線粒體及疾病

關(guān)于線粒體及疾病第2頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

一般動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)線粒體數(shù)目從數(shù)百到數(shù)千個(gè)，在代謝旺盛的細(xì)胞中相對(duì)較多：如人和哺乳動(dòng)物的小腸、心肌和肝細(xì)胞等內(nèi)臟細(xì)胞中線粒體很豐富。

除了紅細(xì)胞外，人類所有體細(xì)胞都含有線粒體。第3頁,共55頁，2024年2月25日，星期天線粒體——?jiǎng)恿S

線粒體是真核細(xì)胞內(nèi)的重要細(xì)胞器，人體內(nèi)的細(xì)胞每天要合成數(shù)千克的ATP，大約95%的ATP是由線粒體產(chǎn)生的。線粒體通過氧化磷酸化作用進(jìn)行能量交換，為細(xì)胞進(jìn)行各種生命活動(dòng)提供能量。因此，線粒體有細(xì)胞“動(dòng)力工廠”之稱，或被譽(yù)為細(xì)胞的“電力站”（powerplant）第4頁,共55頁，2024年2月25日，星期天線粒體的功能：

線粒體主要功能是進(jìn)行三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化合成ATP，為細(xì)胞生命活動(dòng)提供直接能量；此外，線粒體還與細(xì)胞中氧自由基的生成、調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原電位和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，細(xì)胞凋亡、基因表達(dá)、細(xì)胞內(nèi)多種離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)及電解質(zhì)穩(wěn)態(tài)平衡的調(diào)控有關(guān)。第5頁,共55頁，2024年2月25日，星期天線粒體病

線粒體病是遺傳缺損引起線粒體代謝酶缺陷，使ATP合成障礙、能量來源不足導(dǎo)致的一組異質(zhì)性病變。第6頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)線粒體疾病原因第7頁,共55頁，2024年2月25日，星期天線粒體疾病的病因某種或幾種復(fù)合體的缺乏是導(dǎo)致線粒體病的根本原因。因此，線粒體病有時(shí)也可以稱為特殊酶缺乏癥，比如復(fù)合體Ⅰ復(fù)合癥。當(dāng)某個(gè)細(xì)胞內(nèi)充滿病變線粒體后，它不僅無法合成ATP——而且會(huì)導(dǎo)致未使用原料分子和氧的堆積，使之產(chǎn)生病理性損傷。Holt在1988年首次做線粒體病患者發(fā)現(xiàn)mtDNA缺失，證實(shí)mtDNA突變是人類疾病的重要病因之一。不管是核內(nèi)DNA（nDNA）還是線粒體DNA（mtDNA）發(fā)生點(diǎn)突變都可能導(dǎo)致線粒體病的發(fā)生第8頁,共55頁，2024年2月25日，星期天mtDNA:線粒體DNA，雙鏈環(huán)狀的DNA分子、裸露不與組蛋白結(jié)合,分散在線粒體基質(zhì)中，長約5um、含16569個(gè)堿基對(duì)。mtDNA可以獨(dú)立編碼線粒體中的一些蛋白質(zhì)，是核外遺傳物質(zhì)

mtDNA？第9頁,共55頁，2024年2月25日，星期天mtDNA的幾個(gè)特點(diǎn)有助于解釋其致病機(jī)理：①mtDNA半自主復(fù)制，沒有內(nèi)含子；②mtDNA所用的遺傳密碼與核基因通用密碼，但存在差異。③mtDNA為母系遺傳；④mtDNA具有閾值效應(yīng)；⑤暴露于氧化磷酸化所產(chǎn)生的氧自由基中,突變發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)較核DNA大10－20倍。第10頁,共55頁，2024年2月25日，星期天（一）mtDNA具有半自主性mtDNA僅編碼13種蛋白質(zhì)，絕大部分蛋白質(zhì)亞基和其他維持線粒體結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)都依賴于nDNA編碼，在細(xì)胞質(zhì)中合成后，經(jīng)特定轉(zhuǎn)運(yùn)方式進(jìn)入線粒體。

