高等教育出版社：《医学细胞生物与遗传学》课程教学资源（电子教材）第六章 线粒体与疾病

第六章线粒体与疾病线粒体（mitochondrion，复数mitochondria）广泛存在于真核细胞中，是物质氧化分解的场所和能量供应基地。细胞内大约95%直接利用的能源一ATP是由线粒体通过氧化磷酸化将物质氧化分解所产生的，所以线粒体被誉为细胞内的“动力工厂第一节线粒体的基本特征一、线粒体的形态结构线粒体的形态结构（一）线粒体的形态、数量、分布电镜下线粒体呈短棒状、线状或粒状，故名线粒体（图6-1）。线粒体直径一般为0.5~1.0μm，长1.5~3.0μm。在不同类型或生理状态的细胞中，线粒体的形态、大小、数目各不相同。例如，在低渗环境下，线粒体膨胀如泡；在高渗环境下，则又伸长为线状。不同渗透压、pH和温度等条件下还可产生体积异常膨大的线粒体，称为巨线粒体（megamitochondria）。如胰外分泌细胞中的线粒体可长达10~20μm。图6-1电镜下线粒体的亚显微结构线粒体数量因细胞种类或生理状态不同而不同，一般取决于该细胞的新陈代谢水平，即代谢活动越旺盛的细胞线粒体越多。人类成熟红细胞内不具有线粒体，一些细胞有一个线粒体，许多细胞拥有数千个线粒体，如肝细胞中有1000~2000个线粒体，而最多的可达50万个线粒体。线粒体的分布随细胞的形态和功能不同而异，通常分布在细胞功能旺盛的区域和需要能量较多的部位，分布方向与微管一致。如在柱状上皮细胞中，线粒体分布在细胞的94医学细胞正文.indd2018-5-18 17:31:28

www.hep.com.cn 94 第六章  线粒体与疾病 线粒体（mitochondrion，复数 mitochondria）广泛存在于真核细胞中，是物质氧化分 解的场所和能量供应基地。细胞内大约 95% 直接利用的能源——ATP 是由线粒体通过 氧化磷酸化将物质氧化分解所产生的，所以线粒体被誉为细胞内的“动力工厂”。 第一节  线粒体的基本特征 一、线粒体的形态结构 （一）线粒体的形态、数量、分布 电镜下线粒体呈短棒状、线状或粒状，故名线粒体（图 6-1）。线粒体直径一般为 0.5～1.0 μm，长 1.5～3.0 μm。在不同类型或生理状态的细胞中，线粒体的形态、大小、 数目各不相同。例如，在低渗环境下，线粒体膨胀如泡；在高渗环境下，则又伸长为线 状。不同渗透压、pH 和温度等条件下还可产生体积异常膨大的线粒体，称为巨线粒体 （megamitochondria）。如胰外分泌细胞中的线粒体可长达 10～20 μm。 图 6-1 电镜下线粒体的亚显微结构 线粒体数量因细胞种类或生理状态不同而不同，一般取决于该细胞的新陈代谢水 平，即代谢活动越旺盛的细胞线粒体越多。人类成熟红细胞内不具有线粒体，一些细胞 有一个线粒体，许多细胞拥有数千个线粒体，如肝细胞中有 1 000～2 000 个线粒体，而 最多的可达 50 万个线粒体。 线粒体的分布随细胞的形态和功能不同而异，通常分布在细胞功能旺盛的区域和需 要能量较多的部位，分布方向与微管一致。如在柱状上皮细胞中，线粒体分布在细胞的 线粒体的形态结构 医学细胞-正文.indd 94 2018-5-18 17:31:28

第一节线粒体的基本特征两极；在球状细胞中，线粒体为弥散状排列；肾细胞中靠近微血管，呈栅状或平行排列；在精子中分布在鞭毛区。（二）线粒体的超微结构和化学组成电镜下，可见线粒体是由内、外两层单位膜围成的封闭膜相结构。由外至内可划分为线粒体外膜、线粒体膜间隙、线粒体内膜和线粒体基质4个功能区（图6-2）。核糖体嗜内腔膜间隙mtDNA外膜“JOUUUATP合酶曙内膜基质图6-2线粒体的超微结构模式图1.外膜（outermembrane）是位于线粒体最外面的一层光滑平整的单位膜，厚6~7nm。外膜中50%为蛋白质，50%为脂质。外膜上面分布着许多排列整齐的孔蛋白，其内部亲水性筒状通道宽2~3nm。这种筒状蛋白构成的通道可根据细胞的生理状态进行调节，便于小分子进人外膜，相对分子质量小于10000的小分子物质完全通透相对分子质量达50000的分子可以选择性通过，所以说外膜的通透性很高。线粒体外膜中酶的含量相对较少，标志酶为单胺氧化酶。2.膜间隙（intermembranespace）是线粒体外膜与线粒体内膜之间的封闭腔隙。其可以延伸到嗜的轴心部，宽6~8nm，其中充满无定形液体，含有多种可溶性酶、辅助因子和众多生化反应底物。线粒体膜间隙中含有单磷酸激酶、二磷酸激酶和腺苷酸激酶等激酶，其中腺苷酸激酶是其标志酶。3.内膜（innermembrane）是位于线粒体外膜内侧、包裹着线粒体基质的一层厚约6~8nm的封闭性单位膜。内膜中80%为蛋白质，20%为脂质。内膜的通透性很低，具有高度的选择透过性，借助膜上的载体蛋白控制膜两侧的物质交换，仅相对分子质量小于150的非极性分子能自由通过。这种高度的选择通透性是氧化磷酸化的基础。线粒体内膜中含有NADH脱氢酶、ATP合酶、琥珀的脱氢酶等酶类，其中细胞色素氧化酶是标志酶。线粒体内膜向内折叠形成线粒体嗜（cristae）。嗜的形成增大了内膜的表面积。线粒体嗜的数目和细胞本身的生理状态具有密切的关系，需要较多能量的细胞，线粒体和其嗜的数目一般也较多。线粒体内膜和嗜的基质面上有大量规则排列的带柄的纽扣状小球体，称为基粒（elementaryparticle）。基粒由头、柄、基片组成。头部具有酶活性，能够95医学细胞-正文.indd2018-5-1817:31:2

www.hep.com.cn 95 第一节  线粒体的基本特征 两极；在球状细胞中，线粒体为弥散状排列；肾细胞中靠近微血管，呈栅状或平行排 列；在精子中分布在鞭毛区。 （二）线粒体的超微结构和化学组成 电镜下，可见线粒体是由内、外两层单位膜围成的封闭膜相结构。由外至内可划分 为线粒体外膜、线粒体膜间隙、线粒体内膜和线粒体基质 4 个功能区（图 6-2）。 图 6-2 线粒体的超微结构模式图 1.  外膜（outer membrane） 是位于线粒体最外面的一层光滑平整的单位膜，厚 6～7 nm。外膜中 50% 为蛋白质，50% 为脂质。外膜上面分布着许多排列整齐的孔蛋 白，其内部亲水性筒状通道宽 2～3 nm。这种筒状蛋白构成的通道可根据细胞的生理状 态进行调节，便于小分子进入外膜，相对分子质量小于 10 000 的小分子物质完全通透， 相对分子质量达 50 000 的分子可以选择性通过，所以说外膜的通透性很高。线粒体外膜 中酶的含量相对较少，标志酶为单胺氧化酶。 2.  膜间隙（intermembrane space） 是线粒体外膜与线粒体内膜之间的封闭腔隙。 其可以延伸到嵴的轴心部，宽 6～8 nm，其中充满无定形液体，含有多种可溶性酶、辅 助因子和众多生化反应底物。线粒体膜间隙中含有单磷酸激酶、二磷酸激酶和腺苷酸激 酶等激酶，其中腺苷酸激酶是其标志酶。 3.  内膜（inner membrane） 是位于线粒体外膜内侧、包裹着线粒体基质的一层厚 约 6～8 nm 的封闭性单位膜。内膜中 80% 为蛋白质，20% 为脂质。内膜的通透性很低， 具有高度的选择透过性，借助膜上的载体蛋白控制膜两侧的物质交换，仅相对分子质量 小于 150 的非极性分子能自由通过。这种高度的选择通透性是氧化磷酸化的基础。线粒 体内膜中含有 NADH 脱氢酶、ATP 合酶、琥珀的脱氢酶等酶类，其中细胞色素氧化酶是 标志酶。 线粒体内膜向内折叠形成线粒体嵴（cristae）。嵴的形成增大了内膜的表面积。线粒 体嵴的数目和细胞本身的生理状态具有密切的关系，需要较多能量的细胞，线粒体和其 嵴的数目一般也较多。线粒体内膜和嵴的基质面上有大量规则排列的带柄的纽扣状小球 体，称为基粒（elementary particle）。基粒由头、柄、基片组成。头部具有酶活性，能够 医学细胞-正文.indd 95 2018-5-18 17:31:29

