DNA复制的遗传性线粒体疾病

摘要

简介

线粒体疾病可由线粒体DNA（mtDNA）或编码线粒体功能蛋白质的核基因的遗传缺陷引起(1). 线粒体基因组包含37个基因，所有这些基因都直接或间接参与ATP的产生。其中13个基因编码参与电子传递的蛋白质亚单位，以进行氧化磷酸化。其余24个基因编码线粒体蛋白质合成所需的转移RNA（22个基因）和核糖体RNA（2个基因）。线粒体DNA拷贝数高；一个单元格包含1000到10000个副本。MtDNA通过DNA聚合酶γ（polγ）的协同作用复制，其辅助亚单位p55（编码为极2)以及复制因子，如线粒体单链DNA结合蛋白和Twinkle解旋酶。Polγ是哺乳动物线粒体中唯一已知的DNA聚合酶，因此承担着DNA复制和DNA修复功能的负担(2). 自1999年以来，已经有一系列发现，涉及近十几个与线粒体耗竭综合征（MDS）和相关疾病有关的基因(表1). MDS不仅包括常见的疾病，如进行性外眼肌麻痹（PEO）和共济失调，还包括一些非常罕见的三羧酸（TCA）循环异常。中的突变POLG、POLG2、TWINKLE、和ANT1型与PEO相关，编码线粒体核苷酸代谢相关酶的几个核基因突变可导致线粒体DNA点突变、缺失或缺失，从而导致线粒体综合征。线粒体在很大程度上依赖线粒体转运蛋白或挽救途径酶来提供线粒体DNA复制所需的脱氧核苷酸三磷酸（dNTP）。

DNA聚合酶γ波兰基因

由基因突变引起的疾病POLG公司，编码polγ催化亚单位的基因具有高度异质性(2–5). 中的突变POLG公司与多种疾病相关，如PEO、帕金森综合征、更年期提前、阿尔卑斯综合征、线粒体神经胃肠道脑肌病（MNGIE）、感觉共济失调性神经病、构音障碍和眼病（SANDO）(2,4–6). 在POLG公司(图1) (6)（另请参见人类聚合酶γ突变数据库，http://dir-apps.niehs.nih.gov/polg).

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图1

人类polγ蛋白示意图，显示致病氨基酸替换和多态性的位置。该蛋白在前三分之一处排列有核酸外切酶结构域，其次是长连接区，聚合酶结构域位于C末端第三。疾病替代由方框表示：浅蓝色方框，常染色体显性PEO；浅绿色框，常染色体隐性突变；灰色方框，零星PEO；粉红盒子，阿尔卑斯综合征；黄盒，共济失调神经病变样综合征；橙色盒子，男性不育。带条纹的盒子代表在多种疾病中发现的疾病替代。红色箭头表示非同义多态性氨基酸的变化。

极2，POLγ的附属子单位

最近，编码副亚单位的基因发生了一次突变，极2，在一名adPEO患者中报告(37). 这种突变导致G451E在不参与p55二聚化的环区发生取代。重组G451E突变体p55的特征表明，突变体的辅助亚基与polγ催化亚基结合有缺陷，并且不能刺激DNA的加工合成。未能增强催化亚单位的处理能力将导致复合体在DNA复制过程中停滞，这与在PEO中检测到的mtDNA缺失的积累一致。

线粒体DNA螺旋酶TWINKLE公司或PEO1公司基因

线粒体DNA解旋酶由TWINKLE公司基因，也称为PEO1公司与噬菌体T7 gp4螺旋酶相关。该基因首次作为第10、C10或f2号染色体上的PEO位点被分离(38). 衍生的氨基酸序列与T7 gp4解旋酶的C末端具有显著的序列同源性，但缺少T7 gp 4中发现的关键的引物相关序列(38,39). 筛选TWINKLE公司在患有adPEO的个体中，与多个mtDNA缺失相关的基因，在12个受影响的家族中鉴定了11个不同的编码区突变，这些突变与该疾病共同分离(38). 大多数突变位于C端解旋酶结构域和N端区域之间的连接子区域。该区域被认为与单体之间的亚单位相互作用有关，从而形成功能性六聚体。

中的突变TWINKLE公司主要与adPEO有关，但一份报告描述了一种隐性TWINKLE公司突变是SANDO的病因(40). 小鼠转基因模型过度表达了多种PEO突变TWINKLE公司概述了人类PEO的许多特征，包括多个线粒体DNA缺失、进行性呼吸功能障碍和细胞色素c氧化酶缺乏(41).

