13 线粒体与疾病
mitochondrial diseases
CELL
MONEY
ATP,
ENERGY COIN
线粒体研究的几个方面核编码蛋白进入线粒体的机制线粒体与细胞死亡线粒体医学线粒体疾病线粒体治疗线粒体的起源一、线粒体与细胞死亡细胞凋亡的研究已经从细胞核控制凋亡过程的研究部分地转移到线粒体控制凋亡过程的研究上来。现在人们已接近达成一个共识，即接受线粒体是决定细胞死亡的又一“战场”。
线粒体控制细胞死亡的证据不管死亡细胞的类型是什么，也不管导致细胞死亡的因素是什么，
细胞死亡（包括凋亡和坏死）的共同特征是在细胞死亡前都有线粒体膜通透性改变（ mitochondrial permeability transition）；
②相对于其他细胞生物学指标（包括 caspase）而言，线粒体通透性的改变是预测细胞死亡更有价值的指标；
③加大原凋亡效应物（ proapoptotic effectors）的作用剂量可通过作用于线粒体膜而诱导线粒体膜通透性的改变；
④ Bcl-2家族中抑制凋亡的成员能与线粒体膜蛋白产生交叉反应，通过其抑制线粒体膜通透性而抑制细胞凋亡；
⑤通过特异性药物抑制线粒体膜的通透性可阻止或延缓细胞死亡；
⑥无细胞系统（ cell-free system）已分离出一些线粒体蛋白，它们具有水解酶（如 caspase和 nuclease）活性。
这些研究都说明线粒体构成了导致细胞死亡的一个或几个关键步骤。
Effect of glucose deprivation on the mitochondrial transmembrane
potential(Δψm) of PC12 cells.(a) control cells (b) cells treated with 100μM
carbonyl cyanide chlorophenylhydrazone(CCCP) to fully depolarize
mitochondria (c) glucose treatment for 3 hours (d) glucose treatment for 6
hours (e) glucose treatment for 24 hours (f) glucose treatment for 48 hours
与细胞死亡有关的线粒体机制活性氧在启动和调节细胞凋亡过程中扮演着重要角色
MPTP是细胞凋亡的环节之一细胞色素 c渗漏到胞质可以导致细胞凋亡
Bcl-2家族对细胞凋亡过程实施着调控
p53蛋白易位也是控制细胞凋亡的重要途径线粒体控制细胞死亡的假说与线粒体有关的细胞死亡的三个时限 (phase)
线粒体前期（ premitochondrial phase） 是诱导细胞死亡的因子通过信号转导途径级联传递或损伤途径被激活的过程，因此也称为诱导期（ induction phase）或起始期（ initiation phase），由于不同的诱导因子有不同的作用途径，所以这一时期也属于私有途径（ private
pathway）；
线粒体期（ mitochondrial phase） 在这一时期线粒体膜的通透性发生改变，这是线粒体控制细胞死亡的关键时期，一旦进入这一点
（ point-of-no-return），细胞将不可避免地发生后续过程，故也称为效应期（ effector phase）或决定期（ decisive phase）；
线粒体后期（ postmitochondrial phase） 也称为降解期（ degredation
phase），从线粒体释放的蛋白质，激活蛋白酶和核酸酶，后者进一步介导后续的死亡机制。由于第二期和第三期是不同因素导致细胞死亡的共同途路，因此也称为共有途径（ common pathway）。
二、线粒体医学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，
因此线粒体的改变是一些疾病的表现；
线粒体本身也可能成为疾病发生的原因。
线粒体疾病的特点
1.母系遗传母亲将 mtDNA传递给她的儿子和女儿，
但只有女儿能将其 mtDNA传递给下一代。
2.多质性人体不同类型的细胞含线粒体数目不同，通常有成百上千个，而每个线粒体中有 2～ 10个
mtDNA分子，由于线粒体的大量中性突变，因此，绝大多数细胞中有多种 mtDNA拷贝，其拷贝数存在器官组织的差异性。
细胞融合实验表明不同线粒体之间 tRNA和
rRNA存在翻译互补作用，其机制可能是线粒体互相融合及 mtDNA及其转录物的再分布。
3.异质性如果同一组织或细胞中的 mtDNA分子都是一致的，称为同质性（ homoplasmy）。在克隆和测序的研究中发现一些个体同时存在两种或两种以上类型的 mtDNA，这是由于 mtDNA发生突变，导致一个细胞内同时存在野生型 mtDNA和突变型 mtDNA，称为异质性（ heteroplasmy）。