第六章线粒体与疾病利用呼吸链产生的能量合成腺苷三磷酸，因此基粒又称为ATP合酶。4.基质（matrix）是线粒体中由线粒体内膜包裹的内部封闭空间，其间富含高浓度的电子密度较低的无定形水溶性蛋白质，呈凝胶状，较细胞质基质黏稠、包含参与三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成等生化反应的酶类。苹果酸脱氢酶是线粒体基质的标志酶。线粒体基质中还含有线粒体自身的闭环双链DNA、RNA聚合酶、核糖体和tRNA等，构成线粒体相对独立的遗传体系。二、线粒体的功能线粒体是真核生物细胞进行氧化代谢的部位，是糖类、脂质和蛋白质等能源物质最终氧化释放能量的场所，是细胞呼吸的场所和细胞内的能量转换器。线粒体还可以储存Ca，可以与内质网、细胞外基质等结构协同作用，控制细胞中Ca2+浓度的动态平衡。迅速吸收Ca2的能力使线粒体成为细胞中Ca2+的缓冲区。线粒体也参与细胞调亡时Ca2的信号转导。除以上功能外，线粒体还承担许多其他生理功能，如合成胆固醇及某些血红素，细胞增殖与细胞代谢的调控，调节膜电位并控制细胞程序性死亡等。第二节线粒体的遗传体系人类细胞线粒体DNA（mitochondrialDNA，mtDNA）是人类基因组的组成部分，被称为“第25号染色体”，约为16.6kb，不到细胞核DNA的1%。一、线粒体基因组的构成?人类mtDNA不与组蛋白结合，为裸露、双链闭合环状分子，附着于线粒体内膜或者存在于线粒体的基质内。一个线粒体中有一个或者多个mtDNA分子，平均为5~10个。其碱基组成、基因结构和遗传行为等都有别于核DNA（nDNA）。人类mtDNA共含16569个碱基对，即16569bp，长约4.81×10~m。mtDNA外环为重链（H链），G含量较高；内环为轻链（L链），C含量较高。人类mtDNA共编码37个基因，分别为22种线粒体中合成多肽链所需要的tRNA，13种蛋白质亚基和2种线粒体核糖体中的rRNA（12SrRNA和16SrRNA）。L链仅编码呼吸链复合体I（NADH脱氢酶）的一种亚基ND6以及8个tRNA（图6-3）。人类线粒体的基因排列比核基因组紧凑的多，除与mtDNA复制起始有关的一段1~2kb的区域外，无内含子序列。在37个基因之间，基因间隔区总共只有87bp，有些基因之间没有间隔，甚至有基因重叠现象，即前一个基因的最后一段碱基与下一个基因的第一段碱基相重叠。因此，mtDNA的任何突变都会累及基因组中一个重要的功能区域。二、线粒体基因组的复制mtDNA复制有何特点？人类mtDNA的复制为半保留复制，从复制起始区开始，沿5'→3'方向复制。其上共有2个复制起始点，包含重链复制起始点（originofheavy-strandreplication，O）和轻链复制起始点（originof light-strandreplication，O,）。O位于重链环的顶部，处于“12点钟”的位置，处于tRNAPb基因（557）和tRNAP基因（16023）之间的区域，这导致人类mtDNA的复制为单一的复制起始，并在不同的时间和部位开始。O，与O相距96医学细胞--正文.indd201885817:3

www.hep.com.cn 96 第六章  线粒体与疾病 利用呼吸链产生的能量合成腺苷三磷酸，因此基粒又称为 ATP 合酶。 4.  基质（matrix） 是线粒体中由线粒体内膜包裹的内部封闭空间，其间富含高浓 度的电子密度较低的无定形水溶性蛋白质，呈凝胶状，较细胞质基质黏稠，包含参与三 羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成等生化反应的酶类。苹果酸脱氢酶是 线粒体基质的标志酶。线粒体基质中还含有线粒体自身的闭环双链 DNA、RNA 聚合酶、 核糖体和 tRNA 等，构成线粒体相对独立的遗传体系。 二、线粒体的功能 线粒体是真核生物细胞进行氧化代谢的部位，是糖类、脂质和蛋白质等能源物质最 终氧化释放能量的场所，是细胞呼吸的场所和细胞内的能量转换器。线粒体还可以储存 Ca2+，可以与内质网、细胞外基质等结构协同作用，控制细胞中 Ca2+ 浓度的动态平衡。 迅速吸收 Ca2+ 的能力使线粒体成为细胞中 Ca2+ 的缓冲区。线粒体也参与细胞凋亡时 Ca2+ 的信号转导。除以上功能外，线粒体还承担许多其他生理功能，如合成胆固醇及某些血 红素，细胞增殖与细胞代谢的调控，调节膜电位并控制细胞程序性死亡等。 第二节  线粒体的遗传体系 人类细胞线粒体 DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）是人类基因组的组成部分，被 称为“第 25 号染色体”，约为 16.6 kb，不到细胞核 DNA 的 1%。 一、线粒体基因组的构成 人类 mtDNA 不与组蛋白结合，为裸露、双链闭合环状分子，附着于线粒体内膜或 者存在于线粒体的基质内。一个线粒体中有一个或者多个 mtDNA 分子，平均为 5～10 个。其碱基组成、基因结构和遗传行为等都有别于核 DNA（nDNA）。人类 mtDNA 共含 16 569 个碱基对，即 16 569 bp，长约 4.81×10-6m。mtDNA 外环为重链（H 链），G 含量 较高；内环为轻链（L 链），C 含量较高。人类 mtDNA 共编码 37 个基因，分别为 22 种 线粒体中合成多肽链所需要的 tRNA，13 种蛋白质亚基和 2 种线粒体核糖体中的 rRNA （12S rRNA 和 16S rRNA）。L 链仅编码呼吸链复合体Ⅰ（NADH 脱氢酶）的一种亚基 ND6 以及 8 个 tRNA（图 6-3）。 人类线粒体的基因排列比核基因组紧凑的多，除与 mtDNA 复制起始有关的一段 1～2 kb 的区域外，无内含子序列。在 37 个基因之间，基因间隔区总共只有 87 bp，有些 基因之间没有间隔，甚至有基因重叠现象，即前一个基因的最后一段碱基与下一个基因 的第一段碱基相重叠。因此，mtDNA 的任何突变都会累及基因组中一个重要的功能区域。 二、线粒体基因组的复制 人类 mtDNA 的复制为半保留复制，从复制起始区开始，沿 5′ → 3′ 方向复制。其上 共有 2 个复制起始点，包含重链复制起始点（origin of heavy-strand replication，OH）和轻 链复制起始点（origin of light-strand replication，OL）。OH 位于重链环的顶部，处于“12 点钟”的位置，处于 tRNAPhe 基因（557）和 tRNAPro 基因（16 023）之间的区域，这导 致人类 mtDNA 的复制为单一的复制起始，并在不同的时间和部位开始。OL 与 OH 相距 mtDNA 复制有何特点？ 医学细胞-正文.indd 96 2018-5-18 17:31:29

