修复等功能。
在动物线粒体中，DNA Polγ是线粒体专用的DNA 复制酶，既具有持续合成mtDNA 链的功能，又具有校正修复功能。在果蝇的DNA Polγ的2 个亚基相关研究证实，随着mtDNA 复制的进行，由于编码DNA Polγ的mRNA 量降低，导致mtDNA 复制效率下降，且β亚基在复制中起到重要的控制作用，在DNA复制时，能够加强α亚基的稳定性[21-22]。此外，DNA Polγ催化亚基的编码基因的持续表达[23]，以及结构的变异包括突变、缺失都会导致人类某些类型细胞的mtDNA 复制发生生理上的变异，这些变异包括mtDNA丢失、mtDNA多重缺失、多位点的点突变等。另外，一旦DNA Polγ 遭受到氧化损伤，mtDNA复制与修复能力也会有所下降，从而导致mtDNA突变率的上升[24]。以上研究皆证明，在mtDNA 复制过程中，凡是影响到DNA Polγ合成的相关因素都会与mtDNA的正常复制有着或多或少的关联。
图 3 人类mtDNA 复制体系[18]
Fig. 3. The system of human mtDNA replisome.
3 POLG基因与线粒体疾病
由于线粒体生物合成和功能调控受核基因组和线粒体基因组两套遗传系统共同作用。与线粒体功能相关的核基因发生突变则必然导致线粒体功能的异常，从而导致相关的线粒体疾病的发生。据目前研究所知，与线粒体疾病相关的核基因突变大致包括以下几大类：①维持mtDNA 结构与功能稳定性的因子，即编码线粒体结构蛋白的核基因突变;②编码线粒体氧化磷酸化过程复合物的结构亚单位和编码氧化磷酸化复合物的装配因子的核基因发生突变;③参与线粒体生物合成的因子，如：线粒体结构完整性、线粒体代谢、离子平衡、线粒体蛋白质输入相关因子等。在此，我们就以上第一类，编码线粒体结构蛋白的核基因中的POLG基因突变与线粒体疾病做如下讨论：
自2001年，在POLG1基因上发现第一个与进行性外眼肌麻痹(progressive external ophthalmoplegia,PEO)的发病有关的致病突变后[25]，对POLG基因的研究逐渐成为线粒体疾病研究的热点之一。随后，在弥漫性进行性脑灰质变性、婴儿肝脑综合征、帕金森病甚至男性不育等疾病中均发现与POLG1基因的突变相关[26]。这些疾病所共有的特征都是患者患病组织的mtDNA都有不同程度的丢失或缺失。迄今为止，在POLG1基因上大约发现了150多种致病突变，这使POLG1基因成为与线粒体疾病相关的一个主要的核基因研究热点。与此同时，除了POLG1基因与PEO及mtDNA异常具有一定的关联外，还发现了POLG 2基因突变与PEO及其他一些线粒体疾病也存在着一定的联系[26]。
3.1 POLG1基因的致病突变
3.1.1 首个发现的与POLG1基因突变相关的疾病
首个POLG1基因的致病突变是进行性外眼肌麻痹(progressive external ophthalmoplegia,PEO)，研究者提取患者骨骼肌的mtDNA研究发现，其骨骼肌mtDNA都有不同程度的多重缺失，这种缺失导致了细胞色素C氧化酶 (线粒体呼吸链复合体IV)的缺陷[27-28]。在临床上以进行性肌无力导致双侧眼睑下垂为主要特征，发病年龄主要在20-40 岁，其他征状还包括共济失调、感觉神经耳聋、白内障、帕金森氏症、精神失常等。
