PGT-mt图谱

第1章 · PGT-mt基础知识

线粒体DNA与母系遗传

线粒体具有自身的环状DNA——线粒体DNA（mtDNA）。许多细胞含数百至数千个此类分子，数量取决于细胞类型。人类仅从母亲继承mtDNA：女性可将其传递给所有子女，男性不向子女传递。致病性变异（突变）可能仅存在于细胞内部分mtDNA分子中，第2章将解释这一点。这些特征使mtDNA相关疾病不遵循孟德尔遗传规律。

阅读层次

基础

线粒体内的基因组

人类大多数基因位于细胞核。每个核基因通常有两份拷贝，分别来自父母。线粒体具有自身DNA，并帮助细胞供能。人类mtDNA呈环状，约含16,600个碱基对(Anderson et al., 1981; Andrews et al., 1999)。尽管很小，它编码参与细胞供能的一些关键蛋白(Chinnery et al., 2000)。

核基因也编码线粒体功能所需蛋白。线粒体功能障碍导致的疾病可涉及核DNA或mtDNA突变。核DNA突变的遗传通常用经典遗传学描述，而mtDNA突变需要采用不同的分析方法(Ng et al., 2021)。

数百至数千份拷贝，而非两份

细胞含数百至数千份mtDNA拷贝，而非两份，数量随细胞类型而变：精子中数十份，成熟卵母细胞中数十万至逾百万份。一项研究测得三名健康供者卵母细胞平均约含120万个分子(Xie et al., 2026; Floros et al., 2018)。mtDNA拷贝数随组织、发育阶段而变，也部分取决于核遗传背景(Gupta et al., 2023)。

经母亲遗传

人类mtDNA经卵母细胞沿母系传递(Chinnery et al., 2000; Xie et al., 2026)。这带来一些简单而重要的遗传特点：携带mtDNA致病性变异的男性不会将其传给子女；女性可传给所有子女，不分性别，但只有女儿能继续传给下一代(Mavraki et al., 2023)。

同质性与异质性

细胞内全部mtDNA拷贝在所考察位点具有相同序列，称为同质性。不同类型mtDNA在细胞内共存，例如部分携带某变异、部分不携带，称为异质性。携带变异的比例称为异质性水平，也称突变负荷，以百分比表示(Stewart & Chinnery, 2015)。下方“细胞中的异质性”模型展示20%或80%的实际含义。

PGT-mt评估的大多数致病性变异呈异质性状态：携带及不携带变异的拷贝共存于同一细胞，包括卵母细胞。儿童可能同时继承这两类mtDNA拷贝。结局可从不发病到严重疾病，取决于变异及其异质性水平(Chinnery et al., 2000)。

这与核DNA基因遗传有何不同？

  • 核DNA突变：一个基因通常有两份拷贝，分别来自父母。突变可发生在母源、父源或两份拷贝中；遗传遵循经典孟德尔模式。
  • 线粒体DNA突变：沿母系遗传。每个细胞含多个mtDNA分子，携带突变的比例可从零至100%。无法预先预测某个卵母细胞的确切比例(Smeets et al., 2023)。

线粒体病的遗传学

线粒体病的表现及发病年龄差异很大。有时mtDNA突变不引起临床症状(Gorman et al., 2016)。约每200人中1人携带mtDNA致病性变异，通常水平较低；mtDNA疾病约影响每5,000–10,000人中的1人(Xie et al., 2026)。大多数携带者水平低于出现临床表现的阈值（第2章）。成年人约1/5,000的估计包含患者及有mtDNA疾病风险的携带者(Gorman et al., 2015)。mtDNA突变可新发，也可来自母亲。新发突变的再发风险通常较低，但不能完全排除其他卵母细胞也携带的可能(Smeets et al., 2023)。

PGT-mt测量从胚胎取得的少量活检样本中携带突变的mtDNA比例。该比例用于移植胚胎选择时的定量评估；基础课程将对此解释。

进阶

基因组结构

人类mtDNA参考序列（修订版剑桥参考序列，rCRS）长16,569 bp(Anderson et al., 1981; Andrews et al., 1999)。基因排列紧密，基因间碱基很少或没有；某些终止密码子未完整编码于DNA中，转录后经多聚腺苷酸化补全(Anderson et al., 1981)。主要非编码区约1 kb，含D环，具有调控复制与转录的元件(Chinnery et al., 2000)。其高变区如HV2具有多态性，可作为胚胎mtDNA分离研究的中性标记(Rubens et al., 2025)。

mtDNA编码的13种蛋白是呼吸链复合体I、III、IV、V的亚基；复合体II完全由核基因编码(Gorman et al., 2016)。变异按参考序列位置命名：m.3243A>G表示第3243位腺嘌呤被鸟嘌呤替代。图谱栏目中的变异位于tRNA基因（MT-TL1：m.3243A>G、m.3250T>C；MT-TK：m.8344A>G）及蛋白编码基因（MT-ATP6：m.8993T>G/C；MT-ND1：m.3697G>A；MT-ND3：m.10191T>C、m.10197G>A；MT-ND6：m.14487T>C）。

