《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research》：Mitochondrial DNA replication and genome stability: From mechanisms to therapeutic strategies
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摘要线粒体基因组的复制对于维持细胞能量转换至关重要，而该过程中的缺陷会导致严重的、进行性的线粒体疾病，长期以来缺乏治愈性治疗。这一局面正在开始改变：对复制机器的机制性认识已开始转化为治疗手段，首个具有疾病修饰作用的治疗方案近期已获批，其他治疗方案也正进入临床评估阶段。本文综述
摘要
线粒体基因组的复制对于维持细胞能量转换至关重要，而该过程中的缺陷会导致严重的、进行性的线粒体疾病，长期以来缺乏治愈性治疗。这一局面正在开始改变：对复制机器的机制性认识已开始转化为治疗手段，首个具有疾病修饰作用的治疗方案近期已获批，其他治疗方案也正进入临床评估阶段。本文综述了线粒体DNA复制的分子机制，重点讨论了复制起始、缺失形成和复制完成，并探讨了这些过程的新认识如何为线粒体疾病的治疗开辟新的可能性。
引言
线粒体是真核细胞中氧化能量转换的主要场所，其功能依赖于核基因组和线粒体基因组（mtDNA）的协调表达。当mtDNA复制失败时——无论是由于遗传性突变、后天损伤还是药物损害——后果都是严重的且往往不可逆的，首先影响的是能量需求最高的组织，如大脑、心肌和骨骼肌[1]、[2]。理解复制mtDNA的分子机器是理解这些疾病为何发生以及如何治疗的前提。
线粒体起源于一个古老的内共生事件，即一个α-变形菌被古菌宿主细胞吞噬[3]。在进化过程中，原始细菌基因组的大部分基因被转移至细胞核或丢失，人类中仅留下了一个高度紧凑的、约16.6 kb的线粒体基因组[4]。这个环状双链分子的两条链根据其核苷酸组成被命名为重链（H链）和轻链（L链），共编码37个基因：2个核糖体RNA、22个转运RNA和13个蛋白质编码基因，分别编码氧化磷酸化（OXPHOS）系统的组成部分[1]（图1）。尽管这些蛋白质仅占组成五个OXPHOS复合物的约90个亚基中的一小部分，但它们是不可或缺的核心组分；mtDNA表达的丧失会导致整个OXPHOS系统的崩溃[5]。尽管线粒体基因组整体上高度紧凑，它仍包含一个较长的非编码区（NCR），其中含有几个重要的调控序列，包括H链复制起点（OriH）以及全部三个线粒体启动子：重链启动子（HSP）和两个轻链启动子（LSP和LSP2）（图1）。
一个人体细胞中含有数百至数千个mtDNA分子，具体数量取决于细胞类型和能量需求[1]。这些分子并非裸DNA，而是与蛋白质压缩形成称为核样体的离散复合物，其主要结构成分是线粒体转录因子A（TFAM）[6]、[7]、[8]。超分辨率显微镜研究表明，核样体的大小相对均一，通常含有单个mtDNA分子，且在任意给定时刻只有少部分核样体正在进行复制或转录[7]、[9]、[10]、[11]。最近在小鼠中进行的蛋白质组学研究进一步加深了我们对核样体体内组织的理解，表明核心核样体是一种围绕mtDNA维护和基因表达的中心化相对紧凑结构，同时与线粒体RNA加工和核糖体生物合成保持着密切的功能联系[12]。
TFAM以不依赖严格序列特异性的方式结合并弯曲DNA，TFAM与mtDNA的比值是核样体压缩程度的重要决定因素，进而调控复制起点和启动子的可及性[9]、[10]、[13]。该比值也是mtDNA拷贝数的关键决定因素：TFAM完全缺失会导致严重的mtDNA耗竭，而TFAM杂合缺失（丢失一个等位基因）则使拷贝数减半，适度过表达则会增加拷贝数[5]、[14]、[15]。然而，强烈过表达会驱动核样体过度压缩，同时抑制复制和转录，在小鼠和果蝇模型中已观察到具有组织特异性的后果[16]、[17]。由于未结合的TFAM会被迅速降解[18]、[19]，在大多数生理条件下，细胞内TFAM蛋白水平与mtDNA拷贝数紧密相关[5]、[14]，因此TFAM在实验中被用作mtDNA丰度的便捷替代标志物[20]。
章节摘要
线粒体复制体
mtDNA复制和转录所需的酶完全由核基因编码并输入线粒体。它们与核内对应的酶有根本性差异[1]、[21]。大多数核心复制因子在进化上并非与核DNA复制蛋白相关，而是与噬菌体来源的酶相关，这与在真核生物早期进化中提出的噬菌体介导的水平基因转移事件相一致[22]。
