Sirt3在褪黑素减少线粒体损伤的研究进展
Advances in Clinical Medicine 临床医学进展, 2019, 9(1), 27-32
Published Online January 2019 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/fa15265953.html,/journal/acm
https://https://www.wendangku.net/doc/fa15265953.html,/10.12677/acm.2019.91006
Progress of Melatonin in Reducing
Mitochondrial Injury by Interacting
with Sirt3
Yanan Hu, Fei Han*
Department of Anesthesiology, The Affiliated Oncology Hospital, Harbin Medical University,
Harbin Heilongjiang
Received: Dec. 24th, 2018; accepted: Jan. 11th, 2019; published: Jan. 18th, 2019
Abstract
Background: Melatonin is a special indole amine derived from the pineal gland, with multiple properties of antioxidant, anti-aging and metabolic. Recent years, studies related to the role of melatonin in cells have gradually focused on mitochondria. In mitochondria, melatonin stimulates Sirt3 activity. It regulates the activity of Foxo3a, SOD2 and the most metabolic enzymes in TCA cycles by strengthening the deacetylation effect of Sirt3, and thus plays a protective role in dis-eases such as cardiovascular disease, liver and kidney injury, and heavy metal hazards. Objective: To review the related literatures on the interaction between melatonin and Sirt3 in reducing mi-tochondria injury. Content: Based on series studies, this article illuminated the expression, me-tastasis and co-localization of melatonin and Sirt3 in mitochondria, and summarized the protec-tive mechanism of melatonin in multiple organs. Trend: The interaction between Melatonin and Sirt3 will be one of the most valuable research field in mitochondria protection with both shared multiple signal pathways.
Keywords
Melatonin, Sirtuin 3, Protection of Mitochondria
Sirt3在褪黑素减少线粒体损伤的研究进展
胡亚楠，韩非*
哈尔滨医科大学附属肿瘤医院麻醉科，黑龙江哈尔滨
收稿日期：2018年12月24日；录用日期：2019年1月11日；发布日期：2019年1月18日
*通讯作者。
胡亚楠，韩非
摘
要
背景：褪黑激素是一种起源于松果腺的特殊吲哚胺，具有抗氧化，抗衰老和调控代谢的特性，近年来，与褪黑激素在细胞中作用的相关研究逐渐集中于线粒体。在线粒体中，褪黑激素可以刺激沉默信息调控蛋白3 (Sirt3)活性，通过加强其去乙酰化作用调控Foxo3a 、SOD2及TCA 周期中大部分代谢酶的活性，进而在心血管疾病、肝肾损伤、重金属危害等疾病中发挥保护作用。目的：对褪黑激素与Sirt3相互作用减少线粒体损伤的相关文献进行综述。内容：整理和阐述了褪黑激素与Sirt3在线粒体的表达、转移、共定位，及对不同器官的保护作用机制。趋向：褪黑激素与Sirt3在线粒体内共享多种信号通路，两者的相互作用可能是未来一个富有成效的研究领域。
关键词
褪黑激素，Sirt3，线粒体功能保护
Copyright ? 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.wendangku.net/doc/fa15265953.html,/licenses/by/4.0/
1. 引言
褪黑激素(N-乙酰基-5-甲氧基色胺)是一种起源于松果腺的特殊吲哚胺，研究报道其具有显著抗氧化，抗衰老和调控代谢的特性，对多种心血管疾病，包括心肌缺血再灌注，高血压和心力衰竭等都表现出有益的作用[1] [2]。最近，关于褪黑激素的保护性信号通路受到越来越多的关注，其重要的机制之一是通过介导激活线粒体沉默信息调节因子3 (Sirt3)在疾病发生中发挥作用。目前，研究发现褪黑激素与Sirt3在线粒体共定位，通过增强其活性及去乙酰化作用调控多种功能蛋白如叉头框3a (Foxo3a)，超氧化物歧化酶(SOD2)和雷帕霉素受体(mTOR)等的活性，进而减少动脉硬化等心血管疾病发生、肝肾辐射伤及生殖器官衰老。本文就褪黑素与Sirt3相互作用的相关研究进行总结。
2. 褪黑素在线粒体的合成和转移
褪黑激素是一种具有多种作用的吲哚胺，在大量食用植物产品和药用植物，如葡萄酒，橄榄油，番茄，啤酒等被鉴定出来。在哺乳动物中最初被认为仅在松果体合成，但很快发现它也在视网膜中产生，以光周期依赖性生理方式产生和释放到脑脊液和血液中，并通过视交叉上核，外周振荡器，和全组织范围内的生物钟进行调节[3]。然而细胞内褪黑激素水平显然不是来自血液，因为当测量松果腺切除的动物的细胞内褪黑激素浓度时，虽然循环水平基本降低到零，但在脑核或线粒体中并没有受到影响。随后，在许多富含线粒体的细胞如胃肠道、免疫系统细胞、脾脏、肝脏、肾脏和心脏中都发现了褪黑素的产生。为了解释这种不断扩大的细胞阵列，许多生物实验探索了褪黑激素在线粒体中转移和合成的机制。Hevia 等人[4]首次尝试确定褪黑激素通过膜的主动运输方式进入细胞，随后将所涉及的蛋白质鉴定为GLUT1转运蛋白。Huo 及其同事[5]通过分析研究寡肽转运蛋白的动力学作用，定义了褪黑激素可以进入细胞和线粒体的另一种方法，即通过寡肽转运蛋白PEPT1/2参与细胞和线粒体膜转移过程，促进褪黑素在细胞内，特别是线粒体内的摄取和保留。Suofu 及其同事[6]通过一项完整的实验确定了细胞中褪黑激素形成的位置。他们在非突触体脑的线粒体中检测到产生褪黑激素的两种末端酶AANAT 和HIOMT 以及
