【原】臨床綜述 l 2022線粒體疾病-機制和病理生理學**

CK醫(yī)學Pro 2023-04-19 發(fā)布于北京

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我科進修培訓的優(yōu)勢可能在于內分泌全病種的規(guī)范培訓，注意不同時限進修的職稱限制：

1年期和半年期的進修生有機會跟隨不同的主管、主診醫(yī)生實踐內分泌代謝病學的不同病種，覆蓋常見病和多數(shù)少見疾病類型；
亞?？茖W習可能不適合半年-1年制進修；
需要注意，3-6個月時長的進修申請需要博士畢業(yè)或副高以上職稱；
3個月時長的進修是參觀性質，需要一定水平的專業(yè)基礎

CK注：1例高度疑似線粒體疾病的住院患者，有各種相關表現(xiàn)；從2009年在我院初次住院，至今已歷10余年。內分泌代謝病醫(yī)生從?？频慕嵌热ビ懻撓嚓P的糖尿病或者其他內分泌紊亂無可厚非，但往往忽略從整個線粒體疾病的視角去分析：

臨床綜述 l 2022線粒體疾病-診斷和篩查（全）**

臨床綜述 l 2022

線粒體疾病

機制和病理生理學

編譯/陳康

線粒體疾病是一組以線粒體功能障礙為特征的遺傳性疾病。線粒體是除紅細胞外普遍存在的細胞器，是各種細胞代謝途徑(包括氧化磷酸化、脂肪酸氧化、Krebs循環(huán)、尿素循環(huán)、糖異生和酮生成)中中間代謝的重要整合部位【Mol. Aspects Med. 25, 365–451 (2004)】。

線粒體在其他重要的細胞過程中也發(fā)揮重要作用，包括(非寒戰(zhàn))產熱、氨基酸代謝、脂質代謝、血紅素和鐵硫簇的生物合成、鈣穩(wěn)態(tài)和細胞凋亡【Biochemistry 45, 2524–2536 (2006)；BMC Evol. Biol. 9, 4 (2009)；Science 313, 314–318 (2006)；Cell 148, 1145–1159 (2012)】。

線粒體疾病的病理生理學是復雜的，涉及線粒體DNA (mtDNA)和核DNA (nDNA)的遺傳突變。這種復雜的遺傳學意味著線粒體疾病可以具有任何遺傳模式，包括nDNA突變的常染色體和X連鎖遺傳以及mtDNA突變的母系遺傳。還發(fā)現(xiàn)了由從頭突變引起的罕見散發(fā)病例。在mtDNA突變患者中，由于單個細胞中存在多個mtDNA基因組，遺傳和臨床表現(xiàn)進一步復雜化，這通常會導致突變和野生型基因組的混合，稱為異源性（異質性/heteroplasmy）(知識框 1)。異質水平在確定細胞功能障礙的程度方面至關重要。通常，線粒體疾病會導致氧化磷酸化(細胞產生ATP的過程)的主要缺陷，但其他因素，如Krebs循環(huán)和葉酸循環(huán)的功能障礙、酶中間體的缺乏和有毒物質的積累等，也可能在疾病中發(fā)揮作用。

知識框1:線粒體DNA異源/異質性

大多數(shù)致病性線粒體DNA (mtDNA)突變是異質的，在單個細胞內有突變和野生型mtDNA的混合物。高水平的異質指的是具有高水平的突變mtDNA和低水平的野生型mtDNA的細胞，而低水平的異質指的是具有低水平的突變mtDNA但高水平的野生型mtDNA的細胞。對線粒體疾病患者單細胞的研究表明，突變和野生型mtDNA水平對于確定細胞表型非常重要。例如，如果細胞含有高水平的突變mtDNA和低水平的野生型mtDNA(即高水平異源性)，則細胞會出現(xiàn)呼吸缺陷。出現(xiàn)這種缺陷的閾值取決于精確的突變情況和細胞類型:通常，需要高百分比水平的突變mtDNA (>50%)才能導致細胞缺陷，但一些mtDNA突變僅在以非常高的水平存在時才產生缺陷(通常為mt-tRNA突變)，而其他突變(如單個、大規(guī)模mtDNA缺失)在mtDNA缺失60%時才產生缺陷。