第二节线粒体的遗传体系OHD环12SrRNACvtb16SrRNApND5ND6ND116569bpLSHMDN4ND2OLWDN4LRCOXIGDN3COXIIDCOXIATPase8&6tRNAsATPase8&6Complex1rRNAsCytochromebComplex4ND:NADH脱氢酶；COX：细胞色素氧化酶；OH：H链复制起始点；OL：L链复制起始点：tRNA基因单字母符号标出图6-3人类mtDNA的结构和电镜图ND：NADH脱氢酶；COX：细胞色素氧化酶：O：H链复制起始点；Oi：L链复制起始点：IRNA基因单字母符号标出约2/3个mtDNA，处于“8点钟”的位置。这两个复制起始点的分离导致mtDNA特殊的D环复制（D-loopreplication）方式（图6-4）。复制过程需要一系列进入线粒体的核编码蛋白的协助。mtDNA进行复制时，线粒体RNA聚合酶首先与O.和tRNAPhe基因之间的3个上游保守序列区段之一相结合，以L链为模板，合成一段相对分子质量较大的RNA引物。同时，部分解离的亲代H链游离为单链，形成“泡”状结构，称为D环（displacementloop，D-loop）。之后，DNA聚合酶从RNA引物处催化延伸子代H链，随着新H链图6-4D环复制模式图的合成，D环也在延伸，直到越过L链的复制起始点O，时，新的L链开始以暴露的亲代H链为模板反向合成。H链的合成提前完成，L链的合成随后结束。两条链全部复制完成后，起始点的RNA引物才被切除，缺口封闭、两条子代DNA彻底分离。整个复制过程约持续2h，其速率远低于其他DNA的复制过程。一般情况下，H链的合成是顺时针的，L链的合成是逆时针的。另外，mtDNA的复制过程基本不受细胞周期的影响。三、线粒体基因组的转录mtDNA的两条链均可以作为模板进行转录。H、L链各含有一个转录启动子，分97医学细胞-正文.indd972018-5-1817:31:29

www.hep.com.cn 97 第二节  线粒体的遗传体系 约 2/3 个 mtDNA， 处 于“8 点 钟” 的 位 置。 这 两 个复制起始点的分离导致 mtDNA 特殊的 D 环复制 （D-loop replication）方式（图 6-4）。复制过程需 要一系列进入线粒体的核编码蛋白的协助。 mtDNA 进行复制时，线粒体 RNA 聚合酶首 先与 OH 和 tRNAphe 基因之间的 3 个上游保守序列 区段之一相结合，以 L 链为模板，合成一段相对 分子质量较大的 RNA 引物。同时，部分解离的亲 代 H 链游离为单链，形成“泡”状结构，称为 D 环（displacement loop，D-loop）。之后，DNA 聚合 酶从 RNA 引物处催化延伸子代 H 链，随着新 H 链 的合成，D 环也在延伸，直到越过 L 链的复制起 始点 OL 时，新的 L 链开始以暴露的亲代 H 链为模板反向合成。H 链的合成提前完成，L 链的合成随后结束。两条链全部复制完成后，起始点的 RNA 引物才被切除，缺口封闭， 两条子代 DNA 彻底分离。整个复制过程约持续 2 h，其速率远低于其他 DNA 的复制过 程。一般情况下，H 链的合成是顺时针的，L 链的合成是逆时针的。另外，mtDNA 的复 制过程基本不受细胞周期的影响。 三、线粒体基因组的转录 mtDNA 的两条链均可以作为模板进行转录。H、L 链各含有一个转录启动子，分 图 6-3 人类 mtDNA 的结构和电镜图 ND：NADH 脱氢酶；COX：细胞色素氧化酶；OH：H 链复制起始点； OL：L 链复制起始点；tRNA 基因单字母符号标出 图 6-4 D 环复制模式图 医学细胞-正文.indd 97 2018-5-18 17:31:29

第六章线粒体与疾病别为重链启动子（heavy-strandpromoter，HSP）和轻链启动子（light-strandpromoter，LSP）。转录从位于D环区的启动子HSP和LSP处分别开始，两条链同时进行，方向相反，速率大致相等，故线粒体RNA转录是对称转录，经修饰剪切后释放出各种RNA和mRNA转录产物。mtDNA在线粒体转录因子I的调节下，并在mtRNA聚合酶的作用下启动转录过程。线粒体和细菌相似，其基因的转录产物为多顺反子。转录产物往往在tRNA处发生剪切，从而使得不同的mRNA和tRNA被分离和释放。HSP含有2个转录起始位点，即H和H，而L链只有1个转录起始位点L。H链可以从H开始转录出只包含tRNAbe、tRNAl、12SrRNA、16SrRNA的多顺反子。线粒体RNA聚合酶还可从H,和L开始，分别转录出一条几乎覆盖全长mtRNA的初始转录产物，之后可被剪切为各基因RNA而被释放。H比H稍微靠下一些，约在12SrRNA基因的5'端，其转录可以通过初级转录物I的终止的位置，连续转录几乎整条重链。需要指出的是，转录物ⅡI中没有rRNA。剪切往往在新生的转录链上便开始进行了，由于每个mRNA的5'端与tRNA的3'端是紧密相连的，所以剪切的往往十分精确。转录物I的转录比转录物IⅡ要频繁的多，这导致tRNAPhe、tRNAl、12SrRNA、16SrRNA的表达量比其他高约10倍。轻链的转录物经过剪切后生成1个mRNA和8个tRNA。参与线粒体基因转录过程中的NRF-1、NRF-2、CREB、SP-1、YY1等转录活化因子及PRC、PGC-1等协同活化因子是由核基因编码，故线粒体基因的转录同时要受到核基因组的调控。四、线粒体基因组的翻译线粒体内拥有自身合成蛋白质的系统，蛋白质的合成在线粒体的核糖体上翻译，且与线粒体mRNA的转录几乎同时进行。线粒体所编码的RNA和蛋白质不被运出线粒体外，相反的，组成线粒体核糖体的蛋白质却是由nDNA编码，在细胞质核糖体上合成，再运入线粒体内的。与核合成的mRNA不同，线粒体的mRNA没有内含子，很少有非编码区。五、线粒体核编码蛋白质的转运线粒体蛋白质在细胞质中合成后，需定向转运到线粒体执行其功能。绝大多数的线粒体蛋白被输人线粒体的基质内，少数输入膜间腔或者插入外膜和内膜上。这些蛋白质在被运输到线粒体前，以未折叠的前体形式存在，其N端具有一段特殊的基质导入序列（matrix-targetingsequence，MTs）。该序列约由20个氨基酸组成，富含精氨酸、赖氨酸、苏氨酸及丝氨酸的碱性氨基酸，不含或基本不含带负电荷的天冬氨酸和谷氨酸的酸性氨基酸。MTS包含了介导在细胞质中合成的前体蛋白输入线粒体基质的信号，能与线粒体外膜和内膜上的受体相识别并结合，牵引前体蛋白质跨膜转运到线粒体。前体蛋白形成后，绝大多数要和分子伴侣热休克蛋白70（heatshockprotein70，Hsp70）结合，防止前体蛋白形成不可解开的构象或防止已松弛的前体蛋白聚集；少数前体蛋白与分子伴侣新生多肽相关复合物（nascent-associatedcomplex，NAC）相互作用，增加蛋白质转运的准确性。哺乳动物的细胞质中还存在前体蛋白质的结合因子和线粒体输人刺激因子，前者可以增加Hsp70对线粒体蛋白质的转运能力，后者则可以不依赖Hsp70，单独发挥ATP酶的作用，为蛋白质的聚集提供能量。前体蛋白质一旦与线粒体外膜上的载体蛋白结合，便要与外膜及内膜上的膜通道发生作用，从而进人线粒体。目前介导线粒体蛋白质98医学细胞.-正文.ind5-18 17:3