Open Access
胡亚楠，韩非
AANAT伴侣14-3-3ζ位于线粒体中。根据He等人[7]关于卵母细胞线粒体产生褪黑激素且分布到全生物体范围内线粒体的研究结果，证实了所有细胞的线粒体都可以根据需要制造褪黑激素，如氧化应激，缺血再灌注等条件下，褪黑激素的产生是诱导型的，且具组织特异性。
3. 褪黑素与Sirt3在线粒体的共定位
哺乳动物细胞中的Sirtuin家族是第III类组蛋白去乙酰化酶，包括七名成员(Sirt1-7)，每个Sirtuin都有一个保守的NAD+结合域，统称为细胞酰基。Sirtuin蛋白具有多种酶活性和功能，它们在亚细胞水平差异分布，其中最著名的是位于细胞核的Sirt1和位于线粒体的Sirt3 [8][9]。通过介导赖氨酸残基的翻译后修饰，Sirt3调节线粒体呼吸及氧化还原状态，减少氧化应激损伤等多种分子途径。由于褪黑激素与Sirt3太多相似的作用通路，人们推测两者之间是相互关联。研究表明与Sirt3一起存在于线粒体中的褪黑素会影响这种Sirtuin蛋白的脱乙酰化作用，且线粒体Sirt3容易受到外源提供的褪黑激素调节[10]。
4. 褪黑素与Sirt3的相互作用
实验证据表明褪黑激素可以增强Sirt3的活性及去乙酰化酶作用，介导多种蛋白信号通路减少氧化应激，细胞凋亡，线粒体自噬等。表1列举了代表性的参考文献，记录了褪黑激素在缺血/再灌注损伤、重金属毒性的损害中对多种器官的保护功能。
Table 1. Protective effect of melatonin on multiple organs
表1. 褪黑素的多器官保护功能
毒素/损伤过程组织保护信号因子/通路参考文献
缺血再灌注心IL-1β, iNOS, caspase-3 [11] 脑PERK, IRE1 [12] 肺TNF-α, NF-κB, PDGF [13]
ST段抬高心肌梗死心脂质过氧化，DNA损伤[14] II型糖尿病心血管系统ESET, H3K9me3 [15]
曲霉素A 肝肾SOD2, CAT, GSPx, GSH [16]
器官移植肝ATP, γ-GT [17]
三氧化二砷肝Pl3K/AKT/Nrf2 [18]
氧化应激卵巢SOD2, ROS [19]
4.1. 心血管保护
褪黑激素在多种器官中均被报道可以保护心血管功能。在大鼠冠状动脉结扎模型中，Yu及其同事检测了褪黑激素在线粒体水平的作用[20]。研究证实褪黑激素通过增加ATP产生，改善呼吸链功能(复合物II，III和IV)，激活超氧化物歧化酶(SOD2)，限制心肌细胞凋亡和减少H2O2生成来改善心脏缺血再灌注损伤。同时，褪黑激素的有益作用源于其激活腺苷磷酸激活激酶(AMPK)-过氧化物酶体增殖物受体γ辅激活因子1α(PGC-1α)-Sirt3信号传导，并升高核因子(NRF)和线粒体转录因子A(TFAM)的表达。此外，超声心动图监测显示褪黑激素减轻了糖尿病小鼠的左心室重塑并保持了心脏功能，其机制被证实通过抑制Mst磷酸化，导致Sirt3活性和抗氧化作用增强[21]。冠状动脉内皮细胞功能障碍是动脉粥样硬化病变发展所必需的特征，褪黑激素被证明可以维持细胞膜的最佳流动性，从而保护它们免受自由基损害，降
胡亚楠，韩非
低脂质过氧化，最终抑制斑块形成和其他后续的负面影响[22]。此外，在脂多糖处理后的人脐静脉内皮细胞的体外模型中，褪黑激素降低了氧化应激水平(NOX-1/NOX-2)，减少了炎症反应(TNF-α/NF-kB)、细胞死亡(caspase 3/PARP)和线粒体功能障碍(cyt-C)。然而当线粒体Sirt3沉默(用siRNA)时，褪黑激素的体外作用不再存在，这一发现进一步表明褪黑激素在线粒体中的抗氧化作用很大程度上依赖于Sirt3脱乙酰化
[23]。
4.2. 肝功能保护
褪黑激素已成功用于对抗实验动物慢性摄入氟化物引起的肝损伤[24]。在分子水平上，褪黑激素刺激Sirt3脱乙酰化，导致超氧化物的快速歧化，同时触发了Foxo3a的DNA结合，进而减少线粒体氧化应激
[25]。值得注意的是，褪黑激素通过激活PGC-1α进而提高Sirt3的表达。对细胞信号传导途径谱分析系
统和特异性途径抑制的分析表明，褪黑激素通激活PI3K/AKT信号传导途径增强PGC-1α表达，并通过ERR结合元件(ERRE)映射到Sirt3启动子区域。重要的是，通过使用膜褪黑素受体阻滞剂，抑制MT1阻断了褪黑激素激活的PI3K/AKT-PGC-1α-Sirt3信号传导，从而证明褪黑激素的这一作用是由MT1受体介导的。
4.3. 生殖器官保护
啮齿动物(如人类)肥胖导致Sirt3的乙酰化，这降低了其活性并且由于无限制的ROS产生而导致灾难性细胞损伤。正如预期的那样，Han等人将褪黑激素喂给肥胖大鼠，极大地改善了卵母细胞的质量和受精率，这伴随着Sirt3的活化(脱乙酰化)，其诱导SOD2最终减少卵母细胞中的氧化应激[19]。当褪黑激
向细
SIRT3
褪黑激素
Figure 1. Melatonin regulates mitochondrial function through Sirt3
图1. 褪黑素通过
5. 结语
近年来，与褪黑激素在细胞中的作用相关的研究逐渐集中于线粒体。由于褪黑激素是一种强大的氧化应激抑制剂，它在线粒体水平上的作用可能不是偶然的，Sirt3在线粒体中具有多种功能，它影响呼吸链复合物并提高
代谢和脂肪酸氧化。结合Sirt3在线粒体的动力学影响，褪黑激素与其共享表观遗传行为的结果，包括对线粒体自噬、线粒体生物能量学、融合或裂变的影响，未来以Sirt3为靶点，从药效学角度进一步探索褪黑素在抑制癌症转移，减少辐射损伤，及预防缺血再灌注线粒体应激等领域在未来将富有显著成效。此
胡亚楠，韩非
外，褪黑素在其他亚细胞区室中的功能也是值得探索的领域。
致谢
由衷地感谢哈尔滨医科大学附属肿瘤医院对该文章的资金支持与帮助。
基金项目
国家自然科学基金面上项目(81871515)；Nn10培育基金项目(Nn10py2017-05)。
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线粒体及其相关疾病的遗传学研究进展
线粒体及其相关疾病的遗传学研究进展（作者:___________单位: ___________邮编: ___________） 作者：齐科研相蕾陈静宋玉国霍正浩杨泽 【关键词】线粒体DNA 基因突变疾病 线粒体广泛分布于各种真核细胞中，其主要功能是通过呼吸链(电子传递链和氧化磷酸化系统)为细胞活动提供能量，并参与一些重要的代谢通路，维持细胞的钙、铁离子平衡，以及参与其他生命活动的信号传导。 此外，线粒体还与活性氧(reactiveoxygen species，ROS)的产生及细胞凋亡有关［1-3］。组成线粒体的蛋白质有1000多种，除呼吸链复合体蛋白受mtDNA与核基因双重编码，其他蛋白均由核基因编码。mtDNA突变或核基因突变都能引起线粒体功能紊乱［1，4］。早在1963年，Nass等人就发现有遗传物质DNA的存在。1981年，Anderson等发表了人类mtDNA全序列。1988年，Holt和Wallace分别在线粒体脑病和Leber’s遗传性视神经病(LHON)患者的细胞中发现了mtDNA突变，从此开辟了研究mtDNA突变与人类疾病的新领域。随着对mtDNA研究的深入，人们对mtDNA的突变和人类疾病的相关性
