線粒體及疾病

關于線粒體及疾病第2頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

一般動物細胞內線粒體數(shù)目從數(shù)百到數(shù)千個，在代謝旺盛的細胞中相對較多：如人和哺乳動物的小腸、心肌和肝細胞等內臟細胞中線粒體很豐富。

除了紅細胞外，人類所有體細胞都含有線粒體。第3頁,共55頁，2024年2月25日，星期天線粒體——動力工廠

線粒體是真核細胞內的重要細胞器，人體內的細胞每天要合成數(shù)千克的ATP，大約95%的ATP是由線粒體產生的。線粒體通過氧化磷酸化作用進行能量交換，為細胞進行各種生命活動提供能量。因此，線粒體有細胞“動力工廠”之稱，或被譽為細胞的“電力站”（powerplant）第4頁,共55頁，2024年2月25日，星期天線粒體的功能：

線粒體主要功能是進行三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化合成ATP，為細胞生命活動提供直接能量；此外，線粒體還與細胞中氧自由基的生成、調節(jié)細胞氧化還原電位和信號轉導，細胞凋亡、基因表達、細胞內多種離子的跨膜轉運及電解質穩(wěn)態(tài)平衡的調控有關。第5頁,共55頁，2024年2月25日，星期天線粒體病

線粒體病是遺傳缺損引起線粒體代謝酶缺陷，使ATP合成障礙、能量來源不足導致的一組異質性病變。第6頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)線粒體疾病原因第7頁,共55頁，2024年2月25日，星期天線粒體疾病的病因某種或幾種復合體的缺乏是導致線粒體病的根本原因。因此，線粒體病有時也可以稱為特殊酶缺乏癥，比如復合體Ⅰ復合癥。當某個細胞內充滿病變線粒體后，它不僅無法合成ATP——而且會導致未使用原料分子和氧的堆積，使之產生病理性損傷。Holt在1988年首次做線粒體病患者發(fā)現(xiàn)mtDNA缺失，證實mtDNA突變是人類疾病的重要病因之一。不管是核內DNA（nDNA）還是線粒體DNA（mtDNA）發(fā)生點突變都可能導致線粒體病的發(fā)生第8頁,共55頁，2024年2月25日，星期天mtDNA:線粒體DNA，雙鏈環(huán)狀的DNA分子、裸露不與組蛋白結合,分散在線粒體基質中，長約5um、含16569個堿基對。mtDNA可以獨立編碼線粒體中的一些蛋白質，是核外遺傳物質

mtDNA？第9頁,共55頁，2024年2月25日，星期天mtDNA的幾個特點有助于解釋其致病機理：①mtDNA半自主復制，沒有內含子；②mtDNA所用的遺傳密碼與核基因通用密碼，但存在差異。③mtDNA為母系遺傳；④mtDNA具有閾值效應；⑤暴露于氧化磷酸化所產生的氧自由基中,突變發(fā)生風險較核DNA大10－20倍。第10頁,共55頁，2024年2月25日，星期天（一）mtDNA具有半自主性mtDNA僅編碼13種蛋白質，絕大部分蛋白質亞基和其他維持線粒體結構和功能的蛋白質都依賴于nDNA編碼，在細胞質中合成后，經特定轉運方式進入線粒體。