www.hep.com.cn 98 第六章  线粒体与疾病 别 为 重 链 启 动 子（heavy-strand promoter，HSP） 和 轻 链 启 动 子（light-strand promoter， LSP）。转录从位于 D 环区的启动子 HSP 和 LSP 处分别开始，两条链同时进行，方向相 反，速率大致相等，故线粒体 RNA 转录是对称转录，经修饰剪切后释放出各种 tRNA 和 mRNA 转录产物。mtDNA 在线粒体转录因子Ⅰ的调节下，并在 mtRNA 聚合酶的作用 下启动转录过程。线粒体和细菌相似，其基因的转录产物为多顺反子。转录产物往往 在 tRNA 处发生剪切，从而使得不同的 mRNA 和 tRNA 被分离和释放。HSP 含有 2 个转 录起始位点，即 H1 和 H2，而 L 链只有 1 个转录起始位点 L。H 链可以从 H1 开始转录出 只包含 tRNAphe、tRNAval、12S rRNA、16S rRNA 的多顺反子。线粒体 RNA 聚合酶还可 从 H2 和 L 开始，分别转录出一条几乎覆盖全长 mtRNA 的初始转录产物，之后可被剪切 为各基因 RNA 而被释放。H2 比 H1 稍微靠下一些，约在 12S rRNA 基因的 5′ 端，其转录 可以通过初级转录物Ⅰ的终止的位置，连续转录几乎整条重链。需要指出的是，转录物 Ⅱ中没有 rRNA。剪切往往在新生的转录链上便开始进行了，由于每个 mRNA 的 5′ 端与 tRNA 的 3′ 端是紧密相连的，所以剪切的往往十分精确。转录物Ⅰ的转录比转录物Ⅱ要 频繁的多，这导致 tRNAphe、tRNAval、12S rRNA、16S rRNA 的表达量比其他高约 10 倍。 轻链的转录物经过剪切后生成 1 个 mRNA 和 8 个 tRNA。参与线粒体基因转录过程中的 NRF-1、NRF-2、CREB、SP-1、YY1 等转录活化因子及 PRC、PGC-1 等协同活化因子 是由核基因编码，故线粒体基因的转录同时要受到核基因组的调控。 四、线粒体基因组的翻译 线粒体内拥有自身合成蛋白质的系统，蛋白质的合成在线粒体的核糖体上翻译，且 与线粒体 mRNA 的转录几乎同时进行。线粒体所编码的 RNA 和蛋白质不被运出线粒体 外，相反的，组成线粒体核糖体的蛋白质却是由 nDNA 编码，在细胞质核糖体上合成， 再运入线粒体内的。与核合成的 mRNA 不同，线粒体的 mRNA 没有内含子，很少有非 编码区。 五、线粒体核编码蛋白质的转运 线粒体蛋白质在细胞质中合成后，需定向转运到线粒体执行其功能。绝大多数的线 粒体蛋白被输入线粒体的基质内，少数输入膜间腔或者插入外膜和内膜上。这些蛋白质 在被运输到线粒体前，以未折叠的前体形式存在，其 N 端具有一段特殊的基质导入序列 （matrix-targeting sequence，MTS）。该序列约由 20 个氨基酸组成，富含精氨酸、赖氨酸、 苏氨酸及丝氨酸的碱性氨基酸，不含或基本不含带负电荷的天冬氨酸和谷氨酸的酸性氨 基酸。MTS 包含了介导在细胞质中合成的前体蛋白输入线粒体基质的信号，能与线粒体 外膜和内膜上的受体相识别并结合，牵引前体蛋白质跨膜转运到线粒体。前体蛋白形成 后，绝大多数要和分子伴侣热休克蛋白 70（heat shock protein 70，Hsp70）结合，防止前 体蛋白形成不可解开的构象或防止已松弛的前体蛋白聚集；少数前体蛋白与分子伴侣新 生多肽相关复合物（nascent-associated complex，NAC）相互作用，增加蛋白质转运的准 确性。哺乳动物的细胞质中还存在前体蛋白质的结合因子和线粒体输入刺激因子，前者 可以增加 Hsp70 对线粒体蛋白质的转运能力，后者则可以不依赖 Hsp70，单独发挥 ATP 酶的作用，为蛋白质的聚集提供能量。前体蛋白质一旦与线粒体外膜上的载体蛋白结 合，便要与外膜及内膜上的膜通道发生作用，从而进入线粒体。目前介导线粒体蛋白质 医学细胞-正文.indd 98 2018-5-18 17:31:29

第二节线粒体的遗传体系转运的载体蛋白主要包括外膜易位酶（translocaseofoutermembrane，TOM）复合体和内膜易位酶（translocaseofinnermembrane，TIM）复合体两类。其中TOM复合体形成的通道称为GIP（generalimportpore），可以识别细胞质中的线粒体蛋白质，并将其运送到线粒体的膜间隙、或者协助跨膜蛋白插入线粒体外膜。TIM复合体利用内膜两侧的H电化学梯度，驱动线粒体蛋白质从膜间隙转运至线粒体基质，或者协助跨膜蛋白插人线粒体内膜。线粒体前体蛋白质穿膜转运至线粒体基质后，MTS被基质作用蛋白酶（matrixprocessingprotease，MPP）切除，随后输人的蛋白质在如Hsp60、Hsp10等基质分子伴侣协助下重新折叠成正确的天然空间构象，以行使其功能。六、线粒体基因组的遗传特征线粒体基因组的遗传特征线粒体的遗传不同于孟德尔式遗传，而表现出其独特的遗传方式，表现在以下几方面。（一）半自主性虽然线粒体具有自身的DNA分子和完整的遗传信息传递及表达系统，可以进行mtDNA复制、转录和翻译，可是线粒体中约有1000种基因产物，而线粒体基因组只能编码其中的37种。实现线粒体基因组复制及表达所需要的大多数的酶是由核基因编码，在细胞质中的核糖体上合成，再转运人线粒体内行使其功能的。两种来源不同的蛋白质协同作用，共同参与线粒体自身的结构组成和线粒体内物质能量代谢，因而线粒体是一种半自主性细胞器。（二）遗传密码与通用密码不同经研究发现，mtDNA与nDNA的遗传密码不完全相同（表6-1），经研究发现，mtDNA与nDNA的遗传密码不完全相同（表6-1）。具体表现在：①UGA编码色氨酸而非终止信号：②AUA编码甲硫氨酸并为启动信号，而非编码异亮氨酸③AGA、AGG为终止信号而非编码精氨酸；④UAA为终止信号，而在一些情况下，一个U碱基就可以作为mtDNA体系的终止信号，其后的AA成为polyA尾巴的一部分；③线粒体tRNA的兼并性很强，仅22种tRNA便可识别48个密码子。表6-1人类线粒体与核基因密码子的差异编码含义核基因组密码子（通用密码）线粒体基因组密码子甲硫氨酸（起始密码）AUGAUG、AUA色氨酸UGGUGG、UGA异亮氨酸AUCAUU、AUC、AUA精氨酸CGU、CGC、CGA、CGG、AGA、AGGCGU、CGC、CGA、CGG终止密码UAA、UAG、UGAUAA、UAG、AGA、AGG（三）突变率高mtDNA的突变率是nDNA的10~20倍，这是由mtDNA的结构特点和所处位置等原因导致的。具体原因表现在：①mtDNA分子上没有组蛋白结合，缺乏结合蛋白的保护；②线粒体内缺乏有效的DNA修复系统，没有完整的突变修复功能；③mtDNA处于高99医学细胞正文.indd2018-5-18 17:31:3

