線粒體功能障礙與人體疾病的研究進展

1、文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持蘭州交通大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院綜合能力訓(xùn)練I 文獻綜述題目：線粒體疾病的最新研究進展作者：朱剛剛學(xué)號：0指導(dǎo)教師：謝放完成日期：2014-7-16線粒體疾病的最新研究進展摘要：本文為了對線粒體疾病研究的最新進展進行論述，分別從線粒體功能障 礙、線粒體疾病、以及相關(guān)線粒體疾病的治療與干預(yù)策略三個方面進行了綜述。 重點從線粒體的功能障礙進行了介紹。關(guān)鍵詞：線粒體、線粒體tDNA、線粒體疾病。引言：線粒體疾病主要是指由于線粒體 DNA突變所導(dǎo)致的一類疾病。有許多人類疾病的發(fā)生與線粒體功能缺陷相關(guān)，如線粒體肌病和腦肌病、線粒體 眼病,老年性癡

2、呆、帕金森病、O型糖尿病、心肌病及衰老等，有人統(tǒng)稱為線粒體 疾病。線粒體疾病的發(fā)生被認(rèn)為與氧化磷酸化過程相關(guān)基因的突變有關(guān)。一、線粒體功能障礙1線粒體結(jié)構(gòu)、基因組特征及主要功能線粒體結(jié)構(gòu)及基因組特征電鏡下的線粒體是由兩層單位膜套疊而成的封閉囊狀結(jié)構(gòu)，從外向內(nèi)依次分為外膜、膜間隙、內(nèi)膜、基質(zhì)。不同于經(jīng)典 的“隔艙板”理論，最新提出的三維重構(gòu)模型認(rèn)為：外膜與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或細(xì)胞骨架 連接形成網(wǎng)絡(luò)；（2）內(nèi)外膜間隨機分布橫跨兩端，寬20nm的接觸點；（3）內(nèi)膜通 過界面與崎膜接口部分相連，并不直接向內(nèi)延伸形成崎膜；（4）崎膜非“隔艙板”式而是管狀或扁平狀，相互間可連接或融合，呈現(xiàn)不同的形式。執(zhí)行線粒體功能文

3、檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.的生物大分子分布在不同的空間：外膜上有Bcl-2家族蛋白、膜孔蛋白以及離子通道蛋白；內(nèi)膜中有電子傳遞鏈(呼吸鏈)復(fù)合物IIV和復(fù)合物V(ATP合成酶)； 膜間隙和崎膜腔分布著細(xì)胞色素 C、凋亡誘導(dǎo)因子(apoptosis in-ducing factor , AIF)和Procaspase 2、3、9及其他酶蛋白；電壓依賴性陰離子通道 (VDAC)、 ADP/ATP 轉(zhuǎn)換蛋白(ANT)和線粒體膜轉(zhuǎn)運孔(mitochondrialper-meabletransition pore, MPTP)存在于接觸點；三竣酸循環(huán)(TCA cycle

4、)酶系、存儲鈣離子的致密顆 粒及線粒體基因組則包含于基質(zhì)中?！?】與核基因組(nDNA)不同，mtDNA結(jié)構(gòu)簡單，僅含16 569個堿基，編碼2種rRNA、22種tRNA和13種參與呼吸鏈 形成的多肽。通常裸露且不含內(nèi)含子，既缺乏組蛋白保護和完善的自我修復(fù)系統(tǒng)， 又靠近內(nèi)膜呼吸鏈，極易受環(huán)境影響，突變頻率比nDNA高1020倍。線粒體功能作為糖、脂肪、氨基酸最終氧化釋能的場所，線粒體的主要功能是進行氧化磷酸化、合成 ATP,為生命活動提供直接能量。除此以外，它 還扮演著多種角色，其中之一是充當(dāng)“鈣庫”，參與細(xì)胞內(nèi)鈣離子的信號傳導(dǎo)。 研究發(fā)現(xiàn)，一旦感受到周圍形成的鈣微區(qū)(calciummicro