日益重视。芬兰的数据显示人群单个点突变(3243A＞G)的比率为1∶6000，然而，英国资料表明mtDNA疾病的患病率或易患比率为1∶3500［5］。动物模型和人类研究证据均证明，mtDNA突变是引起人类多因素疾病，部分遗传性疾病以及衰老的重要原因之一。本文将从以下几个方面对mtDNA突变和相关疾病进行阐述。 1 线粒体DNA的遗传学特征 线粒体DNA是存在于线粒体内而独立于细胞核染色体的较小基因组。与核基因相比，线粒体DNA具有一些显著特征。 1.1 母系遗传 Giles等［6］通过对几个欧洲家系线粒体DNA进行了单核苷酸多态性分析时，发现mtDNA 分子严格按照母系遗传方式进行传递。母系遗传是指只由母亲将其mtDNA分子传递给下一代，然后再通过女儿传给后代。有研究表明［7］，在受精过程中，精子线粒体会被卵子中泛素水解酶特异性识别而降解，这很好地解释为什么父源性mtDNA不能传播给后代。 1.2 异质性和突变负荷 核基因突变所产生的突变体分为纯合子(homozygote，等位基因都发生突变，含量为100％)和杂合子(heterozygote，等位基因中的一个发生突变，突变含量为50%)与核基因不同，线粒体基因突
线粒体功能障碍与人体疾病的研究进展样本
兰州交通大学化学与生物工程学院综合能力训练Ⅰ——文献综述 题目: 线粒体疾病的最新研究进展 作者: 朱刚刚 学号: 07730 指导教师: 谢放 完成日期: -7-16 线粒体疾病的最新研究进展
摘要: 本文为了对线粒体疾病研究的最新进展进行论述, 分别从线粒体功能障碍、线粒体疾病、以及相关线粒体疾病的治疗与干预策略三个方面进行了综述。重点从线粒体的功能障碍进行了介绍。 关键词: 线粒体、线粒体tDNA、线粒体疾病。 引言: 线粒体疾病主要是指由于线粒体DNA突变所导致的一类疾病。 有许多人类疾病的发生与线粒体功能缺陷相关,如线粒体肌病和脑肌病、线粒体眼病,老年性痴呆、帕金森病、 O型糖尿病、心肌病及衰老等,有人统称为线 粒体疾病。线粒体疾病的发生被认为与氧化磷酸化过程相关基因的突变有关。 一、线粒体功能障碍 1 线粒体结构、基因组特征及主要功能 1.1 线粒体结构及基因组特征电镜下的线粒体是由两层单位膜套叠而成的封闭囊状结构, 从外向内依次分为外膜、膜间隙、内膜、基质。不同于经典的”隔舱板”理论, 最新提出的三维重构模型认为: (1)外膜与内质网或细胞骨架连接形成网络; (2)内外膜间随机分布横跨两端, 宽20nm 的接触点; (3)内膜经过界面与嵴膜接口部分相连, 并不直接向内延伸形成嵴膜; (4)嵴膜非”隔舱板”式而是管状或扁平状, 相互间可连接或融合, 呈现不同的形式。执行线粒体功能的生物大分子分布在不同的空间: 外膜上有Bcl-2家族蛋白、膜孔蛋白以及离子通道蛋白; 内膜中有电子传递链(呼吸链)复合物I~IV和复合物V(ATP合成酶); 膜间隙和嵴膜腔分布着细胞色素C、凋亡诱导因子(apoptosis in-ducing factor, AIF)和Procaspase 2、 3、 9及其它酶蛋白; 电压依赖性阴离子通道(VDAC)、 ADP/ATP转换蛋白(ANT)和线粒体膜转运孔 (mitochondrialper-meabletransition pore, MPTP)存在于接触点; 三羧酸循环(TCA cycle)酶系、存储钙离子的致密颗粒及线粒体基因组则包含于基质中。【1】与核基因组(nDNA)不同, mtDNA 结构简单, 仅含16 569 个碱基, 编码2 种rRNA、 22 种tRNA和13种参与呼吸链形成的多肽。一般裸露且不含内含子, 既
线粒体自噬研究概论
线粒体自噬 线粒体自噬研究概论 关于线粒体自噬 线粒体自噬(mitophagy)是指细胞通过自噬的机制选择性地清除线粒体的过程。选择性清除受损伤或功能不完整的线粒体对于整个线粒体网络的功能完整性和细胞生存来说十分关键。 线粒体自噬主要的作用有几个方面： 1.选择性清除功能受损的线粒体 2.选择性调节细胞内线粒体数量 3.通过线粒体影响诸多生理和病理学过程 Fig:The pathways of mitophagy for quality control and clearance of mitochondria Cell Death and Differentiation(2013)20,31–42
线粒体自噬的信号通路 1)Pink/Parkin pathway 2)Bnip3/Nix pathway 3)FUNDC1pathway Fig.Mitophagy pathway:Pink1/Parkin OR Bnip3/Nix Pink1/Parkin pathway：E3泛素连接酶Parkin和蛋白激酶Pink1一起介导了线粒体膜电位下降,引起的线粒体自噬的发生,当线粒体损伤后,线粒体膜电位下降,引起Pink1蛋白在损伤线粒体上的积累,能够吸引Parkin到损伤的线粒体上。Parkin使得线粒体外膜上的很多蛋白发生泛素化,从而能够募集其他一些相关蛋白,介导线粒体自噬的发生。
线粒体自噬 汉恒线粒体自噬研究工具与研究方法 汉恒生物有多种线粒体自噬病毒研究工具可以提供，便于直接感染目的细胞后直观地观察线粒体自噬的变化 一、汉恒线粒体自噬表型研究工具 1）Ad-GFP-LC3腺病毒病毒系统，可高效感染目的细胞，表达GFP-LC3，感染感染后细胞可在荧光显微镜下实时观察自噬的整体水平（由于GFP荧光偏弱，暂停Ad-GFP-LC3销售， 慢病毒单标LV-GFP-LC3荧光正常，正常销售）； 2）Ad-HBmTur-Mito腺病毒系统（红光标记），为汉恒生物自主研发的线粒体特异性定位荧光探针（pHBmTur-Mito）可准确定位标记线粒体，结合汉恒独家推出的双荧光LC3细胞自噬腺病毒的使用，即可准确实时地追踪线粒体自噬的动态过程； 使用方法：Ad-GFP-LC3+Ad-HBmTur-Mito共感染目的细胞，confocal检测双荧光共定位的情况，如果共定位，则存在线粒体自噬！（下图说明：红色标记为线粒体，绿色标记自噬小体，二者有共定位时代表自噬发生） 二、汉恒线粒体自噬通路研究工具 1）Ad-Parkin-EGFP 2）Ad-Bnip3-EGFP+Ad-Nix-EGFP 3）Ad-FUNDC1-EGFP
第章线粒体遗传与线粒体疾病
第十三章线粒体疾病 广义的线粒体病（mitochondrial disease）指以线粒体功能异常为主要病因的一大类疾病。除线粒体基因组缺陷直接导致的疾病外，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。通常所指的线粒体疾病为狭义的概念，即线粒体DNA突变所致的线粒体功能异常。 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2到3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 根据不同的角度，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。 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 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