www.hep.com.cn 99 第二节  线粒体的遗传体系 转运的载体蛋白主要包括外膜易位酶（translocase of outer membrane，TOM）复合体和内 膜易位酶（translocase of inner membrane，TIM）复合体两类。其中 TOM 复合体形成的通 道称为 GIP（general import pore），可以识别细胞质中的线粒体蛋白质，并将其运送到线 粒体的膜间隙，或者协助跨膜蛋白插入线粒体外膜。TIM 复合体利用内膜两侧的 H+ 电 化学梯度，驱动线粒体蛋白质从膜间隙转运至线粒体基质，或者协助跨膜蛋白插入线粒 体内膜。 线粒体前体蛋白质穿膜转运至线粒体基质后，MTS 被基质作用蛋白酶（matrix processing protease，MPP）切除，随后输入的蛋白质在如 Hsp60、Hsp10 等基质分子伴侣 协助下重新折叠成正确的天然空间构象，以行使其功能。 六、线粒体基因组的遗传特征 线粒体的遗传不同于孟德尔式遗传，而表现出其独特的遗传方式，表现在以下几方面。 （一）半自主性 虽然线粒体具有自身的 DNA 分子和完整的遗传信息传递及表达系统，可以进行 mtDNA 复制、转录和翻译，可是线粒体中约有 1 000 种基因产物，而线粒体基因组只能 编码其中的 37 种。实现线粒体基因组复制及表达所需要的大多数的酶是由核基因编码， 在细胞质中的核糖体上合成，再转运入线粒体内行使其功能的。两种来源不同的蛋白质 协同作用，共同参与线粒体自身的结构组成和线粒体内物质能量代谢，因而线粒体是一 种半自主性细胞器。 （二）遗传密码与通用密码不同 经 研 究 发 现，mtDNA 与 nDNA 的 遗 传 密 码 不 完 全 相 同（表 6-1）， 经 研 究 发 现， mtDNA 与 nDNA 的遗传密码不完全相同（表 6-1）。具体表现在：① UGA 编码色氨酸而 非终止信号；② AUA 编码甲硫氨酸并为启动信号，而非编码异亮氨酸；③ AGA、AGG 为终止信号而非编码精氨酸；④ UAA 为终止信号，而在一些情况下，一个 U 碱基就可 以作为 mtDNA 体系的终止信号，其后的 AA 成为 polyA 尾巴的一部分；⑤线粒体 tRNA 的兼并性很强，仅 22 种 tRNA 便可识别 48 个密码子。 表 6-1 人类线粒体与核基因密码子的差异 编码含义 核基因组密码子（通用密码） 线粒体基因组密码子 甲硫氨酸（起始密码） AUG AUG、AUA 色氨酸 UGG UGG、UGA 异亮氨酸 AUU、AUC、AUA AUC 精氨酸 CGU、CGC、CGA、CGG、AGA、AGG CGU、CGC、CGA、CGG 终止密码 UAA、UAG、UGA UAA、UAG、AGA、AGG （三）突变率高 mtDNA 的突变率是 nDNA 的 10～20 倍，这是由 mtDNA 的结构特点和所处位置等原 因导致的。具体原因表现在：① mtDNA 分子上没有组蛋白结合，缺乏结合蛋白的保护； ②线粒体内缺乏有效的 DNA 修复系统，没有完整的突变修复功能；③ mtDNA 处于高 线粒体基因组的遗传特征 医学细胞-正文.indd 99 2018-5-18 17:31:30

第六章线粒体与疾病氧自由基环境，容易被氧化而突变；④参与mtDNA合成的DNA聚合酶的识别能力较低，容易发生复制错误；③mtDNA的拷贝数多，每一个mtDNA的任何一个碱基都可能发生突变：③mtDNA的D环复制方式导致亲代的H链被替换下来后，在子代L链合成前，长期处于单链状态，然而单链的DNA可以自发地脱氨基，发生点突变；?人类线粒体基因排列紧凑，mtDNA任何突变都会累及重要功能区域。临床聚焦6-1氨基糖苷类抗生素敏感性耳聋氨基糖苷类抗生素敏感性耳牵（aminoglycosideantibiotics induced deafness，AAID）是指患者在接受常规剂量的氨基糖苷类抗生素（AmAn）治疗后，引起的不可逆转的听力下降或者听力丧失。AmAn包括链霉素、庆大霉素、卡那霉素等，其慢性毒性反应之一是对耳蜗系的损害，通常发生较迟一般在用药数月或停药以后发生，主要症状是耳鸣和耳聋。耳蜗核糖体可能是氨基糖苷耳毒的靶细胞器。AAID可发生于任何年龄阶段，在我国的发病率为0.035%，已成为我国耳聋病的主要病因。研究发现，mtDNA12SrRNA基因1555位点的A一→G、1494位点的C一→T、1095位点的T→C的突变是AmAn致耳聋的重要诱因。为了尽可能避免或减少出现新的AAID患者，可以进行新生儿筛查。若一家族成员被确认为突变携带者或AAID，应建议同一家族的所有成员都做遗传咨询，并终身严禁使用AmAn。（四）同质性和异质性同一组织或细胞中所有的mtDNA都相同，即只具有野生型mtDNA或者只具有单一突变类型的mtDNA，称为同质性（homoplasmy）。同一组织或细胞中既有野生型mtDNA，又有突变型mtDNA时，称为异质性（heteroplasmy）。异质性的程度常以突变的mtDNA所占的比例为衡量标准。可是在连续的分裂过程中，异质性细胞中的野生型mtDNA和突变型mtDNA的比例会发生漂变，并向着同质性的方向发展。在高度增殖的细胞中，具有排斥突变的mtDNA的趋势，即经过许多次分裂后，可逐渐形成只含有野生型mtDNA的同质性细胞。在低增殖水平的细胞中，突变的mtDNA具有复制优势时，可形成只含有突变型mtDNA的同质性细胞。（五）母系遗传受精卵中的线粒体几乎全部来自母体，故mtDNA的遗传表现为母系遗传（maternalinheritance），即只有母亲能将其mtDNA传递给所有子女，再通过女儿将mtDNA传递给下一代（图6-5）。如果一位女性的线粒体中含有突变型mtDNA并为同质性，其所有的子女都将遗传这一突变，而mtDNA突变且为同质性的男性后代却不会遗传这一突变。1福1图6-5一个呈母系遗传的线粒体疾病的系谱100医学细胞-正文.indd 1002018-5-18 17:31

www.hep.com.cn 100 第六章  线粒体与疾病 氧自由基环境，容易被氧化而突变；④参与 mtDNA 合成的 DNA 聚合酶 γ 的识别能力较 低，容易发生复制错误；⑤ mtDNA 的拷贝数多，每一个 mtDNA 的任何一个碱基都可能 发生突变；⑥ mtDNA 的 D 环复制方式导致亲代的 H 链被替换下来后，在子代 L 链合成 前，长期处于单链状态，然而单链的 DNA 可以自发地脱氨基，发生点突变；⑦人类线 粒体基因排列紧凑，mtDNA 任何突变都会累及重要功能区域。 临床聚焦 6-1 氨基糖苷类抗生素敏感性耳聋 氨 基 糖 苷 类 抗 生 素 敏 感 性 耳 聋（aminoglycoside antibiotics induced deafness， AAID）是指患者在接受常规剂量的氨基糖苷类抗生素（AmAn）治疗后，引起的 不可逆转的听力下降或者听力丧失。AmAn 包括链霉素、庆大霉素、卡那霉素等， 其慢性毒性反应之一是对耳蜗系的损害，通常发生较迟，一般在用药数月或停药 以后发生，主要症状是耳鸣和耳聋。耳蜗核糖体可能是氨基糖苷耳毒的靶细胞器。 AAID 可发生于任何年龄阶段，在我国的发病率为 0.035%，已成为我国耳聋病的 主要病因。研究发现，mtDNA12S rRNA 基因 1 555 位点的 A → G、1 494 位点的 C → T、1 095 位点的 T → C 的突变是 AmAn 致耳聋的重要诱因。为了尽可能避免 或减少出现新的 AAID 患者，可以进行新生儿筛查。若一家族成员被确认为突变携 带者或 AAID，应建议同一家族的所有成员都做遗传咨询，并终身严禁使用 AmAn。 （四）同质性和异质性 同一组织或细胞中所有的 mtDNA 都相同，即只具有野生型 mtDNA 或者只具有单一 突变类型的 mtDNA，称为同质性（homoplasmy）。同一组织或细胞中既有野生型 mtDNA， 又有突变型 mtDNA 时，称为异质性（heteroplasmy）。异质性的程度常以突变的 mtDNA 所占的比例为衡量标准。可是在连续的分裂过程中，异质性细胞中的野生型 mtDNA 和突变型 mtDNA 的比例会发生漂变，并向着同质性的方向发展。在高度增殖的细胞 中，具有排斥突变的 mtDNA 的趋势，即经过许多次分裂后，可逐渐形成只含有野生型 mtDNA 的同质性细胞。在低增殖水平的细胞中，突变的 mtDNA 具有复制优势时，可形 成只含有突变型 mtDNA 的同质性细胞。 （五）母系遗传 受精卵中的线粒体几乎全部来自母体，故 mtDNA 的遗传表现为母系遗传（maternal inheritance），即只有母亲能将其 mtDNA 传递给所有子女，再通过女儿将 mtDNA 传递给 下一代（图 6-5）。如果一位女性的线粒体中含有突变型 mtDNA 并为同质性，其所有的 子女都将遗传这一突变，而 mtDNA 突变且为同质性的男性后代却不会遗传这一突变。 图 6-5 一个呈母系遗传的线粒体疾病的系谱 医学细胞-正文.indd 100 2018-5-18 17:31:30