線粒體疾病具有臨床異質性，可發(fā)生于任何年齡，并可表現(xiàn)為廣泛的臨床癥狀。線粒體疾病可以涉及任何器官或組織，特征性地涉及多系統(tǒng)，通常影響高度依賴有氧代謝的器官，并且通常為進行性，具有高并發(fā)癥發(fā)生率和死亡率【Lancet Neurol. 9, 829–840 (2010)】。

與線粒體疾病相關的一些臨床特征可分為特定綜合征，例如Leigh綜合征(也稱為亞急性壞死性腦脊髓病)和Alpers-hutten locher綜合征。線粒體疾病臨床表現(xiàn)的異質性意味著這些疾病的診斷和治療都極其困難。除了對組織活檢進行組織化學和生化分析外，診斷通常還依賴于基因檢測。線粒體疾病患者的管理包括降低并發(fā)癥發(fā)生率和死亡率的策略、器官特異性并發(fā)癥的早期治療以及可能的干預策略。

近年，在對線粒體疾病的分子基礎及其遺傳病因的理解方面已經取得了相當大的進展。此外，下一代測序（NGS）技術已經改變了對由nDNA突變引起的線粒體疾病的診斷，并且對于某些條件，已經將診斷成功率從<20%增加到> 60%。然而，只有在對患者進行細致的臨床和生化特征分析后，才有可能做到這一點。

線粒體生物發(fā)生和生物化學

健康的線粒體功能需要超過1500種蛋白質【Cell 134, 112–123 (2008)；Annu. Rev. Genomics Hum. Genet. 11, 25–44 (2010)】。13種蛋白質由mtDNA編碼，其余的由nDNA編碼，在細胞質中翻譯，這些蛋白質通過復雜的導入機制跨線粒體膜導入。只有約100蛋白直接參與氧化磷酸化和ATP的產生(圖1)。氧化磷酸化需要通過線粒體呼吸鏈(也稱電子傳遞鏈)將電子傳遞給分子氧，呼吸鏈包括四個多亞基復合物(也稱復合物I–復合物IV)和兩個可移動的電子載體泛醌(也稱輔酶Q10、輔酶Q或CoQ)及細胞色素c。呼吸鏈產生跨膜質子梯度，通過復合物V(也稱ATP合酶)合成ATP。一些研究表明，呼吸鏈復合體通常形成更大的結構，稱為呼吸超級復合體(也稱為呼吸體)。呼吸體中一個復合體的缺陷可能對其他復合體產生連鎖效應【Science 340, 1567–1570 (2013)】。

圖1:氧化磷酸化的示意圖

氧化磷酸化是細胞用來氧化營養(yǎng)物質，從而以ATP形式釋放能量的代謝途徑。呼吸途徑包括呼吸鏈的復合物I-IV和復合物V(一種ATP合酶)。復合物I (NADH:輔酶Q氧化還原酶)通過輔酶Q10(也稱為CoQ)從其泛醌(CoQ；q)形成泛醌醇(QH2)，在線粒體內膜上產生電化學梯度。復合物II(琥珀酸-CoQ氧化還原酶)將Krebs循環(huán)(也稱為三羧酸(TCA)循環(huán))與呼吸鏈錯綜復雜地聯(lián)系在一起。復合物II氧化琥珀酸鹽，同時減少其泛酮中的CoQ(CoQ；q)形成泛醇(QH2)。復合物III(泛醇-細胞色素c氧化還原酶)通過氧化泛醇并產生電化學梯度來催化細胞色素c的還原。復合物IV(細胞色素c氧化酶)負責呼吸鏈的末端酶促反應，將電子(e)轉移至分子氧并產生電化學梯度。復合物V將跨膜電化學質子(H+)梯度能轉化為機械能，催化ADP與磷酸鹽(P)之間的化學鍵能形成ATP。