线粒体功能障碍与人体疾病地研究的进展(20201221054219)
兰州交通大学化学与生物工程学院 综合能力训练I 文献综述 题目：线粒体疾病的最新研究进展 作者：朱刚刚
学号：201207730 指导教师：谢放 完成日期：2014-7-16 线粒体疾病的最新研究进展 摘要：本文为了对线粒体疾病研究的最新进展进行论述，分别从线粒体功能障碍、线粒体疾病、以及相关线粒体疾病的治疗与干预策略三个方面进行了综述。重点从线粒体的功能障碍进行了介绍。 关键词：线粒体、线粒体tDNA、线粒体疾病。 引言：线粒体疾病主要是指由于线粒体DNA突变所导致的一类疾病。 有许多人类疾病的发生与线粒体功能缺陷相关，如线粒体肌病和脑肌病、线粒体眼病，老年性痴呆、帕金森病、O型糖尿病、心肌病及衰老等，有人统称为线粒体疾病。线粒体疾病的发生被认为与氧化磷酸化过程相关基因的突变有关。 一、线粒体功能障碍 1线粒体结构、基因组特征及主要功能 1.1 线粒体结构及基因组特征电镜下的线粒体是由两层单位膜套叠而 成的封闭囊状结构，从外向内依次分为外膜、膜间隙、内膜、基质。不同于经典的“隔舱板”理论，最新提出的三维重构模型认为：(1)外膜与内质网或细胞骨架连接形成网络；⑵内外膜间随机分布横跨两端，宽20nm的接触点；(3)内膜通过界面与嵴膜接口部分相连，并不直接向内延伸形成嵴膜；(4)嵴膜非“隔舱板”式而是管状或扁平状，相互间可连接或融合，呈现不同的形式。执行线粒体功能的生物大分子分布在不同的空间：外膜上有Bcl-2家族蛋白、膜孔蛋白以及离子 通道蛋白；内膜中有电子传递链(呼吸链)复合物l~IV和复合物V(ATP合成酶); 膜间隙和嵴膜腔分布着细胞色素C、凋亡诱导因子(apoptosis in-dueing factor，AIF)和Procaspase 2、3、9及其他酶蛋白；电压依赖性阴离子通道(VDAC)、ADP/ATP 转换蛋白(ANT)和线粒体膜转运孔
人类线粒体病的遗传学研究及治疗进展
第31卷第3期济宁医学院学报2008年9月Vol131,No.3J O URNAL OF JIN ING M EDICAL COLLEGE Sep,2008 人类线粒体病的遗传学研究及治疗进展 郭岩1陈磊2高立1综述关晶1审校 (1济宁医学院2济宁医学院附属医院) 线粒体普遍存在于真核细胞的细胞质中,它是细胞物质氧化的主要场所和能量供给中心。线粒体是细胞核外含有遗传信息和表达系统的细胞器,其遗传特点表现为非孟德尔遗传方式,具有半自主性。线粒体病(m itochondr i opa t hy)是指因遗传缺损引起线粒体代谢酶的缺陷,导致AT P合成障碍、能量来源不足而出现的一组多系统疾病,因此,也被称为线粒体细胞病(m itochondr i a lcy topathy)[1,2]。 1线粒体基因组的特点 线粒体基因组是一个环状双DNA,核酸序列和组成比较保守,人类的线粒体基因组由16569bp组成,其外环为重(H)链,内环为轻(L)链,除一段非编码区(D-loop区)外,均为编码区,共编码13个多肽、22个t R NA和2个r RNA[3]。D-loop区是一大小约1000bp的调控区,其包含有重链复制起始点、保守序列节段、轻链启动子、重链启动子及终止结合序列等,几乎所有与m t DNA复制、转录和翻译相关的调控序列都位于该区。 2线粒体病的种类 线粒体病是遗传缺损引起线粒体代谢酶缺陷,使AT P合成障碍、能量来源不足导致的一组异质性病变。m t DNA有很高的突变率[4],当一种突变产生时,细胞同时含有野生型、突变型二种m t DNA时,称为异质性。异质细胞分裂时,突变和野生m t DNA随机分布到子细胞中。经过很多代的传递, m t DNA表型向野生型或突变型m t DNA占优势方向漂变,这一过程称为复制分离。随着突变型比例的增多,细胞获得能量的能力下降直到降低至阈值,即细胞或组织正常功能所必需的最小能量输出,超过这一点,就出现疾病症状[5]。一般情况下,线粒体病患者会有以上的两个至多个病症,其中的一些往往同时发生,以至于我们把它们归类为某综合征[6]。 2.1肌阵挛性癫痫伴肌肉蓬毛样红纤维综合征(M ERR F) 是由于m t DNA8344或8356发生了点突变造成的一种罕见的、杂质性母系遗传病,具有多系统紊乱的症状,包括肌阵挛性癫痫的短暂发作、不能够协调肌肉运动(共济失调)、肌细胞减少(肌病)、轻度痴呆、耳聋、脊髓神经退化等等。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Gom or iT r ichrom e染色显示为红色,称破碎红纤维。M ER-R F病一般在童年初发,病情可持续若干年[7]。 2.2慢性进行性眼外肌麻痹综合征(K SS) 病因尚未明确,50%有家族史,认为系线粒体肌病的一个亚型;也有人提到自身免疫或脂质代谢异常。20岁前起 技术的进展,期待更敏感、更特异的方法面世,这对于病理状态中细胞凋亡的研究将具有重要意义。 参考文献 [1]李跃林,李丽,邓卓军.实验性脂肪性肝病大鼠肝细胞凋亡与组织 病理的对比研究.河北医药,2004,26:9292 [2]B axa D M,Luo X,Yos h i m ura FK.Gen istei n i nduces apoptos i s i n T l y m pho m a cell s v i a m itochondri al da m age.Nu tr C ancer,2005,51 (1):93 [3]Rob ert W,N i co l e G,E li sabeth G,M anfred W.Tw o2col or,fl uores2 cence2based m i crop late assay f or apoptosis d etecti on.B io T ech2 n i ques,2002,32(3):666 [4]S aafi EL,Konarko w ska B,z h ang S,et a1.U ltrastruct u ral ev i dence t h at apop t os i s is t h e m echan i s m by w h i ch hum an a m yli n evokes deat h i n RINm5F pan creatic i s l et beta-cells.cell B i ol Lnt,2001,25:339 [5]袁兰,陈英玉.