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编译/陈康 线粒体疾病是一组以线粒体功能障碍为特征的遗传性疾病。线粒体是除红细胞外普遍存在的细胞器，是各种细胞代谢途径(包括氧化磷酸化、脂肪酸氧化、Krebs循环、尿素循环、糖异生和酮生成)中中间代谢的重要整合部位【Mol. Aspects Med. 25, 365–451 (2004)】。 线粒体在其他重要的细胞过程中也发挥重要作用，包括(非寒战)产热、氨基酸代谢、脂质代谢、血红素和铁硫簇的生物合成、钙稳态和细胞凋亡【Biochemistry 45, 2524–2536 (2006)；BMC Evol. Biol. 9, 4 (2009)；Science 313, 314–318 (2006)；Cell 148, 1145–1159 (2012)】。 线粒体疾病的病理生理学是复杂的，涉及线粒体DNA (mtDNA)和核DNA (nDNA)的遗传突变。这种复杂的遗传学意味着线粒体疾病可以具有任何遗传模式，包括nDNA突变的常染色体和X连锁遗传以及mtDNA突变的母系遗传。还发现了由从头突变引起的罕见散发病例。在mtDNA突变患者中，由于单个细胞中存在多个mtDNA基因组，遗传和临床表现进一步复杂化，这通常会导致突变和野生型基因组的混合，称为异源性（异质性/heteroplasmy）(知识框 1)。异质水平在确定细胞功能障碍的程度方面至关重要。通常，线粒体疾病会导致氧化磷酸化(细胞产生ATP的过程)的主要缺陷，但其他因素，如Krebs循环和叶酸循环的功能障碍、酶中间体的缺乏和有毒物质的积累等，也可能在疾病中发挥作用。 知识框1:线粒体DNA异源/异质性线粒体疾病具有临床异质性，可发生于任何年龄，并可表现为广泛的临床症状。线粒体疾病可以涉及任何器官或组织，特征性地涉及多系统，通常影响高度依赖有氧代谢的器官，并且通常为进行性，具有高并发症发生率和死亡率【Lancet Neurol. 9, 829–840 (2010)】。 与线粒体疾病相关的一些临床特征可分为特定综合征，例如Leigh综合征(也称为亚急性坏死性脑脊髓病)和Alpers-hutten locher综合征。线粒体疾病临床表现的异质性意味着这些疾病的诊断和治疗都极其困难。除了对组织活检进行组织化学和生化分析外，诊断通常还依赖于基因检测。线粒体疾病患者的管理包括降低并发症发生率和死亡率的策略、器官特异性并发症的早期治疗以及可能的干预策略。 近年，在对线粒体疾病的分子基础及其遗传病因的理解方面已经取得了相当大的进展。此外，下一代测序（NGS）技术已经改变了对由nDNA突变引起的线粒体疾病的诊断，并且对于某些条件，已经将诊断成功率从<20%增加到> 60%。然而，只有在对患者进行细致的临床和生化特征分析后，才有可能做到这一点。 在过去的十年里，线粒体疾病取得了显著进展，一些科学进展直接影响了患者诊治。然而，线粒体疾病仍有一些具有挑战性的方面，将继续是主要的研究重点。 疾病的新机制考虑到线粒体疾病的疾病谱，经常被引用的理念“线粒体疾病可在任何年龄和任何组织系统中表现出来/ mitochondrial diseases manifest at any age and in any tissue system”无疑是正确的，但是疾病的特定实体可能在特定年龄和组织中表现出来，其方式不能完全基于ATP缺乏来解释。确定导致疾病表现异常多变性和组织特异性的分子机制仍然具有挑战性。 下一代测序【Sci. Transl Med. 4, 118ra10 (2012)】已经能够在越来越多的线粒体疾病患者中鉴定潜在的遗传缺陷。在大型国际协作数据库(例如，线粒体疾病序列数据资源)中，患者基因型和表型的真正比较第一次成为可能【Mol. Genet. Metab. 114, 388–396(2015).】。这些数据仓库是理解不同疾病自然史的先决条件。