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兰州交通大学化学与生物工程学院
综合能力训练Ⅰ——文献综述
题目：线粒体疾病的最新研究进展
作者：朱刚刚
学号：0
指导教师：谢放
完成日期：2014-7-16
线粒体疾病的最新研究进展
摘要：本文为了对线粒体疾病研究的最新进展进行论述，分别从线粒体功能障碍、线粒体疾病、以及相关线粒体疾病的治疗与干预策略三个方面进行了综述。重点从线粒体的功能障碍进行了介绍。
关键词：线粒体、线粒体tDNA、线粒体疾病。
引言：线粒体疾病主要是指由于线粒体DNA突变所导致的一类疾病。
有许多人类疾病的发生与线粒体功能缺陷相关,如线粒体肌病和脑肌病、线粒体眼病,老年性痴呆、帕金森病、O型糖尿病、心肌病及衰老等,有人统称为线粒体疾病。线粒体疾病的发生被认为与氧化磷酸化过程相关基因的突变有关。
一、 线粒体功能障碍
1 线粒体结构、基因组特征及主要功能
1.1 线粒体结构及基因组特征 电镜下的线粒体是由两层单位膜套叠而成的封闭囊状结构，从外向内依次分为外膜、膜间隙、内膜、基质。不同于经典的“隔舱板”理论，最新提出的三维重构模型认为: (1)外膜与内质网或细胞骨架连接形成网络；(2)内外膜间随机分布横跨两端，宽20nm 的接触点；(3)内膜通过界面与嵴膜接口部分相连，并不直接向内延伸形成嵴膜；(4)嵴膜非“隔舱板”式而是管状或扁平状，相互间可连接或融合，呈现不同的形式。执行线粒体功能文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.
的生物大分子分布在不同的空间：外膜上有Bcl-2家族蛋白、膜孔蛋白以及离子通道蛋白；内膜中有电子传递链(呼吸链)复合物I~IV和复合物V(ATP合成酶);
膜间隙和嵴膜腔分布着细胞色素C、凋亡诱导因子(apoptosis in-ducing factor，AIF)和Procaspase 2、3、9及其他酶蛋白；电压依赖性阴离子通道(VDAC)、ADP/ATP转换蛋白(ANT)和线粒体膜转运孔(mitochondrialper-meabletransition
pore，MPTP)存在于接触点；三羧酸循环(TCA cycle)酶系、存储钙离子的致密颗粒及线粒体基因组则包含于基质中。【1】与核基因组(nDNA)不同，mtDNA 结构简单，仅含16 569 个碱基，编码2 种rRNA、22 种tRNA和13种参与呼吸链形成的多肽。通常裸露且不含内含子，既缺乏组蛋白保护和完善的自我修复系统，又靠近内膜呼吸链，极易受环境影响，突变频率比nDNA 高10~20 倍。
1.2 线粒体功能 作为糖、脂肪、氨基酸最终氧化释能的场所，线粒体的主要功能是进行氧化磷酸化、合成ATP，为生命活动提供直接能量。除此以外，它还扮演着多种角色，其中之一是充当“钙库”，参与细胞内钙离子的信号传导。研究发现，一旦感受到周围形成的钙微区(calciummicrodomain)，线粒体可以利用呼吸代谢时产生的电化学梯度，通过膜上协同转运体将钙摄入基质，然后以磷酸钙的形式储存在一些较大的致密颗粒中。【2】已经积累的Ca2+又可以通过钠－钙交换系统(2Na+/Ca2+exchanger，NCE)和大分子MPTP转运孔道再次释放到胞质，从而调节胞浆中钙离子的动态平衡，影响细胞内许多相关的生理活动，如信号传导、能量代谢和细胞凋亡。线粒体参与了细胞凋亡。研究发现，在典型的凋亡特征，如染色质浓缩、D N A 碎片( D N Aladder)、凋亡小体等出现以前，线粒体已经发生跨膜电位丧失、外膜通透性增加、膜间隙蛋白释放等重大变化。
