线粒体病的分子生物学机制_刘誉
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1 线粒体病的遗传模式
线粒体是一种半自主性细胞器，其物质代谢与 生物学功能受核基因和线粒体基因共同调控。约 1 500多基因与线粒体的遗传和代谢有关，其中大部 分分布于核染色体，只有 37 个基因存在于线粒体基 因组［7］。人类 mtDNA 含 16 569 bp，为环状双链分 子，分为轻链（ L-strand） 和重链（ H-strand） ，编码 13 种氧化 磷 酸 化 酶 复 合 体 亚 基、22 种 tRNA 和 2 种 rRNA （ 12S 和 16S） ，共编码 37 个基因（ 图 1） 。mtDNA 中唯一非编码区是 D-环（ Displacement-loop） ，是 一个约 1kb 的转录启动区，含有轻、重链的转录启动 子［8 － 9］。
发性线粒体病分为 4 大类： ①mtDNA 重排（ 缺失和 重复） ； ②点突变； ③呼吸链蛋白结构基因或装配因 子基因突变； ④nDNA 与 mtDNA 信息通讯缺陷。综 合上 述 情 况 和 参 考 MITOMAP （ http： / / www． mitomap． org / MITOMAP） 分类列表，将原发性线粒体病 分为线粒体基因组突变与核基因组突变两大类，其 中前者又分为 4 种： 线粒体 DNA 缺失或重复、线粒 体蛋白质基因突变、线粒体 tRNA 基因突变和线粒 体 rRNA 基因突变； 后者分为 8 种： 呼吸链复合体缺 陷、装配因子缺陷、mtDNA 稳定性降低、线粒体蛋白 质合成障碍、线粒体代谢缺陷、线粒体转运缺陷、线 粒体离子平衡缺陷和线粒体完整性缺陷（ 表 1、2） 。
［Key words］ mitochondrial disease； mtDNA mutation； nDNA mutation； maternal inheritance
线粒体广泛存在于真核细胞中，一个体细胞通 常含有 103 ～ 104 个线粒体，是细胞内产生能量 ATP 的重要细胞器。细胞中的线粒体数量、形态和活性
与线粒体病相关的 nDNA 编码的基因遗传方式 属于孟德尔遗传，包括常染色体隐性遗传、显性遗传 和 X-连锁遗传。所以，线粒体病的遗传方式分为母 系遗传和孟德尔遗传两种。同时，nDNA 与 mtDNA 有着密切联系，线粒体 DNA 复制酶的亚基由 nDNA 编码，nDNA 中与线粒体相关基因的缺陷可导致线 粒体 mtDNA 继发性突变，甚至造成 mtDNA 拷贝数 的减少，从 而 改 变 线 粒 体 的 遗 传［10］。 此 外，mtDNA 无组蛋白的保护，线粒体中亦无 DNA 损伤的修复机 制，所以 mtDNA 的突变频率比 nDNA 高 10 ～ 20 倍 之多，是造成线粒体遗传性代谢疾病的重要原因之 一。
［摘 要］ 线粒体病是一种少见的能量代谢病，病情复杂多样，从单一组织损伤或无明显临床症状到多系统发病 乃致患者早期死亡，在临床上容易误诊或漏诊，甚至延误治疗。由于线粒体的结构与功能受核基因组（ nDNA） 与线 粒体基因组（ mtDNA） 双重调控，其中大多数线粒体酶、结构蛋白和各种蛋白因子由 nDNA 编码，因而多数原发性线 粒体病是 nDNA 突变所致，符合孟德尔遗传定律，少数则由于 mtDNA 缺陷造成，属于母系遗传，两种 DNA 突变所引 起的分子病理机制和临床表型特征有所不同。本文综述线粒体病的遗传模式、分类、分子生物学特点及其分子机 制的研究进展。 ［关键词］ 线粒体病； 核基因组突变； 线粒体基因组突变； 母系遗传 ［中图分类号］ R318． 14 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 1000 － 9965（2011）02 － 0115 － 07
OL 为轻链的复制起始点，OH 为重链的复制起始点
图 1 人类线粒体基因组结构
线粒体基因组只控制线粒体中一部分蛋白质的 合成，而线粒体中多数蛋白质则由核 DNA（ nDNA） 编码和调控。例如，氧化磷酸化复合体约有 80 多种 蛋白质，其中只有 13 种由线粒体基因组编码，包括 复合体 I 的 7 种，复合体 III 的 1 种，复合体 IV 的 3 种和复合体 V 的 2 种，其余的均由核基因组编码， 因此，线粒体病大多数是由于核基因组的突变所致。 由于受精卵的 mtDNA 来源于卵母细胞，故 mtDNA 的遗传方式为母系遗传，虽然受精时精子可能有少 量线粒体进入卵子，但对受精卵 mtDNA 的遗传影响 很小。
wk.baidu.com16
暨南大学学报（ 医学版）
第 32 卷
