13线粒体与疾病

1、单击此处编辑母版标题样式*单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级线粒体与疾病 mitochondrial diseasesCELL 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局部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

2、有线粒体膜通透性改变mitochondrial permeability transition；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；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；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响，通过其抑制线粒体膜通透性而抑制细胞凋亡；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；无细胞系统cell-free system已别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

3、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(m) of PC12 cells.(a) control cells (b) cells treated with 100M carbonyl cyanide chlorophenylhydrazone(CCCP) to fully depolarize mitochondria (c) glucose treatment for 3 hours (d) glucose treatment for 6

4、 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induc

5、tion 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，细胞将不可防止地发生后续过程，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

6、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210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。

7、细胞融合实验说明不同线粒体之间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

8、length-based heteroplasmy，一般表现为：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；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的异质性高发于环区。 4.阈值效应 异质性细胞的表现型依赖于

9、细胞内突变型和野生型mtDNA的相比照例，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到达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

10、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水平就会引起临床病症。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，尚不表现出病理病症，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，表现为堵塞或梗死。 线粒体疾病的临床多样性也与发育阶段有关。例如

11、肌组织中mtDNA的局部耗损或耗竭在新生儿中不引起病症，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

12、病症很轻微，但在60岁时临床病症却相当严重。5.不均等的有丝分裂别离 细胞分裂时，突变型和野生型mtDNA发生别离，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别离。 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，向同质性的方向开展。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，因主要病症为视神经退行性变，故又称Leber视神经萎缩。患者多在1820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时男性病人病症不明显。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