【原】临床综述 l 2022线粒体疾病-机制和病理生理学**

CK医学Pro 2023-04-19 发布于北京

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CK注：1例高度疑似线粒体疾病的住院患者，有各种相关表现；从2009年在我院初次住院，至今已历10余年。内分泌代谢病医生从专科的角度去讨论相关的糖尿病或者其他内分泌紊乱无可厚非，但往往忽略从整个线粒体疾病的视角去分析：

临床综述 l 2022线粒体疾病-诊断和筛查（全）**

临床综述 l 2022

线粒体疾病

机制和病理生理学

编译/陈康

线粒体疾病是一组以线粒体功能障碍为特征的遗传性疾病。线粒体是除红细胞外普遍存在的细胞器，是各种细胞代谢途径(包括氧化磷酸化、脂肪酸氧化、Krebs循环、尿素循环、糖异生和酮生成)中中间代谢的重要整合部位【Mol. Aspects Med. 25, 365–451 (2004)】。

线粒体在其他重要的细胞过程中也发挥重要作用，包括(非寒战)产热、氨基酸代谢、脂质代谢、血红素和铁硫簇的生物合成、钙稳态和细胞凋亡【Biochemistry 45, 2524–2536 (2006)；BMC Evol. Biol. 9, 4 (2009)；Science 313, 314–318 (2006)；Cell 148, 1145–1159 (2012)】。

线粒体疾病的病理生理学是复杂的，涉及线粒体DNA (mtDNA)和核DNA (nDNA)的遗传突变。这种复杂的遗传学意味着线粒体疾病可以具有任何遗传模式，包括nDNA突变的常染色体和X连锁遗传以及mtDNA突变的母系遗传。还发现了由从头突变引起的罕见散发病例。在mtDNA突变患者中，由于单个细胞中存在多个mtDNA基因组，遗传和临床表现进一步复杂化，这通常会导致突变和野生型基因组的混合，称为异源性（异质性/heteroplasmy）(知识框 1)。异质水平在确定细胞功能障碍的程度方面至关重要。通常，线粒体疾病会导致氧化磷酸化(细胞产生ATP的过程)的主要缺陷，但其他因素，如Krebs循环和叶酸循环的功能障碍、酶中间体的缺乏和有毒物质的积累等，也可能在疾病中发挥作用。

知识框1:线粒体DNA异源/异质性

大多数致病性线粒体DNA (mtDNA)突变是异质的，在单个细胞内有突变和野生型mtDNA的混合物。高水平的异质指的是具有高水平的突变mtDNA和低水平的野生型mtDNA的细胞，而低水平的异质指的是具有低水平的突变mtDNA但高水平的野生型mtDNA的细胞。对线粒体疾病患者单细胞的研究表明，突变和野生型mtDNA水平对于确定细胞表型非常重要。例如，如果细胞含有高水平的突变mtDNA和低水平的野生型mtDNA(即高水平异源性)，则细胞会出现呼吸缺陷。出现这种缺陷的阈值取决于精确的突变情况和细胞类型:通常，需要高百分比水平的突变mtDNA (>50%)才能导致细胞缺陷，但一些mtDNA突变仅在以非常高的水平存在时才产生缺陷(通常为mt-tRNA突变)，而其他突变(如单个、大规模mtDNA缺失)在mtDNA缺失60%时才产生缺陷。

线粒体疾病具有临床异质性，可发生于任何年龄，并可表现为广泛的临床症状。线粒体疾病可以涉及任何器官或组织，特征性地涉及多系统，通常影响高度依赖有氧代谢的器官，并且通常为进行性，具有高并发症发生率和死亡率【Lancet Neurol. 9, 829–840 (2010)】。

与线粒体疾病相关的一些临床特征可分为特定综合征，例如Leigh综合征(也称为亚急性坏死性脑脊髓病)和Alpers-hutten locher综合征。线粒体疾病临床表现的异质性意味着这些疾病的诊断和治疗都极其困难。除了对组织活检进行组织化学和生化分析外，诊断通常还依赖于基因检测。线粒体疾病患者的管理包括降低并发症发生率和死亡率的策略、器官特异性并发症的早期治疗以及可能的干预策略。