5、domain),線粒體可以利 用呼吸代謝時產(chǎn)生的電化學(xué)梯度，通過膜上協(xié)同轉(zhuǎn)運體將鈣攝入基質(zhì)，然后以磷 酸鈣的形式儲存在一些較大的致密顆粒中。121已經(jīng)積累的Ca2+又可以通過鈉鈣交換系統(tǒng)(2Na+/Ca2+exchanger , NCE)和大分子MPTP轉(zhuǎn)運孔道再次釋放 到胞質(zhì)，從而調(diào)節(jié)胞漿中鈣離子的動態(tài)平衡，影響細(xì)胞內(nèi)許多相關(guān)的生理活動， 如信號傳導(dǎo)、能量代謝和細(xì)胞凋亡。線粒體參與了細(xì)胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn)，在典型 的凋亡特征，如染色質(zhì)濃縮、D N A碎片(D N Aladder)、凋亡小體等出現(xiàn)以前， 線粒體已經(jīng)發(fā)生跨膜電位喪失、外膜通透性增加、膜間隙蛋白釋放等重大變化。細(xì)胞色素C是誘發(fā)凋亡的重

6、要信號分子，它是相對分子量為1.45 x104Da的水溶性蛋白，一般分散在膜間隙靠近內(nèi)膜面，不能通過外膜。凋亡發(fā)生時釋放到胞 質(zhì)，在 ATP/dATP 的參與下，與 Apaf-1(apoptoticproteaseactivatingfactors) 結(jié) 合形成寡聚體(Apoptosome) , Apaf-1再通過其氨基端與Caspase-9的功能前端 相互作用，導(dǎo)致Caspase-3活化并進一步激活下游的 Caspases。止匕外，還有一 種不依賴于 Caspase的凋亡誘導(dǎo)因子(AIF),是分子量為5.7 x104Da的黃素蛋 白，與細(xì)菌鐵氧還原蛋白和 N A D H氧化還原酶有高度同源性

7、，釋放后可直接 到達細(xì)胞核，激活核酸內(nèi)切酶，引發(fā)凋亡?！?】目前認(rèn)為，Bcl-2家族蛋白的調(diào)控與MPTP孔道的開放，是造成外膜非特異性斷裂、通透性增高、凋亡因子釋 放的主要原因，而氧自由基積聚、氧化應(yīng)激產(chǎn)生，可能直接參與并誘導(dǎo)了的下降 和MPTP的開啟，是構(gòu)成凋亡信號傳導(dǎo)的早期事件。線粒體既是自由基的攻擊 靶點，也是自由基的產(chǎn)生源頭。胞內(nèi)95%以上的活性氧(reactive oxygenspecies ,文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持ROS）來自線粒體氧化磷酸化，是分子氧接收呼吸鏈“漏電子”后還原形成的副 產(chǎn)物，包括超氧陰離子、羥自由基和過氧化氫。它們中20%來自

8、復(fù)合體I, 80%來自復(fù)合體III ,大致占呼吸態(tài)IV總耗氧量的2%6% ,極易誘發(fā)氧化應(yīng)激， 造成細(xì)胞損傷。不過，由于具有完善的抗氧化防御體系，細(xì)胞內(nèi)多余的 ROS總 能及時被清除。已知的抗氧化系統(tǒng)分為酶性和非酶性兩種，包括超氧化物歧化酶 （SOD）、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）、過氧化氫酶（Catalase）以及谷胱甘肽 （GSH）、抗壞血酸、親水性（疏水性）抗氧化物質(zhì)等。正是依賴這樣的防御措施， 體內(nèi)自由基的。2、線粒體 DNA（mtDNA） 缺陷線粒體DNA（mtDNA）缺陷、氧化磷酸化異常及能量代謝障礙，通常能引起細(xì) 胞結(jié)構(gòu)、功能發(fā)生一系列漸進性，甚至不可逆性的病理改變，在腦組