第三节线粒体异常与相关的疾病（六）阈值效应对于异质性细胞，只有当细胞中突变的mtDNA达到一定的数量，超过一定的比例即阈值时，野生型mtDNA不能代偿其功能，才会导致细胞病变，并产生明显的临床表型，称为阈值效应（thresholdeffect）。阈值是一个相对概念，其大小与突变的类型、受累细胞的种类及细胞的功能状态有关，个体差异较大。据报道，发生缺失的mtDNA引起疾病的阈值约为60%，而其他突变类型的國值为80%~90%。同一个体中，相较于能量需求较高的组织（脑、心脏、骨骼肌等），能量需求较低的组织（皮肤、肺等）的阈值更高。女性携带者虽然由于突变mtDNA未达阈值或受nDNA的影响未发病，可是突变的mtDNA在传给后代时，由于异质性和阈值效应，子女中得到较多的突变型mtDNA的个体可能会发病，而得到较少的突变型mtDNA的个体不会发病或症状较轻。（七）复制分离和遗传瓶颈经过复制的突变型和野生型mDNA被随机分配到新合成的线粒体当中，细胞分裂时，线粒体再被随机分配进入两个子细胞中，使子细胞拥有不同比例的突变型mtDNA分子，这种由于随机分配导致mtDNA异质性变化的过程称为复制分离（replicativesegregation）。线粒体中同时存在野生型和突变型mtDNA时，经复制分离后，子细胞中两种mtDNA所占的比例就可能发生变化（图6-6），可能导致子细胞的表型发生改变，造成不同组织、不同细胞中突变mtDNA所占比例发生差异。?正常的线粒体突变的线粒体图6-66异质性线粒体的复制分离异质性mtDNA突变型的比例在世代交替过程中变化显著。人类每个卵细胞中约有10方个mDNA、然而只有2~200个可随机进入成熟的卵细胞传递给子代，这种发生在卵细胞形成期的mtDNA的数量剧减的现象称为遗传瓶颈（geneticbottleneck）。遗传瓶颈限制了遗传过程中mtDNA的数量和种类，减小亲代突变的mtDNA下传的概率，但也可能会导致受累子代的突变mtDNA的比例升高，并使子代个体之间存在明显的异质性的差异。但当异质性的母亲所携带的异常mtDNA为缺失突变时，患病的母亲通常不能将突变的mtDNA传递给子女。第三节线粒体异常与相关的疾病一、疾病发生过程中线粒体的变化线粒体形态、结构以及功能的异常，目前已作为组织病变和损伤的标志，是细胞病理学检查疾病的重要指标之一。细胞损伤时常见到线粒体的肿大，如缺血性损伤会导致101医学细胞-正文.indd1012018-5-1817:31:3

www.hep.com.cn 101 第三节  线粒体异常与相关的疾病 （六）阈值效应 对于异质性细胞，只有当细胞中突变的 mtDNA 达到一定的数量，超过一定的比例， 即阈值时，野生型 mtDNA 不能代偿其功能，才会导致细胞病变，并产生明显的临床表 型，称为阈值效应（threshold effect）。阈值是一个相对概念，其大小与突变的类型、受 累细胞的种类及细胞的功能状态有关，个体差异较大。据报道，发生缺失的 mtDNA 引 起疾病的阈值约为 60%，而其他突变类型的阈值为 80%～90%。同一个体中，相较于能 量需求较高的组织（脑、心脏、骨骼肌等），能量需求较低的组织（皮肤、肺等）的阈 值更高。女性携带者虽然由于突变 mtDNA 未达阈值或受 nDNA 的影响未发病，可是突 变的 mtDNA 在传给后代时，由于异质性和阈值效应，子女中得到较多的突变型 mtDNA 的个体可能会发病，而得到较少的突变型 mtDNA 的个体不会发病或症状较轻。 （七）复制分离和遗传瓶颈 经过复制的突变型和野生型 mtDNA 被随机分配到新合成的线粒体当中，细胞分裂 时，线粒体再被随机分配进入两个子细胞中，使子细胞拥有不同比例的突变型 mtDNA 分子，这种由于随机分配导致 mtDNA 异质性变化的过程称为复制分离（replicative segregation）。线粒体中同时存在野生型和突变型 mtDNA 时，经复制分离后，子细胞中 两种 mtDNA 所占的比例就可能发生变化（图 6-6），可能导致子细胞的表型发生改变， 造成不同组织、不同细胞中突变 mtDNA 所占比例发生差异。 图 6-6 异质性线粒体的复制分离 异质性 mtDNA 突变型的比例在世代交替过程中变化显著。人类每个卵细胞中约有 10 万个 mtDNA，然而只有 2～200 个可随机进入成熟的卵细胞传递给子代，这种发生在 卵细胞形成期的 mtDNA 的数量剧减的现象称为遗传瓶颈（genetic bottle neck）。遗传瓶颈 限制了遗传过程中 mtDNA 的数量和种类，减小亲代突变的 mtDNA 下传的概率，但也可 能会导致受累子代的突变 mtDNA 的比例升高，并使子代个体之间存在明显的异质性的 差异。但当异质性的母亲所携带的异常 mtDNA 为缺失突变时，患病的母亲通常不能将 突变的 mtDNA 传递给子女。 第三节  线粒体异常与相关的疾病 一、疾病发生过程中线粒体的变化 线粒体形态、结构以及功能的异常，目前已作为组织病变和损伤的标志，是细胞病 理学检查疾病的重要指标之一。细胞损伤时常见到线粒体的肿大，如缺血性损伤会导致 医学细胞-正文.indd 101 2018-5-18 17:31:30