mtDNA拷贝数：数量而非常数

mtDNA拷贝数在组织与个体间不同，并与核基因组变异相关：人群规模分析发现与拷贝数及异质性均相关的核基因座(Gupta et al., 2023)。Floros等测得三名健康供者卵母细胞平均含1.22×10⁶个mtDNA分子；人胚Carnegie CS12阶段原始生殖细胞约少1,000倍（每细胞中位数1,425、均值1,446份）；线粒体数量几乎不变，约每个细胞器五个分子(Floros et al., 2018)。小鼠、牛及斑马鱼也有类似生殖系拷贝数减少，具有进化保守性(Xie et al., 2026)。早期胚胎在囊胚阶段前mtDNA复制大体受抑，已有分子分配到不断增加的细胞中(Rubens et al., 2025; Facucho-Oliveira & St John, 2009)。

拷贝数与异质性是不同量。拷贝数描述mtDNA有多少，异质性描述各mtDNA变异的相对比例。

母系遗传

严格母系传递是人类及大多数动物的规律。Luo等报告三个家庭存在双亲遗传(Luo et al., 2018)。这些观测的解释仍有讨论，包括核基因组中mtDNA片段拷贝（NUMTs）的作用；阻止父系传递的机制仍在研究(Xie et al., 2026)。母系传递意味着mtDNA不与父源拷贝重组，以单一单倍型传递；新变异可来自复制错误、单链mtDNA损伤及氧化过程(Iliushchenko et al., 2025)。这些错误或由修复机制纠正，或跨代传播(Stewart & Chinnery, 2015)。mtDNA碱基替换的积累速度比核基因快10–20倍(Xie et al., 2026; Bi et al., 2023)，但女性生殖系似乎受到保护：与血液及唾液不同，卵母细胞新突变频率未随年龄增加(Arbeithuber et al., 2025)。生殖系选择见第3章。

异质性：实践中重要的定义

异质性水平
分析样本中某位点携带变异分子占全部mtDNA分子的比例。它是样本全部细胞的平均值：多细胞活检样本会将异质性水平不同的细胞合并测量。
同质性
全部mtDNA拷贝在所考察位点序列相同。
细胞间嵌合
同一组织不同细胞的水平差异。即使第3天胚胎，单个卵裂球也可能携带邻近细胞未检出的变异(Mertens et al., 2022)。但该研究涉及无已知致病突变的供者胚胎中的自然变异，多为低水平。对于携带者的致病性变异，同一胚胎各卵裂球的异质性水平通常相近（第4章）(Mertens et al., 2022; Monnot et al., 2011)。
低水平异质性
低于常规方法检出限的罕见变异广泛存在，包括健康女性卵母细胞中(Bi et al., 2023)。

线粒体病的遗传特点

  • 变异类型。mtDNA致病性变异通常呈异质性状态，也可呈同质性状态。PGT-mt适用于异质性：若全部卵母细胞变异比例相同，便无较低水平胚胎可选，需考虑其他生育方案(Smeets et al., 2023; Castelluccio et al., 2025)。
  • 来源。后续子女疾病再发概率直接取决于突变来源：新发变异在后续同胞中再次导致疾病的风险较低，但不能完全排除其他母源卵母细胞也携带。若由母亲遗传，再发风险较大，却因瓶颈效应而无法预测单次妊娠（第3章）(Smeets et al., 2023)。因此讨论PGT-mt前，应研究母亲组织，并尽可能研究其他母系亲属组织(Mavraki et al., 2023)。
  • 外显不全与表现度可变。同一变异可在不同携带者中引起不同综合征，从单一症状到严重多系统疾病；严重程度取决于特定组织突变负荷。例如m.8993T>G的临床表现随异质性水平不同(Gorman et al., 2016; Burr & Chinnery, 2024; Xie et al., 2026)。
  • 核基因。核基因引起的线粒体病遵循孟德尔遗传，采用PGT-M而非PGT-mt(Smeets et al., 2023)。

考虑妊娠的女性已确认以异质性状态携带特定mtDNA致病性变异时，PGT-mt适用；最好在多种组织中得到确认。

图解与模型

交互图解

细胞中的异质性

30%

100个mtDNA分子中，30个携带致病性变异

异质性：两种mtDNA共存于细胞内

  • 野生型mtDNA
  • 携带致病性变异的mtDNA

含细胞核及五个线粒体的细胞；圆环为mtDNA分子。

本图用于解释异质性，并非疾病发生模型。真实细胞含数百至数千份mtDNA，此处显示100份。样本测量值是多个细胞的平均值，这些细胞的异质性水平可能不同。功能影响取决于变异及组织（第2章）。

从概念到图谱数据

  • 不同胚胎之间 →

    数据集所含七种mtDNA变异的已发表胚胎异质性数值：治疗周期中已发表数值的分布。

  • 数据来源 →

    图谱数值所依据的原始文献、作者及DOI。

本章参考文献 (22)

全部DOI已与PubMed核对；例外在条目旁标注。

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