mtDNA基因的表達受nDNA的制約，線粒體氧化磷酸酶化系統(tǒng)的組裝和維護需要nDNA和mtDNA的協(xié)調，二者共同作用參與機體代謝調節(jié)。線粒體是一種半自主細胞器，受線粒體基因組和核基因組兩套遺傳系統(tǒng)共同控制。第11頁,共55頁，2024年2月25日，星期天（二）mtDNA所用的遺傳密碼與核基因通用密碼，但存在差異。UGA不是終止信號，而是色氨酸的密碼。2.AGA，AGG不是精氨酸的密碼子，而是終止密碼子，因而，在線粒體密碼系統(tǒng)中的4個終止密碼子（UAA,UAG,AGA,AGG）。3.tRNA兼并性較強，僅用22個tRNA來識別多達48個密碼子第12頁,共55頁，2024年2月25日，星期天MetIleAUAMetMetAUGStopArgAGAStopArgAGGTrpStopUGATrpTrpUGGmtDNAUniversalcodeCodon第13頁,共55頁，2024年2月25日，星期天（三）mtDNA為母系遺傳母系遺傳：人類受精卵中的線粒體來自卵母細胞，精子很少提供線粒體給受精卵。這種傳遞方式稱為母系遺傳。母親將她的mtDNA傳遞給兒子和女兒，但只有女兒能將其mtDNA傳遞給下一代。第14頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第15頁,共55頁，2024年2月25日，星期天（四）mtDNA具有閾值效應線粒體病發(fā)病有一閾值，只有當異常的mtDNA超過閾值時才發(fā)病。女性攜帶者的細胞內突變的mtDNA未達到閾值或在某種程度上受核影響而未發(fā)病，但仍可以通過mtDNA突變體向下代傳遞。第16頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

①mtDNA中基因排列緊湊，任何突變都可能會影響到其基因組內的某一重要功能區(qū)域。

②mtDNA是裸露的分子，不與組蛋白結合。

③mtDNA位于線粒體內膜附近，直接暴露于呼吸鏈代謝產生的超氧離子和電子傳遞產生的羥自由基中，極易受氧化損傷。

④mtDNA復制頻率較高，復制時不對稱,缺乏有效的DNA損傷修復能力。（五）mtDNA的突變率極高第17頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)線粒體疾病的分類第18頁,共55頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)線粒體病變部位不同可分為：

①線粒體肌?。壕€粒體病變侵犯骨骼肌為主。②線粒體腦肌?。翰∽兺瑫r侵犯骨骼肌和中樞神經系統(tǒng)。③線粒體腦病：病變侵犯中樞神經系統(tǒng)為主。第19頁,共55頁，2024年2月25日，星期天線粒體病的分類：（1）線粒體遺傳?。?）核基因突變引起的線粒體疾病第20頁,共55頁，2024年2月25日，星期天一、線粒體遺傳?。篖eber遺傳性視神經?。↙eberhereditaryopticneuropathy,LHON）Kearns－Sayre綜合征（KSS）MERRFSyndrom（myoclonnusepilepsyandragged-redfibers)—肌陣攣性癲癇和破碎性紅纖維病MELASSyndrom（mitochondrialencephalomyopathywithlacticacidosisandstroke-likeepisodes）—線粒體肌病腦病伴乳酸中毒及中風樣發(fā)作綜合癥神經源性肌軟弱，共濟失調并發(fā)色素性視網膜炎（NARP）和Leigh綜合征（Leighsyndrom）第21頁,共55頁，2024年2月25日，星期天Leber遺傳性視神經病第22頁,共55頁，2024年2月25日，星期天CPEO患者眼外肌慢性進行性癱瘓第23頁,共55頁，2024年2月25日，星期天肌陣攣性癲癇和破碎性紅纖維病第24頁,共55頁，2024年2月25日，星期天Leigh綜合征患者第25頁,共55頁，2024年2月25日，星期天二、核基因突變引起的線粒體疾病

線粒體具有自己的遺傳體系并能獨立合成部分蛋白質，但是，線粒體的生長增殖必需高度依賴于核基因和細胞內的蛋白質合成。核DNA編碼的蛋白質進入線粒體后，行使多種功能，例如，在膜間隙和基質間轉運分子、通過氧化磷酸化產生ATP、調節(jié)線粒體對鐵的攝入、控制線粒體的復制和維持線粒體結構的完整性等。因此，核基因的突變可能會影響線粒體的正常功能，而導致相應的疾病。第26頁,共55頁，2024年2月25日，星期天（一）線粒體蛋白輸入缺陷（二）底物運輸缺陷（三）底物利用缺陷（四）鐵運輸缺陷（五）電子傳遞鏈缺陷核基因突變引起的線粒體疾病：第27頁,共55頁，2024年2月25日，星期天1.線粒體蛋白輸入缺陷