体较长甚至分支； 代谢不活跃或处于静止期的细胞 其线粒体较少，多发生分裂，形态较短小，甚至形成 小球状［3 － 4］。由于遗传缺陷而导致线粒体内酶或蛋 白质缺陷，甚至造成线粒体 DNA（ mtDNA） 或 RNA 的异常，影响线粒体的能量代谢而不能产生足够的 ATP，最终导致 细 胞 功 能 损 伤 和 临 床 症 状 甚 至 综 合 征，称为原发性线粒体病（ primary mitochondrial diseases） 。1962 年 Luft 等发现首例线粒体病女性患者 并命名为 Luft 病，以骨骼肌无力为主要临床表现， 伴基础代谢率异常增高、出汗、消瘦等症状，患者的 线粒体嵴结构异常和氧化磷酸化脱偶联，病因不明， 且迄今只发现两例，但开启了人类线粒体病的研究 进程［5 － 6］。由于线粒体是体内除红细胞外各组织细 胞的能量主要来源，线粒体代谢障碍常常引起多系 统、多器官的病变，尤其是对于代谢旺盛、能量需求 量大的器官如大脑、肌肉、内分泌腺、肾脏等的影响 更为明显。
目前已报道的与线粒体病相关的 nDNA 突变基 因有 39 种，包括结构基因突变 13 种，非结构基因突 变 26 种。每种基因的突变有不同的突变类型和突 变位点，因而每种核基因突变的临床表型有多种，例 如 DNA 聚 合 酶 γ 基 因 突 变 可 导 致 Alpers 综 合 症 （ Alpers syndrome） 、进行性眼外肌瘫痪合并 mtDNA 缺失（ AD-PEOA1） 、进行性眼外肌瘫痪、男性不育
The molecular biological mechanism of mitochondrial diseases
LIU Yu1 ， WEI Jian-ge1 ， WU Bing-bing1 ， LAN Fei-fei2
（ 1． Deptartment of Biochemistry，Medical College，Jinan University，Guangzhou 510632，China； 2． Center of Prenatal Diagnosis，Maternal and Child Health Hospital of Guangdong Province，Guangzhou 510010，China）
都处于动态平衡中（ dynamic balance） ，线粒体通过 分裂与融合 而 改 变 其 数 量 与 形 态［1 － 2］。一 般 情 况 下，活跃的组织细胞含线粒体多，多发生融合，线粒
［收稿日期］ 2010 － 12 － 31 ［基金项目］ 广东省科技计划项目（ 2006B35502010） ； 广州市科技基金项目（ 2010Y1-C871） ［作者简介］ 刘 誉（ 1957 － ） ，男，博士，教授，硕士生导师，研究方向： 医学分子生物学，Tel： 020 － 85228392； E － mail： xyuliu05@ 126． com
第2 期
刘 誉，等： 线粒体病的分子生物学机制
117
症、Sando 综合症（ Sando syndrome） 等。与线粒体病 相关的 mtDNA 突变体有 729 种，包括重排（ 缺失与 重复） 261 种，编码基因与控制区突变 238 种，rRNA 和 tRNA 突变 230 种，因此，线粒体基因突变频率大 大高于核基因的突变频率。根据突变基因的功能定 位，线粒体的遗传缺陷涉及糖、脂肪、蛋白质、核酸等 重要代谢通路，缺陷的基因产物包括线粒体膜的物 质转运、氧化磷酸化、三羧酸循环、脂肪酸 β-氧化、 尿素循环、线粒体 DNA 的复制等生化反应中的酶或 蛋白质。美国线粒体病基金会（ United Mitochondrial Disease Foundation） 根据线粒体病的临床表型，将其 分为 44 类，多 数 为 综 合 症，种 类 多 且 复 杂。Schon 和 DiMauro［14］于 2003 年提出分子遗传学分类，将原
第 32 卷 第 2 期 2011 年 4 月
暨南大学学报（ 医学版）
Journal of Jinan University（ M edicine Edition）
Vol． 32 No． 2 Apr． 2011
线粒体病的分子生物学机制
刘 誉1， 韦建鸽1， 吴彬彬1， 兰菲菲2
（ 1． 暨南大学 医学院 生化教研室，广东 广州 510632； 2． 广东省妇幼保健院 产前诊断中心，广东 广州 510010）