mtDNA基因的表達(dá)受nDNA的制約，線粒體氧化磷酸酶化系統(tǒng)的組裝和維護(hù)需要nDNA和mtDNA的協(xié)調(diào)，二者共同作用參與機(jī)體代謝調(diào)節(jié)。線粒體是一種半自主細(xì)胞器，受線粒體基因組和核基因組兩套遺傳系統(tǒng)共同控制。第11頁,共55頁，2024年2月25日，星期天（二）mtDNA所用的遺傳密碼與核基因通用密碼，但存在差異。UGA不是終止信號(hào)，而是色氨酸的密碼。2.AGA，AGG不是精氨酸的密碼子，而是終止密碼子，因而，在線粒體密碼系統(tǒng)中的4個(gè)終止密碼子（UAA,UAG,AGA,AGG）。3.tRNA兼并性較強(qiáng)，僅用22個(gè)tRNA來識(shí)別多達(dá)48個(gè)密碼子第12頁,共55頁，2024年2月25日，星期天MetIleAUAMetMetAUGStopArgAGAStopArgAGGTrpStopUGATrpTrpUGGmtDNAUniversalcodeCodon第13頁,共55頁，2024年2月25日，星期天（三）mtDNA為母系遺傳母系遺傳：人類受精卵中的線粒體來自卵母細(xì)胞，精子很少提供線粒體給受精卵。這種傳遞方式稱為母系遺傳。母親將她的mtDNA傳遞給兒子和女兒，但只有女兒能將其mtDNA傳遞給下一代。第14頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第15頁,共55頁，2024年2月25日，星期天（四）mtDNA具有閾值效應(yīng)線粒體病發(fā)病有一閾值，只有當(dāng)異常的mtDNA超過閾值時(shí)才發(fā)病。女性攜帶者的細(xì)胞內(nèi)突變的mtDNA未達(dá)到閾值或在某種程度上受核影響而未發(fā)病，但仍可以通過mtDNA突變體向下代傳遞。第16頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

①mtDNA中基因排列緊湊，任何突變都可能會(huì)影響到其基因組內(nèi)的某一重要功能區(qū)域。

②mtDNA是裸露的分子，不與組蛋白結(jié)合。

③mtDNA位于線粒體內(nèi)膜附近，直接暴露于呼吸鏈代謝產(chǎn)生的超氧離子和電子傳遞產(chǎn)生的羥自由基中，極易受氧化損傷。

④mtDNA復(fù)制頻率較高，復(fù)制時(shí)不對(duì)稱,缺乏有效的DNA損傷修復(fù)能力。（五）mtDNA的突變率極高第17頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)線粒體疾病的分類第18頁,共55頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)線粒體病變部位不同可分為：

①線粒體肌?。壕€粒體病變侵犯骨骼肌為主。②線粒體腦肌?。翰∽兺瑫r(shí)侵犯骨骼肌和中樞神經(jīng)系統(tǒng)。③線粒體腦?。翰∽兦址钢袠猩窠?jīng)系統(tǒng)為主。第19頁,共55頁，2024年2月25日，星期天線粒體病的分類：（1）線粒體遺傳?。?）核基因突變引起的線粒體疾病第20頁,共55頁，2024年2月25日，星期天一、線粒體遺傳?。篖eber遺傳性視神經(jīng)病（Leberhereditaryopticneuropathy,LHON）Kearns－Sayre綜合征（KSS）MERRFSyndrom（myoclonnusepilepsyandragged-redfibers)—肌陣攣性癲癇和破碎性紅纖維病MELASSyndrom（mitochondrialencephalomyopathywithlacticacidosisandstroke-likeepisodes）—線粒體肌病腦病伴乳酸中毒及中風(fēng)樣發(fā)作綜合癥神經(jīng)源性肌軟弱，共濟(jì)失調(diào)并發(fā)色素性視網(wǎng)膜炎（NARP）和Leigh綜合征（Leighsyndrom）第21頁,共55頁，2024年2月25日，星期天Leber遺傳性視神經(jīng)病第22頁,共55頁，2024年2月25日，星期天CPEO患者眼外肌慢性進(jìn)行性癱瘓第23頁,共55頁，2024年2月25日，星期天肌陣攣性癲癇和破碎性紅纖維病第24頁,共55頁，2024年2月25日，星期天Leigh綜合征患者第25頁,共55頁，2024年2月25日，星期天二、核基因突變引起的線粒體疾病

線粒體具有自己的遺傳體系并能獨(dú)立合成部分蛋白質(zhì)，但是，線粒體的生長增殖必需高度依賴于核基因和細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)合成。核DNA編碼的蛋白質(zhì)進(jìn)入線粒體后，行使多種功能，例如，在膜間隙和基質(zhì)間轉(zhuǎn)運(yùn)分子、通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP、調(diào)節(jié)線粒體對(duì)鐵的攝入、控制線粒體的復(fù)制和維持線粒體結(jié)構(gòu)的完整性等。因此，核基因的突變可能會(huì)影響線粒體的正常功能，而導(dǎo)致相應(yīng)的疾病。第26頁,共55頁，2024年2月25日，星期天（一）線粒體蛋白輸入缺陷（二）底物運(yùn)輸缺陷（三）底物利用缺陷（四）鐵運(yùn)輸缺陷（五）電子傳遞鏈缺陷核基因突變引起的線粒體疾?。旱?7頁,共55頁，2024年2月25日，星期天1.線粒體蛋白輸入缺陷