用激光扫描共聚焦显微镜原位检测细胞凋亡1新 技术应用,2003,(1):47 [6]王晓翔1细胞凋亡检测方法的研究进展1体育科技2005,26 (3):43 [7]Bai J,C ederb au m A I.Cycl ohexi m i de p rotects H epG2cells fro m se2 rum w it hdra w al i nduced apop tosis by d ecreasi ng p53and phospho2 rylated p53level s.J Phar m acol Exp Ther,2006,319(3):1435 [8]Ravagnan L,Roum i er T,K roe m er G.M it ochondria,the k ill er organ- ell es and t heir w eapons.J CellPhysi o,l2002,192:131 [9]Chaturved i R,S ri vastava RK,H i sats une A,Shankar S,L illehoj EP, K i m KC.Augm entati on of Fas li gand2i ndu ced apoptosis by M UC1 m uci n.Int J Onco,l2005,26(5):1169 [10]Pavlovs ky Z,Vagunda V.Apop t os i s2sel ect ed m et hod s of detecti on of apoptosis and as soci ated regu l atory f act ors on ti ssue secti on s of t um ors.C esk Pat o,l2003,39(1):6 [11]张丽娟1细胞凋亡的检测方法及其在药物流产中的应用1医学 综述,200814(11):1660 [12]Lecoeu rH.Nu clear apop t os i s detecti on by n o w cyt o m etry::i nfl uen ce of endogenou s endonu cl eases.E xp C ellR es,2002,277(1):1 [13]Dobru cki J,Darz ynk i e w i cz Z.Ch ro m ati n condensation and sens i ti vity of DNA i n s i tu t o den aturati on duri ng cell cycl e and apop tos i s-a con f ocalm i croscopy s t udy.M icron,2001,32(7):645 [14]尹琰,寿伟璋.流式细胞术Annex i nV细胞凋亡检测方法探讨.东 南大学学报,2003,22:169 [15]Span L P,Penn i ngs AH,V ier w i nden G,et a.l The dyna m i c proces s of apop t osis anal yzed by fl o w cyto m etry us i ng Annexi nV/p rop i d i um i o- d i d e and am odifi ed i n sit u end abeli ng tec hn iqu e.C yt o m etry,2002, 47(1):24 (收稿日期2008-06-11) # 260 #
线粒体自噬在血管性认知障碍中的 研究进展
I C M Y K —] 430 ·综述． 线粒体自噬在血管性认知障碍中的 研究进展＊ 刘山＊解丽＊张强A董艳红＊畴 【关键词】线粒休自噬血管性认知障碍慢性脑低灌 注脑缺血再灌注损伤 血管性认知障碍(vascular cognitive impairment,VCI)指 由脑血管病的危险因素（高血压病、糖尿病、高脂血症和高 同型半胱氨酸血症等）、显性脑血管病（脑梗死和脑出血等） 及非显性脑血管病（白质疏松和弥漫性脑缺血等）引起的一 组从轻度认知损害到痴呆的综合征。线粒体是缺血后神经 细胞死亡的关键靶区，机体可通过自噬控制线粒体数最，其 功能紊乱是慢性脑低灌注(chronic cerebral hypoperfusion, CCH)、脑缺血再灌注损伤(cerebral ischemia reperfusion injury, CIR)所致VCI的主要机制。通过阐述线粒体自噬机 制及其在CCH、CIR所致VCI中的作用，有利千寻找药物作 用靶点，早期干预VCI的发生发展，提升患者生存质掀。 1线粒体自噬 线粒体自噬指损伤线粒体利用自噬机制选择性清除 受损的蛋白质和细胞器，控制线粒体质最与数最，在营养 不良或外界刺激时维持细胞稳态四线粒体自噬可以通过 相关分子通路介导和影响线粒体动力学平衡发生。 1.1线粒体自噬相关分子通路 1.1.1 PINKl/Parkin分子通路同源性磷酸酶张力蛋白诱导 激酶1(phosphatase and tensin homologinduced putative kinasel, PINKl)是一种丝氨酸／苏氨酸激酶。各种原因使得线粒体 功能紊乱时，线粒体膜电位降低，膜上的PINKl聚集，将 Parkin蛋白从细胞质募集到线粒体，其具有E3泛索连接 酶活性，将标记的泛索化底物通过微管相关蛋白1轻链 doi: 10.3969/j.issn.1002-0152.2020.07.012 女河北省中医药管理局科研计划项目（编号：2019158)；河北省 卫生厅科研基金项目青年科技课题（编号：20160459) ＊ 河北医科大学研究生学院（石家庄050000) A 华北理工大学 米河北省人民医院神经内三科 。通信作者(E-mail:d_yanhongniu@https://www.wendangku.net/doc/fa15265953.html,) | C hin? 2020 LC3相互作用区域在自噬体上募集LC3，最终导致线粒体 与自噬体结合发生自噬性降解[2]。 1.1.2 HIF -la/BNIP3/Beclinl信号通路低氧诱导因子－l (hypoxia inducible factor-I, HIF -1)是由HIF-la亚基和 HIF-lb亚基组成的异二聚体，而HIF-la在调节氧稳态中 起着关键作用。BNIP3是Bcl-2蛋白家族成员，主要表达于 线粒体和内质网。Beclinl是磷脂酰肌醇3，是细胞自噬过 程中最重要的正性调节因子。缺血缺氧时，HIF-la表达上 调，BNIP3蛋白表达上调，BNIP3和Beclinl竞争Bcl-2结 合位点，释放Beclinl，参与线粒体自噬的激活，降解受损 的线粒体，对抗各种凋亡因子[3]。 1.1.3 PI3K-Akt-mTOR通路PI3K,即磷酸肌醇激酶3; Akt,即蛋白激酶B;mTOR,哺乳动物雷帕霉索靶蛋白 (mammalian Target Of Rapamycin)，是雷帕霉素的作用靶 点。LV等[4]的研究表明，缺血／低氧条件下，线粒体能量代 谢障碍，在某种程度上通过阻断PI3K/AKT/mTOR信号通 路，增强线粒体自噬，清除受损的线粒体，保护线粒体的正 常生理功能。 1.2线粒体动力学变化线粒体通过线粒体融合、分裂蛋白 精确调控，在融合和分裂形态中不断变换维持平衡。线粒 体融合蛋自主要有视神经萎缩蛋自1(Opa l)、线粒体融合 蛋自Mfnl和Mfn2。Opal或Mfnl/2缺乏的细胞可导致线 粒体碎片聚集及线粒体自噬[5--6]。D rp l(DLPl, Dymple)主要 调控线粒体分裂，其具有G TP酶活性。D rp l的下调及敲除 可抑制线粒体自噬而导致功能紊乱的线粒体聚集［7]。如果 线粒体裂变和融合失衡，则会引发线粒体膜电位改变，进 而激活线粒体自噬，导致神经元死亡。 2线粒体自噬与血管性认知障碍 在所有认知障碍性疾病中，VCI是目前唯一一个可干 预的认知障碍性疾病。干预VCI的早期阶段，延缓疾病的 发生发展，对千提升患者及其家庭的生活质最至关重要。 从临床研究来讲，CCH、CIR都是与脑血管病有关的病因， 二者均可导致VCI。CCH指长期脑血流降低导致血流动力 学性脑缺血。既往研究表明，CCH可通过诱导血管损伤，血 脑屏障系统功能失调，神经递质紊乱等因素最终导致认知 障碍[8]。CIR损伤是指脑缺血一定时间恢复血液供应后，其 功能不但未能恢复，反而出现了更加严重的脑机能障碍。 已有国内外研究表明CIR损伤可能通过能量代谢障碍、突 触损伤、炎症反应等引起认知障碍[9］。从基础研究层面来 讲，目前VCI动物模型采用两种方法较多：CD永久结扎双 侧颈总动脉的CCH模塑；＠反复结扎再灌注双侧颈总动脉 的CIR模型。在分子机制上，VCI发病涉及自噬、氧化应激、