随后，对那些已知有mtDNA缺失病人的POLG1 基因进行检测，发现那些病人大多携带有POLG1基因杂合突变[29]。POLG1 基因编码的DNA 聚合酶γ对保持线粒体基因组的完整性和行使正常功能具有至关重要的作用，因此，一旦该基因某些重要位点发生了突变将会导致DNA 聚合酶γ结构的改变，进而产生严重的线粒体疾病。POLG2 基因编码2 个完全相同的附属亚基，具有调节催化亚基的功能。三者共同组成一个195KD 的异源三聚体，催化mtDNA 复制和校正修复。POLG1 突变是PEO 发生的主要原因，PEO 患者中约有50%是由该基因突变引起的。目前已鉴定出POLG蛋白的隔离区存在A467T和S748W两个氨基酸突变热点。据Zeviani等[30]对小鼠mtDNA聚合酶催化亚基 (PolgA)结构和功能的研究发现，小鼠的PolgA包括一个N- 端核酸外切酶区域(在DNA复制过程中具有校正功能)和一个聚合酶区域(具有初始mtDNA链模板指导合成功能)，这2个区域共同作用保证聚合酶的催化与校正活性。而携带POLG 1基因突变的小鼠，其DNA聚合酶校正修复功能却会出现不同程度的缺陷，再对这些携带POLG 1基因突变小鼠的mtDNA进行检测，发现这样的小鼠会不断的积累mtDNA的突变、缺失，最终导致小鼠早衰[30]。
3.1.2 最常见的POLG1基因的致病突变
目前已发现，几乎在绝大多数与POLG1基因突变相关的线粒体疾病中都可以找到A467T氨基酸突变 (其核酸位点为G1399A)，如弥漫性进行性脑灰质变性、神经共济失调综合症、进行性外眼肌麻痹等。与人类POLG基因相关的近50多种导致疾病突变中，位于POLG1基因第7个外显子中的A467T (核苷酸位点为：G1399A)突变最为常见，据Goethem等[31]的报道，在0.6%的比利时人群中都可找到该位点的突变。在全部英国人群中该位点突变率甚至可达0.69%[32]，而在挪威人群中竟达到1%之多[33]。在患有线粒体疾病的人群中A467T突变频率是所有POLG基因相关疾病突变位点的36%[32-33]。如此高的突变频率使得A467T位点成为目前已知最常见的POLG基因的致病突变位点。
Sherine S等，从杆状病毒感染的昆虫细胞中分离纯化得到了具有A467T (G1399A)突变的DNA聚合酶 (p140)，该位点突变基因所编码酶的聚合酶活力大大下降，只有野生型的4%，但在很多与该位点突变相关的疾病中，突变杂合子一般无明显的临床症状[34]。这些线粒体疾病都有着不同的组织特异性、发病年龄和临床症状。
在DNA聚合酶γ中Ala-467位于外切酶和聚合酶结构域的连接区，在生物进化中高度保守。Sherine等[34]利用多种不同的研究手段对DNA聚合酶γ第467位Ala进行研究显示：通过对果蝇的Ala-467位点定点诱变，其结果显示：POLG1的外切酶结构域和连接区结构域是140-kD的催化亚基和一个a55-kDa附属亚基相互作用的关键区域;Sherine等[34]又通过生物化学手段分析得知，A467T突变后会使聚合酶的催化活性大大下降，导致mtDNA复制障碍;通过蛋白功能和生理研究 (包括持续合成能力研究、热失活研究、NEM保护作用等)显示，A467T位点的突变会使其与附属亚基 (a55-kDa附属亚基)相互作用大幅度的降低甚至丧失。通过以上的研究表明，POLG1基因第7个外显子的A467T氨基酸位点突变可能是导致mtDNA的丢失和 缺失积累的重要因素之一。
3.3.3 POLG1基因突变与帕金森病
Vyas等[35]，在l-甲基-4-苯基-l，2，3，6-四氢吡啶(MPTP)诱导的帕金森小鼠模型中发现了线粒体氧化呼吸链酶复合物I的活性下降及多巴胺能神经元的变性死亡后，人们就开始怀疑线粒体与帕金森的发病有关。随后在帕金森患者的组织中亦发现黑质纹状体的线粒体酶复合物I活性下降[36]。将帕金森患者血小板mtDNA移入无mtDNA的神经母细胞留细胞中(胞质杂交)，可发现细胞表现出酶复合物I活性下降，活性氧簇(ROS)产生增加，对1-甲基礴-4-苯基吡啶离子(MPP+)诱导的细胞凋亡的敏感性增强，进一步证明了mtDNA在帕金森发病过程中的作用[37]。