野生型 mtDNA对突变型 mtDNA有保护和补偿作用，因此,mtDNA突变时并不立即产生严重后果。
线粒体异质性可分为序列异质性（ sequence-
based heteroplasmy）和长度异质性（ length-
based heteroplasmy），一般表现为：①同一个体不同组织、同一组织不同细胞、同一细胞甚至同一线粒体内有不同的 mtDNA拷贝；②同一个体在不同的发育时期产生不同的 mtDNA。
不同组织中异质性水平的比率和发生率各不相同，中枢神经系统、肌肉异质性的发生率较高，
血液中异质性的发生率较低；在成人中的发生率远远高于儿童中的发生率，而且随着年龄的增长，异质性的发生率增高。
mtDNA的异质性可以表现在编码区，也可以表现在非编码区，编码区的异质性通常与线粒体疾病相关。由于编码区和非编码区突变率以及选择压力的不同，
正常人 mtDNA的异质性高发于Ｄ环区。
4.阈值效应异质性细胞的表现型依赖于细胞内突变型和野生型 mtDNA的相对比例，能引起特定组织器官功能障碍的突变 mtDNA的最少数量称阈值。在特定组织中，突变型 mtDNA积累到一定程度，
超过阈值时，能量的产生就会急剧地降到正常的细胞、组织和器官的功能最低需求量以下，
引起某些器官或组织功能异常，其能量缺损程度与突变型 mtDNA所占的比例大致相当。
阈值是一个相对概念，易受突变类型、
组织、老化程度变化的影响，个体差异很大。例如，缺失 5kb的变异的 mtDNA比率达 60%，就急剧地丧失产生能量的能力。线粒体脑肌病合并乳酸血症及卒中样发作（ MELAS）患者 tRNA点突变的
mtDNA达到 90%以上，能量代谢急剧下降。
不同的组织器官对能量的依赖程度不同，对能量依赖程度较高的组织比其它组织更易受到
OXPHOS损伤的影响，较低的突变型 mtDNA水平就会引起临床症状。中枢神经系统对 ATP依赖程度最高，对 OXPHOS缺陷敏感，易受阈值效应的影响而受累。其它依次为骨骼肌、心脏、
胰腺、肾脏、肝脏。如肝脏中突变 mtDNA达 80
％时，尚不表现出病理症状，而肌组织或脑组织中突变 mtDNA达同样比例时就表现为疾病。
同一组织在不同功能状态对 OXPHOS损伤的敏感性也不同。如线粒体脑疾病患者在癫痫突然发作时，对 ATP的需求骤然增高，脑细胞中高水平的突变型
mtDNA无法满足这一需要，导致细胞死亡，表现为梗塞或梗死。
线粒体疾病的临床多样性也与发育阶段有关。例如肌组织中 mtDNA的部分耗损或耗竭在新生儿中不引起症状，但受损的 OXPHOS系统不能满足机体生长对能量代谢日益增长的需求，就会表现为肌病。散发性 KSS和进行性眼外肌瘫痪（ PEO）患者均携带大量同源的缺失型
mtDNA，但却有不同的临床表现,KSS为多系统紊乱,PEO主要局限于骨骼肌，可能是由于
mtDNA缺失发生在囊胚期之前或之中，在胚层分化时，如果缺失 mtDNA相对均一地进入所有胚层，将导致 KSS；仅分布在肌肉内将导致
PEO。
突变 mtDNA随年龄增加在细胞中逐渐积累，因而线粒体疾病常表现为与年龄相关的渐进性加重。在一个伴有破碎红纤维的肌阵挛癫痫（ MERRF）家系中，有
85%突变 mtDNA的个体在 20岁时症状很轻微，但在 60岁时临床症状却相当严重。
5.不均等的有丝分裂分离细胞分裂时，突变型和野生型 mtDNA发生分离，随机地分配到子细胞中，使子细胞拥有不同比例的突变型 mtDNA分子，
这种随机分配导致 mtDNA异质性变化的过程称为复制分离。
在连续的分裂过程中，异质性细胞中突变型 mtDNA和野生型 mtDNA的比例会发生漂变，向同质性的方向发展。分裂旺盛的细胞（如血细胞）往往有排斥突变
mtDNA的趋势，经无数次分裂后，细胞逐渐成为只有野生型 mtDNA的同质性细胞。
突变 mtDNA具有复制优势，在分裂不旺盛的细胞（如肌细胞）中逐渐积累，形成只有突变型 mtDNA的同质性细胞。漂变的结果，表型也随之发生改变。
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。
Leber T 医生诱发 LHON的 mtDNA突变均为点突变。
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，包括 G11778A,G14459A
（ ND6）,G3460A（ ND1）,T14484C
（ ND6）,G15257A（ cyt b）。
Leigh综合征（ Leigh sysdrom）
慢性进行性眼外肌瘫痪
（ chronic progressive external
ophthalmoplegia,CPEO）