9、織中影響尤 為明顯，因為大腦雖然重量僅占身體總重的 2%,但對氧的消耗量卻要占到身體 總消耗量的25%哺乳動物 mt tRNA有3種常見的非典型二級結(jié)構(gòu)（Fig. 1） 絕大多數(shù)tRNA具有高度保守的三葉草結(jié)構(gòu)（Fig. 1 A, 0型）【5】.在環(huán)和 螺旋線平面間的一些相互作用下形成tRNA的三級結(jié)構(gòu)即L折疊，比如TWC環(huán)（T環(huán)）和二氫尿喀呢環(huán)（D環(huán)）.1980年mtDNA測序發(fā)現(xiàn)，人類和牛科 動物 mt t R NASer（ AGY）（ Y = U 和C）沒有完整的 D環(huán)結(jié)構(gòu)（Fig . 1D, III 型）.生化研究發(fā)現(xiàn)，mt t R NASer（ AGY）能氨?；?，而且在體外具有翻譯活

10、 性.進一步的晶體結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，其核心結(jié)構(gòu)區(qū)的彈性比0型結(jié)構(gòu)大.在核糖體上，反密碼子環(huán)和 3CCA末端之間存在約78度的類飛鏢結(jié)構(gòu)；由于D 環(huán)的G18和G19以及T環(huán)的U55和C56均不保守，導(dǎo)致II型tRNA缺 乏典型的D環(huán)和T環(huán)間的相互作用（Fig. 1C, II型）.對tRNAPhe和mt tRNAAsp的化學(xué)檢測發(fā)現(xiàn)，D環(huán)和T環(huán)間相互作用微弱，但在 D莖存在典型 的三級作用，形成穩(wěn)定的核心；對mt t RNA結(jié)構(gòu)進行深入研究發(fā)現(xiàn)。tRNASer（ UCN）同樣具有不典型的三葉草結(jié)構(gòu)（Fig. 1B, I型）.其結(jié)構(gòu) 特征如下：接受臂和D環(huán)間只有個腺甘酸；D環(huán)縮短；額外多1個環(huán).化學(xué) 檢

11、測和電腦模擬結(jié)果顯示，D環(huán)或其它環(huán)核心區(qū)的多個缺失能通過增加反密碼 子螺旋區(qū)的堿基對（27a43a）來彌補，從而維持類 L型的結(jié)構(gòu)mtDNA處于 氧自由基的包圍之中，缺乏組蛋白的保護，由于線粒體缺乏DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)， 突變率是核DNA的1020倍.選擇壓力在核基因中淘汰了許多突變，而 在線粒體中這種壓力被松弛，由線粒體編碼的蛋白質(zhì)和RNA突變后，對個體的適應(yīng)性比核編碼的高.【7】由此造成哺乳動物mtDNA進化速率增快（約為核 DNA的510倍），可能是 mttRNA序列和結(jié)構(gòu)多態(tài)性的主要原因之一.文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持mt DNA 譯碼系統(tǒng)遺傳密碼幾乎是

12、通用的，但是有極少數(shù)的例外.哺乳動物線粒體AUA、UGA、AGR （ R = A和G）分別翻譯為 Met、Trp和終止密碼子（這與通常的譯碼不 同，Table 1）.多數(shù)已鑒定的密碼變化發(fā)生在線粒體中，而密碼的改變會對細(xì) 胞蛋白質(zhì)發(fā)生致命性的影響，由于線粒體有自己的tRNA,密碼的改變不影響細(xì) 胞基因組.【8】相反，在線粒體中，這種改變可以看做是一種基因組的精簡.最初的譯碼準(zhǔn)則是密碼子第 3位的U只能被A和G識別，然而U34的構(gòu)象 靈活多變，它與4種堿基都能配對（Crick稱其為變偶性）.無修飾的U通過 變偶配對降低了人類 mt t RNA的種類（Table 1）.僅22種mt t RNA即可

