13线粒体与疾病

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。
慢性进行性眼外肌瘫痪 （chronic progressive external ophthalmoplegia，CPEO）
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。
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。
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。
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。
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
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； ④Bcl-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。
mtDNA的异质性可以表现在编码区，也 可以表现在非编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。
线粒体异质性可分为序列异质性（sequencebased heteroplasmy）和长度异质性（lengthbased 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。
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）
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”。
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。
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）。
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)
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
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。