近年，在对线粒体疾病的分子基础及其遗传病因的理解方面已经取得了相当大的进展。此外，下一代测序（NGS）技术已经改变了对由nDNA突变引起的线粒体疾病的诊断，并且对于某些条件，已经将诊断成功率从<20%增加到> 60%。然而，只有在对患者进行细致的临床和生化特征分析后，才有可能做到这一点。

线粒体生物发生和生物化学

健康的线粒体功能需要超过1500种蛋白质【Cell 134, 112–123 (2008)；Annu. Rev. Genomics Hum. Genet. 11, 25–44 (2010)】。13种蛋白质由mtDNA编码，其余的由nDNA编码，在细胞质中翻译，这些蛋白质通过复杂的导入机制跨线粒体膜导入。只有约100蛋白直接参与氧化磷酸化和ATP的产生(图1)。氧化磷酸化需要通过线粒体呼吸链(也称电子传递链)将电子传递给分子氧，呼吸链包括四个多亚基复合物(也称复合物I–复合物IV)和两个可移动的电子载体泛醌(也称辅酶Q10、辅酶Q或CoQ)及细胞色素c。呼吸链产生跨膜质子梯度，通过复合物V(也称ATP合酶)合成ATP。一些研究表明，呼吸链复合体通常形成更大的结构，称为呼吸超级复合体(也称为呼吸体)。呼吸体中一个复合体的缺陷可能对其他复合体产生连锁效应【Science 340, 1567–1570 (2013)】。

图1:氧化磷酸化的示意图

氧化磷酸化是细胞用来氧化营养物质，从而以ATP形式释放能量的代谢途径。呼吸途径包括呼吸链的复合物I-IV和复合物V(一种ATP合酶)。复合物I (NADH:辅酶Q氧化还原酶)通过辅酶Q10(也称为CoQ)从其泛醌(CoQ；q)形成泛醌醇(QH2)，在线粒体内膜上产生电化学梯度。复合物II(琥珀酸-CoQ氧化还原酶)将Krebs循环(也称为三羧酸(TCA)循环)与呼吸链错综复杂地联系在一起。复合物II氧化琥珀酸盐，同时减少其泛酮中的CoQ(CoQ；q)形成泛醇(QH2)。复合物III(泛醇-细胞色素c氧化还原酶)通过氧化泛醇并产生电化学梯度来催化细胞色素c的还原。复合物IV(细胞色素c氧化酶)负责呼吸链的末端酶促反应，将电子(e)转移至分子氧并产生电化学梯度。复合物V将跨膜电化学质子(H+)梯度能转化为机械能，催化ADP与磷酸盐(P)之间的化学键能形成ATP。

目前认为，线粒体的起源是需氧细菌在10亿多年前侵入了原始真核细胞并与之形成共生关系，即以ATP的形式交换能量，以便自己能够定居于细胞中。但这种“内共生假说”没有得到广泛认可，且受到了质疑【Nature. 1998;392(6671):37】。

平均而言，每个人体细胞中含有成百上千个线粒体。成熟红细胞例外，它们完全依赖于无氧代谢，不含有线粒体。

虽然线粒体最初被视为单独、孤立的细胞器，但如今认识到线粒体形成了一个动态连接的网络(又称网格或者合胞体)【Nature. 2014;505(7483):335】

线粒体呼吸链是活性氧(ROS)的重要来源，尤其是通过复合物I和复合物III。尽管线粒体中包括超氧化物歧化酶在内的多种酶参与ROS处置，ROS在线粒体生物发生的生理调节中正在发挥作用，但过量的ROS可能会损伤脂质膜、蛋白质和核酸，并在线粒体疾病的发病机制中发挥作用。

线粒体总体的功能是作为进行有氧代谢和氧化磷酸化产能所必需的胞内细胞器，而氧化磷酸化通过呼吸链实现。但是，线粒体并非仅仅是细胞中产生ATP的“发电站”。线粒体也参与其他几种代谢途径，包括β-氧化、三羧酸循环及铁-硫簇合成。而且，线体可维持、复制并转录自身DNA，并将mRNA翻译为蛋白质。线粒体的另一个重要功能是转运和装配蛋白质，因为线粒体所需的大多数蛋白质是由细胞核DNA编码并在细胞质溶胶中翻译。线粒体网络的持续重塑也是线粒体的一个功能。另外还发现线粒体参与细胞凋亡、活性氧(reactive oxygen species, ROS)产生、钙稳态、脂质膜维持和免疫作用。