［Abstract］ Mitochondrial diseases are a group of rare disorders due to defects of energy metabolism in mitochondria． The clinical phenotype of mitochondrial diseases ranges from a single structural defect in tissues or no symptoms to multisystemic lesions or even death in early ages． Therefore，this type of diseases are often clinically misdiagnosed or even delayed for treatment． Biologically，structure and function of mitochondria are under the dual control of the mitochondrial genome （ mtDNA） and the nuclear genome （ nDNA） ． Due to the fact that most of the enzymes and protein factors of mitochondria are encoded by nDNA，primary mitochondrial diseases are mainly caused by mutations in the nuclear genome and thus are of Mendelian inherited disorders，while others caused by mutations in mtDNA are maternally inherited． The molecular pathogenesis and clinical phenotype vary with mutations in nDNA or mtDNA． This review describes the inheritance，classification and molecular biological mechanisms of mitochondrial diseases．
2 线粒体病的种类
线粒体病按病因学可分为原发性和继发性： 原 发性线粒体病是由于 mtDNA 或 nDNA 的突变造成 线粒体功能障碍； 继发性线粒体病则是由于各种继 发性原因所致的线粒体功能障碍，如炎症、药物或毒 物以及其他疾病等。mtDNA 突变包括点突变、碱基 缺失、重复以及 mtDNA 大片段的丢失等。nDNA 与 线粒体相关的基因突变也可导致线粒体病，例如编 码线粒体蛋白质的核基因突变，线粒体基因组和核 基因组间的通讯障碍等。由于 mtDNA 或 nDNA 的 缺陷而引起的线粒体病又称为原发性线粒体代谢 病，是遗传 性 代 谢 缺 陷 中 最 常 见 的 疾 病，患 病 率 约 1 / （ 5 000 ～ 10 000） ［11 。 － 13］
线粒体是一种半自主性细胞器，其物质代谢与 生物学功能受核基因和线粒体基因共同调控。约 1 500多基因与线粒体的遗传和代谢有关，其中大部 分分布于核染色体，只有 37 个基因存在于线粒体基 因组［7］。人类 mtDNA 含 16 569 bp，为环状双链分 子，分为轻链（ L-strand） 和重链（ H-strand） ，编码 13 种氧化 磷 酸 化 酶 复 合 体 亚 基、22 种 tRNA 和 2 种 rRNA （ 12S 和 16S） ，共编码 37 个基因（ 图 1） 。mtDNA 中唯一非编码区是 D-环（ Displacement-loop） ，是 一个约 1kb 的转录启动区，含有轻、重链的转录启动 子［8 － 9］。
发性线粒体病分为 4 大类： ①mtDNA 重排（ 缺失和 重复） ； ②点突变； ③呼吸链蛋白结构基因或装配因 子基因突变； ④nDNA 与 mtDNA 信息通讯缺陷。综 合上 述 情 况 和 参 考 MITOMAP （ http： / / www． mitomap． org / MITOMAP） 分类列表，将原发性线粒体病 分为线粒体基因组突变与核基因组突变两大类，其 中前者又分为 4 种： 线粒体 DNA 缺失或重复、线粒 体蛋白质基因突变、线粒体 tRNA 基因突变和线粒 体 rRNA 基因突变； 后者分为 8 种： 呼吸链复合体缺 陷、装配因子缺陷、mtDNA 稳定性降低、线粒体蛋白 质合成障碍、线粒体代谢缺陷、线粒体转运缺陷、线 粒体离子平衡缺陷和线粒体完整性缺陷（ 表 1、2） 。
［Key words］ mitochondrial disease； mtDNA mutation； nDNA mutation； maternal inheritance
线粒体广泛存在于真核细胞中，一个体细胞通 常含有 103 ～ 104 个线粒体，是细胞内产生能量 ATP 的重要细胞器。细胞中的线粒体数量、形态和活性
与线粒体病相关的 nDNA 编码的基因遗传方式 属于孟德尔遗传，包括常染色体隐性遗传、显性遗传 和 X-连锁遗传。所以，线粒体病的遗传方式分为母 系遗传和孟德尔遗传两种。同时，nDNA 与 mtDNA 有着密切联系，线粒体 DNA 复制酶的亚基由 nDNA 编码，nDNA 中与线粒体相关基因的缺陷可导致线 粒体 mtDNA 继发性突变，甚至造成 mtDNA 拷贝数 的减少，从 而 改 变 线 粒 体 的 遗 传［10］。 此 外，mtDNA 无组蛋白的保护，线粒体中亦无 DNA 损伤的修复机 制，所以 mtDNA 的突变频率比 nDNA 高 10 ～ 20 倍 之多，是造成线粒体遗传性代谢疾病的重要原因之 一。