突變發(fā)生在線粒體輸入蛋白的信號(hào)序列。如位于染色體Xp22.1的PHDA1基因，編碼蛋白參與丙酮酸的代謝，已發(fā)現(xiàn)其靶序列的突變導(dǎo)致的疾病。信號(hào)序列長度可達(dá)85個(gè)氨基酸殘基，序列不完全一致，但有相似的構(gòu)象。

臨床癥狀表現(xiàn)為眼部異常和中樞神經(jīng)系統(tǒng)退變。第28頁,共55頁，2024年2月25日，星期天2.底物運(yùn)輸缺陷

如與脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)蛋白的缺陷，可導(dǎo)致多系統(tǒng)異常；模式動(dòng)物人工致腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的異常，出現(xiàn)線粒體肌病類似癥狀。第29頁,共55頁，2024年2月25日，星期天3.底物利用缺陷

線粒體參與物質(zhì)代謝的多種酶類由核基因編碼，突變失活將影響相應(yīng)功能。其突變可產(chǎn)生兩種表型：劇烈運(yùn)動(dòng)或饑餓后疼痛無力是成年期發(fā)作型的共同特點(diǎn)；幼兒期發(fā)作型病情嚴(yán)重，通常是致死性的，可累及肝、心肌和骨骼肌。第30頁,共55頁，2024年2月25日，星期天鐵運(yùn)輸缺陷

Friedreich共濟(jì)失調(diào)是由三核苷酸重復(fù)序列的拷貝數(shù)增多導(dǎo)致鐵運(yùn)輸缺陷所引起的致死性疾病，呈常染色體隱性遺傳，基因產(chǎn)物定位于線粒體內(nèi)膜和基質(zhì)。臨床表現(xiàn)：進(jìn)行性肢體活動(dòng)障礙、輕度失明、耳聾和糖尿病，在成人前發(fā)生的死亡多由于肥厚性心肌病。第31頁,共55頁，2024年2月25日，星期天5.電子傳遞鏈缺陷

患兒表現(xiàn)為嚴(yán)重嘔吐，肌張力減退，常死于心衰和呼吸衰竭第32頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)線粒體與細(xì)胞凋亡第33頁,共55頁，2024年2月25日，星期天線粒體跨膜電位的耗散與細(xì)胞凋亡有密切關(guān)系近年來陸續(xù)有報(bào)道說明線粒體跨膜電位的耗散早于核酸酶的激活，也早于磷酯酰絲氨酸暴露于細(xì)胞表面。而一旦線粒體跨膜電位耗散，細(xì)胞就會(huì)進(jìn)入不可逆的凋亡過程。而如果能穩(wěn)定線粒體跨膜電位就能防止細(xì)胞凋亡。第34頁,共55頁，2024年2月25日，星期天線粒體跨膜電位與PT孔道在細(xì)胞凋亡過程中線粒體跨膜電位的耗散主要是由于線粒體內(nèi)膜的通透性轉(zhuǎn)變，這是由于生成了動(dòng)態(tài)的由多個(gè)蛋白質(zhì)組成的位于線粒體內(nèi)膜與外膜接觸位點(diǎn)的通透性轉(zhuǎn)變孔道(PT孔道)。細(xì)胞凋亡線粒體跨膜電位線粒體內(nèi)膜通透性改變PT孔道第35頁,共55頁，2024年2月25日，星期天PT孔道的開放與關(guān)閉PT孔道有開放與關(guān)閉二種構(gòu)象。PT孔道開放導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。而PT孔道關(guān)閉能防止細(xì)胞凋亡。從線粒體釋放的細(xì)胞色素C是一種細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)因子。第36頁,共55頁，2024年2月25日，星期天線粒體在細(xì)胞凋亡作用中的進(jìn)一步證據(jù)(1)若將純化的正常的線粒體與純化的細(xì)胞核在一起保溫，并不導(dǎo)致細(xì)胞核的變化。但若將誘導(dǎo)生成PT孔道的線粒體與純化的細(xì)胞核一同保溫，細(xì)胞核即開始凋亡變化。(2)細(xì)胞死亡調(diào)節(jié)蛋白不論是抑制死亡的bcl-2家族還是促進(jìn)細(xì)胞死亡的Bax家族均以線粒體作為靶細(xì)胞器。bcl-2蛋白的C端的疏水肽段能插入線粒體外膜。事實(shí)上相當(dāng)量的bcl-2位于線粒體內(nèi)外膜的接觸位點(diǎn)。(3)高表達(dá)bcl-2能防止ΔΨm的耗散，從而導(dǎo)致對(duì)蒼術(shù)苷、原卟啉IX與mClCCP的不敏感與AIF釋放的抑制；反之，高表達(dá)Bax則導(dǎo)致ΔΨm的耗散。

