第十三章线粒体疾病 线粒体是一个对环境变化十分敏感的细胞器,在许多疾病状态 下,线粒体的结构和功能都会发生相应的改变,并成为疾病病理变化 的一部分。另一方面,线粒体的异常也可能成为疾病发生的原因,这 种以线粒体结构或功能异常为主要病因的一大类疾病称为线粒体病 ( mitochondrial disease)。除线粒体基因组缺陷可直接导致的疾病外 编码线粒体蛋白的核DNA突变也可引起线粒体病,但这类疾病表现 为孟德尔遗传方式。目前发现还有一类线粒体疾病,可能涉及到 mtDNA与nDNA的共同改变,认为是基因组间交流的通讯缺陷。 第一节疾病过程中的线粒体变化 线粒体对外界环境因素的变化很敏感,一些环境因素的影响可直 接造成线粒体功能的异常。例如在有害物质渗入(中毒)、病毒入侵 (感染)等情况下,线粒体亦可发生肿胀甚至破裂,肿胀后的体积有 的比正常体积大3~4倍。如人体原发性肝癌细胞癌变过程中,线粒 体嵴的数目逐渐下降而最终成为液泡状线粒体;缺血性损伤时的线粒 体也会出现结构变异如凝集、肿胀等;坏血病患者的病变组织中有时 也可见二到三个线粒体融合成一个大的线粒体的现象,称为线粒体 球;一些细胞病变时,可看到线粒体中累积大量的脂肪或蛋白质,有 时可见线粒体基质颗粒大量增加,这些物质的充塞往往影响线粒体功 能甚至导致细胞死亡;如线粒体在微波照射下会发生亚微结构的变 化,从而导致功能上的改变;氰化物、CO等物质可阻断呼吸链上的 电子传递,造成生物氧化中断、细胞死亡;随着年龄的增长,线粒体 的氧化磷酸化能力下降等等。在这些情况下,线粒体常作为细胞病变 或损伤时最敏感的指标之一,成为分子细胞病理学检査的重要依据
1 第十三章 线粒体疾病 线粒体是一个对环境变化十分敏感的细胞器，在许多疾病状态 下，线粒体的结构和功能都会发生相应的改变，并成为疾病病理变化 的一部分。另一方面，线粒体的异常也可能成为疾病发生的原因，这 种以线粒体结构或功能异常为主要病因的一大类疾病称为线粒体病 （mitochondrial disease）。除线粒体基因组缺陷可直接导致的疾病外， 编码线粒体蛋白的核 DNA 突变也可引起线粒体病，但这类疾病表现 为孟德尔遗传方式。目前发现还有一类线粒体疾病，可能涉及到 mtDNA 与 nDNA 的共同改变，认为是基因组间交流的通讯缺陷。 第一节 疾病过程中的线粒体变化 线粒体对外界环境因素的变化很敏感，一些环境因素的影响可直 接造成线粒体功能的异常。例如在有害物质渗入（中毒）、病毒入侵 （感染）等情况下，线粒体亦可发生肿胀甚至破裂，肿胀后的体积有 的比正常体积大 3～4 倍。如人体原发性肝癌细胞癌变过程中，线粒 体嵴的数目逐渐下降而最终成为液泡状线粒体；缺血性损伤时的线粒 体也会出现结构变异如凝集、肿胀等；坏血病患者的病变组织中有时 也可见二到三个线粒体融合成一个大的线粒体的现象，称为线粒体 球；一些细胞病变时，可看到线粒体中累积大量的脂肪或蛋白质，有 时可见线粒体基质颗粒大量增加，这些物质的充塞往往影响线粒体功 能甚至导致细胞死亡；如线粒体在微波照射下会发生亚微结构的变 化，从而导致功能上的改变；氰化物、CO 等物质可阻断呼吸链上的 电子传递，造成生物氧化中断、细胞死亡；随着年龄的增长，线粒体 的氧化磷酸化能力下降等等。在这些情况下，线粒体常作为细胞病变 或损伤时最敏感的指标之一，成为分子细胞病理学检查的重要依据
第二节线粒体疾病的分类 根据不同的立足点,线粒体疾病可以有不同的分类。从临床角度, 线粒体疾病主要涉及心、脑等组织器官或系统;从病因和病理机制角 度,线粒体疾病有生化分类和遗传分类之别。生化分类是根据线粒体 所涉及的代谢功能来进行的,常分为以下五种类型:底物转运缺陷、 底物利用缺陷、 Krebs循环缺陷、电子传递过程缺陷和氧化磷酸化偶联 缺陷;遗传分类是根据缺陷的遗传原因来进行的,可分为核DNA (nDNA)缺陷、 mtDNA缺陷以及nDNA和 mtDNA联合缺陷三种类型。 生化分类 根据线粒体所涉及的代谢功能,线粒体疾病可分为以下5种类型: 底物转运缺陷、底物利用缺陷、 Krebs循环缺陷、电子传导缺陷和氧化 磷酸化偶联缺陷(表13-1)。 表13-1线粒体疾病的生化分类 底物转运缺陷 肉碱棕榈酰基转移酶(CPT)缺陷 肉碱缺陷(肉碱转运体缺陷) 2.底物利用缺陷 丙酮酸脱氢酶复合体(PDHC)缺陷 氧化缺陷 3. Krebs循环缺陷 延胡索酸酶缺陷 乌头酸酶缺陷 a-酮戊二酸脱氢酶缺陷 4.电子传导缺陷 复合体IV 复合体Ⅱ 复合体Ⅲ 复合体Ⅳ 复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ联合缺陷 5.氧化磷酸化偶联缺陷
