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mDNA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(nD)NA)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、 NIDDM耳聋 nt-3256 tRN 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-11778 ND4 LHON nt4160 NDI nt-3460 NDI LHON nt-7444 COXI LHON nt-14484 ND6 LHON nt-15257 Cvt 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G11778A外,G14459A (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IHON 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
该突变可导致原有的限制性内切酶saNI的切点消失,正常人 mtdNA 经sNI酶切后产生915bp、679bp两个片段,而LHON患者 mtDNA 经酶切后只产生1590bp片段。 Leber's hereditary optic neuropathy LHON 1. HON has been linked to point mutations in the mtDNA 2. LHON is expressed predominantly in males of the lineage unexplained 3.The onset of visual loss typically occurs between the age of 15 and 35 years 4. Visual loss is painless, central, and occurs in one eye week to months before second eye involvement. On rare occasions, the disease may remain clinically monocular 线粒体脑肌病 线粒体脑肌病( mitochondrial encephalomyopathies,ME)是一组 由于线粒体功能缺陷引起的多系统疾病,以中枢神经和肌肉系统病变 为主,特征是呼吸链酶活性正常的肌纤维与酶活性缺失的肌纤维混 合。患者各种组织内 mtDNA的突变类型、分布各不相同,所以表现 出不同的症状,多表现为肌力低下、易疲劳、小脑失调、耳聋、痴呆、 代偿性高乳酸血症等。根据临床表现,将线粒体脑肌病分为:伴有破 碎红纤维的肌阵挛癫痫( myoclonic epilepsy and ragged red fibers, MERRF)、线粒体脑肌病合并乳酸血症及卒中样发作( mitochondrial encephalomyopathy with lactic acidosis, and stroke-like episodes MELAS, Kearns-Sayre综合征(KSS)慢性进行性眼外肌瘫痪( chronic progressive external ophthalmoplegia,CPEO)、神经源性肌软弱、共济 失调并发色素性视网膜炎( neurogenic muscle weakness; ataxia,and
6 该突变可导致原有的限制性内切酶sfaNⅠ的切点消失，正常人mtDNA 经 sfaNⅠ酶切后产生 915bp、679bp 两个片段，而 LHON 患者 mtDNA 经酶切后只产生 1590bp 片段。 Leber’s hereditary optic neuropathy(LHON) 1.LHON has been linked to point mutations in the mtDNA. 2.LHON is expressed predominantly in males of the lineage ≥ unexplained. 3.The onset of visual loss typically occurs between the age of 15 and 35 years. 