作者：梁敏，瞿佳，周翔天，管敏鑫
作者单位：1.温州医学院附属眼视光学院，浙江 温州 325027；2.浙江省医学遗传学重点实验室，浙江 温州 325035；3.美国辛辛那提儿童医院 医学中心线粒体遗传学研究室，辛辛那提 俄亥俄州 45229
【摘要】 线粒体是普遍存在于真核细胞胞质中的一种动态细胞器，其通过氧化磷酸化提供了细胞代谢活动必须的ATP，而且调控细胞凋亡并产生大量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)。线粒体DNA突变可导致ATP产量减少而影响细胞的生物能量，然而，绝大部分维持线粒体结构和功能的蛋白质由核基因编码，因此，核基因的突变也可导致细胞能量代谢缺陷。线粒体功能缺陷可引起多种临床疾病，以视觉器官、神经系统及肌肉系统受累为主。视神经对能量缺乏的敏感性较高，因此在线粒体功能异常时最先受累。
【关键词】 线粒体；线粒体DNA；Leber遗传性视神经病变；常染色体显性视神经萎缩
USAThe role of mitochondrial dysfunction in hereditary optic neuropathy
LIANG Min， QU Jia， ZHOU Xiangtian， et al.
School of Ophthalmology and Optometry， Wenzhou Medical College， Wenzhou China， 325027
［Abstract］ Mitochondrion is a dynamic organelle in eukaryotes. It provides ATP for intracellular metabolic pathways by oxidative phosphorylation. Also， mitochondria mediate apoptosis and produce reactive oxygen species (ROS). The mutations in mitochondrial DNA influence bioenergy by reducing the production of ATP. However， the majority of proteins that maintain the structure and function of mitochondria are encoded by nuclear genes. Hence， the mutations in nuclear genes also lead to energy deficiency. Mitochondrial dysfunctions result in a variety of abnormalities， especially visual， neural and muscular disorders. The optic nerve is sensitive to energy deficiency， so it would be affected initially when mitochondria dysfunction occurs.
［Key words］ mitochondrion； mitochondrial DNA； Leber’s hereditary optic neuropathy； autosomal dominant optic atrophy
1 线粒体与mtDNA简介
线粒体是真核细胞内的一种重要细胞器，细胞生命活动所需的能量95%来自于线粒体氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)过程中产生的大量ATP，因此线粒体是细胞的氧化中心和动力工厂。线粒体不仅产生能量，而且调控细胞凋亡并产生大量的活性氧(reactive oxygen species， ROS)。1981年Anderson等[1]首先完成对人类线粒体DNA(mtDNA)全序列的测定，mtDNA全长16569bp，是一个双链闭合环状超螺旋DNA分子，只含有37个基因，编码22种tRNA、2种rRNA和13种与线粒体氧化磷酸化有关的多肽。然而，绝大部分蛋白质亚基和其他维持线粒体结构与功能的蛋白质都依赖于核DNA(nDNA)编码，在细胞质合成后，经特定转运方式进入线粒体。此外，mtDNA基因的表达受nDNA的制约，线粒体氧化磷酸化系统的组装和维护需要nDNA和mtDNA的协调，因此线粒体是一种半自主细胞器，受线粒体基因组和核基因组两套遗传系统共同控制，nDNA和mtDNA基因突变均可导致线粒体中蛋白质合成受阻，细胞能量代谢缺陷。