2 第二节 线粒体疾病的分类 根据不同的立足点，线粒体疾病可以有不同的分类。从临床角度， 线粒体疾病主要涉及心、脑等组织器官或系统；从病因和病理机制角 度，线粒体疾病有生化分类和遗传分类之别。生化分类是根据线粒体 所涉及的代谢功能来进行的，常分为以下五种类型：底物转运缺陷、 底物利用缺陷、Krebs循环缺陷、电子传递过程缺陷和氧化磷酸化偶联 缺陷；遗传分类是根据缺陷的遗传原因来进行的，可分为核DNA （nDNA）缺陷、mtDNA缺陷以及nDNA和mtDNA联合缺陷三种类型。 一、生化分类 根据线粒体所涉及的代谢功能，线粒体疾病可分为以下5种类型： 底物转运缺陷、底物利用缺陷、Krebs循环缺陷、电子传导缺陷和氧化 磷酸化偶联缺陷（表13-1）。 表13-1 线粒体疾病的生化分类 1．底物转运缺陷 肉碱棕榈酰基转移酶（CPT）缺陷 肉碱缺陷（肉碱转运体缺陷） 2．底物利用缺陷 丙酮酸脱氢酶复合体（PDHC）缺陷 β-氧化缺陷 3．Krebs循环缺陷 延胡索酸酶缺陷 乌头酸酶缺陷 α-酮戊二酸脱氢酶缺陷 4．电子传导缺陷 复合体ⅠⅤ 复合体Ⅱ 复合体Ⅲ 复合体Ⅳ 复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ联合缺陷 5．氧化磷酸化偶联缺陷
复合体Ⅴ缺陷 、遗传分类 根据缺陷的遗传原因,线粒体疾病分为核DNA(nDNA)缺陷 mtDNA缺陷以及nDNA和 mtdNA联合缺陷3种类型(表13-2)。 表13-2线粒体疾病的遗传分类 缺陷位置 遗传方式 遗传特征 生化分析 NDNA缺陷 组织特异基因 孟德尔式 组织特异综合征组织特异单酶病变 非组织特异基因 孟德尔式 多系统疾病 广泛性酶病变 mtDNA缺陷 点突变 母性遗传 多系统、异质性 特异单酶病变 广泛性酶病变 缺失 散发 PEO,KSS, Pearson广泛性酶病变 NDNA和 mtDNA联合缺陷 多发性 mtDNA缺失 AD/AR 广泛性酶病变 mtDNA缺失 AR 肌病、肝病 组织特异多酶病变 注:PEO:进行性眼外肌麻痹;KSS:眼肌病; Pearson:骨髓/胰腺综合征 第三节 mtdNA突变引起的疾病 线粒体病是一组多系统疾病,因中枢神经系统和骨骼肌对能量的 依赖性最强,故临床症状以中枢神经系统和骨骼肌病变为特征,如果 病变以中枢神经系统为主,称为线粒体脑病;如果病变以骨骼肌为主, 称为线粒体肌病;如果病变同时侵犯中枢神经系统和骨骼肌,则称为 线粒体脑肌病。线粒体疾病通常累计多个系统,表现型有高度差异
3 Luft’s病 复合体Ⅴ缺陷 二、遗传分类 根据缺陷的遗传原因，线粒体疾病分为核DNA（nDNA）缺陷、 mtDNA缺陷以及nDNA和mtDNA联合缺陷3种类型（表13-2）。 表13-2 线粒体疾病的遗传分类 缺陷位置 遗传方式 遗传特征 生化分析 NDNA缺陷 组织特异基因 孟德尔式 组织特异综合征 组织特异单酶病变 非组织特异基因 孟德尔式 多系统疾病 广泛性酶病变 mtDNA缺陷 点突变 母性遗传 多系统、异质性 特异单酶病变 广泛性酶病变 缺失 散发 PEO，KSS，Pearson 广泛性酶病变 NDNA和mtDNA联合缺陷 多发性mtDNA缺失 AD/AR PEO 广泛性酶病变 mtDNA缺失 AR 肌病、肝病 组织特异多酶病变 注：PEO：进行性眼外肌麻痹；KSS：眼肌病；Pearson：骨髓/胰腺综合征 第三节 mtDNA 突变引起的疾病 线粒体病是一组多系统疾病，因中枢神经系统和骨骼肌对能量的 依赖性最强，故临床症状以中枢神经系统和骨骼肌病变为特征，如果 病变以中枢神经系统为主，称为线粒体脑病；如果病变以骨骼肌为主， 称为线粒体肌病；如果病变同时侵犯中枢神经系统和骨骼肌，则称为 线粒体脑肌病。线粒体疾病通常累计多个系统，表现型有高度差异