4.Visual loss is painless, central, and occurs in one eye week to months before second eye involvement. On rare occasions, the disease may remain clinically monocular. 二、线粒体脑肌病 线粒体脑肌病（mitochondria1 encephalomyopathies，ME）是一组 由于线粒体功能缺陷引起的多系统疾病，以中枢神经和肌肉系统病变 为主，特征是呼吸链酶活性正常的肌纤维与酶活性缺失的肌纤维混 合。患者各种组织内 mtDNA 的突变类型、分布各不相同，所以表现 出不同的症状，多表现为肌力低下、易疲劳、小脑失调、耳聋、痴呆、 代偿性高乳酸血症等。根据临床表现，将线粒体脑肌病分为：伴有破 碎红纤维的肌阵挛癫痫（myoclonic epilepsy and ragged red fibers， MERRF）、线粒体脑肌病合并乳酸血症及卒中样发作(mitochondrial encephalomyopathy with lactic acidosis，and stroke-like episodes， MELAS)，Kearns-Sayre 综合征（KSS）、慢性进行性眼外肌瘫痪（chronic progressive external ophthalmoplegia，CPEO）、神经源性肌软弱、共济 失调并发色素性视网膜炎（neurogenic muscle weakness,ataxia,and
retinitis pigmentosa,NARP)和 Leigh综合征( Leigh syndrom,LS 等几种 (一)伴有破碎红纤维的肌阵挛癫痫( MERRE) MERRE患者通常10~20岁发病,主要临床表现为阵发性癫痫, 伴有进行性神经系统障碍(智力倒退、共济失调、意向性震颤),患 者肌纤维紊乱、粗糙,线粒体形态异常并在骨骼肌细胞中积累,用 Gomori trichrome染色显示为红色,称破碎红纤维。 MERRE最常见的突变类型是mDNA第8344位点(位于tRNA3 基因处)A→G的碱基置换,破坏了 tRNalys中与核糖体连接的T屮C 环,结果影响了 OXPHOS复合体Ⅰ和复合体Ⅳ的合成,造成 OXPHOS 功能下降,导致患者多系统病变。 (二)线粒体脑肌病合并乳酸血症及卒中样发作( MELAS) MELAS患者通常10~20岁发病,主要临床表现为阵发性呕吐 癫痫发作和中风样发作、血乳酸中毒、近心端四肢乏力等。 MELAS的分子特征是线粒体tRNA的点突变,约有80%的患者 是 mtDNA的3243(位于 trNaleu基因)A→G的碱基置换,该位点 是 trnaleu基因与l6 SIrNA基因的交界部位,也是转录终止因子的结 合部位,进化上高度保守,突变使 trNaleu基因结构异常,转录终止 因子不能结合,rRNA和mRNA合成的比例发生改变;少数患者为 tRnaleu(uur)基因3271、3252或3291位碱基的点突变 肌组织中A3243G突变型mDNA达40%~50%时,出现CPEO 肌病和耳聋,达90%时,可出现复发性休克、痴呆、癫痫、共济失调 等 (三) Kearns-sayre综合征(KSS)、慢性进行性眼外肌瘫痪 (CPEO) KSS和CPEO是同一疾病的两种不同类型,CPEO患者以眼外肌 麻痹为主要症状,伴眼睑下垂、四肢无力,常在青春期或成年发病; KSS除进行性眼肌麻痹外,还具有色素视网膜炎、心脏传导功能障碍、 听力丧失、共济失调、痴呆等症状,常在婴儿、儿童或青春期发病。 KSS和CPEO主要是由于 mtDNA的缺失引起的,缺失类型多样
