线粒体功能障碍与人体疾病的研究进展

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

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，

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．