腺嘌呤核苷酸转位体，ANT1型

ANT1是发现的三种腺嘌呤核苷酸转运体蛋白之一，是线粒体内跨膜蛋白，是线粒体中最丰富的蛋白质。ANT1作为一种由30-kDa单体组成的同型二聚体发挥作用，在心脏、肾脏、肝脏和骨骼肌中高度表达。其主要功能是将ATP从线粒体基质中运输出来，以交换ADP。Kaukonen等人(42)在一个adPEO家族中使用位置克隆将adPEO的基因座缩小到4q，包括ANT1型以及其他64个基因。的序列分析ANT1型在5个散发性adPEO家族和1名患者中，发现了两个杂合错义突变ANT1型(43). 常染色体突变A114P和散发突变V289M均位于蛋白质结构的跨膜结构域内。酵母同源基因中的类似A114P突变，美国陆军指挥控制中心，导致呼吸系统缺陷(43). 杂合T293CANT1型在一个患有adPEO的希腊家族中发现突变(44)，一名意大利散发性PEO患者的杂合V289M突变(45)以及德国adPEO家系中的杂合A90D突变。在德国家系中，尽管微卫星标记显示该等位基因是显性的，并且是从母亲那里遗传来的，但该患者血液中没有携带突变，表明存在种系嵌合体(46).

酵母基因中其他几个等效突变的表达美国陆军指挥控制中心在中澳大利亚航空公司2缺陷单倍体酵母菌株在非发酵碳源上造成了明显的生长缺陷，并降低了细胞呼吸(47). 这个美国陆军指挥控制中心与野生型相比，致病性突变体在ADP与ATP转运方面表现出明显缺陷。

胸腺嘧啶磷酸化酶，ECGF1型

胸苷磷酸化酶（TP）是胸苷和磷酸转化为胸苷和脱氧核糖-1-磷酸所需的嘧啶补救途径的一部分(图2). 中的缺陷ECGF1型，编码TP的基因，导致血液中胸腺嘧啶和尿嘧啶的积累。由于线粒体严重依赖于挽救途径来产生线粒体内dNTP池，线粒体吸收过量的胸苷，从而刺激线粒体中胸苷激酶2合成过量的脱氧胸苷三磷酸（dTTP）。由此产生的线粒体脱氧核苷酸库失衡会导致线粒体DNA耗竭、多重缺失和点突变。

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图2

线粒体示意图，显示了当线粒体受到破坏时导致线粒体DNA突变或耗竭的酶途径。与MDS或mtDNA突变相关的基因产物位于绿色框中。

MNGIE是一种常染色体隐性遗传疾病，由ECGF1型(48,49). 到目前为止ECGF1型已知与MNGIE有关(49). 与PEO一样，该病与线粒体DNA的多重缺失和缺失有关(9). 发病年龄通常在20到50岁之间，典型的临床特征包括上睑下垂、PEO、胃肠动力障碍、恶病质、周围神经病、肌病和白质脑病(50,51). TP缺乏导致循环脱氧胸腺嘧啶浓度增加(52)和脱氧尿苷(53). 这些增加导致线粒体脱氧核苷三磷酸池失衡，其作用可能会增加线粒体DNA突变(54).

在MNGIE患者组织中发现的80%以上的mtDNA突变是T到C的转变，之前有短时间的As(55). 这种标志性突变表明，由更常见的错误插入T:dGMP（脱氧鸟苷一磷酸）引起的“下一个核苷酸效应”(56)由于MNGIE细胞线粒体中TP缺乏导致dTTP浓度升高，这一现象迅速扩大(55). 此外，增加的胸腺嘧啶核苷衍生的dTMP（脱氧胸苷单磷酸）浓度升高可以抑制polγ的外切核酸酶活性(57). 在添加50µM胸腺嘧啶的培养基中生长的HeLa细胞显示出线粒体DNA缺失，dTTP和dGTP的线粒体池升高，这一结果重述了MNGIE中的许多遗传效应(54). 这些结果支持了一种突变机制，即dGTP和dATP之间的竞争与模板T相反(55).