7 retinitis pigmentosa，NARP）和 Leigh 综合征（Leigh sysdrom，LS） 等几种。 （一）伴有破碎红纤维的肌阵挛癫痫（MERRF） MERRF 患者通常 10～20 岁发病，主要临床表现为阵发性癫痫， 伴有进行性神经系统障碍（智力倒退、共济失调、意向性震颤），患 者肌纤维紊乱、粗糙，线粒体形态异常并在骨骼肌细胞中积累，用 Gomori Trichrome 染色显示为红色，称破碎红纤维。 MERRF 最常见的突变类型是 mtDNA 第 8344 位点（位于 tRNALys 基因处）A→G 的碱基置换，破坏了 tRNALys 中与核糖体连接的 TΨC 环，结果影响了 OXPHOS 复合体Ⅰ和复合体Ⅳ的合成，造成 OXPHOS 功能下降，导致患者多系统病变。 （二）线粒体脑肌病合并乳酸血症及卒中样发作（MELAS） MELAS 患者通常 10～20 岁发病，主要临床表现为阵发性呕吐、 癫痫发作和中风样发作、血乳酸中毒、近心端四肢乏力等。 MELAS 的分子特征是线粒体 tRNA 的点突变，约有 80%的患者 是 mtDNA 的 3243（位于 tRNALeu基因）A→G 的碱基置换，该位点 是 tRNALeu基因与 16SrRNA 基因的交界部位，也是转录终止因子的结 合部位，进化上高度保守，突变使 tRNALeu基因结构异常，转录终止 因子不能结合，rRNA 和 mRNA 合成的比例发生改变；少数患者为 tRNALeu(UUR)基因 3271、3252 或 3291 位碱基的点突变。 肌组织中 A3243G 突变型 mtDNA 达 40%～50%时，出现 CPEO、 肌病和耳聋，达 90%时，可出现复发性休克、痴呆、癫痫、共济失调 等。 （三）Kearns-Sayre 综合征（KSS）、慢性进行性眼外肌瘫痪 （CPEO） KSS 和 CPEO 是同一疾病的两种不同类型，CPEO 患者以眼外肌 麻痹为主要症状，伴眼睑下垂、四肢无力，常在青春期或成年发病； KSS 除进行性眼肌麻痹外，还具有色素视网膜炎、心脏传导功能障碍、 听力丧失、共济失调、痴呆等症状，常在婴儿、儿童或青春期发病。 KSS 和 CPEO 主要是由于 mtDNA 的缺失引起的，缺失类型多样
一般缺失长度为0.5~8kb,最常见的类型是50kb的“普遍缺失”。缺 失部位多发生在重链和轻链两个复制起始点之间,缺失区两侧有同向 重复序列。缺失的 mtDNA具有明显的复制优势,突变型>60%,可抑 制线粒体翻译,酶活性下降。由于涉及多个基因的缺失,患者可出现 不同程度的线粒体蛋白质合成缺陷,影响四种呼吸链复合体。 此外,偶尔可见8334位点( tRnaleu)和3242位点( tRNaleu) 点突变可引起CPEO KSS和CPEO病情严重程度取决于缺失型 mtDNA的异质性水平 和组织分布。异质性程度低时,仅表现为眼外肌麻痹,肌细胞中缺失 型 mtDNA>85%时,表现为严重的KSS (四〕神经源性肌软弱,共济失调并发色素性视网膜炎(NARP) 和 Leigh综合征(LS) NARP的主要临床表现为主要表现色素性视网膜炎、共济失调、 发育落后、痴呆、惊厥、近端肢体无力和感觉神经病; Leigh综合征 是以高乳酸血症、低肌张力为主要表现的进行性脑病,主要侵犯婴儿。 NARP和 Leigh综合征主要与ATP复合酶的功能受损有关,目前 发现该病的致病突变主要是 mtDNA第8993位点( ATPase6基因)T A或T→C,将 ATPase6亚基156位的亮氨酸改变为精氨酸或脯氨 酸,从而影响ATP合酶的质子通路。患者异质性决定了临床症状的严 重性:女性携带者或症状较轻的女患者突变水平90%时,表现为 Leigh综 合征。因此,常可见到NARP和 Leigh综合征在同一家系中并存。 三、线粒体心肌病 线粒体心肌病累及心脏和骨骼肌,病人常有严重的心力衰竭,常 见临床表现为劳动性呼吸困难,心动过速,全身肌无力伴全身严重水 肿,心脏和肝脏增大等症状。 mtDNA的突变与缺失与某些心肌病有关,如:3260位点的A→ G突变可引起母系遗传的线粒体肌病和心肌病;4977位点的缺失多见
8 一般缺失长度为 0.5～8kb，最常见的类型是 5.0kb 的“普遍缺失”。缺 失部位多发生在重链和轻链两个复制起始点之间，缺失区两侧有同向 重复序列。缺失的 mtDNA 具有明显的复制优势，突变型>60%，可抑 制线粒体翻译，酶活性下降。由于涉及多个基因的缺失，患者可出现 不同程度的线粒体蛋白质合成缺陷，影响四种呼吸链复合体。 此外，偶尔可见 8334 位点（tRNALeu）和 3242 位点（tRNALeu） 点突变可引起 CPEO。 KSS 和 CPEO 病情严重程度取决于缺失型 mtDNA 的异质性水平 和组织分布。异质性程度低时，仅表现为眼外肌麻痹，肌细胞中缺失 型 mtDNA>85%时，表现为严重的 KSS。 （四）神经源性肌软弱，共济失调并发色素性视网膜炎（NARP） 和 Leigh 综合征（LS） NARP 的主要临床表现为主要表现色素性视网膜炎、共济失调、 发育落后、痴呆、惊厥、近端肢体无力和感觉神经病；Leigh 综合征 是以高乳酸血症、低肌张力为主要表现的进行性脑病，主要侵犯婴儿。 NARP 和 Leigh 综合征主要与 ATP 复合酶的功能受损有关，目前 发现该病的致病突变主要是 mtDNA 第 8993 位点（ATPase6 基因）T →A 或 T→C，将 ATPase 6 亚基 156 位的亮氨酸改变为精氨酸或脯氨 酸，从而影响 ATP 合酶的质子通路。患者异质性决定了临床症状的严 重性：女性携带者或症状较轻的女患者突变水平90%时，表现为 Leigh 综 合征。因此，常可见到 NARP 和 Leigh 综合征在同一家系中并存。 三、线粒体心肌病 线粒体心肌病累及心脏和骨骼肌，病人常有严重的心力衰竭，常 见临床表现为劳动性呼吸困难，心动过速，全身肌无力伴全身严重水 肿，心脏和肝脏增大等症状。 mtDNA 的突变与缺失与某些心肌病有关，如：3260 位点的 A→ G 突变可引起母系遗传的线粒体肌病和心肌病；4977 位点的缺失多见
于缺血性心脏病、冠状动脉粥样硬化性心脏病等;扩张性心肌病和肥 厚性心肌病均可见7436位点的缺失等。 四、帕金森病 帕金森病( Parkinson disease,PD)又称震颤性麻痹,是一种晩年 发病的神经系统变性疾病,患者表现为运动失调,震颤,动作迟缓等, 少数病人有痴呆症状。神经病理学特征包括黑质致密区多巴胺能神经 元发生退行性变,部分存活的神经元内出现Lewy体。 帕金森病患者脑组织,特别是黑质中存在4977p长的一段DNA 缺失,缺失区域从 ATPase8基因延续到ND5基因,结果导致多种组 织细胞内的线粒体复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ甚至Ⅳ都存在功能缺陷,进而引 起神经元中能量代谢障碍。大多数观点认为单纯的基因或环境毒物很 少能直接引起PD,大部分病例是基因和环境甚至更多因素共同作用 的结果 五、其他与线粒体有关的病变 (一)衰老 线粒体病的迟发和渐进过程提示线粒体功能随着年龄的增加而 退化,在正常生理状态下,机体自身的防御系统(如超氧化物歧化酶、 过氧化氢酶、过氧化物酶、维生素C等)可及时清除能量代谢过程中 产生的氧自由基。在个体衰老的进程中,抗氧化防御系统作用减弱, 线粒体内自由基不能有效地清除而累积,从而导致线粒体的氧化性损 伤,包括生物膜损伤、改变巯基酶活性、破坏核苷酸类辅酶以及 mtdNA 损伤等。大量的研究证实,衰老与线粒体氧化磷酸化酶活性降低以及 分裂终末的组织中突变 mtDNA积累密切相关,mDNA突变类型包括 缺失、点突变、插入、重复和D环区域出现小片段重叠,尽管这五种 突变中的任何一种很少达到1%,但在衰老组织中可其中几种同时存 在,大大增加突变型 mtDNA的比例
9 于缺血性心脏病、冠状动脉粥样硬化性心脏病等；扩张性心肌病和肥 厚性心肌病均可见 7436 位点的缺失等。 四、帕金森病 帕金森病（Parkinson disease，PD）又称震颤性麻痹，是一种晚年 发病的神经系统变性疾病，患者表现为运动失调，震颤，动作迟缓等， 少数病人有痴呆症状。神经病理学特征包括黑质致密区多巴胺能神经 元发生退行性变，部分存活的神经元内出现 Lewy 体。 帕金森病患者脑组织，特别是黑质中存在 4977bp 长的一段 DNA 缺失，缺失区域从 ATPase8 基因延续到 ND5 基因，结果导致多种组 织细胞内的线粒体复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ甚至Ⅳ都存在功能缺陷，进而引 起神经元中能量代谢障碍。大多数观点认为单纯的基因或环境毒物很 少能直接引起 PD，大部分病例是基因和环境甚至更多因素共同作用 的结果。 五、其他与线粒体有关的病变 （一）衰老 线粒体病的迟发和渐进过程提示线粒体功能随着年龄的增加而 退化，在正常生理状态下，机体自身的防御系统（如超氧化物歧化酶、 过氧化氢酶、过氧化物酶、维生素Ｃ等）可及时清除能量代谢过程中 产生的氧自由基。在个体衰老的进程中，抗氧化防御系统作用减弱， 线粒体内自由基不能有效地清除而累积，从而导致线粒体的氧化性损 伤，包括生物膜损伤、改变巯基酶活性、破坏核苷酸类辅酶以及mtDNA 损伤等。大量的研究证实，衰老与线粒体氧化磷酸化酶活性降低以及 分裂终末的组织中突变 mtDNA 积累密切相关，mtDNA 突变类型包括 缺失、点突变、插入、重复和 D 环区域出现小片段重叠，尽管这五种 突变中的任何一种很少达到 1%，但在衰老组织中可其中几种同时存 在，大大增加突变型 mtDNA 的比例