第37頁,共55頁，2024年2月25日，星期天綜上所述，細(xì)胞凋亡與線粒體的結(jié)構(gòu)與功能有著密切的關(guān)系。線粒體有大量PT孔道形成，細(xì)胞ATP濃度很快下降，則在致凋亡的蛋白酶被活化前細(xì)胞就壞死了。而如果PT孔道的誘導(dǎo)生成是一種比較緩和與持續(xù)的狀態(tài)，在細(xì)胞ATP濃度下降前專一的蛋白酶被激活。第38頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)線粒體與細(xì)胞衰亡第39頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

衰老是一種復(fù)雜的病理生理現(xiàn)象,衰老機(jī)理的研究目前已從整體水平、器官水平、細(xì)胞水平發(fā)展到分子水平。近年來大量研究表明,衰老的發(fā)展過程與線粒體功能異常密切相關(guān),目前自由基被視為引發(fā)衰老的一個(gè)重要因素

第40頁,共55頁，2024年2月25日，星期天1.線粒體自由基的產(chǎn)生自由基是只帶有未配對(duì)電子的粒子,化學(xué)性質(zhì)極為活躍,易對(duì)機(jī)體產(chǎn)生迅速而強(qiáng)烈的損傷,主要包括活性氧自由基（ROS）和活性氮基因(RNS)。氧自由基主要來源于線粒體呼吸鏈反應(yīng),這里可產(chǎn)生活細(xì)胞內(nèi)90%以上的自由基。正常情況下，電子通過呼吸鏈傳遞給氧生成,如果線粒體功能下降,會(huì)使氧不能被有效利用,導(dǎo)致大量電子漏出,直接對(duì)氧進(jìn)行單電子還原,生成氧氣離子。第41頁,共55頁，2024年2月25日，星期天2.線粒體自由基隨年齡增長而增加的機(jī)制

線粒體內(nèi)隨年齡增長不斷積聚有三方面的原因：第一，由于線粒體電子傳遞鏈的活性下降,電子漏和質(zhì)子漏不斷增加;第二，與年齡相關(guān)的線粒體的突變可降低其編碼的呼吸鏈成分的功能,為電子漏出提供條件,導(dǎo)致氧自由基產(chǎn)生增加;第三,線粒體內(nèi)抗氧化酶活性不斷下降,自由基清除減少亦是重要原因之一。第42頁,共55頁，2024年2月25日，星期天3.線粒體自由基在細(xì)胞衰老中的作用

3.1線粒體呼吸鏈復(fù)合物活性的下降在細(xì)胞衰老中發(fā)揮的作用3.2mtDNA的氧化損傷在細(xì)胞衰老中發(fā)揮的作用3.3線粒體膜的氧化損傷在細(xì)胞衰老中發(fā)揮的作用3.4線粒體能量代謝障礙在細(xì)胞衰老中發(fā)揮的作用第43頁,共55頁，2024年2月25日，星期天綜上所述,衰老相關(guān)的線粒體氧自由基的增多,使線粒體功能不斷下降,不能發(fā)揮其正常的氧化和呼吸功能,從而使細(xì)胞逐步走向衰老、死亡,可見延緩線粒體功能衰退是一種有效的抗衰老途徑。目前通過保護(hù)線粒體功能和抑制線粒體氧自由基增多從而發(fā)揮抗衰老功效的藥物主要有褪黑素和一些抗氧化劑類中藥。第44頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)線粒體疾病的治療第45頁,共55頁，2024年2月25日，星期天線粒體疾病的流行率和死亡率都很高（流行率達(dá)1/8500），是代謝病中最常見的疾病之一。如何治療線粒體病？第46頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

對(duì)原發(fā)性線粒體疾病目前尚缺乏有效的根治手段治療措施：藥物治療飲食補(bǔ)充療法改善生活方式等第47頁,共55頁，2024年2月25日，星期天對(duì)原發(fā)性線粒體呼吸鏈疾病目前尚缺乏有效治療手段，目前最新的方法是：基于人體內(nèi)三種參與APT合成的自然物質(zhì)而開發(fā)的飲食補(bǔ)充療法——雞尾酒療法第48頁,共55頁，2024年2月25日，星期天“雞尾酒”療法

肌酸、L-肉毒堿和coQ10補(bǔ)充療法通?；旌蠟椤半u尾酒”來使用以治療線粒體病。盡管科學(xué)上很難證明這種療法有什么效用，但是許多線粒體病患者的確從中得到了療效。最起碼，適度采取這三種物質(zhì)的補(bǔ)充療法對(duì)人體幾乎沒有害處第49頁,共55頁，