一些令人兴奋的研究途径显示出治疗MNGIE的潜力。血液透析已被证明能暂时降低血液中的胸苷水平(58). 异基因干细胞移植在恢复TP活性和降低血浆胸苷水平方面取得了一些成功(59). 此外，反复输注血小板可以降低MNGIE患者血液中的胸苷水平(60).

线粒体胸腺嘧啶激酶，TK2型

Saada等人对四名婴儿期患有致命肌病和线粒体耗竭综合征的无关患者进行了研究(61)发现线粒体呼吸链功能降低，肌肉中线粒体DNA数量减少。胸苷激酶2的序列分析(TK2型)该基因识别出两个纯合突变H90R或I181D中的任何一个。这些患者线粒体裂解物的活性分析显示TK2活性降低(61). 其他研究小组的DNA序列已经鉴定出总共14个错义突变，这些错义突变要么是隐性纯合子，要么是复合杂合子突变，以及来自12个肌肉无力和张力减退先证者的一个终止密码子(62–67). 线粒体dNTP池通过细胞溶质dNTP的主动转运或通过两种线粒体脱氧核苷激酶TK2和脱氧鸟苷激酶的作用而形成的补救途径产生(图2). 在非分裂细胞中，细胞溶质TK1和dNTP合成被下调，迫使线粒体dNTP池合成的负担转移到两个线粒体脱氧核苷激酶上。TK2型突变主要影响肌肉组织，对肝脏、大脑、心脏或皮肤没有影响。不同组织中TK2活性相对于线粒体DNA或细胞色素c氧化酶活性的定量有助于解释TK2缺乏的组织特异性(68).

脱氧鸟苷激酶，DGUOK公司

脱氧鸟苷激酶是另一种线粒体脱氧核苷激酶，将嘌呤核苷磷酸化为核苷酸单磷酸(图2). 在患有肝脑型MDS的三个近亲家系中进行纯合子作图，确定了染色体2p13上的一个区域，该区域包括脱氧鸟苷激酶基因，DGUOK公司(69). 该基因的序列分析确定了与该疾病分离的核苷酸缺失（204delA）(69). 在21名MDS患者的筛查中，Salviati等人(70)发现三名患者（14%）患有DGUOK公司突变。这三名患者的表型变化很大，其中一名患者出现肝衰竭，但对肝移植反应良好(70). 为了确认DGUOK公司Wang等人表示，突变确实破坏了酶的功能(71)用这些取代物表征重组脱氧鸟苷激酶。他们发现R142K变异体对脱氧鸟苷（dG）的活性很低，而对脱氧腺苷（dA）没有活性。E227K蛋白对dG和dA具有正常的亲和力，但催化效率低，表明这种突变破坏了催化作用而不影响底物结合。C末端截断的变体是不活跃的。进一步分析发现，一名患有MDS、肌肉无力和严重线粒体肌病导致的运动不耐受的患者在DGUOK公司(65). 对重组L250S dGuoK蛋白的检查显示，与野生型酶相比，活性<1%，脱氧胞苷（dC）和脱氧胸苷（dT）作为底物之间存在差异竞争(65). Freisinger等人(72)在六名患有婴儿肝性脑病和MDS的儿童中，还发现了五种新的突变和两种先前描述的突变。迄今为止，在DGUOK公司基因，大多数表现为来自14个先证者的纯合子突变(67,72).