mtDNA与nDNA有不同的遗传特性,因此 mtDNA突变所引起疾 病的遗传方式、病因、病程也有其自身特性。由于线粒体基因组和生 化的复杂性,使线粒体疾病发病机制非常复杂,表现型很不一致。不 同的 mtDNA突变可导致相同疾病,而同一突变也可引起不同表型, 并且通常与突变 mtDNA的异质性水平和组织分布相关。如A8344G、 T8356C均可导致 MERRF;又如低比例的T8993G( ATPase6基因) 点突变导致NARP,比例>90%时导致 Leigh病;高比例的A3243G突 变造成 MELAS,低比例时可导致母系遗传的糖尿病和耳聋(表13-3)。 目前已发现越来越多的疾病与线粒体功能障碍有关,如2型糖尿病、 肿瘤、帕金森病、心肌病及衰老等 表13-3一些 mtDNA突变相关的疾病 突变 相关基因 表型 nt-3243 RNALeu(UUR MELAS、PEO、NDDM耳聋 nt-3256 tRNALeuUUR nt-3271 tRNALeu(UUR) MELAS nt-3303 RNALeu(UUR nt-3260 tRNALeuUUR 心肌病肌病 nt-4269 N 心肌病 nt-5730 肌病(PEO nt-8344 tRNalys MERRF nt-8356 tRNAlys MERRF/MELAS nt-15990 tRNAPro 肌病 nt-8993 A6 NARP/LEIGH nt-l1778 ND4 LHON nt4160 NDI nt-3460 NDI LHON nt-7444 COXI LHON nt-14484 ND6 LHON nt-15257 Cyts LHON
4 mtDNA 与 nDNA 有不同的遗传特性，因此 mtDNA 突变所引起疾 病的遗传方式、病因、病程也有其自身特性。由于线粒体基因组和生 化的复杂性，使线粒体疾病发病机制非常复杂，表现型很不一致。不 同的 mtDNA 突变可导致相同疾病，而同一突变也可引起不同表型， 并且通常与突变 mtDNA 的异质性水平和组织分布相关。如 A8344G、 T8356C 均可导致 MERRF；又如低比例的 T8993G（ATPase6 基因） 点突变导致 NARP，比例>90%时导致 Leigh 病；高比例的 A3243G 突 变造成 MELAS，低比例时可导致母系遗传的糖尿病和耳聋（表 13-3）。 目前已发现越来越多的疾病与线粒体功能障碍有关，如2 型糖尿病、 肿瘤、帕金森病、心肌病及衰老等。 表13-3 一些mtDNA突变相关的疾病 突变 相关基因 表型 nt-3243 tRNALeu(UUR) MELAS、PEO、NIDDM/耳聋 nt-3256 tRNALeu(UUR) PEO nt-3271 tRNALeu(UUR) MELAS nt-3303 tRNALeu(UUR) 心肌病 nt-3260 tRNALeu(UUR) 心肌病/肌病 nt-4269 tRNAIle 心肌病 nt-5730 tRNAAsn 肌病(PEO) nt-8344 tRNALys MERRF nt-8356 tRNALys MERRF/MELAS nt-15990 tRNAPro 肌病 nt-8993 A6 NARP/LEIGH nt-11778 ND4 LHON nt-4160 ND1 LHON nt-3460 ND1 LHON nt-7444 COX1 LHON nt-14484 ND6 LHON nt-15257 Cyt6 LHON