线粒体DNA的复制、维持和转录

与细胞核DNA不同，线粒体染色体的复制和分离未与细胞周期偶合，可随时发生。线粒体DNA位于线粒体基质中称为拟核的DNA-蛋白质复合物内。线粒体DNA复制、维持和修复所需的蛋白质也位于拟核内【Nature. 2014;505(7483):335】。这些蛋白质由细胞核DNA编码并转运到线粒体内。这些细胞核蛋白质的功能障碍可导致线粒体DNA消耗、多发性线粒体DNA缺失和/或位点特异性线粒体DNA突变【Nat Rev Neurol. 2013;9(8):429】。

线粒体DNA的复制由DNA聚合酶γ(polymerase gamma, POLG)、一种由POLG2编码的辅助亚基、twinkle及DNA2进行。用于复制的底物包括4种脱氧核苷三磷酸(dATP、dGTP、dCTP和dTTP)。已发现控制这些底物平衡的几种酶与人类疾病有关。

mtDNA

人类mtDNA是一种双链DNA分子，编码氧化磷酸化系统的13个结构肽亚单位和线粒体内蛋白质合成所需的24个RNA分子【Nature 290, 457–465 (1981)；Nat. Genet. 23, 147 (1999)】（图2)。与nDNA相反，mtDNA具有环状结构，缺乏内含子-外显子结构。此外，mtDNA的复制、转录和翻译都受一个非编码区控制，称为置换环(D环)。此外，每个细胞内存在多份mtDNA拷贝，总量可能在几百份到数万份之间，具体取决于细胞类型。许多线粒体疾病患者患有突变型和野生型mtDNA病(称为异源性)；突变和野生型mtDNA的比例是决定细胞是否表达生化缺陷的关键因素(知识框 1)。mtDNA的遗传完全是母体遗传，因此在群体水平上发生的分子内重组可以忽略不计。最后，与nDNA相比，mtDNA的遗传密码存在微妙但重要的差异。例如，在mtDNA，密码子AUA和AUG编码甲硫氨酸，密码子UGA编码色氨酸(不是终止密码子，如在nDNA)，密码子UAA和UAG是线粒体使用的唯一终止密码子【Soc. Trans. 38, 1523–1526 (2010)】。

图2:人线粒体基因组

人类线粒体基因组是一个约16.6 kb的环状双链DNA分子。它包括一个1.1 kb的非编码区，称为置换环(D环/ displacement loop)，参与DNA转录和复制的调控。复合物I中的7个亚单元(共44个)、复合物III的1个亚单元(共11个)、复合物IV中的3个亚单元(共14个)和复合物V中的2个亚单元(共16个)由线粒体DNA编码(mtDNA)。MT-RNR1和MT-RNR2均为rRNA基因，分别编码12S和16S rRNA。单个字母，如“Q”和“L”，表示提供线粒体内蛋白质合成所需RNA成分的tRNA基因。OH和OL表示重链和轻链mtDNA复制的起源。HSP，重链启动子；LSP，轻链启动子。

Nat. Rev. Genet. 16, 530–542 (2015)

mtDNA病的致病突变可以影响呼吸链的结构亚单位或线粒体蛋白质合成机制。数百种不同的点突变和大规模mtDNA重排已被证明会导致疾病。引起线粒体疾病的mtDNA突变可分为三种类型 (知识框 2；图3):

mtDNA重排(如偶发性、单个、大规模mtDNA缺失)、
参与蛋白质合成的基因突变(如线粒体tRNA或rRNA突变)
编码结构蛋白的基因突变(如线粒体mRNA突变)。

图3:人类线粒体疾病相关基因及其在线粒体功能中的作用

核DNA缺陷(nDNA)可导致氧化磷酸化异常、线粒体DNA (mtDNA)维持异常、硫胺素和磷酸盐的溶质载体异常以及呼吸链缺陷等。mtDNA突变可导致结构蛋白缺陷、线粒体RNA合成缺陷和呼吸链缺陷【Science 349, 1494–1499 (2015)；J. Neuromuscul. Dis. 1, 119–133 (2014)】。CoQ，辅酶Q10；dNTP，脱氧核苷酸三磷酸；Fe–S，铁-硫。