mitochondrial diseases
CELL
MONEY
ATP,
ENERGY COIN
线粒体研究的几个方面核编码蛋白进入线粒体的机制线粒体与细胞死亡线粒体医学线粒体疾病线粒体治疗线粒体的起源一、线粒体与细胞死亡细胞凋亡的研究已经从细胞核控制凋亡过程的研究部分地转移到线粒体控制凋亡过程的研究上来。现在人们已接近达成一个共识，即接受线粒体是决定细胞死亡的又一“战场”。
线粒体控制细胞死亡的证据不管死亡细胞的类型是什么，也不管导致细胞死亡的因素是什么，
细胞死亡（包括凋亡和坏死）的共同特征是在细胞死亡前都有线粒体膜通透性改变（ mitochondrial permeability transition）；
②相对于其他细胞生物学指标（包括 caspase）而言，线粒体通透性的改变是预测细胞死亡更有价值的指标；
③加大原凋亡效应物（ proapoptotic effectors）的作用剂量可通过作用于线粒体膜而诱导线粒体膜通透性的改变；
④ Bcl-2家族中抑制凋亡的成员能与线粒体膜蛋白产生交叉反应，通过其抑制线粒体膜通透性而抑制细胞凋亡；
⑤通过特异性药物抑制线粒体膜的通透性可阻止或延缓细胞死亡；
⑥无细胞系统（ cell-free system）已分离出一些线粒体蛋白，它们具有水解酶（如 caspase和 nuclease）活性。
这些研究都说明线粒体构成了导致细胞死亡的一个或几个关键步骤。
Effect of glucose deprivation on the mitochondrial transmembrane
potential(Δψm) of PC12 cells.(a) control cells (b) cells treated with 100μM
carbonyl cyanide chlorophenylhydrazone(CCCP) to fully depolarize
mitochondria (c) glucose treatment for 3 hours (d) glucose treatment for 6
hours (e) glucose treatment for 24 hours (f) glucose treatment for 48 hours
与细胞死亡有关的线粒体机制活性氧在启动和调节细胞凋亡过程中扮演着重要角色
MPTP是细胞凋亡的环节之一细胞色素 c渗漏到胞质可以导致细胞凋亡
Bcl-2家族对细胞凋亡过程实施着调控
p53蛋白易位也是控制细胞凋亡的重要途径线粒体控制细胞死亡的假说与线粒体有关的细胞死亡的三个时限 (phase)
线粒体前期（ premitochondrial phase） 是诱导细胞死亡的因子通过信号转导途径级联传递或损伤途径被激活的过程，因此也称为诱导期（ induction phase）或起始期（ initiation phase），由于不同的诱导因子有不同的作用途径，所以这一时期也属于私有途径（ private
pathway）；
线粒体期（ mitochondrial phase） 在这一时期线粒体膜的通透性发生改变，这是线粒体控制细胞死亡的关键时期，一旦进入这一点
（ point-of-no-return），细胞将不可避免地发生后续过程，故也称为效应期（ effector phase）或决定期（ decisive phase）；
线粒体后期（ postmitochondrial phase） 也称为降解期（ degredation
phase），从线粒体释放的蛋白质，激活蛋白酶和核酸酶，后者进一步介导后续的死亡机制。由于第二期和第三期是不同因素导致细胞死亡的共同途路，因此也称为共有途径（ common pathway）。
二、线粒体医学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，
因此线粒体的改变是一些疾病的表现；
线粒体本身也可能成为疾病发生的原因。
线粒体疾病的特点
1.母系遗传母亲将 mtDNA传递给她的儿子和女儿，
但只有女儿能将其 mtDNA传递给下一代。
2.多质性人体不同类型的细胞含线粒体数目不同，通常有成百上千个，而每个线粒体中有 2～ 10个
mtDNA分子，由于线粒体的大量中性突变，因此，绝大多数细胞中有多种 mtDNA拷贝，其拷贝数存在器官组织的差异性。
细胞融合实验表明不同线粒体之间 tRNA和
rRNA存在翻译互补作用，其机制可能是线粒体互相融合及 mtDNA及其转录物的再分布。
3.异质性如果同一组织或细胞中的 mtDNA分子都是一致的，称为同质性（ homoplasmy）。在克隆和测序的研究中发现一些个体同时存在两种或两种以上类型的 mtDNA，这是由于 mtDNA发生突变，导致一个细胞内同时存在野生型 mtDNA和突变型 mtDNA，称为异质性（ heteroplasmy）。