2 线粒体功能缺陷与人类疾病
线粒体功能缺陷可引起多种临床疾病，可影响一个器官或多个系统，如肌阵挛性癫痫伴破碎红纤维病(myoclonic epilepsy，ragged-red-fibers，MERRF)、线粒体脑肌病伴乳酸中毒及中风样发作综合征(mitochondrial encephalomyopathy， lactic acidosis，and stroke-like syndrome，MELAS)、Leber’s遗传性视神经萎缩(Leber’s hereditary optic neuropathy，LHON)、视神经病伴共济失调和视网膜色素变性(Neurogenic weakness with ataxia and retinitis pigmentosa，NARP)、慢性进行性眼外肌麻痹(Chronic progressive external ophthalmoplegia，CPEO)、Kearns-Sayre综合征(Kearns-Sayre syndrome，KSS)、常染色体显性视神经萎缩(Autosomal dominant optic atrophy，ADOA)、Friedreich 共济失调(Friedreich’s ataxia，FRDA)、母系遗传的糖尿病和耳聋等(见表1)，其中高度有氧代谢的器官最易受累。视网膜神经节细胞是视网膜中最长的细胞，节细胞的轴突穿过神经纤维层到达视乳头，该处数百万的神经节细胞轴突汇聚形成无髓鞘神经纤维。与一般神经元相比，神经节细胞的长轴突对能量缺乏的敏感性较高，对线粒体功能更为依赖，因此线粒体功能出现异常时最先受累[2]。Leber’s遗传性视神经萎缩、常染色体显性视神经萎缩是最典型的由于线粒体功能障碍引起的视神经病变。
3 遗传性视神经病变
3.1 Leber’s遗传性视神经病变(LHON) LHON是一种最为常见的线粒体遗传性视神经病，主要累及视网膜、巩膜筛板前部视盘黄斑束纤维，从而导致视神经退行性变的母系遗传病，最早在1871年由德国眼科医生Leber 首先报道。LHON主要累及青年男性，发病年龄可从几岁到七十多岁不等，常于15岁至35岁发病，双眼同时或先后受累，主要表现为急性或亚急性无痛性视力减退，视力可下降到10/100以下，但一般无全盲者，同时可伴中心视野缺失及色觉障碍。其主要病理改变为毛细血管扩张性微血管病变和视盘周围神经纤维层肿胀。除视功能受损外，还可伴有神经、心血管及骨骼肌等系统异常[3-7]。
LHON呈典型的母系遗传特征提示线粒体遗传是该病的分子基础。1988年，Wallace等[8]证实了第一个与LHON相关的线粒体突变位点ND4 G11778A，揭开了LHON分子研究的序幕。目前，在不同的种族中已发现约35个与LHON相关的突变位点，这些突变几乎全部是同质突变(即一个细胞中的mtDNA全部发生突变)。13个LHON相关的原发性mtDNA突变位点在视力丧失的发病过程中起着重要作用，其中参与呼吸链复合物Ⅰ亚基编码的三个原发突变ND4 G11778A[8]、ND1 G3460A[9-10]、ND6 T14484C[11-12]在许多家系中被证实。无发病的对照个体至今未发现一例有原发突变位点[7]。白种人群中G11778A、G3460A 和T14484C三个位点发生突变的相对频率分别为：ND4 G11778A 69%，ND1 G3460A 13%，ND6 T14484C 14%。郭向明等[13]对140 例中国LHON患者观察，发现其突变率分别为92.9%、1.4%和5.7%。除原发突变位点外，许多其他的mtDNA改变如T4216C、A4917G、G9804A、G9438A、G13708A、G15257A、G15812A和G7444A被认为是继发突变，在LHON家系中经常发现。这些突变位点在正常对照人群中也可存在，但其发生率远低于LHON家系成员，它们并不改变进化的保守性氨基酸，而是可相互共存或与原发性突变共存。继发位点的作用还不是十分清楚，Guan等[14-15]研究表明，在中国家系中，tRNAMet A4435G和tRNAThr A15951G突变影响ND4 G11778A相关的LHON表型表达，增加了疾病的外显率和临床表现度。