目前認為，線粒體的起源是需氧細菌在10億多年前侵入了原始真核細胞并與之形成共生關系，即以ATP的形式交換能量，以便自己能夠定居于細胞中。但這種“內共生假說”沒有得到廣泛認可，且受到了質疑【Nature. 1998;392(6671):37】。

平均而言，每個人體細胞中含有成百上千個線粒體。成熟紅細胞例外，它們完全依賴于無氧代謝，不含有線粒體。

雖然線粒體最初被視為單獨、孤立的細胞器，但如今認識到線粒體形成了一個動態(tài)連接的網絡(又稱網格或者合胞體)【Nature. 2014;505(7483):335】

線粒體呼吸鏈是活性氧(ROS)的重要來源，尤其是通過復合物I和復合物III。盡管線粒體中包括超氧化物歧化酶在內的多種酶參與ROS處置，ROS在線粒體生物發(fā)生的生理調節(jié)中正在發(fā)揮作用，但過量的ROS可能會損傷脂質膜、蛋白質和核酸，并在線粒體疾病的發(fā)病機制中發(fā)揮作用。

線粒體總體的功能是作為進行有氧代謝和氧化磷酸化產能所必需的胞內細胞器，而氧化磷酸化通過呼吸鏈實現(xiàn)。但是，線粒體并非僅僅是細胞中產生ATP的“發(fā)電站”。線粒體也參與其他幾種代謝途徑，包括β-氧化、三羧酸循環(huán)及鐵-硫簇合成。而且，線體可維持、復制并轉錄自身DNA，并將mRNA翻譯為蛋白質。線粒體的另一個重要功能是轉運和裝配蛋白質，因為線粒體所需的大多數(shù)蛋白質是由細胞核DNA編碼并在細胞質溶膠中翻譯。線粒體網絡的持續(xù)重塑也是線粒體的一個功能。另外還發(fā)現(xiàn)線粒體參與細胞凋亡、活性氧(reactive oxygen species, ROS)產生、鈣穩(wěn)態(tài)、脂質膜維持和免疫作用。

線粒體DNA的復制、維持和轉錄

與細胞核DNA不同，線粒體染色體的復制和分離未與細胞周期偶合，可隨時發(fā)生。線粒體DNA位于線粒體基質中稱為擬核的DNA-蛋白質復合物內。線粒體DNA復制、維持和修復所需的蛋白質也位于擬核內【Nature. 2014;505(7483):335】。這些蛋白質由細胞核DNA編碼并轉運到線粒體內。這些細胞核蛋白質的功能障礙可導致線粒體DNA消耗、多發(fā)性線粒體DNA缺失和/或位點特異性線粒體DNA突變【Nat Rev Neurol. 2013;9(8):429】。

線粒體DNA的復制由DNA聚合酶γ(polymerase gamma, POLG)、一種由POLG2編碼的輔助亞基、twinkle及DNA2進行。用于復制的底物包括4種脫氧核苷三磷酸(dATP、dGTP、dCTP和dTTP)。已發(fā)現(xiàn)控制這些底物平衡的幾種酶與人類疾病有關。

mtDNA

人類mtDNA是一種雙鏈DNA分子，編碼氧化磷酸化系統(tǒng)的13個結構肽亞單位和線粒體內蛋白質合成所需的24個RNA分子【Nature 290, 457–465 (1981)；Nat. Genet. 23, 147 (1999)】（圖2)。與nDNA相反，mtDNA具有環(huán)狀結構，缺乏內含子-外顯子結構。此外，mtDNA的復制、轉錄和翻譯都受一個非編碼區(qū)控制，稱為置換環(huán)(D環(huán))。此外，每個細胞內存在多份mtDNA拷貝，總量可能在幾百份到數(shù)萬份之間，具體取決于細胞類型。許多線粒體疾病患者患有突變型和野生型mtDNA病(稱為異源性)；突變和野生型mtDNA的比例是決定細胞是否表達生化缺陷的關鍵因素(知識框 1)。mtDNA的遺傳完全是母體遺傳，因此在群體水平上發(fā)生的分子內重組可以忽略不計。最后，與nDNA相比，mtDNA的遺傳密碼存在微妙但重要的差異。例如，在mtDNA，密碼子AUA和AUG編碼甲硫氨酸，密碼子UGA編碼色氨酸(不是終止密碼子，如在nDNA)，密碼子UAA和UAG是線粒體使用的唯一終止密碼子【Soc. Trans. 38, 1523–1526 (2010)】。