突變發(fā)生在線粒體輸入蛋白的信號序列。如位于染色體Xp22.1的PHDA1基因，編碼蛋白參與丙酮酸的代謝，已發(fā)現(xiàn)其靶序列的突變導致的疾病。信號序列長度可達85個氨基酸殘基，序列不完全一致，但有相似的構象。

臨床癥狀表現(xiàn)為眼部異常和中樞神經系統(tǒng)退變。第28頁,共55頁，2024年2月25日，星期天2.底物運輸缺陷

如與脂肪酸轉運有關蛋白的缺陷，可導致多系統(tǒng)異常；模式動物人工致腺苷酸轉運蛋白的異常，出現(xiàn)線粒體肌病類似癥狀。第29頁,共55頁，2024年2月25日，星期天3.底物利用缺陷

線粒體參與物質代謝的多種酶類由核基因編碼，突變失活將影響相應功能。其突變可產生兩種表型：劇烈運動或饑餓后疼痛無力是成年期發(fā)作型的共同特點；幼兒期發(fā)作型病情嚴重，通常是致死性的，可累及肝、心肌和骨骼肌。第30頁,共55頁，2024年2月25日，星期天鐵運輸缺陷

Friedreich共濟失調是由三核苷酸重復序列的拷貝數(shù)增多導致鐵運輸缺陷所引起的致死性疾病，呈常染色體隱性遺傳，基因產物定位于線粒體內膜和基質。臨床表現(xiàn)：進行性肢體活動障礙、輕度失明、耳聾和糖尿病，在成人前發(fā)生的死亡多由于肥厚性心肌病。第31頁,共55頁，2024年2月25日，星期天5.電子傳遞鏈缺陷

患兒表現(xiàn)為嚴重嘔吐，肌張力減退，常死于心衰和呼吸衰竭第32頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)線粒體與細胞凋亡第33頁,共55頁，2024年2月25日，星期天線粒體跨膜電位的耗散與細胞凋亡有密切關系近年來陸續(xù)有報道說明線粒體跨膜電位的耗散早于核酸酶的激活，也早于磷酯酰絲氨酸暴露于細胞表面。而一旦線粒體跨膜電位耗散，細胞就會進入不可逆的凋亡過程。而如果能穩(wěn)定線粒體跨膜電位就能防止細胞凋亡。第34頁,共55頁，2024年2月25日，星期天線粒體跨膜電位與PT孔道在細胞凋亡過程中線粒體跨膜電位的耗散主要是由于線粒體內膜的通透性轉變，這是由于生成了動態(tài)的由多個蛋白質組成的位于線粒體內膜與外膜接觸位點的通透性轉變孔道(PT孔道)。細胞凋亡線粒體跨膜電位線粒體內膜通透性改變PT孔道第35頁,共55頁，2024年2月25日，星期天PT孔道的開放與關閉PT孔道有開放與關閉二種構象。PT孔道開放導致細胞凋亡。而PT孔道關閉能防止細胞凋亡。從線粒體釋放的細胞色素C是一種細胞凋亡誘導因子。第36頁,共55頁，2024年2月25日，星期天線粒體在細胞凋亡作用中的進一步證據(jù)(1)若將純化的正常的線粒體與純化的細胞核在一起保溫，并不導致細胞核的變化。但若將誘導生成PT孔道的線粒體與純化的細胞核一同保溫，細胞核即開始凋亡變化。(2)細胞死亡調節(jié)蛋白不論是抑制死亡的bcl-2家族還是促進細胞死亡的Bax家族均以線粒體作為靶細胞器。bcl-2蛋白的C端的疏水肽段能插入線粒體外膜。事實上相當量的bcl-2位于線粒體內外膜的接觸位點。(3)高表達bcl-2能防止ΔΨm的耗散，從而導致對蒼術苷、原卟啉IX與mClCCP的不敏感與AIF釋放的抑制；反之，高表達Bax則導致ΔΨm的耗散。