第六章线粒体与疾病线粒体内室浓缩，外室扩大，体积增加，聚集肿胀。线粒体的嗜是能量代谢的明显指征，如在急性细胞损伤时，线粒体的嗜会被破坏；又如在慢性亚致死性细胞损伤或者营养缺之时，线粒体的蛋白质合成受到阻碍，导致线粒体儿乎不能形成新的婚。在肿瘤细胞中，也常表现为线粒体和线粒体嗜数量的减少，呼吸能力的减弱和糖的无氧酵解的增加。线粒体是细胞内自由基的重要源泉，是决定细胞衰老的生物钟。二、线粒体异常与疾病怎样理解线粒体遗传赖广义的线粒体疾病（mitochondrialdisorder）是指线粒体能量输出障碍为特征的一类疾病，除mtDNA缺陷致病外，编码线粒体蛋白的nDNA突变或mtDNA与nDNA间交流通信缺陷也可引起疾病。通常所说的线粒体疾病为狭义的概念，即mtDNA突变引起的线粒体结构和功能异常而导致的各种疾病。主要表现为氧化磷酸化系统异常所引起的累及多个器官系统的综合征，包括脑病、肌病、眼外肌功能丧失、视网膜变性、耳聋、肝功能障碍、糖尿病、骨髓衰竭、共济失调等，其中以中枢神经系统和骨骼肌系统病变为主。病变以中枢神经系统为主，称为线粒体脑病；以骨骼肌为主，称为线粒体肌病；如同时涉及中枢神经和骨骼肌系统则称为线粒体脑肌病。目前已发现与mtDNA突变相关的线粒体疾病有100多种。临床聚焦6-2帕金森病帕金森病（Parkinsondisease，PD）又称震颜性麻痹，是老年人中最常见的神经系统变性疾病之一，是由于黑质纹状体系统多巴胺（dopamine，DA）神经功能受损导致多巴胺与乙酰胆碱平衡失调。主要症状为静止性震颤、运动迟缓和自主神经障碍等。随着年龄增长发病率增高高发年龄在60~70岁之间。患者男性多于女性。其发病机制可能与遗传、线粒体功能障碍、环境、免疫异常、细胞凋亡等诸多因素有关，线粒体功能出现障碍时会阻碍氧化磷酸化反应和ATP的生成。对PD患者大脑细胞进行检验时发现，大脑黑质线粒体呼吸链的酶复合物1活性降低了30%~40%。ntDNA突变和缺失都会影响细胞呼吸，提高PD的易感性。（一）mtDNA突变引起的疾病1.Leber遗传性视神经病（Leberhereditaryopticneuropathy，LHON，OMIM535000）是一种主要累及视盘黄斑束纤维的视神经退行性疾病。最早由德国医生Leber首次报道，并由此得名。本病是最常见的线粒体遗传病之一，表现为母系遗传，男性患病风险一般是女性的4~5倍，多数在20~30岁时发病。主要表现为双侧视神经菱缩引起急性或亚急性的中心视力减退或者丧失，视力通常损害较重，可致全盲。还可伴有周围神经退化、震颤、心脏传导阻滞和肌张力降低等异常。LHON患者的主要生化缺陷是线粒体酶复合体I缺乏，诱发LHON的mtDNA的突变均为点突变。目前发现LHON与30多种mtDNA错义突变相关。90%~95%的LHON患者与mtDNA的3种原发性突变位点（G3460A、G11778A、T14484C）有关，其中G11778A是LHON最常见的突变类型，可见于95%以上的亚洲患者和50%以上的欧洲患者。2.线粒体脑肌病（1）线粒体脑肌病、乳酸酸中毒及卒中样发作（mitochondrialencephalomyopathy102医学细胞--正文.indd 1022018-51817:3

www.hep.com.cn 102 第六章  线粒体与疾病 线粒体内室浓缩，外室扩大，体积增加，聚集肿胀。线粒体的嵴是能量代谢的明显指 征，如在急性细胞损伤时，线粒体的嵴会被破坏；又如在慢性亚致死性细胞损伤或者营 养缺乏时，线粒体的蛋白质合成受到阻碍，导致线粒体几乎不能形成新的嵴。在肿瘤细 胞中，也常表现为线粒体和线粒体嵴数量的减少，呼吸能力的减弱和糖的无氧酵解的增 加。线粒体是细胞内自由基的重要源泉，是决定细胞衰老的生物钟。 二、线粒体异常与疾病 广义的线粒体疾病（mitochondrial disorder）是指线粒体能量输出障碍为特征的一类 疾病，除 mtDNA 缺陷致病外，编码线粒体蛋白的 nDNA 突变或 mtDNA 与 nDNA 间交流 通信缺陷也可引起疾病。通常所说的线粒体疾病为狭义的概念，即 mtDNA 突变引起的 线粒体结构和功能异常而导致的各种疾病。主要表现为氧化磷酸化系统异常所引起的累 及多个器官系统的综合征，包括脑病、肌病、眼外肌功能丧失、视网膜变性、耳聋、肝 功能障碍、糖尿病、骨髓衰竭、共济失调等，其中以中枢神经系统和骨骼肌系统病变为 主。病变以中枢神经系统为主，称为线粒体脑病；以骨骼肌为主，称为线粒体肌病；如 同时涉及中枢神经和骨骼肌系统则称为线粒体脑肌病。目前已发现与 mtDNA 突变相关 的线粒体疾病有 100 多种。 临床聚焦 6-2 帕金森病 帕金森病（Parkinson disease，PD）又称震颤性麻痹，是老年人中最常见的神 经系统变性疾病之一，是由于黑质纹状体系统多巴胺（dopamine，DA）神经功能 受损导致多巴胺与乙酰胆碱平衡失调。主要症状为静止性震颤、运动迟缓和自主神 经障碍等。随着年龄增长发病率增高，高发年龄在 60～70 岁之间。患者男性多于 女性。其发病机制可能与遗传、线粒体功能障碍、环境、免疫异常、细胞凋亡等诸 多因素有关，线粒体功能出现障碍时会阻碍氧化磷酸化反应和 ATP 的生成。对 PD 患者大脑细胞进行检验时发现，大脑黑质线粒体呼吸链的酶复合物 1 活性降低了 30%～40%。ntDNA 突变和缺失都会影响细胞呼吸，提高 PD 的易感性。 （一）mtDNA 突变引起的疾病 1.  Leber遗传性视神经病（Leber hereditary optic neuropathy，LHON，OMIM 535000） 是一种主要累及视盘黄斑束纤维的视神经退行性疾病。最早由德国医生 Leber 首次报道，并由此得名。本病是最常见的线粒体遗传病之一，表现为母系遗传， 男性患病风险一般是女性的 4～5 倍，多数在 20～30 岁时发病。主要表现为双侧视神 经萎缩引起急性或亚急性的中心视力减退或者丧失，视力通常损害较重，可致全盲。 还可伴有周围神经退化、震颤、心脏传导阻滞和肌张力降低等异常。LHON 患者的主要 生化缺陷是线粒体酶复合体Ⅰ缺乏，诱发 LHON 的 mtDNA 的突变均为点突变。目前发 现 LHON 与 30 多种 mtDNA 错义突变相关。90%～95% 的 LHON 患者与 mtDNA 的 3 种 原发性突变位点（G3460A、G11778A、T14484C）有关，其中 G11778A 是 LHON 最常 见的突变类型，可见于 95% 以上的亚洲患者和 50% 以上的欧洲患者。 2.  线粒体脑肌病 （1）线粒体脑肌病、乳酸酸中毒及卒中样发作（mitochondrial encephalomyopathy、 怎样理解线粒体遗传病 医学细胞-正文.indd 102 2018-5-18 17:31:30