圖2:人線粒體基因組

人類線粒體基因組是一個約16.6 kb的環(huán)狀雙鏈DNA分子。它包括一個1.1 kb的非編碼區(qū)，稱為置換環(huán)(D環(huán)/ displacement loop)，參與DNA轉錄和復制的調控。復合物I中的7個亞單元(共44個)、復合物III的1個亞單元(共11個)、復合物IV中的3個亞單元(共14個)和復合物V中的2個亞單元(共16個)由線粒體DNA編碼(mtDNA)。MT-RNR1和MT-RNR2均為rRNA基因，分別編碼12S和16S rRNA。單個字母，如“Q”和“L”，表示提供線粒體內蛋白質合成所需RNA成分的tRNA基因。OH和OL表示重鏈和輕鏈mtDNA復制的起源。HSP，重鏈啟動子；LSP，輕鏈啟動子。

Nat. Rev. Genet. 16, 530–542 (2015)

mtDNA病的致病突變可以影響呼吸鏈的結構亞單位或線粒體蛋白質合成機制。數(shù)百種不同的點突變和大規(guī)模mtDNA重排已被證明會導致疾病。引起線粒體疾病的mtDNA突變可分為三種類型 (知識框 2；圖3):

mtDNA重排(如偶發(fā)性、單個、大規(guī)模mtDNA缺失)、
參與蛋白質合成的基因突變(如線粒體tRNA或rRNA突變)
編碼結構蛋白的基因突變(如線粒體mRNA突變)。

圖3:人類線粒體疾病相關基因及其在線粒體功能中的作用

核DNA缺陷(nDNA)可導致氧化磷酸化異常、線粒體DNA (mtDNA)維持異常、硫胺素和磷酸鹽的溶質載體異常以及呼吸鏈缺陷等。mtDNA突變可導致結構蛋白缺陷、線粒體RNA合成缺陷和呼吸鏈缺陷【Science 349, 1494–1499 (2015)；J. Neuromuscul. Dis. 1, 119–133 (2014)】。CoQ，輔酶Q10；dNTP，脫氧核苷酸三磷酸；Fe–S，鐵-硫。