与增龄有关的突变类型主要是缺失,并且与氧化损伤有关。许多 研究表明,衰老时组织中8-OHG含量增多,小于55岁个体膈肌中, 8-OH-dG含量低于0.02%,65岁以上的个体中,8-OHdG以每10年 025%的比率增加,在85岁时达到0.51%,而且 mtDNA的缺失率也 随之增加,表明分裂旺盛的细胞中 mtdNA的快速复制可稀释 8-OH-dG,而分裂终末的细胞中8-OH-dG累积,促进 mtdNA缺失。 缺失常包括一个或几个mRNA基因和tRNA基因,可累及脑、心 肌、骨骼肌、肝、肾、肺、皮肤、卵巢、精子等多种器官组织。不同 年龄的人心肌、脑、骨骼肌、肝、膈肌等细胞中 mt dNA片段缺失的 位置可能不同,但缺失率均随增龄而增加,如:在17岁青年中未发 现mDNA片段的缺失;在34岁个体中检测到mDNA50bp片段的缺 失,缺失率为0.005%;随年龄的增长,缺失率逐渐增加,85岁个体 中达026%,是低值的4200倍。说明缺失的 mtDNA积累到一定程度 时,线粒体发生生物学变化, OXPHOS组分缺损或数量减少,生成的 能量低于维持正常细胞功能阈值,致使细胞死亡,引起衰老和多种老 年退化性疾病 (二)肿瘤 肿瘤细胞具有异常快速的分裂增殖能力,能量需求很高。各种肿 瘤和肿瘤细胞系中发现了体细胞 mt dNA突变,这些突变能通过细胞 生成能量的改变、线粒体氧化压力的增加和/或调节凋亡而导致肿瘤。 有些因素的作用可使 mtDNA游离出线粒体膜外(如细胞内线粒 体受损伤崩解),而细胞内核酸降解酶活性下降,不能有效地清除游 离于胞质中的 mtdNA分子, mtDNA有可能像致瘤病毒那样通过核膜, 随机整合到nDNA中,激活原癌基因或抑制抗癌基因,使细胞增殖分 化失控,导致癌变。 mtDNA是致癌物作用的重要靶点,众多研究结果显示,化学致 瘤物与mDNA的结合比nDNA更充分。 (三)糖尿病 近年来的分子遗传学研究证实,一些2型糖尿病患者具有明显的 遗传背景,其中部分患者糖尿病的发生与线粒体基因的突变有关
10 与增龄有关的突变类型主要是缺失，并且与氧化损伤有关。许多 研究表明，衰老时组织中 8-OH-dG 含量增多，小于 55 岁个体膈肌中， 8-OH-dG 含量低于 0.02%，65 岁以上的个体中，8-OH-dG 以每 10 年 0.25%的比率增加，在 85 岁时达到 0.51%，而且 mtDNA 的缺失率也 随之增加，表明分裂旺盛的细胞中 mtDNA 的快速复制可稀释 8-OH-dG，而分裂终末的细胞中 8-OH-dG 累积，促进 mtDNA 缺失。 缺失常包括一个或几个 mRNA 基因和 tRNA 基因，可累及脑、心 肌、骨骼肌、肝、肾、肺、皮肤、卵巢、精子等多种器官组织。不同 年龄的人心肌、脑、骨骼肌、肝、膈肌等细胞中 mtDNA 片段缺失的 位置可能不同，但缺失率均随增龄而增加，如：在 17 岁青年中未发 现 mtDNA 片段的缺失；在 34 岁个体中检测到 mtDNA5.0bp 片段的缺 失，缺失率为 0.005%；随年龄的增长，缺失率逐渐增加，85 岁个体 中达 0.26%，是低值的 4200 倍。说明缺失的 mtDNA 积累到一定程度 时，线粒体发生生物学变化，OXPHOS 组分缺损或数量减少，生成的 能量低于维持正常细胞功能阈值，致使细胞死亡，引起衰老和多种老 年退化性疾病。 （二）肿瘤 肿瘤细胞具有异常快速的分裂增殖能力，能量需求很高。各种肿 瘤和肿瘤细胞系中发现了体细胞 mtDNA 突变，这些突变能通过细胞 生成能量的改变、线粒体氧化压力的增加和/或调节凋亡而导致肿瘤。 有些因素的作用可使 mtDNA 游离出线粒体膜外（如细胞内线粒 体受损伤崩解），而细胞内核酸降解酶活性下降，不能有效地清除游 离于胞质中的mtDNA分子，mtDNA有可能像致瘤病毒那样通过核膜， 随机整合到 nDNA 中，激活原癌基因或抑制抗癌基因，使细胞增殖分 化失控，导致癌变。 mtDNA 是致癌物作用的重要靶点，众多研究结果显示，化学致 癌物与 mtDNA 的结合比 nDNA 更充分。 （三）糖尿病 近年来的分子遗传学研究证实，一些 2 型糖尿病患者具有明显的 遗传背景，其中部分患者糖尿病的发生与线粒体基因的突变有关