此外，由于单个疾病实体的患者数量有限，因此这些数据对于临床试验的患者国际协作采集非常宝贵。然而，很明显，导致线粒体疾病的遗传缺陷并不能解释为什么具有非常相似任务的蛋白质的缺陷，或单个基因中的相同突变，可以导致大量非重叠的临床表型。 另外，原发性线粒体疾病病理生理学的详细知识可能与继发性线粒体功能障碍的常见疾病相关。这包括帕金森病等疾病【Nat. Genet. 38, 515–517 (2006)】，包涵体肌炎【Neurology 66, S49–S55(2006)】，甚至肥胖【PLoS Med. 5, e51 (2008)】。 组织特异性
这些临床表现表明，组织类型决定了mtDNA维持缺陷的易感性，给定组织对特定缺陷的易感性随患者年龄而变化。由于所有组织都需要mtDNA维持，因此发现mtDNA维持缺陷通常存在于有丝分裂后组织中，而不存在于经历恒定细胞分裂和DNA合成的细胞类型(如造血系统、肠道或皮肤)中令人惊讶。细胞内dNTP水平高度不对称，有丝分裂后组织中的水平比增殖细胞中低1000倍，表明分裂细胞中高水平的dNTP可以补偿mtDNA复制酶的功能缺陷。dNTPs(或单一辅因子或代谢产物)的细胞类型特异性可用性可能会导致疾病的组织特异性表现【PLoS Genet. 7, e1002035 (2011).；Cell Metab. 23, 635–648(2016)；Hum. Mol. Genet. 23, 2459–2467 (2014)】。实际上，通过核苷酸补充治疗mtDNA衰竭已经获得了第一批有希望的结果【Hum. Mol. Genet. 23, 2459–2467 (2014)】。 线粒体翻译缺陷在线粒体疾病发病机制中的重要性已变得越来越明显，除mtDNA编码的tRNAs和rRNAs之外，下一代测序方法还揭示了核编码的有丝分裂核糖体蛋白和翻译因子的突变【Sci. Transl Med. 4, 118ra10 (2012)】。这组疾病表现出最大的表型差异，特别是在由编码氨酰基-tRNA合成酶和线粒体tRNA的基因突变引起的线粒体疾病中【EMBO Mol. Med. 6, 155–157 (2014)】。临床表型可变性的原因尚不清楚，因为这些蛋白唯一确定的功能是支持由13个mtDNA编码的氧化磷酸化亚单位编码的蛋白的合成。已经明确的是，mtDNA翻译的严重缺陷表现为围产期或早期婴儿快速进行性、肥厚性心肌病，表明在出生前后立即对功能性线粒体翻译机制有绝对需求。很少有患者能幸免于这种严重的心脏病，但在存活的患者中，大多数在6岁左右表现出心脏状况的自发稳定，但随后可能会发展为脑部疾病。这些观察结果表明，心脏代谢经历出生后代谢成熟，即使线粒体翻译机制功能不良，也存在支持心脏功能的代偿机制。了解使代谢缺陷互补的代偿机制可以揭示新治疗的线索。 细胞器之外。 线粒体疾病领域仍主要集中于研究线粒体特定缺陷对呼吸链和ATP合成的影响，例如细胞器内的营养分解代谢。然而，线粒体具有主要的合成代谢功能，并通过辅因子(如NAD+/NADH、NADP/NADPH、氧自由基、AMP/ATP和钙)在整个细胞中微调营养信号【Nature 491, 374–383 (2012)】。Krebs循环和线粒体叶酸循环为主要的细胞合成代谢生物合成途径提供代谢产物和辅因子，有助于例如细胞dNTP代谢、谷胱甘肽生物合成和甲基化反应(如肌酸和磷脂合成以及基因组甲基化)【Nat. Rev. Cancer 13, 572–583 (2013)】。生物合成途径高度依赖于细胞类型，因此可能会以不同方式影响特定细胞。例如，γ-氨基丁酸(GABA)能神经元和红细胞前体均利用Krebs循环代谢产物进行生物合成反应，即分别合成GABA和血红素。这些Krebs循环代谢产物并不局限于成纤维细胞，因为这些细胞中不会产生类似的大规模GABA或血红素，从而使成纤维细胞不易受这些代谢产物缺乏的影响。