［摘 要］ 线粒体病是一种少见的能量代谢病，病情复杂多样，从单一组织损伤或无明显临床症状到多系统发病 乃致患者早期死亡，在临床上容易误诊或漏诊，甚至延误治疗。由于线粒体的结构与功能受核基因组（ nDNA） 与线 粒体基因组（ mtDNA） 双重调控，其中大多数线粒体酶、结构蛋白和各种蛋白因子由 nDNA 编码，因而多数原发性线 粒体病是 nDNA 突变所致，符合孟德尔遗传定律，少数则由于 mtDNA 缺陷造成，属于母系遗传，两种 DNA 突变所引 起的分子病理机制和临床表型特征有所不同。本文综述线粒体病的遗传模式、分类、分子生物学特点及其分子机 制的研究进展。 ［关键词］ 线粒体病； 核基因组突变； 线粒体基因组突变； 母系遗传 ［中图分类号］ R318． 14 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 1000 － 9965（2011）02 － 0115 － 07
OL 为轻链的复制起始点，OH 为重链的复制起始点
图 1 人类线粒体基因组结构
线粒体基因组只控制线粒体中一部分蛋白质的 合成，而线粒体中多数蛋白质则由核 DNA（ nDNA） 编码和调控。例如，氧化磷酸化复合体约有 80 多种 蛋白质，其中只有 13 种由线粒体基因组编码，包括 复合体 I 的 7 种，复合体 III 的 1 种，复合体 IV 的 3 种和复合体 V 的 2 种，其余的均由核基因组编码， 因此，线粒体病大多数是由于核基因组的突变所致。 由于受精卵的 mtDNA 来源于卵母细胞，故 mtDNA 的遗传方式为母系遗传，虽然受精时精子可能有少 量线粒体进入卵子，但对受精卵 mtDNA 的遗传影响 很小。
wk.baidu.com16
暨南大学学报（ 医学版）
第 32 卷
体较长甚至分支； 代谢不活跃或处于静止期的细胞 其线粒体较少，多发生分裂，形态较短小，甚至形成 小球状［3 － 4］。由于遗传缺陷而导致线粒体内酶或蛋 白质缺陷，甚至造成线粒体 DNA（ mtDNA） 或 RNA 的异常，影响线粒体的能量代谢而不能产生足够的 ATP，最终导致 细 胞 功 能 损 伤 和 临 床 症 状 甚 至 综 合 征，称为原发性线粒体病（ primary mitochondrial diseases） 。1962 年 Luft 等发现首例线粒体病女性患者 并命名为 Luft 病，以骨骼肌无力为主要临床表现， 伴基础代谢率异常增高、出汗、消瘦等症状，患者的 线粒体嵴结构异常和氧化磷酸化脱偶联，病因不明， 且迄今只发现两例，但开启了人类线粒体病的研究 进程［5 － 6］。由于线粒体是体内除红细胞外各组织细 胞的能量主要来源，线粒体代谢障碍常常引起多系 统、多器官的病变，尤其是对于代谢旺盛、能量需求 量大的器官如大脑、肌肉、内分泌腺、肾脏等的影响 更为明显。
目前已报道的与线粒体病相关的 nDNA 突变基 因有 39 种，包括结构基因突变 13 种，非结构基因突 变 26 种。每种基因的突变有不同的突变类型和突 变位点，因而每种核基因突变的临床表型有多种，例 如 DNA 聚 合 酶 γ 基 因 突 变 可 导 致 Alpers 综 合 症 （ Alpers syndrome） 、进行性眼外肌瘫痪合并 mtDNA 缺失（ AD-PEOA1） 、进行性眼外肌瘫痪、男性不育
The molecular biological mechanism of mitochondrial diseases
LIU Yu1 ， WEI Jian-ge1 ， WU Bing-bing1 ， LAN Fei-fei2
（ 1． Deptartment of Biochemistry，Medical College，Jinan University，Guangzhou 510632，China； 2． Center of Prenatal Diagnosis，Maternal and Child Health Hospital of Guangdong Province，Guangzhou 510010，China）
都处于动态平衡中（ dynamic balance） ，线粒体通过 分裂与融合 而 改 变 其 数 量 与 形 态［1 － 2］。一 般 情 况 下，活跃的组织细胞含线粒体多，多发生融合，线粒
［收稿日期］ 2010 － 12 － 31 ［基金项目］ 广东省科技计划项目（ 2006B35502010） ； 广州市科技基金项目（ 2010Y1-C871） ［作者简介］ 刘 誉（ 1957 － ） ，男，博士，教授，硕士生导师，研究方向： 医学分子生物学，Tel： 020 － 85228392； E － mail： xyuliu05@ 126． com