野生型 mtDNA对突变型 mtDNA有保护和补偿作用，因此,mtDNA突变时并不立即产生严重后果。
线粒体异质性可分为序列异质性（ sequence-
based heteroplasmy）和长度异质性（ length-
based heteroplasmy），一般表现为：①同一个体不同组织、同一组织不同细胞、同一细胞甚至同一线粒体内有不同的 mtDNA拷贝；②同一个体在不同的发育时期产生不同的 mtDNA。
不同组织中异质性水平的比率和发生率各不相同，中枢神经系统、肌肉异质性的发生率较高，
血液中异质性的发生率较低；在成人中的发生率远远高于儿童中的发生率，而且随着年龄的增长，异质性的发生率增高。
mtDNA的异质性可以表现在编码区，也可以表现在非编码区，编码区的异质性通常与线粒体疾病相关。由于编码区和非编码区突变率以及选择压力的不同，
正常人 mtDNA的异质性高发于Ｄ环区。
4.阈值效应异质性细胞的表现型依赖于细胞内突变型和野生型 mtDNA的相对比例，能引起特定组织器官功能障碍的突变 mtDNA的最少数量称阈值。在特定组织中，突变型 mtDNA积累到一定程度，
超过阈值时，能量的产生就会急剧地降到正常的细胞、组织和器官的功能最低需求量以下，
引起某些器官或组织功能异常，其能量缺损程度与突变型 mtDNA所占的比例大致相当。
阈值是一个相对概念，易受突变类型、
组织、老化程度变化的影响，个体差异很大。例如，缺失 5kb的变异的 mtDNA比率达 60%，就急剧地丧失产生能量的能力。线粒体脑肌病合并乳酸血症及卒中样发作（ MELAS）患者 tRNA点突变的
mtDNA达到 90%以上，能量代谢急剧下降。
不同的组织器官对能量的依赖程度不同，对能量依赖程度较高的组织比其它组织更易受到
OXPHOS损伤的影响，较低的突变型 mtDNA水平就会引起临床症状。中枢神经系统对 ATP依赖程度最高，对 OXPHOS缺陷敏感，易受阈值效应的影响而受累。其它依次为骨骼肌、心脏、
胰腺、肾脏、肝脏。如肝脏中突变 mtDNA达 80
％时，尚不表现出病理症状，而肌组织或脑组织中突变 mtDNA达同样比例时就表现为疾病。
同一组织在不同功能状态对 OXPHOS损伤的敏感性也不同。如线粒体脑疾病患者在癫痫突然发作时，对 ATP的需求骤然增高，脑细胞中高水平的突变型
mtDNA无法满足这一需要，导致细胞死亡，表现为梗塞或梗死。
线粒体疾病的临床多样性也与发育阶段有关。例如肌组织中 mtDNA的部分耗损或耗竭在新生儿中不引起症状，但受损的 OXPHOS系统不能满足机体生长对能量代谢日益增长的需求，就会表现为肌病。散发性 KSS和进行性眼外肌瘫痪（ PEO）患者均携带大量同源的缺失型
mtDNA，但却有不同的临床表现,KSS为多系统紊乱,PEO主要局限于骨骼肌，可能是由于
mtDNA缺失发生在囊胚期之前或之中，在胚层分化时，如果缺失 mtDNA相对均一地进入所有胚层，将导致 KSS；仅分布在肌肉内将导致
PEO。
突变 mtDNA随年龄增加在细胞中逐渐积累，因而线粒体疾病常表现为与年龄相关的渐进性加重。在一个伴有破碎红纤维的肌阵挛癫痫（ MERRF）家系中，有
85%突变 mtDNA的个体在 20岁时症状很轻微，但在 60岁时临床症状却相当严重。
5.不均等的有丝分裂分离细胞分裂时，突变型和野生型 mtDNA发生分离，随机地分配到子细胞中，使子细胞拥有不同比例的突变型 mtDNA分子，
这种随机分配导致 mtDNA异质性变化的过程称为复制分离。
在连续的分裂过程中，异质性细胞中突变型 mtDNA和野生型 mtDNA的比例会发生漂变，向同质性的方向发展。分裂旺盛的细胞（如血细胞）往往有排斥突变
mtDNA的趋势，经无数次分裂后，细胞逐渐成为只有野生型 mtDNA的同质性细胞。
突变 mtDNA具有复制优势，在分裂不旺盛的细胞（如肌细胞）中逐渐积累，形成只有突变型 mtDNA的同质性细胞。漂变的结果，表型也随之发生改变。
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。
Leber T 医生诱发 LHON的 mtDNA突变均为点突变。
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，包括 G11778A,G14459A
（ ND6）,G3460A（ ND1）,T14484C
（ ND6）,G15257A（ cyt b）。
Leigh综合征（ Leigh sysdrom）
慢性进行性眼外肌瘫痪
（ chronic progressive external
ophthalmoplegia,CPEO）