线粒体功能障碍是否会改变合成代谢生物合成和分解代谢能量代谢之间的平衡是一个有趣的可能性，为疾病的组织特异性提供了潜在机制，并为新的补充策略铺平了道路。 正常的组织代谢会产生呼吸抑制剂，从而引入潜在的代谢反馈机制来平衡线粒体呼吸和生物合成反应。这些物质的通量下降或分解会导致线粒体功能障碍和疾病【Nat. Med. 15, 200–205 (2009)】。这种由代谢产物通量直接协调的反馈系统可能是转录和翻译后调节的平行调节机制，但仍相对缺乏特征。例如，由半胱氨酸代谢产生的硫化氢是复合物IV的有效抑制剂【Nat. Med. 15, 200–205 (2009)】。此外，甲酸盐/ formate是线粒体叶酸循环的产物，是线粒体呼吸的强抑制剂【Biochem. Biophys. Res. Commun. 67, 610–616 (1975)】。 饮食干预和补充剂 代谢损伤，例如营养状况和运动，已被证明不仅会引发局部病理，还会引发不同的细胞非自主反应。这些反应由代谢产物、代谢性细胞因子和激素样分子介导，它们具有改变疾病进展的潜力，因此可能与治疗相关【Science 350, aad0116 (2015)】。到目前为止，在复合体I缺陷的儿童中使用高脂肪或生酮饮食(试图通过电子转移黄素蛋白脱氢酶-CoQ还原酶将更多电子导入呼吸链来绕过该缺陷)已显示出希望。生酮饮食的使用已经在小鼠模型中【Hum. Mol. Genet. 19, 1974–1984 (2010)；PLoS ONE 6, e28823 (2011)】和表现为癫痫的线粒体疾病的儿童【Epilepsia 48, 82–88 (2007)】显示出改善症状的功效，但仍需要进一步的工作。原发性维生素缺乏症(如叶酸缺乏症，酷似婴儿线粒体癫痫性脑病)的现有知识表明，需要早期干预以防止永久性组织损伤【Am. J. Hum. Genet. 85, 354–363 (2009)】。因此，在线粒体疾病患者的常规评估中，一线基因组分析将变得越来越重要，以实现定制的早期治疗干预。 技术未来:疾病预防物种间线粒体蛋白的高度保守性为研究人类突变的后果提供了多种不同疾病模型(从小鼠到蠕虫再到酵母)。新的基因编辑技术允许快速开发疾病模型，甚至在生理学更接近人类的大型动物如猪中也是如此【Science 339, 819–823 (2013).】。传统的敲除动物模型并不总是最佳的，因为大多数疾病相关突变蛋白显示出残留活性，并且必需线粒体蛋白的完全切割将靶向所选细胞类型导致死亡。因此，具有已在患者中鉴定出的突变(例如，点突变)的模型及其组织材料用于各种“假设生成”分析(即基因组、转录组、蛋白质组和代谢组学分析)对于揭示发病途径至关重要。此外，对野生型和突变蛋白质进行蛋白质建模，包括使用晶体结构、核磁共振以及原子级分子动力学(蛋白质功能的计算机模拟)，可能会揭示疾病机制的分子线索。新的线粒体转移方法为转移携带mtDNA突变的女性卵母细胞中的异质水平提供了可能性。这些早期治疗将补充植入前的遗传诊断，使突变mtDNA蛋白水平高的妇女能够生育后代。这些早期受精卵或卵母细胞操作技术以多快的速度传播到专业诊所的实践中还有待观察，并取决于监管批准。 新的治疗方法尽管针对MNGIE综合征和乙基丙二酸脑病等特定线粒体疾病的疗法正在出现，但对绝大多数线粒体疾病的治疗是有限的。混合营养补充剂和维生素已被广泛用于治疗线粒体疾病，但可用的稀少证据表明，这些治疗有轻度的有益效果【Cochrane Database Syst. Rev. 4, CD004426 (2012).】。更令人鼓舞的数据来自有氧运动训练的研究，这些研究表明，由于久坐行为的影响发生逆转，mtDNA突变患者的运动能力和生活质量有所改善【Brain 129, 3391–3401 (2006)；Med. Sci. Sports Exerc. 37, 2094–2101 (2005)】。然而，因当前有效方法的缺乏，显然需要新的治疗方法【Cochrane Database Syst. Rev. 4, CD004426 (2012)】；幸运的是很多科学家正在致力于开发。 