线粒体病研究进展
基因突变引起的线粒体疾病：最新研究进展和所面临的挑战 线粒体病是所有遗传性疾病中最常见也是最复杂的疾病。尽管在过去的几年关于线粒体的研究进展有显著的进展，由线粒体基因和细胞核基因共同参与的线粒体病仍面临独特的挑战。对线粒体病的深入了解，在提高了诊断率的同时也发现了一些新的阻止严重的线粒体疾病的遗传方法。这些进步还有其他的进步对患者的治疗产生了很大的影响，但是仍然还有相当大的挑战，尤其在一些治疗性领域，哪些显现临床症状的患者合并有线粒体功能障碍和不同组织器官受损在很多线粒体病患者中都有发现。本综述挑选了线粒体病的一些最新进展，并且对其中重要的进展领域着重讨论。 线粒体疾病是人类遗传病中的一个重要组成部分，在这我们定义哪些遗传缺损引起线粒体氧化磷酸化反应主要缺陷的病变，氧化磷酸化反应是细胞ATP的主要来源。线粒体的电子传递链是人类生命必须的，由四个亚基组成的复合体（CI到CIV）和两个电子传递载体（辅酶Q和细胞色素C）组成。这个系统产生一个跨膜质子梯度被蛋白复合物成为复合物V（FoF1ATP合酶）利用合成ATP.ATP是细胞能量的重要来源。自由移动的呼吸复合体和流动的载体共同存在于线粒体内膜上形成一个大的结构称为呼吸链。 氧化磷酸化酶蛋白在线粒体基因和核基因组遗传物质的双重控制下。环形的线粒体基因组（mtDNA）有16569个碱基对组成，在所有的细胞中呈现多重拷贝。MTDNA仅仅编码37个基因产物，其中有13个多肽链式氧化磷酸化亚基的结构，还有22个转运RNAs（tRNA)和两个核糖体RNAs（rRNA)参与他们的合成反应。剩下的线粒体蛋白质包括大多数的氧化磷酸化亚基，装配元件，氧化磷酸化复合体的辅助因子，它们参与mtDNA的损伤修复和表达，细胞器内的蛋白体，和细胞核编码的线粒体动力学，在细胞质中合成，然后运输到线粒体中。 线粒体病的临床特点和患病率 线粒体疾病的巨大挑战之一是病人的临床症状有显著性差异，涉及不同的器官和系统。线粒体疾病可能出现在生命的各个时期。病人在童年发病往往有严重和累积性疾病由于隐性遗传核基因突变(3)。临床症状包括Leigh综合症和Alpers综合症,伴有明显的中枢神经系统受损。然而,有些病人可能会出现心脏、骨骼肌或其他器官的受累表现力遗传异质性。在成人发病患者中,以mtDNA突变为主,孟德尔疾常染色体显性遗传病是由于重要的基因产物突变引起的，如mtDNA复制结构原件(如DNA聚合酶γ(POLG)和解旋酶(PEO1)],通常也引起严重的常染色体隐性疾病在儿童时期,也可能在以后的生活中显现。和儿时临床症状一样的,有普遍认可临床表型在成人线粒体疾病中，包括进行性眼外肌麻痹,亚急性失明与leber遗传性视神经病变(LHON),MELAS(线粒体脑病、乳酸酸中毒和卒中样发作),MERRF(肌阵挛癫痫伴蓬毛样红纤维)。然而,许多患者不是很符合确定的临床综合症,这也许是因为特殊的原因有那些常见的m.3243 A >G的突变(4),在近三分之一的成年线粒体疾病患者中出，经常拖延病人诊断。 关于线粒体疾病的另一个关键目标是了解组织特异性与特定的线粒体基因型的关系。一个好的这方面的例子就是常见的仅仅涉及视神经方面初选LHON突变的患者(5)。据推测,视网膜神经节细胞对这些复杂突变特别敏感,但是有趣的是,同样的突变引起的LHON在其他一些患者中也会引起严重肌张力障碍无明显的眼部受累(6)。这也是例证，观察到表型差异在mt-氨酰基tRNA突变的患者中，尤其是普遍存在的酶突变的患者(见下文)。然而这种选择性的脆弱性,但并不是线粒体疾病唯一的,也见于许多神经系统疾病。这方面的进步缓慢,因为人类线粒体疾病建模困难。目前,修改线粒体基因组在一个特殊的方法是困难的(见下文),和许多不同的动物模型核遗传缺陷不能呈现人类的表型(7、8)。显然,mtDNA 的异质性无法解释显著的组织差异在这些疾病中,但有趣的地方是, 线粒体转录物也隐藏实质的异质性在正常个体(9);目前知之甚少关于可能导致这样的RNA异质性, 但是另一种方面氧化磷酸化构成成分可以变化在不同个体、组织或细胞的内部。
线粒体病及其相关的心律失常
线粒体病及其相关的心律失常 胡喜田1 李伟峰1 张海澄 2 [摘要] 线粒体病是指因遗传基因的缺陷导致线粒体的结构和功能异常,导致细胞呼吸链及能量代谢障碍的一组 多系统疾病。线粒体病对心脏的损害主要包括器质性和电生理损害,临床上最常见的为Keam s 2Sayre 综合征,主要表现为心脏传导系统的损害,发生的心律失常包括房室传导阻滞,束支传导阻滞,室性心律失常和房性心律失常。 [关键词] 心血管病学;线粒体病;综述;Kea m s 2Sayre 综合征;心律失常DO I :10.3969/j .issn .1007-2659.02.007 中图分类号 R541.7 文献标识码 A 文章编号 1007-2659(2010)02-0111-03作者单位:1 石家庄市第一医院心内三科(河北石家庄050011) 2 北京大学人民医院心脏中心(北京100044) 作者简介:胡喜田(1973-),男(汉族),河北邯郸人,主治医师,医学硕士,专业特长为心脏起搏与心电生理。 1962年Luft 首次提出线粒体病后,人们对线粒体病给予了大量的关注,并且伴随着实验室技术的进步,特别是上世纪八十年代Anders on 测定出人类线粒体DNA (m t D NA )的全长序列,并提出线粒体母系遗传的概念,人类对线粒体病的认识取得了巨大的进步。到目前已经发现线粒体病的线粒体基因存在100个点突变和200个缺失。在对线粒体功能方面的研究中,人们发现线粒体不但产生ATP,而且产生体内95%以上的活性氧;不但调节细胞内的氧化还原平衡,而且调控细胞凋亡。在对线粒体内各种酶蛋白的结构和功能的研究进一步开阔了人们的视野,对线粒体病的研究已从单一的线粒体肌病、脑肌病或脑病,扩展到心脏、消化、肾脏、内分泌、眼等多系统多器官疾病,而在这些系统中的发病情况,尤其是在心脏的发病状况,往往和患者的预后有密切的联系。正式基于对线粒体及其疾病的深入认识,线粒体医学的概念已经被提出。 1 线粒体病概述 线粒体病是指因遗传基因的缺陷导致线粒体的结构和功能异常,导致细胞呼吸链及能量代谢障碍的一组多系统疾病。目前临床对线粒体病的分类,主要是依据病变部位而分,包括线粒体肌病、线粒体脑肌病和线粒体脑病三类。它们各自又有更详细的分类。 线粒体复杂的结构和功能,是线粒体病临床表现各异的基础。它的不同结构部位含有不同的酶系统。线粒体的正常结构及其酶系统在人体的能量代谢方面发挥了关键的作用,而线粒体病正是这一系统失用所致的结果。 线粒体由约1500个多肽组成,大部分是由核DNA (n D 2 NA )编码,虽然m t D NA 仅保留了13个氧化磷酸化多肽的基 因,但其在线粒体氧化磷酸化复合体中占据了重要的位置。