13、 翻譯60個有意義的密碼子，這也是翻譯有意義的密碼子最少的一組tRNA.終止因子 mt RF1a識別終止密碼子 UAA和UAG. mRNA CO1和ND6的終 止密碼子分別是AGA和AGG.因為兩者都沒有相應(yīng)的tRNA和釋放因子， 長期以來AGR 一直作為它們的終止密碼子，但這個機制并不清楚. 近年發(fā)現(xiàn)， 哺乳動物mt RFIa通過在AGR密碼子后移一個讀碼框架來識別終止密碼子?！?】二、線粒體疾病。1、線粒體疾病的分類線粒體疾病主要分為兩大類：遺傳性和獲得性疾病，前者病因包括核DNA損害、線 粒體DNA損害和基因組間的通訊障礙，后者主要由毒素、藥物和衰老引起。目前 的主要研究集中于線粒體DN

14、A突變與線粒體疾病臨床表型的相互關(guān)系上。目前 人們所認(rèn)識的線粒體疾病主要是一些神經(jīng)肌肉變性疾病，如Leber s遺傳性視神 經(jīng)病,線粒體腦肌病，帕金森氏病，阿爾茨海默病，母系遺傳的糖尿病和耳聾等。根 據(jù)mtDNA突變的性質(zhì)可以將其分為兩種主要類型，即堿基替換突變和插入一缺 失突變。堿基替換發(fā)生的位置不同，引起的突變效果也不同。發(fā)生在白質(zhì)基因上 的堿基替換可以導(dǎo)致錯義突變，進而影響蛋白質(zhì)的功能。發(fā)生在tRNA和rRNA基 因上的堿基替換可以影響tRNA和rRNA的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成障礙。10缺失一 插入突變是指mtDNA在復(fù)制分離過程中發(fā)生了堿基序列的丟失或插入，其中以 缺失突變較為常見。大片

15、段的缺失多發(fā)生在兩個同向重復(fù)序列之間。最常見的缺 失突變是4977bp缺失,約50%的4977bp缺失發(fā)生在847013447區(qū)域兩個 13bp的同向重復(fù)序列（5-AC-CTCCCTCACC呼問。還有一較為常見的缺失是 7436bp缺失，常發(fā)生在863716073區(qū)域兩個12bp的同向重復(fù)序列。1111 （5-CATCAA-CAACCG之間。大片段的缺失往往涉及多個基因，最終導(dǎo)致線粒體 OXPHOS功能下降，產(chǎn)生的ATP減少，從而影響組織器官的功能。mtDNA突變導(dǎo)文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持致的OXPHOS缺陷的嚴(yán)重性是由突變 mtDNA的性質(zhì)及其在細(xì)胞中所占

16、的比例決 定的,而突變mtDNA的表型又與OX-PHOS缺陷的嚴(yán)重性及各個組織器官的能量 閾值有關(guān)。中樞神經(jīng)系統(tǒng)及肌肉組織對 ATP的需求量大，因此最易受累，其它象心 臟、腎臟、肝臟以及胰島組織對 OXPHOS缺陷也較敏感，故也常常出現(xiàn)這些組織 器官的變性疾病。11212.線粒體腦肌病ME是一組由于線粒體功能缺陷造成的以神經(jīng)肌肉系統(tǒng)病變?yōu)橹鞯亩嘞到y(tǒng)疾病。根據(jù)臨床表現(xiàn)可分為伴有破碎紅纖維的肌陣攣癲癇（MERRF）,伴高乳酸血癥中風(fēng)樣發(fā)作的線粒全腦肌?。∕ELAS）, Kearns-sayre綜合征（KSS）,慢性進行性眼外肌 癱瘓（CPEO）神經(jīng)源性肌軟弱病、共濟失調(diào)并發(fā)色素性視網(wǎng)膜炎 （NAP