知识框2:线粒体疾病中的核基因缺陷及其功能

磷脂代谢

AGK、SERAC1和TAZ

毒性化合物的代谢

HIBCH、ECHS1、ETHE1和MPV17

二硫化物中继系统/ Disulfide relay system

GFER

铁-硫蛋白复合体

ISCU、BOLA3、NFU1和IBA57

tRNA修饰

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

氨酰基-tRNA合成酶

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

释放因子

C12orf65

伸长因子

TUFM、TSFM和GFM1

有丝分裂核糖体蛋白

MRPS16、MRPS22、MRP 13、MRP12和MRPL44

mRNA加工

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

线粒体融合与分裂

OPA1和MFN2

脱氧核苷酸三磷酸合成

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

硫胺素和磷酸盐的溶质载体

SLC19A3、SLC25A3和SLC25A19

呼吸链亚单位

复合物I: NDUFS1、NDUFS2、NDUFS3、NDUFS4、NDUFS6、NDUFS7、NDUFS8、NDUFV1、NDUFV2、NDUFA1、NDUFA2、NDUFA9、NDUFA10、NDUFA11、NDUFA12、NDUFA13、NDUFAF2、NDUFAF6 和NDUFB11
复合物II:SDHA、SDHB、SDHC、SDHD和SDHAF1
复合物III: UQCRB、BCS1L、UQCRQ、UQCRC2、CYC1、TTC19、LYRM7、UQCC2和UQCC3
复合物IV: COA5，SURF1，COX10，COX14，COX15，COX20，COX6B1，FASTKD2，SCO1，SCO2，LRPPRC，TACO1和PET100
复合物V:ATP F2、TMEM70、ATP5E和ATP5A1
辅酶Q10缺乏:PDSS1、PDSS2、COQ2、COQ4、COQ6、COQ8A、COQ8B和COQ9(继发性缺陷:ETFDH和APTX)

蛋白质质量控制和降解

FBXL4、AFG3L2和SPG7

ATP和ADP转运

ANT1

nDNA

超过1500个不同的核基因编码线粒体蛋白【Hum. Genet. 11, 25–44 (2010)】，它们不仅参与氧化磷酸化，还参与线粒体的许多其他功能。这些基因中越来越多的突变已被证明会引起线粒体疾病(知识框 2；图3)，并且可以具有常染色体显性、常染色体隐性或X连锁遗传模式【N. Engl. J. Med. 366, 1132–1141 (2012)】。这些孟德尔疾病虽然复杂，但可根据线粒体和细胞功能的损伤简化分类。nDNA突变影响线粒体的病理后果多种多样，包括mtDNA维持缺陷、mtDNA翻译缺陷和线粒体稳态缺陷等。mtDNA维持缺陷是由于编码参与mtDNA复制的蛋白质的基因突变和控制复制的蛋白质突变或脱氧核苷酸三磷酸(dNTP)合成和/或挽救导致的，这两种情况都会导致继发性mtDNA异常，表现为mtDNA拷贝数丢失或多个mtDNA缺失。线粒体功能缺陷也可能是由于mtDNA翻译改变所致，这可能是由编码翻译和释放因子蛋白、线粒体tRNA修饰蛋白、线粒体mRNA加工酶、线粒体氨酰基-tRNA合成酶和有丝分裂核糖体蛋白的基因突变引起的。由nDNA突变引起的线粒体功能缺陷的其他原因包括细胞凋亡、线粒体伴侣和线粒体代谢等【Chinnery, P. F. Mitochondrial disorders overview. GeneReviews https://www.ncbi.nlm./books/NBK1224/】（图3)。不可避免的是，mtDNA依赖于大量的核编码蛋白进行复制和修复【Nat. Genet. 45, 214–219 (2013)；Mol. Cell 32, 325–336 (2008)；Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 13, 659–671 (2012).】（知识框 2)。由于这些基因突变导致的mtDNA复制或修复的中断可以定性地表现为在患者寿命期间可能出现的多点突变或大规模mtDNA缺失的产生【Hum. Mol. Genet. 16, 1400–1411 (2007)】，或定量地通过线粒体基因组的接近完全的缺失(称为mtDNA耗竭)【Am. J. Hum. Genet. 48, 492–501 (1991)】，或两者都有【J. Clin. Invest. 111, 1913–1921 (2003)】。编码在必需线粒体过程中起作用的蛋白质的nDNA突变被认为表现为与mtDNA相关线粒体障碍类似的多种临床综合征【Science 349, 1494–1499 (2015)】。