线粒体增殖 尽管线粒体增殖是增强线粒体生物发生的补偿性尝试【Curr. Pharm. Des. 20, 5574–5593 (2014)】，可能通过激活过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)、AMP激活蛋白激酶(AMPK)或PPARγ共激活剂1α (PGC1α)依赖性途径来改进这一策略。尽管线粒体疾病诱导的线粒体增殖有利于突变的mtDNAs (可观察到为骨骼肌中的碎片红色纤维)，但线粒体生物合成的药理学上调会增加突变和野生型mtDNAs的数量，从而使野生型基因组能够补偿突变基因组。使用PPAR激动剂(苯扎贝特) 或AMPK激动剂(5-氨基咪唑-4-甲酰胺核糖核苷酸(AICAR))，在复合体IV缺陷性肌病和mtDNA维持性肌病的小鼠中获得了改善的表型【Hum. Mol. Genet. 21, 526–535 (2012)；Cell Metab. 8, 249–256 (2008)】，但在一些模型中，苯扎贝特已被证明是无效的【Cell Metab. 14, 80–90 (2011)】。烟酰胺核糖苷(一种维生素B3前体)和聚(ADP-核糖)聚合酶已显示出通过提高NAD+水平在线粒体疾病小鼠模型中是有益的，NAD+激活NAD依赖性蛋白脱乙酰酶sirtuin 1介导的线粒体生物合成【Cell Metab. 19, 1042–1049 (2014)；EMBO Mol. Med. 6, 721–731 (2014)；Cell Metab. 19, 1034–1041 (2014)】。 有丝分裂 靶向缺陷线粒体的自噬消除(称为有丝分裂吞噬)提供了另一种转移异质mtDNA突变水平的方法【Hum. Mol. Genet. 21, 978–990 (2012)】。通过雷帕霉素复合物(mTORC)抑制剂雷帕霉素的机制靶标增加有丝分裂吞噬是一种有希望的方法，尽管在Ndufs4/(编码NADH脱氢酶铁-硫蛋白4，线粒体)小鼠(缺少复合物I的NDU fs4亚单位，可用于模拟Leigh综合征)中，雷帕霉素治疗改善了神经变性和提高了存活率，但未增强复合物I的活性，这表明存在未知的替代作用机制【Science 342, 1524–1528 (2013)】。 缺氧 另一个有趣、令人惊讶、有希望的治疗方法来自一项测试大规模CRISPR-Cas9介导的全基因组敲除筛选的研究【Science 352, 54–61 (2016)/ 这篇具有里程碑意义的论文显示了缺氧对线粒体功能障碍的强大抑制作用，表明缺氧反应可能是一种有效的治疗策略】。改善线粒体疾病的最有效遗传策略是抑制冯·希佩尔-林道(von Hippel-Lindau)疾病抑癌基因，这是低氧反应途径中的一个关键调节因子。后续实验显示，慢性轻度缺氧环境(由11%氧气组成)可延长Ndufs4小鼠的寿命。此外，疾病进展的几个指标(如体重和体温的维持)得到改善，同时运动功能显著恢复。这些实验是否会导致新的治疗方法仍不确定，但强调了用于研究线粒体疾病治疗新疗法的不同实验方法。 分子旁路 对于胸苷激酶2、线粒体(Tk2)缺陷(如前所述，导致dNTP池失衡)引起的mtDNA耗竭，在使用脱氧核苷酸胸苷和胞苷单磷酸(dTMP和dCMP)进行药理学分子旁路治疗的TK2突变小鼠(Tk2 p.H122N敲入小鼠)中获得了有希望的结果【EMBO Mol. Med. 6, 1016–1027 (2014)】。与未治疗的突变小鼠相比，使用dNTPs治疗后，观察到这些小鼠的生化和临床表型出现明显的剂量依赖性改善，寿命延长两倍至三倍。dTMP和dCMP治疗的极有希望的结果出现在严重影响TK2缺陷儿童的治疗中，这些儿童的破坏性神经肌肉障碍已得到改善。 基因治疗方法 除了被誉为抗氧化剂和呼吸链增强剂的越来越多的药物之外，包括组织特异性腺相关病毒(AAV)介导的基因治疗在内的几种基因治疗正在被评估用于治疗动物和患者的线粒体疾病。