17、P）等。（1） MERRF MERRF是一種母系遺傳病，主要表現(xiàn)為陣發(fā)性癲癇、骨骼肌不自主痙攣 伴破碎性紅肌纖維病、全身性抽搐和小腦共濟失調(diào)等?！?通常在1020歲發(fā) 病，晚期可出現(xiàn)精神異常。1988年Wallace等7發(fā)現(xiàn)MERRF患者神經(jīng)癥狀嚴(yán)重 程度和呼吸鏈中NADH脫氫酶、細(xì)胞色素C氧化酶活性降低程度均與 OXPHOS 缺陷相關(guān)，后來發(fā)現(xiàn)MERRF家系中存在一個mtDNA的8344A-G的堿基置換， 該突變位于mtDNA的tRNAlys基因上，涉及到tRNAlys的TUC環(huán)，此環(huán)參與tRNA 與核糖體的連接，結(jié)果影響線粒體蛋白質(zhì)的合成（主要是影響OX-PHOS復(fù)合體I 和IV的合成），

18、造成OXPHOS的功能下降，最終導(dǎo)致MERRF的多系統(tǒng)病變?！?3】8344 點突變產(chǎn)生了一個新的 CviJ I酶切位點，可用于此病的診斷。（2） MELAS MELAS 是一種不常見的母系遺傳病，通常在1020歲發(fā)病，主要臨床表現(xiàn)為中風(fēng)樣發(fā)作、 血乳酸中毒、近心端四肢乏力、間斷性嘔吐等。1151 1990年Goto等首次發(fā)現(xiàn)了 MELAS患者中普遍存在有 mtDNA3243A fG突變，目前認(rèn)為3243AfG突變是 MELAS的主要致病因素。該突變使tRNAleu基因發(fā)生突變，導(dǎo)致16SrRNA的合成 減少，最終影響線粒體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成。其它與之有關(guān)的突變有mtD-NA11084AfG突變和

19、3771突變。Salvatore等報道，在血液中突變的比肌肉組織少，且在某 些病例的血液中未發(fā)現(xiàn)有 mtDNA突變,提示在MELAS突變檢測血細(xì)胞是可行的， 但不是絕對可靠的診斷依據(jù)。（3） KSS和CPEO臨床上以眼外肌麻痹伴有四肢 乏力為主要癥狀者稱為CPEQ當(dāng)伴有色素性視網(wǎng)膜炎、聽力喪失、心臟傳導(dǎo)功 能障。1161三、相關(guān)線粒體疾病的治療與干預(yù)策略1、線粒體疾病是指線粒體基因組和核基因組突變導(dǎo)致氧化磷酸化功能缺陷而引起的疾病。文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持異質(zhì)性mtDNA突變致病的閾值水平相對較高，大多在80%90%，所以只要降 低受累組織的突變負(fù)荷就可以達

20、到治療效果即通過將突變型 mtDNA轉(zhuǎn)變成野 生型mtDNA 0這樣不僅使突變的 mtDNA比率選擇性地下降，而且野生型 mtDNA的比率也可以升高。1171線粒體靶向限制性內(nèi)切酶改變突變異質(zhì)性限制 性內(nèi)切酶(restriction enzyme, RE) 能在特異性限制位點選擇性地剪切 DNA雙 鏈。某些mtDNA突變會產(chǎn)生一個新的限制性酶切位點，線粒體靶向RE可以識別這個位點，并對突變的 mtDNA進行降解，使得剩余的野生型 mtDNA比率 相對升高，從而降低細(xì)胞中突變 mtDNA的比例，造成異質(zhì)程度改變。線粒體 靶向RE最初用于異源線粒體的雜合細(xì)胞?！?8】因大鼠mtDNA缺乏PstI位

21、點， 線粒體PstI RE(mito-PstI)的表達能夠改變同時含有小鼠和大鼠融合細(xì)胞的 mtDNA異質(zhì)性。含兩種鼠類 mtDNA單體型(BALB和NZB)的無癥狀小鼠模 型的體外和體內(nèi)試驗表明，用重組病毒載體定位于線粒體的REs表達可以有效地改變mtDNA異質(zhì)性?！?9】這兩種mtDNA單體型能夠通過 RE ApaLI區(qū)分， 它能識別BALB mtDNA的一個位點，而不能識別 NZBmtDNA中的位點。正因 為只有BALB mtDNA突變體含有ApaLI特異性酶切位點，異質(zhì)小鼠局部注射 編碼線粒體靶向ApaLI RE(mito- ApaLI)的重組腺病毒后，肌肉和腦部顯示快 速、定向且徹底