Leber遗传性视神经病 Leber遗传性视神经病( Leber hered itary optic neuropathy,LHON) 于1871年由 Leber医生首次报道,因主要症状为视神经退行性变,故 又称 Leber视神经萎缩。患者多在18~20岁发病,男性较多见,个体 细胞中突变 mtdNA超过96%时发病,少于80%时男性病人症状不明 显。临床表现为双侧视神经严重萎缩引起的急性或亚急性双侧中央视 力丧失,可伴有神经、心血管、骨骼肌等系统异常,如头痛、癫痫及 心律失常等。 诱发LHON的mDNA突变均为点突变。1988年, Wallace等发 现LHON患者 OXPHOS复合物I(NADH脱氢酶)的ND4亚单位基 因第11778位点的碱基由G置换为A(G11778A,称 Wallace突变), 使ND4的第340位上1个高度保守的精氨酸被组氨酸取代,ND4的 空间构型改变,NADH脱氢酶活性降低和线粒体产能效率下降,视神 经细胞提供的能量不能长期维持视神经的完整结构,导致神经细胞退 行性变、死亡。近年来,已相继报道有更多 mt DNA点突变与LHON 相关,均可引起基因产物的氨基酸替换,其中除Gl1778A外,Gl4459A (ND6)、G3460A(ND1)、T14484C(ND6)、G15257A(cytb)等4 个位点对LHON也有重要作用。这5个位点的突变虽然均导致LHON 但临床严重程度有较大差异,以G14459A引起的症状最为严重, T14484C和G15257A引起的症状较轻。 LHON家系中 mt dNA可有多个点突变,并且可观察到2个以上 突变的协同致病作用,遗传学研究表明,LHON患者 mtDNA的多发 突变之间存在某种联系,这些突变可分原发性突变和继发性突变, mtNA某一“原发”突变或nDNA遗传缺陷可导致“继发”突变。 单一的原发性突变即可引起LHON(称原发性LHON),临床严重程 度随突变位点不同而异;继发性突变往往以某型突变为主,伴发其他 类型突变(二次突变或nDNA突变),才能引起LHON(继发性LHON 利用LHON患者的特异性mDNA突变,可进行该病的基因诊断。 例如, mtDNA第11778位G→A是LHON患者最常见的突变类型
5 一、Leber 遗传性视神经病 Leber 遗传性视神经病（Leber hereditary optic neuropathy，LHON） 于 1871 年由 Leber 医生首次报道，因主要症状为视神经退行性变，故 又称 Leber 视神经萎缩。患者多在 18～20 岁发病，男性较多见，个体 细胞中突变 mtDNA 超过 96％时发病，少于 80％时男性病人症状不明 显。临床表现为双侧视神经严重萎缩引起的急性或亚急性双侧中央视 力丧失，可伴有神经、心血管、骨骼肌等系统异常，如头痛、癫痫及 心律失常等。 诱发 LHON 的 mtDNA 突变均为点突变。1988 年，Wal1ace 等发 现 LHON 患者 OXPHOS 复合物Ｉ（NADH 脱氢酶）的 ND4 亚单位基 因第 11778 位点的碱基由Ｇ置换为Ａ（G11778A，称 Wal1ace 突变）， 使 ND4 的第 340 位上 1 个高度保守的精氨酸被组氨酸取代，ND4 的 空间构型改变，NADH 脱氢酶活性降低和线粒体产能效率下降，视神 经细胞提供的能量不能长期维持视神经的完整结构，导致神经细胞退 行性变、死亡。近年来，已相继报道有更多 mtDNA 点突变与 LHON 相关，均可引起基因产物的氨基酸替换，其中除 G11778A 外，G14459A （ND6）、G3460A（ND1）、T14484C（ND6）、G15257A（cyt b）等 4 个位点对LHON 也有重要作用。这5个位点的突变虽然均导致LHON， 但临床严重程度有较大差异，以 G14459A 引起的症状最为严重， T14484C 和 G15257A 引起的症状较轻。 LHON 家系中 mtDNA 可有多个点突变，并且可观察到 2 个以上 突变的协同致病作用，遗传学研究表明，LHON 患者 mtDNA 的多发 突变之间存在某种联系，这些突变可分原发性突变和继发性突变， mtDNA 某一“原发”突变或 nDNA 遗传缺陷可导致“继发”突变。 单一的原发性突变即可引起 LHON（称原发性 LHON），临床严重程 度随突变位点不同而异；继发性突变往往以某型突变为主，伴发其他 类型突变（二次突变或nDNA突变），才能引起LHON（继发性LHON）。 利用 LHON 患者的特异性 mtDNA 突变，可进行该病的基因诊断。 例如，mtDNA 第 11778 位 G→A 是 LHON 患者最常见的突变类型