第37頁,共55頁，2024年2月25日，星期天綜上所述，細胞凋亡與線粒體的結構與功能有著密切的關系。線粒體有大量PT孔道形成，細胞ATP濃度很快下降，則在致凋亡的蛋白酶被活化前細胞就壞死了。而如果PT孔道的誘導生成是一種比較緩和與持續(xù)的狀態(tài)，在細胞ATP濃度下降前專一的蛋白酶被激活。第38頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)線粒體與細胞衰亡第39頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

衰老是一種復雜的病理生理現(xiàn)象,衰老機理的研究目前已從整體水平、器官水平、細胞水平發(fā)展到分子水平。近年來大量研究表明,衰老的發(fā)展過程與線粒體功能異常密切相關,目前自由基被視為引發(fā)衰老的一個重要因素

第40頁,共55頁，2024年2月25日，星期天1.線粒體自由基的產生自由基是只帶有未配對電子的粒子,化學性質極為活躍,易對機體產生迅速而強烈的損傷,主要包括活性氧自由基（ROS）和活性氮基因(RNS)。氧自由基主要來源于線粒體呼吸鏈反應,這里可產生活細胞內90%以上的自由基。正常情況下，電子通過呼吸鏈傳遞給氧生成,如果線粒體功能下降,會使氧不能被有效利用,導致大量電子漏出,直接對氧進行單電子還原,生成氧氣離子。第41頁,共55頁，2024年2月25日，星期天2.線粒體自由基隨年齡增長而增加的機制

線粒體內隨年齡增長不斷積聚有三方面的原因：第一，由于線粒體電子傳遞鏈的活性下降,電子漏和質子漏不斷增加;第二，與年齡相關的線粒體的突變可降低其編碼的呼吸鏈成分的功能,為電子漏出提供條件,導致氧自由基產生增加;第三,線粒體內抗氧化酶活性不斷下降,自由基清除減少亦是重要原因之一。第42頁,共55頁，2024年2月25日，星期天3.線粒體自由基在細胞衰老中的作用

3.1線粒體呼吸鏈復合物活性的下降在細胞衰老中發(fā)揮的作用3.2mtDNA的氧化損傷在細胞衰老中發(fā)揮的作用3.3線粒體膜的氧化損傷在細胞衰老中發(fā)揮的作用3.4線粒體能量代謝障礙在細胞衰老中發(fā)揮的作用第43頁,共55頁，2024年2月25日，星期天綜上所述,衰老相關的線粒體氧自由基的增多,使線粒體功能不斷下降,不能發(fā)揮其正常的氧化和呼吸功能,從而使細胞逐步走向衰老、死亡,可見延緩線粒體功能衰退是一種有效的抗衰老途徑。目前通過保護線粒體功能和抑制線粒體氧自由基增多從而發(fā)揮抗衰老功效的藥物主要有褪黑素和一些抗氧化劑類中藥。第44頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)線粒體疾病的治療第45頁,共55頁，2024年2月25日，星期天線粒體疾病的流行率和死亡率都很高（流行率達1/8500），是代謝病中最常見的疾病之一。如何治療線粒體??？第46頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

對原發(fā)性線粒體疾病目前尚缺乏有效的根治手段治療措施：藥物治療飲食補充療法改善生活方式等第47頁,共55頁，2024年2月25日，星期天對原發(fā)性線粒體呼吸鏈疾病目前尚缺乏有效治療手段，目前最新的方法是：基于人體內三種參與APT合成的自然物質而開發(fā)的飲食補充療法——雞尾酒療法第48頁,共55頁，2024年2月25日，星期天“雞尾酒”療法

肌酸、L-肉毒堿和coQ10補充療法通常混合為“雞尾酒”來使用以治療線粒體病。盡管科學上很難證明這種療法有什么效用，但是許多線粒體病患者的確從中得到了療效。最起碼，適度采取這三種物質的補充療法對人體幾乎沒有害處第49頁,共55頁，