细胞色素C 是诱发凋亡的重要信号分子，它是相对分子量为1.45×104Da的水溶性蛋白，一般分散在膜间隙靠近内膜面，不能通过外膜。凋亡发生时释放到胞质，在ATP/dATP 的参与下，与Apaf-1(apoptoticproteaseactivatingfactors)结合形成寡聚体(Apoptosome)，Apaf-1再通过其氨基端与Caspase-9 的功能前端相互作用，导致Caspase-3活化并进一步激活下游的Caspases。此外，还有一种不依赖于 Caspase 的凋亡诱导因子(AIF)，是分子量为5.7×104Da 的黄素蛋白，与细菌铁氧还原蛋白和 N A D H 氧化还原酶有高度同源性，释放后可直接到达细胞核，激活核酸内切酶，引发凋亡。【3】目前认为，Bcl-2家族蛋白的调控与MPTP 孔道的开放，是造成外膜非特异性断裂、通透性增高、凋亡因子释放的主要原因，而氧自由基积聚、氧化应激产生，可能直接参与并诱导了的下降和MPTP 的开启，是构成凋亡信号传导的早期事件。线粒体既是自由基的攻击靶点，也是自由基的产生源头。胞内95%以上的活性氧(reactive oxygenspecies，文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.
ROS)来自线粒体氧化磷酸化，是分子氧接收呼吸链“漏电子”后还原形成的副产物，包括超氧阴离子、羟自由基和过氧化氢。它们中20％来自复合体I，80%
来自复合体III，大致占呼吸态IV 总耗氧量的2%~6%，极易诱发氧化应激，造成细胞损伤。不过，由于具有完善的抗氧化防御体系，细胞内多余的ROS 总能及时被清除。已知的抗氧化系统分为酶性和非酶性两种，包括超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、过氧化氢酶(Catalase)以及谷胱甘肽(GSH)、抗坏血酸、亲水性(疏水性)抗氧化物质等。正是依赖这样的防御措施，体内自由基的。【4】
2、线粒体DNA(mtDNA)缺陷
2.1线粒体DNA(mtDNA)缺陷、氧化磷酸化异常及能量代谢障碍，通常能引起细胞结构、功能发生一系列渐进性，甚至不可逆性的病理改变，在脑组织中影响尤为明显，因为大脑虽然重量仅占身体总重的2%，但对氧的消耗量却要占到身体总消耗量的25%哺乳动物 mt tＲNA 有3 种常见的非典型二级结构( Fig． 1)
绝大多数 tＲNA 具有高度保守的三叶草结构( Fig． 1 A，0 型) 【5】． 在环和螺旋线平面间的一些相互作用下形成 tＲNA 的三级结构即 L 折叠，比如TΨC
环( T 环) 和二氢尿嘧啶环 ( D 环) ． 1980 年mtDNA 测序发现，人类和牛科动物 mt tＲNASer( AGY)( Y = U 和 C) 没有完整的 D 环结构( Fig． 1D，III型)． 生化研究发现，mt tＲNASer( AGY)能氨酰化，而且在体外具有翻译活性． 进一步的晶体结构分析发现，其核心结构区的弹性比0 型结构大． 在核糖体上，反密码子环和 3'CCA 末端之间存在约 78 度的类飞镖结构; 由于 D
环的 G18 和 G19 以及 T 环的U55 和 C56 均不保守，导致 II 型 tＲNA 缺乏典型的D 环和 T 环间的相互作用 ( Fig． 1C，II 型) ． 对 tＲNAPhe和 mt
tＲNAAsp的化学检测发现，D 环和 T环间相互作用微弱，但在 D 茎存在典型的三级作用，形成稳定的核心; 对 mt tＲNA 结构进行深入研究发现。【6】
tＲNASer( UCN)同样具有不典型的三叶草结构( Fig． 1B，I 型) ． 其结构特征如下: 接受臂和 D 环间只有个腺苷酸; D 环缩短; 额外多 1 个环． 化学检测和电脑模拟结果显示，D 环或其它环核心区的多个缺失能通过增加反密码子螺旋区的碱基对( 27a ～43a) 来弥补，从而维持类 L 型的结构mtDNA 处于氧自由基的包围之中，缺乏组蛋白的保护，由于线粒体缺乏 DNA 损伤修复系统，突变率是核 DNA 的 10 ～20 倍． 选择压力在核基因中淘汰了许多突变，而在线粒体中这种压力被松弛，由线粒体编码的蛋白质和 ＲNA 突变后，对个体的适应性比核编码的高．【7】 由此造成哺乳动物 mtDNA 进化速率增快( 约为核
DNA 的5 ～10 倍) ，可能是 mt tＲNA 序列和结构多态性的主要原因之一． 文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.