人类m t D NA 是存在于细胞核外长16569bp 的唯一的双链闭环DNA,分轻链和重链,含37个基因(包含22个t RNA 基 因,2个r RNA 基因和13个编码线粒体呼吸链酶蛋白的基因),主要编码呼吸链及与能量代谢有关蛋白[1]。线粒体呼吸链中被m t D NA 编码的酶包括细胞色素C,氧化酶Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ。m t D NA 缺失或点突变使编码线粒体氧化代谢过程必需的酶或载体发生障碍,糖原和脂肪酸等不能进入线粒体充分利用和产生足够的ATP,导致能量代谢障碍和产生复杂的临床症状,从而出现临床上不同类型的线粒体病。 mt D NA 突变主要包括:与蛋白合成有关的t RNA 基因点突 变,编码线粒体呼吸复合体亚基的结构基因突变,mt D NA 片段缺失和mt D NA 的耗竭。此外,由于大多数呼吸链复合体亚基是由n DNA 编码,并且mt D NA 复制和表达需要的许多酶也是由 n DNA 编码,因此n DNA 基因突变也可能导致。 线粒体病有以下显著遗传学特点[2]:①母系遗传:受精卵线粒体几乎均来自卵子,故与孟德尔遗传方式不同,母亲将 mt D NA 传递给子代,只有女儿可将mt D NA 传递给下一代,这被 称为母系遗传。②高突变率:mt D NA 裸露于高水平的氧化磷酸化环境中,无组蛋白保护,突变率较n DNA 高10余倍,且缺乏有效的修复机制,相比常染色体遗传病,线粒体病每一代发病个体相对较多。③阈值效应:因每个细胞mt D NA 有多重拷贝,只有突变型达到某一阈值时患者才会出现症状。在心脏、肌肉、神经等能量需求高的器官,阈值低于低能量需求器官。④遗传易质性:不同mt D NA 突变可导致相同疾病,而同一突变可引起不同表型。⑤mt D NA 突变的表型效应由突变类型、易质状态(突变型所占比例)以及组织对线粒体ATP 能量产生的依赖程度所决定。能量需求越大的组织器官如心脏、肌肉和神经系统等临床受累越早,越严重。 线粒体病的病理变化为病变组织异常线粒体的聚集、线粒体糖原和脂滴堆积和线粒体嵴排列紊乱,即线粒体结构和数目的异常。组织活检Gomori 染色可见异常线粒体聚集的蓬毛样红纤维(RRF );比Gomori 染色更具诊断意义,并且是线粒体疾病所独有的表现,即电子显微镜下所见:线粒体嵴增多、排列紊乱呈同心圆状排列、肌丝间可见较多脂滴、成团或串珠状等。线粒体病的生化表现主要是血清乳酸丙酮酸的升高。由于ATP 合成障碍,无氧酵解增强,故大多数患者血清中乳酸丙酮酸水平升高,尤其是运动后乳酸丙酮酸 ? 111? 中国心脏起搏与心电生理杂志2010年第24卷第2期
第七章 线粒体疾病的遗传
第七章线粒体疾病的遗传 一、教学大纲要求 1．掌握线粒体遗传、线粒体疾病、异质性、阈值效应等基本概念。 2．掌握线粒体DNA的结构与遗传特点。 3．熟悉线粒体基因组与核基因组的关系。 4．了解线粒体DNA的复制、转录特点。 二、习题 （一）A型选择题 1．mtDNA指 A．突变的DNA B．核DNA C．启动子顺序 D．线粒体DNA E．单一序列 2．下面关于mtDNA的描述中，那一项是不正确的 A．mtDNA的表达与核DNA无关B．mtDNA是双链环状DNA C．mtDNA转录方式类似于原核细胞D．mtDNA有重链和轻链之分E．mtDNA的两条链都有编码功能 3．mtDNA中编码mRNA基因的数目为 A．37个B．22个C．17个D．13个E．2个 4．线粒体遗传不具有的特征为 A．异质性B．母系遗传C．阈值效应D．交叉遗传E．高突变率5．mtDNA中含有 A．37个基因B．大量调控序列C．内含子 D．终止子E．高度重复序列 6．受精卵中的线粒体 A．几乎全部来自精子B．几乎全部来自卵子C．精子与卵子各提供1/2 D．不会来自卵子E．大部分来自精子 7．线粒体疾病的遗传特征是 Ａ．母系遗传Ｂ．近亲婚配的子女发病率增高 Ｃ．交叉遗传D．发病率有明显的性别差异 Ｅ．女患者的子女约1/2发病 8．最早发现与mtDNA突变有关的疾病是 A．遗传性代谢病B．Leber遗传性视神经病C．白化病 D．分子病E．苯丙酮尿症 9．最易受阈值效应的影响而受累的组织是 A．心脏B．肝脏C．骨骼肌D．肾脏E．中枢神经系统10.遗传瓶颈效应指 A．卵细胞形成期mtDNA数量剧减B．卵细胞形成期nDNA数量剧减 C．受精过程中nDNA.数量剧减D．受精过程中mtDNA数量剧减 E．卵细胞形成期突变mtDNA数量剧减
人类线粒体突变与疾病关系的研究进展
人类线粒体突变与疾病关系的研究进展 发表时间：2013-03-18T14:27:43.043Z 来源：《医药前沿》2013年第1期供稿作者：李建涛1 张倩2 [导读] 人类细胞中的线粒体是具有双层膜结构的半自主性细胞器，能够独立进行基因的转录、翻译和蛋白质的表达。 李建涛1 张倩2 （1威海市立医院山东威海 264200；2山东大学海洋学院山东威海 264209）【摘要】本文阐述了人类线粒体mt DNA的结构特征、基因的表达过程和遗传特点；介绍了人类线粒体疾病的类型和临床特征；分析了一些恶性肿瘤与线粒体基因突变的关系；展望了预防和治疗线粒体疾病和肿瘤的措施，为提高人类的健康水平指出了研究线粒体的价值。【关键词】人类线粒体基因突变疾病肿瘤【中图分类号】R36 【文献标识码】A 【文章编号】2095-1752（2013）01-0076-02 人类细胞中的线粒体是具有双层膜结构的半自主性细胞器，能够独立进行基因的转录、翻译和蛋白质的表达。1988年，首先阐明了遗传性视神经病、家族性线粒体脑肌病等[1～2]。因为线粒体是新陈代谢和生物能量转换的中心，一旦线粒体DNA（mt DNA）缺失或基因突变将导致构成线粒体的蛋白质或运输机制缺陷，就可能产生多种疾病，如早衰[3～4]、阿尔茨海默病、帕金森病、亨庭顿舞蹈病、糖尿病、癫痫、癌症、膀胱癌、肝癌、肾癌等[5～6]。因而探讨线粒体的分子基础及分析内部的基因突变对某些疾病的防治意义重大。 1 人类线粒体基因 1.1 mt DNA的结构 人类的mt DNA全长为16 596 bp，为非常紧凑的环状双链DNA（两链不同，分别为H和L链），结构基因无内含子。人类mt DNA上有37个编码基因，其中有13个蛋白质基因，包括1个细胞色素b基因，2个ATP酶复合体基因，3个细胞色素C氧化酶亚单位基因及7个NADH亚单位的基因；2个rRNA（12S rRNA、16S rRNA）基因和22个tRNA基因。 1.2 mt DNA的复制、转录和翻译 mtDNA复制过程中两条DNA链在不同的时间开始，一条前导，另一条随后，新的H链片段在核酸拓扑异构酶的作用下继续完成复制，L链的合成则以被置换下来的亲代H链为模板。人类mt DNA在两条链同时发生转录，每个mt DNA分子只有1个启动子，转录开始于rRNA基因的前端，按顺时针方向围绕整个DNA连续转录；所有转录的产物均被剪切为单顺反子，再进一步加工为成熟的mRNA。13种mtDNA编码的mRNA在线粒体核糖体上翻译，线粒体基因的排列极为紧凑，基本都是基因编码区。线粒体tRNA或rRNA突变可使线粒体翻译中断。 1.3 mt DNA的遗传特性 线粒体基因组有下列特性：第一，mt DNA是严格的母系遗传。