第2 期
刘 誉，等： 线粒体病的分子生物学机制
117
症、Sando 综合症（ Sando syndrome） 等。与线粒体病 相关的 mtDNA 突变体有 729 种，包括重排（ 缺失与 重复） 261 种，编码基因与控制区突变 238 种，rRNA 和 tRNA 突变 230 种，因此，线粒体基因突变频率大 大高于核基因的突变频率。根据突变基因的功能定 位，线粒体的遗传缺陷涉及糖、脂肪、蛋白质、核酸等 重要代谢通路，缺陷的基因产物包括线粒体膜的物 质转运、氧化磷酸化、三羧酸循环、脂肪酸 β-氧化、 尿素循环、线粒体 DNA 的复制等生化反应中的酶或 蛋白质。美国线粒体病基金会（ United Mitochondrial Disease Foundation） 根据线粒体病的临床表型，将其 分为 44 类，多 数 为 综 合 症，种 类 多 且 复 杂。Schon 和 DiMauro［14］于 2003 年提出分子遗传学分类，将原
第 32 卷 第 2 期 2011 年 4 月
暨南大学学报（ 医学版）
Journal of Jinan University（ M edicine Edition）
Vol． 32 No． 2 Apr． 2011
线粒体病的分子生物学机制
刘 誉1， 韦建鸽1， 吴彬彬1， 兰菲菲2
（ 1． 暨南大学 医学院 生化教研室，广东 广州 510632； 2． 广东省妇幼保健院 产前诊断中心，广东 广州 510010）
［Abstract］ Mitochondrial diseases are a group of rare disorders due to defects of energy metabolism in mitochondria． The clinical phenotype of mitochondrial diseases ranges from a single structural defect in tissues or no symptoms to multisystemic lesions or even death in early ages． Therefore，this type of diseases are often clinically misdiagnosed or even delayed for treatment． Biologically，structure and function of mitochondria are under the dual control of the mitochondrial genome （ mtDNA） and the nuclear genome （ nDNA） ． Due to the fact that most of the enzymes and protein factors of mitochondria are encoded by nDNA，primary mitochondrial diseases are mainly caused by mutations in the nuclear genome and thus are of Mendelian inherited disorders，while others caused by mutations in mtDNA are maternally inherited． The molecular pathogenesis and clinical phenotype vary with mutations in nDNA or mtDNA． This review describes the inheritance，classification and molecular biological mechanisms of mitochondrial diseases．
2 线粒体病的种类
线粒体病按病因学可分为原发性和继发性： 原 发性线粒体病是由于 mtDNA 或 nDNA 的突变造成 线粒体功能障碍； 继发性线粒体病则是由于各种继 发性原因所致的线粒体功能障碍，如炎症、药物或毒 物以及其他疾病等。mtDNA 突变包括点突变、碱基 缺失、重复以及 mtDNA 大片段的丢失等。nDNA 与 线粒体相关的基因突变也可导致线粒体病，例如编 码线粒体蛋白质的核基因突变，线粒体基因组和核 基因组间的通讯障碍等。由于 mtDNA 或 nDNA 的 缺陷而引起的线粒体病又称为原发性线粒体代谢 病，是遗传 性 代 谢 缺 陷 中 最 常 见 的 疾 病，患 病 率 约 1 / （ 5 000 ～ 10 000） ［11 。 － 13］