POLG蛋白为mtDNA复制惟一的DNA聚合酶，而作为编码该聚合酶重要催化亚基的POLG1基因突变，则是导致mtDNA多发缺失最为常见的原因。Maneuso等[38]，利用测序及酶切的方法，在2个患有早发性帕金森综合征(PDS)及PEO患者中，找到了在POLG1基因的16号外显子上存在一个Y831C (核苷酸位点：A2492G)的杂合突变。Maneuso等，再进一步通过Sonthem-blot和生化分析的方法，发现POLG1基因Y831C氨基酸位点杂合突变的个体都伴有多发的mtDNA丢失和 缺失及线粒体呼吸链多种酶复合物活性的下降。
与此同时，Luoma等[39]，收集了若干个帕金森病家系，对POLG1基因的外显子及外显子之间的连接区进行测序，结果在3个帕金森病家系中同时发现了T955C (核苷酸为A2864G)的突变，该突变位点位于POLG1基因编码核酸外切酶结构域的外显子处。在其他的家系中又发现了3个新的突变，分别是：N468D (核苷酸为A1402G)、A1105T (核苷酸为G3316A)、R953C (核苷酸为C13906T)。而在家系中的健康人群及对照中均未发现上述突变。经临床评估显示，帕金森病与POLG1基因突变有显著的共分离现象。为进一步了解帕金森病家系中T955C氨基酸位点突变对POLG蛋白结构以及对mtDNA复制修复的影响，Ponamarev等[40]，在S.F9细胞中通过定向诱导突变表达Y955C突变的蛋白。Y955C蛋白仍具有野生型的催化效率，但对环境中dNTP的亲和力则下降了约45倍。对于保真度的研究显示，Y955C衍生型比起野生型在错配碱基校正的精确性上下降了2倍。核酸外切酶活性的丧失导致错配率上升了10 ~ 100倍。可见正是由于POLG蛋白功能的大幅度改变，致使mtDNA出现异常，引发与线粒体功能异常。
目前，线粒体可能参与帕金森病的发病已经成为线粒体疾病的一个研究热点。而POLG1基因突变，引起的mtDNA随意发生的点突变及缺失量的增加以及凋亡标记物的累积增多，似乎可以解释对能量缺乏较为敏感的多巴胺能神经元的进行性死亡。虽然已有POLG1基因与帕金森病相关性的少量小样本研究，但是POLG1基因突变型帕金森是否存在性别、年龄分布上的区别，POLG1基因的突变频率、突变类型、热点突变区等，都还缺少大规模的研究。
3.2 POLG 1基因的CAG三核苷酸重复序列
在POLG1基因的第1外显子中存在着CAG三核苷酸重复序列，CAG三核苷酸重复序列编码mtDNA聚合酶催化亚基N末端的多聚谷氨酰胺[41]，而该酶N末端的核酸外切酶结构域能够通过提高酶的校对活性来提高mtDNA复制的保真度[42]。CAG三核苷酸重复数目的遗传改变是人类的一种突变类型，在通过生殖细胞传递时，有可能是不稳定的。目前已知CAG三核苷酸重复多态性和许多疾病相关，包括肌强直性营养不良、帕金森病、甚至男性不育症等[43]。Krausz等[44]对POLG1基因CAG三核苷酸重复分析发现，在正常人群中最为常见的是(CAG) 10等位基因，其次为(CAG) 11等位基因，而对意大利人群的POLG1基因的研究显示，意大利人群中CAG三核苷酸重复数分布于5～12不等。2006年，姚楠等[45]首次报道中国人群中POLG1基因10 /10基因型频率接近93% ，要大于欧洲人群。另外，在欧洲人群中存在not 10 /not 10纯合突变基因型，而中国人群中没有发现此类基因型。这提示了POLG1基因CAG三核苷酸重复数目在欧洲和中国人群中可能存在人种差异。
3.2.1 CAG重复序列与帕金森病
目前，已证实POLG基因突变与帕金森病存在着一定的联系，在已发现POLG基因的变异中除单核苷酸变异外，POLG1基因第一外显子CAG三核苷酸重复序列的多态性与帕金森病之间是否也有相关性呢?
