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1、兰州交通大学化学与生物工程学院综合能力训练文献综述题目：线粒体疾病的最新研究进展线粒体疾病的最新研究进展作者：朱刚刚学号：201207730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
2、、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
3、。执行线粒体功能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 IIV 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
4、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 1020 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)
5、，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
6、是相对分子量为 1.45104Da 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 5.7104Da 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
7、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，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
8、%，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
9、量却要占到身体总消耗量的 25%哺乳动物 mt tNA 有 3 种常见的非典型二级结构( Fig 1) 绝大多数 tNA 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 tNA 的三级结构即 L 折叠，比如 TC 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 tNASer( 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 tNASer( 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
10、 0 型结构大 在核糖体上，反密码子环和 3CCA 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 tNA 缺乏典型的 D 环和 T 环间的相互作用 ( Fig 1C，II 型) 对 tNAPhe 和 mt tNAAsp 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 tNA 结构进行深入研究发现。【6】tNASer( 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;
11、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 NA 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 tNA 序列和结构多态性的主要原因之一2.2 mt DNA 译码系统遗传
12、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、AG( = 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 tNA，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 tNA 的种类( Table 1)
13、 仅 22 种 mt tNA 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 tNA终止因子 mt F1a 识别终止密码子 UAA 和 UAG mNA 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 tNA 和释放因子，长期以来 AG 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 FIa 通过在 AG 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
14、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
15、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 847013447 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 863716073 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 突变导致的 OXPHOS 缺陷的严重性是
16、由突变 mtDNA 的性质及其在细胞中所占的比例决定的,而突变 mtDNA 的表型又与 OX-PHOS 缺陷的严重性及各个组织器官的能量阈值有关。中枢神经系统及肌肉组织对 ATP 的需求量大,因此最易受累,其它象心脏、肾脏、肝脏以及胰岛组织对 OXPHOS 缺陷也较敏感,故也常常出现这些组织器官的变性疾病。【12】2.线粒体脑肌病ME 是一组由于线粒体功能缺陷造成的以神经肌肉系统病变为主的多系统疾病。根据临床表现可分为伴有破碎红纤维的肌阵挛癫痫(MERRF),伴高乳酸血症中风样发作的线粒全脑肌病(MELAS), Kearns-sayre 综合征(KSS),慢性进行性眼外肌瘫痪(CPEO),神经源性肌软弱病、共济失调并发色素性视网膜炎(NAPP)等。(1) MERRF MERRF 是一种母系遗传病,主要表现为阵发性癫痫、骨骼肌不自主痉挛伴破碎性红肌纤维病、全身性抽搐和小脑共济失调等。【13】通常在 1020岁发病,晚期可出现精神异