脱氧核苷载体，SLC25A19型

2002年，Kelley等人(73)描述了宾夕法尼亚州兰开斯特县老阿米什族人的一种代谢紊乱，其特征是严重的先天性小头畸形、严重的2-酮戊二酸尿，通常在第一年内死亡。阿米什致死性小头畸形（MCPHA）是一种常染色体隐性遗传病，在该人群中，其发病率异常高，至少为1/500(73). 罗森博格（Rosenberg）等人通过对23个祖先相关家族进行系谱分析并结合全基因组扫描(74)定位了MCPHAt染色体17q25的基因。该区域包含线粒体脱氧核苷酸载体基因(挪威船级社或SLC25A19型)发现该基因含有一个错义突变，将Gly177变为Ala，但在252条控制染色体中未发现该基因。G177A突变体的功能分析挪威船级社证实突变蛋白的转运活性有缺陷(74).

A类挪威船级社到第12天，敲除小鼠导致100%的产前死亡，伴有神经管闭合缺陷和α-酮戊二酸升高(75). 然而，鼠标挪威船级社^−/−细胞mtDNA水平没有任何降低。此外，线粒体核糖和脱氧核糖核苷三磷酸水平正常，这表明核苷酸转运可能不是DNC的主要作用。在酵母中发现一种具有类似氨基酸同源性的蛋白质，Tpc1p，可以将焦磷酸硫胺（ThPP）运输到线粒体中，以交换磷酸硫胺(76). 事实上，体外转运试验证实G177A挪威船级社没有导致核糖核苷酸或脱氧核苷酸转运到线粒体中的缺陷。此外，小鼠敲除的线粒体没有检测到ThPP，MCPHA细胞的线粒体的ThPP水平降低。因此，ThPP水平的降低导致α-酮戊二酸二氢酶复合物无法正常发挥作用，从而导致这些患者体内α-酮戊二酸水平升高。

琥珀酰可可合成酶，SUCLA2公司

2005年报道了一个与线粒体DNA缺失相关的常染色体隐性脑肌病穆斯林小家系(77). 全基因组连锁图谱确定了13号染色体上的一个20-Mb区域，通过线粒体输入预测程序将该区域缩小为三个基因。其中之一的DNA测序SUCLA2公司基因第6外显子3′端出现43nt纯合缺失。这种突变导致受影响患者的mRNA第6外显子和第7外显子的部分缺失(77). 琥珀酸CoA合成酶是一种线粒体基质酶，在三羧酸（TCA）循环中催化琥珀酸-CoA和ADP可逆合成琥珀酸和ATP（或GTP）。SUCLA2公司编码琥珀酰辅酶A合成酶的β亚基。反向反应发生在克雷布斯循环中，而正向反应可能产生琥珀酰辅酶A，用于激活酮体和血红素合成。

根据这一初步发现，在法罗群岛人群中发现了12名常染色体隐性遗传线粒体脑肌病和甲基丙二酸升高患者(78). 甲基丙二酸升高是甲基丙二酸血症（MMA）的特征，这是一组异质性疾病，症状包括呕吐、脱水、嗜睡、癫痫发作、发育迟缓、进行性脑病。甲基丙二酸含量的增加会阻碍维生素B12转化为其两种代谢活性形式。积累的琥珀酰基CoA抑制甲基丙二酰CoA向琥珀酰基CoA的代谢，导致甲基丙二酰基Co A和MMA的积累。突变分析发现一种新的剪接位点突变SUCLA2公司导致外显子4的跳跃。创始人效应导致法罗群岛人口的高发病率（1700人中有1人），携带者频率为1/33(78). 在一项相关研究中，意大利南部和法罗群岛14名患者的DNA测序证实SUCLA2公司所有患者的突变并导致三种新突变的鉴定(79). 法罗群岛人群中这些突变等位基因的频率为2%，对应于估计的1:2500纯合子频率(79).

柠檬酸循环的缺陷和甲基丙二酸的积累是如何导致线粒体DNA耗竭的尚不清楚。然而，免疫沉淀实验发现琥珀酰辅酶A合成酶与线粒体核苷酸二磷酸激酶复合物(80). Elpeleg等人(77)建议SUCLA2公司破坏与核苷酸二磷酸激酶的关联，导致核苷酸二磷酸酶在线粒体dNTP补救的最后一步中出现缺陷，从而导致dNTP减少和随后的mtDNA耗竭。在早期/新生儿发作脑肌病、肌张力障碍、耳聋和主要影响壳核和尾状核的类Leigh MRI异常患者中，应考虑琥珀酰CoA基因突变(79).