2005年，Taanman等[46]，对22个帕金森患者和31个正常人POLG1基因的CAG重复序列的多态性研究发现，原发帕金森病患者CAG重复序列正常率为82% (以10 /10基因型视为正常)，对照组正常率为84%，结果经卡方检验，CAG重复数目的分布差异在两组间无统计学意义。虽然之前已有研究证实，其他基因CAG重复序列的不稳定可导致神经变性病，然而POLG1基因CAG重复序列的不稳定性却并非原发帕金森病的常见致病机制[46]。但多方面的研究及报道，均提示POLG1基因其他外显子的点突变可能与帕金森病的发病有关。
3.2.2 CAG重复序列与男性不育症
迄今为止，在男性不育研究结果显示，还未发现精子mtDNA的启动子区域发生过异常，因而提示参与mtDNA复制的唯一聚合酶，即POLG蛋白可能是导致mtDNA突变的主要原因。关于POLG基因突变如何导致精子生成或运动障碍，目前有越来越多的证据表明POLG基因编码mtDNA聚合酶催化亚基的POLG1基因第一外显子的CAG三核苷酸重复多态性可能与精子生成的调节有关。据推测，CAG三核苷酸重复数目的增加可能会损伤聚合酶的功能，进而造成精子中突变的线粒体因缺乏该DNA修复酶而积累，最终导致突变线粒体的总和超过阈值，使线粒体不能提供足够的能量，精子活动力及质量下降，从而不能完成受精过程[47~48]。Rovio等[49]推论mtDNA聚合酶γ在(CAG) 10等位基因双缺失的基因型，即not 10 /not 10基因型中校正活性会降低，而导致mtDNA突变的积累，进一步削弱精子能量的新陈代谢及使精子生成功能发生紊乱，最终引起男性不育。最近Krausz等[44] 通过对195例意大利男性不育患者及190例对照组男性POLG1基因CAG三核苷酸重复数目的分析，结果显示POLG1基因型与精子生成和精子功能并无显著相关。 因此，Krausz等[44] 推测可能存在一种精子特异性蛋白可与该聚合酶相互作用, 并且非(CAG) 10重复序列能够减弱这种作用。研究者普遍认为多聚谷氨酰胺是蛋白质与蛋白质相互作用的界面，因此精子特异性蛋白就是通过聚合酶的这一区域与之相互作用，从而影响mtDNA的复制过程[44] 。Rovio等[49]和Jensen等[50]的研究表明，在欧洲人群中POLG1基因与男性不育明确相关，但这一结果尚未得到其他研究者的证实。姚楠等[45]对中国男性不育患者的研究显示，POLG1基因型在对照组和男性不育组中的分布也无统计学差异(P > 0. 05)，但在弱精子症患者组中存在10 /not10基因型比例大于少精子症组和无精子症组的趋势。
目前，国内外针对POLG1基因CAG三核苷酸重复多态性与男性不育是否相关尚无定论，但由于发现弱精子症患者中存在10 /not10 基因型增高趋势，因此，可以建立动物模型、mtDNA突变定量分析等方法，继续深入研究POLG1基因的CAG三核苷酸重复与精子发生障碍，特别是精子运动障碍的相关机制，包括确定POLG1基因CAG三核苷酸与男性不育的关系。
3.3 POLG 2基因的致病突变