22、的mtDNA異質(zhì)性改變。mtDNA異質(zhì)性改變的程度和效率依賴 于未被剪切的 mtDNA數(shù)量。【20】因為ApaLI只剪切BALB mtDNA,余下的NZB mtDNA繼續(xù)復(fù)制以維持正常 mtDNA拷貝數(shù)，因此沒有觀察到明顯的mtDNA耗損。線粒體靶向REs可以作為異質(zhì)性改變的策略，但是主要的局限是合適的 限制性位點的臨床相關(guān)突變極少。2、蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)導(dǎo)/蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)染由于mtDNA編碼的線粒體蛋白是疏水性的，這給外源蛋白的導(dǎo)入帶來一定的 難度，蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)導(dǎo)則是一種忽略蛋白質(zhì)自身特性的新型導(dǎo)入方法，有細(xì)胞滲透性質(zhì)的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)導(dǎo)結(jié)構(gòu)域的發(fā)現(xiàn)為克服上述問題提供了可能性。最常用的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)導(dǎo)結(jié)構(gòu)域是TAT,它是HI

23、V上較大的短陽性肽，能夠穿過細(xì)胞膜?！?1】TAT融 合蛋白耦合細(xì)胞核定位信號(nuclear localization signal, NLS) 或線粒體靶向序 列(mitochondrial targeting sequence, MTS)能夠轉(zhuǎn)導(dǎo)進入細(xì)胞并定位保留在亞細(xì)胞相應(yīng)區(qū)域。線粒體成功靶向?qū)氲膱蟮酪娪赥AT介導(dǎo)的硫辛酰胺脫氫(lipoamidedehydrogenase, LAD),利用固有的 MTS恢復(fù)了 LAD缺陷患者細(xì)胞 內(nèi)線粒體丙酮酸脫氫酶復(fù)合體的活性?！?2】蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)導(dǎo)的優(yōu)勢在于跨膜轉(zhuǎn)運不依 賴TIM和TOM復(fù)合體，而劣勢在于這是一種短暫的修復(fù)作用。3、清除核甘文檔來源

24、為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持線粒體神經(jīng)胃腸型月而肌病 (mitochondrial gastr-ointestinal encephalopathy, MNGIE)屬多系統(tǒng)疾病，患者常表現(xiàn)為嚴(yán)重的胃腸道功能障礙伴外周神經(jīng)變性及 腦白質(zhì)異常等，主要由胸腺磷酸化酶(thymidinephosphorylase, TP) 缺陷導(dǎo)致。1231 TP活力降低可引起血液中脫氧胸昔和脫氧尿甘水平上升。目前，清除血液 中的核昔有三個方法：血液透析、異源干細(xì)胞移植和血小板灌注。四、展望近年來科學(xué)水平飛速發(fā)展，各個科學(xué)領(lǐng)域都取得了重大突破，生命科學(xué)領(lǐng)域尤為 突出，故而在線粒體疾病研究方面可

25、能會在近十年取得重大突破， 對線粒體結(jié)構(gòu) 及其內(nèi)部酶的結(jié)構(gòu)研究，將會對人類未來生命科學(xué)做出巨大貢獻。參考文獻【1】、張麗珊等.國外醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)分冊，1995;18(1):3【2】、戚豫等.中華醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)雜志,1995;12(2):89【3】、李方園，等.中華醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)雜志，1994;11(4):193【4】、張慶等.中華醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)雜志,1997;14(2):88【5】、張慶等.中山醫(yī)科大學(xué)學(xué)報,1997;18增刊:57【6】、盧義欽等.國外醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)分冊，1996;18(3):135【7】、周小龍，王恩多.與人類疾病相關(guān)的幾種線粒體氨基-tRNA合成酶.生物化學(xué)與生物物理進展?！?】、張均田.腦缺血、葡萄糖/能量代謝障礙與神經(jīng)退行性疾病.中國藥