第三节线粒体异常与相关的疾病lacticacidosisandstroke-likeepisodes，MELAS，OMIM540000）：是mtDNA发生突变导致线粒体功能障碍、ATP合成不足的以卒中为主的多系统疾病。80%以上在20岁前发病，主要累及中枢神经系统和骨骼肌，临床特征为局部脑损害引起的脑卒中样发作、乳酸酸中毒，肌肉活检可见到破碎的红纤维，表现为认知功能障碍、语言功能障碍及头痛。该病由手体内异常的线粒体不能代谢内酮酸，促使大量内酮酸生成乳酸，乳酸在血液和体液中累积，导致乳酸酸中毒。转运亮氨酸的tRNA基因一一MTTLI的突变是MELAS中最常见的突变类型，80%的MELAS为mtDNAA3243G点突变。（2）伴有破碎红纤维的肌阵挛性癫痫（myoclonicepilepsyassociatedwithragged-redfibers，MERRF，OMIM545000）：是一种母系遗传的神经肌肉系统疾病，发病年龄为10~20岁。主要临床症状为肌阵挛、肌无力、癫痫、破碎红纤维、耳聋、消瘦、智力减退和痴呆等。80%~90%的MERRF由mtDNA的TK基因突变导致，常见位点为A8344G。突变破坏了tRNA中高度保守的TC环结构，使得tRNA与核糖体连接受阻，影响线粒体正常的氨基酸转运，产生异常的线粒体蛋白质，造成氧化磷酸化功能下降，从而导致多系统病变。（3）神经源性肌软弱共济失调并发色素性视网膜炎、Leigh综合征：神经源性肌软弱共济失调并发色素性视网膜炎（neuropathy，ataxia，andretinitispigmentosa，NARP，0MIM551500）是一种以神经系统受损为主的疾病，发病率约为1/12000，多在儿童期和青春期早期发病。主要临床特征有色素性视网膜炎、周围神经病、共济失调、近端体无力、大脑和小脑出现轻度弥漫性萎缩等，严重者出现基底核的对称性损害，肌肉活检没有破碎红纤维。NARP与MTATP6基因的T8993G突变有关。当细胞中突变的mtDNA达到70%90%时引起NARP，但当突变的mtDNA所占的比例超过90%时，可引发另一种母系遗传的神经退变疾病Leigh综合征（matermally-inherited Leigh syndrome，MILS，OMIM256000）。这是一种致命的、发生在婴儿期及儿童早期的疾病，且多于2岁前发病。核基因组异常也可导致Leigh综合征，其中细胞色素C氧化酶缺陷和丙酮酸脱氢酶Ela亚单位（PDHAI）缺陷最为常见。患儿表现为低张力、神经运动发育迟缓、眼球震颤、眼肌麻痹、吞咽困难、视力丧失、乳酸酸中毒和神经变性或呼吸衰竭等。（4）Kearns-Sayre综合征、Pearson骨髓-胰腺综合征、慢性进行性眼外肌麻痹：Kearns-Sayre综合征（Kearns-Sayre syndrome，KSS，OMIM530000）由Kearns-Sayre等在1965年首次报道。KSS患者多为散发，常于20岁前发病。临床上以慢性进行性眼外肌麻痹瘫痪、视网膜色素变性和心脏传导阻滞为主要特征。一些患者还会具有上险下垂、四肢无力、身材矮小、听力丧失、智力低下、糖尿病、神经性聋、小脑性共济失调等症状。神经放射学检查显示皮质下白质和脑部的深层结构异常。肌肉活检可见蓬毛样破碎红纤维。KSS主要由体细胞mtDNA发生片段缺失突变引起，可累及多个基因，位置均在H和L链的复制起始区之间。KSS患者肌细胞中mtDNA的缺失比例>85%。若缺失的比例较低，且局限于肌肉组织则只表现出慢性进行性眼外肌麻痹（chronicprogressiveexternalophthalmoplegia，CPEO，OMIM557000）。CPEO以进行性眼外肌麻痹、运动不耐受和近端肌病为主要特征。该病发病较迟，常于40岁以后发病。若缺失广泛分布于全身各组织，特别是血液时，可导致Pearson骨髓-胰腺综合征（Pearsonmarrow-pancreassyndrome），又称Pearson综合征（Pearsonsyndrome）。该病最先在1979年被报道，是一种发生在婴儿期103医学细胞--正文.indd10-1817:

www.hep.com.cn 103 第三节  线粒体异常与相关的疾病 lactic acidosis and stroke-like episodes，MELAS，OMIM 540000）：是 mtDNA 发生突变导致 线粒体功能障碍、ATP 合成不足的以卒中为主的多系统疾病。80% 以上在 20 岁前发病， 主要累及中枢神经系统和骨骼肌，临床特征为局部脑损害引起的脑卒中样发作、乳酸酸 中毒，肌肉活检可见到破碎的红纤维，表现为认知功能障碍、语言功能障碍及头痛。该 病由于体内异常的线粒体不能代谢丙酮酸，促使大量丙酮酸生成乳酸，乳酸在血液和体 液中累积，导致乳酸酸中毒。转运亮氨酸的 tRNALeu 基因——MTTL1 的突变是 MELAS 中最常见的突变类型，80% 的 MELAS 为 mtDNA A3243G 点突变。 （2） 伴 有 破 碎 红 纤 维 的 肌 阵 挛 性 癫 痫（myoclonic epilepsy associated with ragged￾red fibers，MERRF，OMIM 545000）：是一种母系遗传的神经肌肉系统疾病，发病年龄 为 10～20 岁。主要临床症状为肌阵挛、肌无力、癫痫、破碎红纤维、耳聋、消瘦、智 力减退和痴呆等。80%～90% 的 MERRF 由 mtDNA 的 TK 基因突变导致，常见位点为 A8344G。突变破坏了 tRNALys 中高度保守的 TψC 环结构，使得 tRNA 与核糖体连接受 阻，影响线粒体正常的氨基酸转运，产生异常的线粒体蛋白质，造成氧化磷酸化功能下 降，从而导致多系统病变。 （3）神经源性肌软弱共济失调并发色素性视网膜炎、Leigh 综合征：神经源性肌软 弱共济失调并发色素性视网膜炎（neuropathy，ataxia，and retinitis pigmentosa，NARP， OMIM 551500）是一种以神经系统受损为主的疾病，发病率约为 1/12 000，多在儿童期 和青春期早期发病。主要临床特征有色素性视网膜炎、周围神经病、共济失调、近端肢 体无力、大脑和小脑出现轻度弥漫性萎缩等，严重者出现基底核的对称性损害，肌肉活 检没有破碎红纤维。NARP 与 MTATP6 基因的 T8993G 突变有关。当细胞中突变的 mtDNA 达到 70%～90% 时引起 NARP，但当突变的 mtDNA 所占的比例超过 90% 时，可引发另一 种母系遗传的神经退变疾病——Leigh 综合征（maternally-inherited Leigh syndrome，MILS， OMIM 256000）。这是一种致命的、发生在婴儿期及儿童早期的疾病，且多于 2 岁前发病。 核基因组异常也可导致 Leigh 综合征，其中细胞色素 C 氧化酶缺陷和丙酮酸脱氢酶 Ela 亚单位（PDHAl）缺陷最为常见。患儿表现为低张力、神经运动发育迟缓、眼球震颤、 眼肌麻痹、吞咽困难、视力丧失、乳酸酸中毒和神经变性或呼吸衰竭等。 （4）Kearns-Sayre 综合征、Pearson 骨髓 - 胰腺综合征、慢性进行性眼外肌麻痹： Kearns-Sayre 综 合 征（Kearns-Sayre syndrome，KSS，OMIM 530000） 由 Kearns-Sayre 等 在 1965 年首次报道。KSS 患者多为散发，常于 20 岁前发病。临床上以慢性进行性眼外 肌麻痹瘫痪、视网膜色素变性和心脏传导阻滞为主要特征。一些患者还会具有上睑下 垂、四肢无力、身材矮小、听力丧失、智力低下、糖尿病、神经性聋、小脑性共济失调 等症状。神经放射学检查显示皮质下白质和脑部的深层结构异常。肌肉活检可见蓬毛样 破碎红纤维。KSS 主要由体细胞 mtDNA 发生片段缺失突变引起，可累及多个基因，位 置均在 H 和 L 链的复制起始区之间。 KSS 患者肌细胞中 mtDNA 的缺失比例＞85%。若缺失的比例较低，且局限于肌 肉组织则只表现出慢性进行性眼外肌麻痹（chronic progressive external ophthalmoplegia， CPEO，OMIM 557000）。CPEO 以进行性眼外肌麻痹、运动不耐受和近端肌病为主要 特征。该病发病较迟，常于 40 岁以后发病。若缺失广泛分布于全身各组织，特别是 血液时，可导致 Pearson 骨髓 - 胰腺综合征（Pearson marrow-pancreas syndrome），又称 Pearson 综合征（Pearson syndrome）。该病最先在 1979 年被报道，是一种发生在婴儿期 医学细胞-正文.indd 103 2018-5-18 17:31:30