已显示，线粒体靶向的锌指核酸酶和消化特异性mtDNA突变的转录激活因子样效应核酸酶(有丝分裂-TALENS)可在体外降低突变mtDNA的水平【Mol. Ther. 23, 1592–1599 (2015)；Nucleic Acids Res. 36, 3926–3938 (2008)】，并且已经防止了mtDNA单倍型在小鼠中的传播【Cell 161, 459–469 (2015)】。或许更有前景的是，有丝分裂-TALENS已有效降低哺乳动物卵母细胞中的异质水平【Cell 161, 459–469 (2015)】。这种种系异源转移的方法可能是线粒体替代技术的有效替代方法，可以防止由mtDNA缺陷引起的线粒体疾病的母体传播。 通过在关键器官中表达野生型基因来纠正突变长期以来被认为是治疗许多遗传性疾病的最终方法。AAV载体的引入为基因治疗提供了新的潜能。AAV属于细小病毒科，与人或动物的任何疾病无关，并且在细胞中长时间保持游离状态，这降低了插入突变的风险。已选择了几种具有不同细胞特异性的AAV血清型，允许特异性靶向几种器官和组织。 在线粒体疾病模型的背景下，使用嗜肝AAV2/8血清型将表达人 ETHE1wt的重组构建体靶向肝脏【EMBO Mol. Med. 4, 1008–1014 (2012).】。当注射到3周龄的 Ethe1−/−小鼠中时，与ETHE1-相关的硫双加氧酶活性在肝脏中完全恢复，从而有效清除了血流中的硫化氢。此外，这种治疗与重度复合物IV缺乏症的显著抢救、主要乙基丙二酸脑病生物标志物的校正、显著的临床改善和寿命延长有关，在未治疗动物中从几周延长到在AAV治疗的同窝动物中> 8个月。已将含有TYMP转基因的肝特异性AAV2/8载体注射到MNGIE综合征的胸苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶双敲除(Tymp−/−/Upp−/−)小鼠模型中【Mol. Ther. 22, 901–907 (2014)】。尽管Tymp−/−/Upp−/−小鼠表现出最小的临床疾病体征，但其dNTP池明显异常，与MNGIE综合征患者相似【Hum. Mol. Genet. 18, 714–722 (2009)】。静脉注射AAV2/8可使这些小鼠的血浆和组织(如肝脏、骨骼肌和大脑)中的三磷酸脱氧胞苷和三磷酸脱氧胸苷水平正常化，持续时间长达8个月。这一令人鼓舞的原理证明结果支持应用AAV2/8治疗MNGIE综合征患者。在动物模型中的这两项观察结果都表明，肝移植可能获得类似的治疗效果，肝移植是一种已经被批准用于治疗许多代谢性疾病的手术。在一例乙基丙二酸脑病患者中，成功实施了肝移植(其中肝脏由母亲捐献)，在> 8个月的时间内，疾病的生物标志物指数显著改善，神经系统和非神经系统症状明显改善。但需长期随访。MNGIE综合征2例【Brain 139, 1045–1051 (2016)】在几个月的随访期内，也经历了尸肝移植，再次具有血浆生物标志物的正常化、疾病的胃肠症状的显著改善以及体重指数和周围神经病变的轻微改善。关于肝移植治疗mtDNA衰竭综合征的利弊总结，可参阅其他文献【Liver Transpl. 20, 464–472 (2014)】。 临床试验 尽管许多新的线粒体疾病治疗方法仍在临床前开发，但已有几种疗法在积极的临床试验中接受研究【EMBO Mol. Med. 8, 311–327 (2016)】（表1)。具有实际意义的是，制药公司与学术机构合作启动了临床试验，从而加快了线粒体疾病新疗法的开发。事实上，当前，线粒体疗法的未来看起来比以往任何时候都更加光明。  内分泌代谢病疾病 @CK医学 内分泌代谢病知识架构 @CK医学 内分泌代谢病分级诊疗 @CK医学 |
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