MPV17型

线粒体DNA不稳定性疾病列表中最新添加的基因位点之一是MPV17型基因(81). Calvo等人使用增强的计算算法来识别线粒体靶向基因产品(82)确定了1080个基因产物，其中包括368个先前预测不会定位于线粒体的基因产物。其中8个新基因，包括MPV17型，被确定为线粒体疾病的候选基因座(82). 在随附的一篇文章中，Spinazzolla等人(81)报告了几个患有MDS的家庭，其中患者在生命早期出现肝衰竭。全基因组连锁分析将该基因映射到与MPV17型，DNA序列分析确定了Arg50的一个常见突变，该突变在这些患者中突变为Gln或Trp。最初推测MPV17蛋白定位于过氧化物酶体，但人类和猴细胞的共焦免疫荧光显示MPV17与线粒体共定位(81). 一项平行研究在6名纳瓦霍神经性肝病患者中发现了相同的R50Q突变(83). 纳瓦霍神经肝病是美国西南部纳瓦霍发现的一种常染色体隐性多系统疾病。其特征是肝功能衰竭、严重感觉神经病变、角膜麻醉和瘢痕形成、脑白质脑病、发育不良和酸中毒(83以及其中的参考）。

这个MPV17型酵母中的同源物，SYM公司位于线粒体内膜。SYM1型缺失或突变SYM1型产生R51Q或R51W替代物（相当于人体中的R50Q或R50W），导致呼吸不足和线粒体DNA重排(81).MPV17型^−/−小鼠出现年龄依赖性听力损失和肾小球硬化(84)，同时肝脏、肌肉、大脑和肾脏中的mtDNA减少，呼吸功能下降(81). 尽管MPV17的功能尚待阐明，但通过整合基因组分析发现该蛋白为鉴定MDS相关的其他基因铺平了道路。就像中的缺陷SUCLA2公司，中的缺陷MPV17型可能导致与核苷酸代谢蛋白的不稳定蛋白复合物，或膜相关蛋白-DNA核仁复合物的不稳定，其中mtDNA复制有望发生。

P53诱导核糖核苷酸还原酶，M2B马来西亚令吉

通过核糖核苷酸还原酶将核糖核苷二磷酸还原为脱氧核糖核糖核苷二磷酸，可以直接获得DNA复制所需的核苷酸前体。核糖核苷酸还原酶由两个亚基组成：一个大催化亚基R1和一个小R2亚基。细胞有两种形式的R2亚单位：一种是在S期最大表达的细胞周期调节形式，另一种是p53诱导形式，称为p53R2。p53R2形式是非增殖细胞DNA修复和mtDNA合成的基础水平所必需的。最近，Bourdon等人(85)确定了RRM2B型编码p532B的基因是一个肌肉mtDNA严重缺失家族的全基因组连锁分析中的候选疾病基因。的序列分析RRM2B型在这个家族和其他三个受影响的家族中，发现了无义、错义和剪接位点突变以及在RRM2B型在控制染色体中未发现的基因。线粒体DNA严重缺失RRM2B型中断也在Rrm2b中得到证实^−/−小鼠，证明该基因在线粒体DNA核苷酸代谢和线粒体疾病中的重要作用(85).

结论

线粒体DNA稳定性疾病可追溯到线粒体DNA复制的核心蛋白或与线粒体DNA复制所需的线粒体核苷酸前体供应有关的基因(图2). 中的突变POLG公司基因与几种线粒体疾病有关，包括致命的儿童疾病，如阿尔卑斯综合征、PEO、共济失调性神经病，也可能是男性导致失活和/或截短的蛋白质，这些蛋白质是POLG公司和TWINKLE公司通常在PEO中发现的“显性阴性”蛋白会干扰其野生型对应物。许多参与核苷酸补救途径和核苷酸转运的基因与线粒体疾病有关，这一事实表明，不平衡的核苷酸库对线粒体DNA复制有害。小鼠模型、酵母遗传学和突变蛋白的体外生化分析对于理解这些基因中可遗传突变的体内后果具有重要价值。

致谢

词汇表

脚注

引用的文献