最小复制机器
链置换机制
mtDNA的复制通过链置换机制进行，这与核基因组使用的双向复制有根本性不同[57]、[58]。尽管已有其他模型被提出[59]、[60]，但链置换模型——最初在50多年前提出——仍然得到当前大部分证据的支持，并构成了本文采用的框架；对于超出本综述范围的分子细节，请参阅[1]。在此，我们重点关注最
mtDNA缺失形成的共同机制
大规模mtDNA缺失通过两种机制上不同的发生模式致病。第一种模式中，单个缺失作为离散的先发型事件产生，此后以固定病变的形式在个体一生中于受累组织内呈克隆性扩增；这一机制既是正常衰老过程中体细胞缺失积累的基础，也是导致Kearns-Sayre综合征（KSS）、慢性进行性眼外肌麻痹
TOP3A介导的复制终止与基因组去连环
复制周期的完成需要几个最终步骤：去除在OriH和OriL处启动合成所使用的RNA引物、填补由此产生的缺口、将新合成的链连接为连续的环状分子，以及物理分离两个子代分子。引物去除、缺口填补和连接机制已在他处详细描述[1]、[87]、[88]、[89]、[90]、[91]、[92]。在此我们关注分离子代分子的拓扑学问题
POLG突变：疾病机制
POLG突变是最常见的遗传性线粒体疾病原因之一[98]、[99]。首批致病的POLG变异体在因多种mtDNA缺失导致进行性眼外肌麻痹的患者中被鉴定[99]，此后已描述超过300种致病变异体[69]。其表型后果涵盖广泛谱系。早发型（0–12岁），如Alpers-Huttenlocher综合征，以严重的mtDNA耗竭为特征，导致
PZL-A对POLγ功能的药理学恢复
前几节描述的机制性认识提出了一个重要的治疗学问题：如果大多数致病的POLG突变降低但不消除POLγ活性，那么小分子能否增强残余活性并恢复足够的复制以预防疾病？PZL-A——首个POLγ小分子激活剂的鉴定——表明答案可能是肯定的[100]。
PZL-A是通过筛选大型化学化合物库，评估其
核苷补充作为治疗策略
PZL-A激活复制体的理论基础在于恢复受损聚合酶的连续性mtDNA合成。一个概念相关但机制不同的方法从不同角度针对同一瓶颈：不是增强聚合酶本身，而是核苷补充旨在增加聚合酶所依赖的dNTP底物的可用性。核苷缺乏核苷酸中存在的磷酸基团，可以被细胞摄取并
结论与展望
我们当前对mtDNA复制的许多认识都受到致病突变鉴定和表征的塑造，这些突变一再指导了对底层分子的分子解构。TWNK和POLG早在2001年就已在多种mtDNA缺失患者中被鉴定为疾病基因[33]、[99]，远早于其功能障碍的机制基础被理解之时。TOP3A则说明了相反的关系：其线粒体亚型是
CRediT作者贡献声明
Maria Falkenberg：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、资金获取、概念设计。Claes M. Gustafsson：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、资金获取、概念设计。
利益冲突声明
作者声明以下可能存在利益冲突的财务利益/个人关系：Maria Falkenberg和Claes Gustafsson报告获得Pretzel Therapeutics, Inc.的财务支持。Maria Falkenberg和Claes Gustafsson报告与Pretzel Therapeutics, Inc.存在包括以下内容的关系：咨询或顾问、股权或股票以及资金拨款。Maria Falkenberg和Claes Gustafsson向Pretzel Therapeutics申请了专利。如
致谢
我们要感谢Louise Jenninger在设计图件方面提供的创意专长，感谢?rjan Persson提供用于改编拷贝选择重组图的原图。M.F.获得瑞典研究理事会（2025-00932）、瑞典癌症基金会、Knut和Alice Wallenberg基金会的资助，以及根据瑞典政府与各县政府协议从瑞典国家获得的拨款（ALFGBG-965954）。C.M.G.获得
Maria Falkenberg|Claes M. Gustafsson
瑞典哥德堡大学生物医学研究所医学生物化学与细胞生物学系，瑞典哥德堡