作为编码线粒体DNA聚合酶附属亚基的POLG2基因发生突变也陆续与某些线粒体疾病有着相关的联系。2006年发了第一个POLG2基因的致病突变[51]，在患有进行性外眼肌麻痹 (progressive external ophthalmoplegia,PEO)人群中检测到了一个POLG2基因G451E氨基酸位点的杂合突变，这些患者的肌纤维都有不同程度的mtDNA多重缺失和细胞色素C氧化酶缺陷，而这些异常在正常对照组中均没有发现。在体外重组并培养G451E位点突变的细胞，再通过研究其附属亚基p55的功能发现，突变后的附属亚基虽然仍具有结合DNA的能力，但是在mtDNA复制时却大大降低了mtDNA 聚合酶催化亚基与DNA 之间的亲和力，同时也降低了聚合酶的持续合成能力[51]。而在体内，疾病的发生很有可能是由于单倍型异常或者是POLG2基因突变后这个异源二聚体发生改变，这些因素都将导致DNA复制叉结构的改变从而造成mtDNA缺失，随着mtDNA缺失的积累致使肌纤维中细胞色素C氧化酶缺陷，最终导致疾病的发生[51]。
G416A是第二个可能与线粒体疾病相关的POLG2基因突变[52]，在一些听觉缺失、中心视觉丧失、大红细胞性贫血以及性腺发育不全等严重的病人身上都陆续发现有POLG2的G416A突变，但是通过分析G416A突变的蛋白却发现，该位点突变后并没有严重损伤到附属亚基p55酶的功能，那就意味着它的突变与以上这些严重的临床表现没有直接的相关性，是否这个位点的突变会通过其他间接的途径导致疾病的发生还有待于进一步的研究。目前，对POLG2基因突变的研究还刚刚起步，该基因的突变是否会引起某些严重的线粒体疾病将待更加深入的研究。
4 问题与展望
自2001年第一个POLG基因的致病突变发现后，POLG基因就成为了近年来研究线粒体疾病的一个热点，据推测该基因的突变与许多人类线粒体遗传疾病有密切相关。据Wong 等[53]的研究表明，他研究发现的所有POLG基因突变中，错义突变占了92.5% ，而移码突变和无义突变只占了所有突变的7.5%。与此同时，他又选取了61例患有严重线粒体遗传疾病的患者，对他们的POLG基因相关位点进行突变检测，在这61例线粒体遗传疾病患者中有27例患者的POLG基因有不同程度的突变，突变频率竟高达44 %。由此可见，POLG基因突变与线粒体遗传疾病有着密切的关联。
目前有关POLG基因与线粒体遗传疾病的研究已取得一些成绩, 但仍存在很多亟待进一步研究的问题: (1)虽然，有关POLG基因与PEO等疾病的关联已有一定的了解，但是我们还有许多与该基因相关的疾病有待研究，例如：帕金森(氏)综合征、男性不育症等;(2)在POLG基因的诸多突变类型中，为什么有些突变会引起mtDNA的缺失 (deletions)有些会引起mtDNA片段的丢失 (depletion)，而又有部分突变引起了mtDNA的点突变，这些不同类型的mtDNA异常又将如何促使疾病的发生?(3)诸如组织特异性、发病年龄、环境因子这些外在因素是否也与POLG基因异常有关?这些外在环境因素又是通过POLG基因来调控线粒体基因组的改变?
综上所述，线粒体功能缺陷是引起神经系统、心血管系统、甚至肿留等多种疾病的重要原因，有关POLG基因和线粒体基因突变与线粒体疾病临床表型的相互关系研究已取得一定的进展，而对该基因调控线粒体基因的深入研究是未来的研究重点。
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