知識框2:線粒體疾病中的核基因缺陷及其功能

磷脂代謝

AGK、SERAC1和TAZ

毒性化合物的代謝

HIBCH、ECHS1、ETHE1和MPV17

二硫化物中繼系統(tǒng)/ Disulfide relay system

GFER

鐵-硫蛋白復合體

ISCU、BOLA3、NFU1和IBA57

tRNA修飾

MTO1、GTP3BP、TRMU、PUS1、MTFMT、TRIT1、TRNT1和TRMT5

氨?；?tRNA合成酶

AARS2、DARS2、EARS2、RARS2、YARS2、FARS2、HARS2、LARS2、VARS2、TARS2、IARS2、CARS2、PARS2、NARS2、KARS、GARS、SARS2和MARS2

釋放因子

C12orf65

伸長因子

TUFM、TSFM和GFM1

有絲分裂核糖體蛋白

MRPS16、MRPS22、MRP 13、MRP12和MRPL44

mRNA加工

LRPPRC、TACO1、ELAC2、PNPT1、HSD17B10、MTPAP和PTCD1

線粒體融合與分裂

OPA1和MFN2

脫氧核苷酸三磷酸合成

DGUOK、TK2、TYMP、MGME1、SUCLG1、SUCLA2、RNASEH1、C10orf2、POLG、POLG2、DNA2和RRM2B

硫胺素和磷酸鹽的溶質載體

SLC19A3、SLC25A3和SLC25A19

呼吸鏈亞單位

復合物I: NDUFS1、NDUFS2、NDUFS3、NDUFS4、NDUFS6、NDUFS7、NDUFS8、NDUFV1、NDUFV2、NDUFA1、NDUFA2、NDUFA9、NDUFA10、NDUFA11、NDUFA12、NDUFA13、NDUFAF2、NDUFAF6 和NDUFB11
復合物II:SDHA、SDHB、SDHC、SDHD和SDHAF1
復合物III: UQCRB、BCS1L、UQCRQ、UQCRC2、CYC1、TTC19、LYRM7、UQCC2和UQCC3
復合物IV: COA5，SURF1，COX10，COX14，COX15，COX20，COX6B1，F(xiàn)ASTKD2，SCO1，SCO2，LRPPRC，TACO1和PET100
復合物V:ATP F2、TMEM70、ATP5E和ATP5A1
輔酶Q10缺乏:PDSS1、PDSS2、COQ2、COQ4、COQ6、COQ8A、COQ8B和COQ9(繼發(fā)性缺陷:ETFDH和APTX)

蛋白質質量控制和降解

FBXL4、AFG3L2和SPG7

ATP和ADP轉運

ANT1

nDNA

超過1500個不同的核基因編碼線粒體蛋白【Hum. Genet. 11, 25–44 (2010)】，它們不僅參與氧化磷酸化，還參與線粒體的許多其他功能。這些基因中越來越多的突變已被證明會引起線粒體疾病(知識框 2；圖3)，并且可以具有常染色體顯性、常染色體隱性或X連鎖遺傳模式【N. Engl. J. Med. 366, 1132–1141 (2012)】。這些孟德爾疾病雖然復雜，但可根據(jù)線粒體和細胞功能的損傷簡化分類。nDNA突變影響線粒體的病理后果多種多樣，包括mtDNA維持缺陷、mtDNA翻譯缺陷和線粒體穩(wěn)態(tài)缺陷等。mtDNA維持缺陷是由于編碼參與mtDNA復制的蛋白質的基因突變和控制復制的蛋白質突變或脫氧核苷酸三磷酸(dNTP)合成和/或挽救導致的，這兩種情況都會導致繼發(fā)性mtDNA異常，表現(xiàn)為mtDNA拷貝數(shù)丟失或多個mtDNA缺失。線粒體功能缺陷也可能是由于mtDNA翻譯改變所致，這可能是由編碼翻譯和釋放因子蛋白、線粒體tRNA修飾蛋白、線粒體mRNA加工酶、線粒體氨?；?tRNA合成酶和有絲分裂核糖體蛋白的基因突變引起的。由nDNA突變引起的線粒體功能缺陷的其他原因包括細胞凋亡、線粒體伴侶和線粒體代謝等【Chinnery, P. F. Mitochondrial disorders overview. GeneReviews https://www.ncbi.nlm./books/NBK1224/】（圖3)。不可避免的是，mtDNA依賴于大量的核編碼蛋白進行復制和修復【Nat. Genet. 45, 214–219 (2013)；Mol. Cell 32, 325–336 (2008)；Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 13, 659–671 (2012).】（知識框 2)。由于這些基因突變導致的mtDNA復制或修復的中斷可以定性地表現(xiàn)為在患者壽命期間可能出現(xiàn)的多點突變或大規(guī)模mtDNA缺失的產生【Hum. Mol. Genet. 16, 1400–1411 (2007)】，或定量地通過線粒體基因組的接近完全的缺失(稱為mtDNA耗竭)【Am. J. Hum. Genet. 48, 492–501 (1991)】，或兩者都有【J. Clin. Invest. 111, 1913–1921 (2003)】。編碼在必需線粒體過程中起作用的蛋白質的nDNA突變被認為表現(xiàn)為與mtDNA相關線粒體障礙類似的多種臨床綜合征【Science 349, 1494–1499 (2015)】。