2.2 mt DNA 译码系统
遗传密码几乎是通用的，但是有极少数的例外．哺乳动物线粒体 AUA、UGA、AGＲ( Ｒ = A 和 G) 分别翻译为 Met、Trp 和终止密码子( 这与通常的译码不同，Table 1) ．多数已鉴定的密码变化发生在线粒体中，而密码的改变会对细胞蛋白质发生致命性的影响，由于线粒体有自己的 tＲNA，密码的改变不影响细胞基因组．【8】相反，在线粒体中，这种改变可以看做是一种基因组的精简． 最初的译码准则是密码子第 3 位的 U 只能被 A 和 G 识别，然而 U34 的构象灵活多变，它与 4 种碱基都能配对( Crick 称其为变偶性) ． 无修饰的 U 通过变偶配对降低了人类mt tＲNA 的种类( Table 1) ． 仅22 种 mt tＲNA 即可翻译 60 个有意义的密码子，这也是翻译有意义的密码子最少的一组 tＲNA．终止因子 mt ＲF1a 识别终止密码子 UAA 和UAG． mＲNA CO1 和 ND6 的终止密码子分别是AGA 和 AGG． 因为两者都没有相应的 tＲNA 和释放因子，长期以来 AGＲ 一直作为它们的终止密码子，但这个机制并不清楚． 近年发现，哺乳动物 mt ＲFIa通过在 AGＲ 密码子后移一个读码框架来识别终止密码子。【9】
二、 线粒体疾病。
1、线粒体疾病的分类
线粒体疾病主要分为两大类:遗传性和获得性疾病,前者病因包括核DNA损害、线粒体DNA损害和基因组间的通讯障碍,后者主要由毒素、药物和衰老引起。目前的主要研究集中于线粒体DNA突变与线粒体疾病临床表型的相互关系上。目前人们所认识的线粒体疾病主要是一些神经肌肉变性疾病,如Leber' s遗传性视神经病,线粒体脑肌病,帕金森氏病,阿尔茨海默病,母系遗传的糖尿病和耳聋等。根据mtDNA突变的性质可以将其分为两种主要类型,即碱基替换突变和插入—缺失突变。碱基替换发生的位置不同,引起的突变效果也不同。发生在白质基因上的碱基替换可以导致错义突变,进而影响蛋白质的功能。发生在tRNA和rRNA基因上的碱基替换可以影响tRNA和rRNA的结构,导致蛋白质合成障碍。[10]缺失—插入突变是指mtDNA在复制分离过程中发生了碱基序列的丢失或插入,其中以缺失突变较为常见。大片段的缺失多发生在两个同向重复序列之间。最常见的缺失突变是4977bp缺失,约50%的4977bp缺失发生在8470～13447区域两个13bp的同向重复序列(5′-AC-CTCCCTCACCA)之间。还有一较为常见的缺失是7436bp缺失,常发生在8637～16073区域两个12bp的同向重复序列。【11】(5-CATCAA-CAACCG)之间。大片段的缺失往往涉及多个基因,最终导致线粒体OXPHOS功能下降,产生的ATP减少,从而影响组织器官的功能。mtDNA突变导