研究表明，LHON的三种原发突变与线粒体呼吸链复合物Ⅰ的亚型有关，呼吸链复合物I位于线粒体内膜，是呼吸链上最大的一个复合物，LHON 三个原发突变均可引起呼吸链复合物Ⅰ蛋白亚基结构的改变，使复合物Ⅰ与辅酶Q之间的相互作用减弱，从而影响电子从复合物I 向辅酶Q 传递，线粒体的功能和活性下降，ATP合成减少，自由基的产生增加[7]。视网膜神经节细胞单独受到影响可能因为这些细胞在氧化还原状态和高水平自由基状态对微弱的不平衡极其敏感，导致视网膜神经节细胞功能的丧失或细胞的死亡，从而产生临床表型。LHON具有明显的不完全外显性，携带原发突变之一的人群中仅有50%的男性和10%的女性发生视神经萎缩。尽管不同家系携带相同的突变，其发病年龄和男女发病率也可不同，这种不完全外显性和男性发病率较高说明其他因素包括异质性、线粒体单体型、核修饰基因、环境因素可能在LHON发病过程中起一定的作用[7，16-17]。
3.2 常染色体显性视神经萎缩（ADOA） ADOA又称Kjer型视神经病变，是一种呈隐匿性进行性视力减退的遗传性视神经病变，遗传方式为常染色体显性遗传[18]。该病常在儿童期发病，男女患病比例约1∶1，临床表现为隐匿性渐进性视力下降，双颞侧视盘苍白，色觉障碍（常为蓝黄色盲），中心或旁中心暗点。除视觉功能障碍外，还可伴其他异常：如锥体束征、癫痫、蝶鞍扩大、头痛、心律失常、远端肢体肌张力降低等[19-20]。
ADOA主要与OPA1(3q28-q29)[21]基因突变有关，OPA1基因约1.1Mb，含31个外显子，编码一种与维持线粒体形态、功能相关的动力相关性GTP 酶( GTPase)，是迄今发现的与人类疾病相关的第一个动力蛋白。已有的两类动力样蛋白亚家族包括Dnm1p/Drp1 和Mgm1p/Msp1，主要在酵母菌中被发现，它们在线粒体形态维持及分裂/融合的动力学过程中起着重要的作用，而且贯穿于整个细胞生命过程中。OPA1与Msp1/Mgm1具有很大的相似性，是其同源类似物(orthologues)，因此具有与Msp1/Mgm1相似的线粒体相关功能，OPA1 编码蛋白几乎分布于人类所有组织，尤其在视网膜及脑的转录水平最高[22]。
目前已经报道117个与ADOA相关的OPA1突变，突变类型主要为缺失/插入突变、错义突变、剪接突变以及无义突变等，不同类型的突变可能通过单倍剂量不足或显性负效应机制起作用，导致线粒体异常聚集，线粒体形态改变，mtDNA稳定性下降，动作电位消失以及ROS产量增加[23]。另外，线粒体在视网膜神经节细胞及视神经中的分布也是不均的，筛板前无髓鞘部分线粒体的含量丰富，而有髓鞘部分数量明显减少，反映了两部分不同的代谢需求，这也可能是视网膜神经节细胞对OPA1突变特别敏感的原因之一[2]。由此可见，OPA1突变是通过线粒体这一中间环节发挥作用的，一方面突变的蛋白破坏了线粒体内膜的稳定性，导致呼吸链复合体功能异常，从而造成了能量生成不足及ROS含量增加；另一方面突变的蛋白可能在一定程度上造成线粒体形态的异常，导致细胞内ATP不均衡分布，最终引发ADOA的发生。
3.3 Friedreich共济失调（FRDA） Friedreich 共济失调是由9q13上FRDA基因三联密码子GAA扩展和点突变导致铁运输缺陷所引起的致死性疾病。本病遗传方式为常染色体隐性遗传，临床表现为进行性肢体活动障碍，轻度失明，耳聋，糖尿病，在成人前发生的死亡多由于肥厚性心肌病引起[24]。FRDA基因有6个外显子，编码一个由210个氨基酸构成的蛋白质，称为frataxin。对大鼠中FRDA基因产物frataxin和酵母中frataxin类似物研究表明此蛋白定位于线粒体内膜与线粒体基质中，负责调节线粒体铁的转运和维持内环境的稳定。生化研究发现线粒体内铁的增加和硫化铁的不足，可影响呼吸链一系列酶的活性，包括复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和乌头酸酶。三联密码子GAA的重复扩展和点突变影响FRDA基因的转录和转录后加工，导致frataxin水平降低，从而致线粒体铁负荷过重，酶活性受损，ATP产生减少[25]。FRDA中视神经萎缩现象常被临床医生忽略，有研究显示其与LHON和ADOA有着相似的临床表现，包括VEP异常，颞侧视盘苍白，视力中等程度下降，神经纤维缺血及视神经脱髓鞘改变等[26]。
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