人类精子细胞mt DNA拷贝数非常低，卵细胞内的拷贝数极高（>105）；受精过程中精子仅以头部与卵子融合，而精子的线粒体集中于尾部，所以子代细胞内线粒体基因主要来源于母亲。第二，mt DNA突变后可发生基因的随机分离，一个细胞内可能有正常和突变的mt DNA，它们随机分配到子代细胞中，最终可产生野生型、突变同质型和突变异质型细胞。第三，普遍存在mtDNA的多态现象。 2 人类mt DNA突变与疾病或肿瘤发生的关系 2.1 人类mtDNA突变与疾病发生的关系 如果人类mt DNA发生了缺失或基因突变，有可能产生各种线粒体疾病[7]。 （1）神经疾病：如运动失调，色素性视网膜炎，其临床症状有感觉神经障碍、共济失调、痴呆、抽搐、发育缺陷等。而ATP酶的点突变（8993 T→G）与这些疾病相关。 （2）线粒体脑肌病：如乳酸性酸中毒、阵发性抽搐，临床表现为发育迟缓、周期性头痛、呕吐、抽搐、智力迟钝、中风、听力减弱、运动无耐受力等。最普遍的突变是tRNA Leu基因的3243A→G突变。 （3）肌肉阵挛性癫痫：如神经纤维破损，其原因是tRNA LyS（8344 A→G）、tRNA Leu、t RNA Ser（3256 C→T）等基因发生了点突变。 （4）遗传性视神经退化病：临床症状主要是中心视力丧失，还常发生发育迟缓。90%的病例涉及线粒体复合物?的基因突变。 （5）Kearns-Sayre 综合征：表现为眼肌麻痹、共济失调、色素性视网膜炎、心传导缺陷和脑脊液蛋白增多等。这是由大型mt DNA缺失引起。 2.2 人类mt DNA突变与肿瘤发生的关系 现已发现人类mtDNA突变后也可导致产生各种肿瘤[8]。主要有：（1）膀胱癌：已发现mt DNA中的单核苷酸重复序列是不稳定的，易发生缺失，而膀胱癌的发生于mt DNA的高频突变直接相关。 （2）肝癌：携带肝炎病毒的肝细胞癌组织mt DNA突变频率（约70个位点）远高于许多其他类型肿瘤（如结肠癌、甲状腺癌、肺癌），而且这些肝细胞癌患者体内的正常肝组织的mt DNA突变频率（约40个位点）也明显高于对照组。 （3）脑癌：检测脑癌细胞样品的mt DNA，可发现36%的样本具有mt DNA的突变；应用PCR检测成神经管细胞瘤病人的脑脊髓液细胞的mt DNA，发现有18个突变，占所检测的样本总数的一半，可见脑癌发生与mtDNA上基因突变有关。 （4）肾癌：有研究发现肾癌体细胞中在mtDNA的D环区、rRNA和tRNA基因存在突变和缺失；在对肾癌细胞及相应正常肾组织进行全线粒体基因组测序后，发现了68个已知的45个新的序列变化。 另外，在结肠癌、胰腺癌、胃癌、食管癌等也发现了mt DNA突变。 3 人类mt DNA疾病和肿瘤的防治 3.1 mt DNA疾病和肿瘤的预防 具体方法有：（1）孕早期mt DNA诊断：可利用羊膜腔穿刺和绒毛膜检查mt DNA的异常，主要是在着床前分析mt DNA或可从植入的健康细胞胚芽中取1～2个细胞中分析mt DNA是否发生突变。（2）核移植：利用母系遗传的原理将含有突变mt DNA的卵母细胞核转移到正常女性的去核卵细胞中，子代mt DNA突变水平低，与亲代遗传相关性高，这样处理的卵母细胞可阻止mt DNA突变遗传给子代。 3.2 mt DNA疾病的治疗
线粒体功能异常引起的疾病研究进展(一)
线粒体功能异常引起的疾病研究进展(一) 【摘要】线粒体在能量代谢、自由基产生、衰老、细胞凋亡中起重要作用。线粒体的基因突变，呼吸链缺陷，线粒体膜的改变等因素均会影响整个细胞的正常功能，从而导致病变。许多研究表明，线粒体功能异常与帕金森氏症，阿尔兹海默病，糖尿病，肿瘤，等疾病的发生发展过程密切相关，既是疾病病因之一，亦是疾病发病的早期征兆。本文就有关线粒体功能异常所引起的疾病的研究进展作一综述。 【关键词】线粒体;功能异常;帕金森氏症;阿尔茨海默病;线粒体糖尿病;肿瘤 Abstract：Mitochondriaplayanimportantroleinenergymetabolism，freeradicalproduction，agingandcellapoptosis.Mitochondrialmutations，respiratorychaindefectandthemitochondrialmembranechangesmayaffectthenormalfunctionsofth ewholecell，leadingtodiseases.Manystudiesindicatethat，mitochondrialdysfunctioniscloselyrelatedtothecauseanddevelopmentprocessofdiseases，suchasParkinsonk’sdisease，Alzheimer’sdisease，maternallyinheriteddiabetesandcancer，anditisalsotheearlysignsofthediseases.Thisstudyoverviewstheresearchesaboutthediseasescaused bythemitochondrialdysfunction. Keywords：mitochondria;dysfunction;Parkinson’sdisease;Alzheimer’sdisease;maternallyinheriteddiabetes;ca ncer 引言 1.1线粒体的功能 线粒体的主要功能是进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供能量。线粒体是糖类、脂肪和氨基酸等物质最终氧化释能的场所。糖类和脂肪等营养物质在细胞质中经过降解作用产生丙酮酸和脂肪酸，这些物质进入线粒体基质中，再经过一系列分解代谢形成乙酰辅酶A，即可进一步参加三羧酸循环。三羧酸循环中脱下的氢，经线粒体内膜上的电子传递链(呼吸链)，最终传递给氧，生成水。在此过程中释放的能量，通过ADP的磷酸化，生成高能化合物ATP，供机体各种活动的需要。 此外，线粒体在细胞凋亡的过程中也起着枢纽作用。主要途径是通过线粒体膜通透性改变，导致细胞色素C、调亡诱导因子(AIF)、多种降解酶前体的释放和膜电位下降、活性氧产生及线粒体基质肿胀，最终导致细胞裂解。线粒体跨膜电位DYmt的下降，被认为是细胞凋亡级联反应过程中最早发生的事件。 1.2线粒体功能异常 线粒体功能异常多指由于线粒体膜受到破坏、呼吸链受到抑制、酶活性降低、线粒体DNA(mtDNA)的损伤等引起的能量代谢障碍，进而导致一系列相互作用的损伤过程。 2线粒体功能异常引起的疾病研究进展 线粒体与人的疾病、衰老和细胞凋亡有关。线粒体异常会影响整个细胞的正常功能，从而导致病变。许多研究表明，帕金森氏症，阿尔兹海默病，糖尿病，肿瘤，等疾病的发生发展均与线粒体功能的异常有关。 2.1线粒体与帕金森氏症(Parkinson’sdisease，PD) 帕金森病是一种慢性神经系统退行性疾病，是由中脑黑质致密部多巴胺神经元选择性变性死亡、纹状体多巴胺减少所致，其发病机制目前并不很清楚。在提出的各种假说中，人们越来越重视线粒体功能异常在帕金森病发病中的作用2,3]。 线粒体呼吸链是体内氧自由基产生的主要部位，呼吸链中任何部位受到抑制都会使自由基产生增多。PD患者黑质中线粒体酶复合体Ⅰ缺陷会导致自由基产生增多，ATP合成减少。能量的减少会造成细胞内外离子失衡，膜电位下降，导致一些电压依赖的Ca2+通道的持续开