神经系统线粒体疾病

线粒体能量输出缺陷可导致一组人类疾病的发生，而神经系统症状是线粒体疾病最常见的临床表现。

线粒体是1850年发现的，1898年命名。线粒体由两层膜包被,外膜平滑,内膜向内折叠形成嵴,两层膜之间有腔,线粒体中央是基质。基质内含有与三羧酸循环所需的全部酶类,内膜上具有呼吸链酶系及ATP酶复合体。线粒体是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所,有细胞“动力工厂”之称。

呼吸链是由一系列电子载体构成的，从NADH或FADH2向氧传递电子的系统，嵌入在线粒体内膜中，由5个酶复合体（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）及2种可移动电子载体辅酶Q和细胞色素C组成。呼吸链的形成受到两个分离的遗传系统核基因组和线粒体基因组（mtDNA）的调控，而呼吸链5个复合体中的4个（Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）同时含有核性编码及mtDNA编码的多肽。呼吸链中两个密切相关的功能电子传递和质子泵是由位于双层脂质膜上的超分子结构，包含4个复合体（Ⅰ—Ⅳ）的线粒体电子传递链（mETC）完成的。在人类，复合体Ⅰ即还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）辅酶Q氧化还原酶复合体，由NADH脱氢酶（一种以FMN为辅基的黄素蛋白）和一系列铁硫蛋白（铁—硫中心）组成。它从NADH得到两个电子，经铁硫蛋白传递给辅酶Q。铁硫蛋白含有非血红素铁和酸不稳定硫，其铁与肽类半胱氨酸的硫原子配位结合。铁的价态变化使电子从还原型黄素单核苷酸（FMNH2）转移到辅酶Q。复合体Ⅱ由琥珀酸脱氢酶（一种以FAD为辅基的黄素蛋白）和一种铁硫蛋白组成，将从琥珀酸得到的电子传递给辅酶Q。复合体Ⅲ是辅酶Q—细胞色素C氧化还原酶复合体，是细胞色素和铁硫蛋白的复合体，把来自辅酶Q的电子，依次传递给结合在线粒体内膜外表面的细胞色素C。辅酶Q是呼吸链中唯一的非蛋白氧化还原载体，可在膜中迅速移动。它在电子传递链中处于中心地位，可接受各种黄素酶类脱下的氢。细胞色素类都以血红素为辅基，将电子从辅酶Q传递到氧，根据吸收光谱，可分为三类：a,b,c。呼吸链中至少有5种：b、c1、c、a、a3(按电子传递顺序)。从a传递到a3的是两个铜原子，有价态变化。复合体IV是细胞色素C氧化酶复合体，将电子传递给氧。

线粒体呼吸链的另外一个功能是从二磷酸腺苷（ADP）合成三磷酸腺苷（ATP），这个过程是由复合体Ⅴ或ATP合成酶完成的。实际上，通过线粒体电子传递链的电子传递与ATP的生成是同时发生，密不可分的。作为质子泵的呼吸链，能够形成质子梯度和跨越线粒体内膜的约180mV的膜电位，质子梯度被ATP合成酶利用来磷酸化基质内的ADP；反之，这一过程导致的质子梯度变化又会激活电子传递等呼吸功能。

需要注意的是，线粒体能量的产生不仅需要线粒体内膜上完整组装的功能蛋白的存在，同时需要根据组织不同的能量需求来调节能量产生的核基因组与线粒体基因组间双向信息的流动。因此，mtDNA基因的缺陷如基因组成、大规模的重组、异质性点突变，核基因的缺陷，以及调控mtDNA稳定性、编码呼吸链蛋白质亚单位或呼吸链复合体组装、线粒体非蛋白结构等基因的变异均可导致各种与氧化磷酸化异常相关的线粒体疾病（表1，2）。

正是由于线粒体基因和生物化学的复杂性，临床上也表现出不同的异质性，可以表现为单一组织或结构损害如Leber氏遗传性视神经病（LHON）或耳聋，也可以表现多组织结构受累，如肌病、脑肌病、心脏病或其它复杂的多系统症状。这些组织常常需要更多的氧化代谢提供的能量供应，中枢神经和周围神经系统、骨骼肌、心肌、视网膜，以及胰腺、肾脏和肝脏更易感于线粒体功能的变化，即使是相对小的基因变异也可以导致疾病的产生。

神经系统线粒体疾病的发生波及新生儿到成年的各个年龄段，发病年龄和症状表现与变异基因的数量以及在不同组织的分布相关联。

儿童患者常见的特征如严重精神运动发育迟缓、全面性肌张力不全、乳酸酸中毒和呼吸循环衰竭等，临床上表现为致死性多系统症状、脑肌病、骨骼肌肌病或合并心肌病。亚急性坏死性脑脊髓病，又称为Leigh综合症，是婴幼儿最具特征性的早发性线粒体脑病。受累患儿表现为重度精神运动发育迟缓、小脑损害和锥体束征、肌张力不全、抽搐、呼吸异常、眼肌运动不协调以及频发的呕吐。尸检及核磁共振（MRI）显示脑干、丘脑和脊髓后索对称性的局灶损害。

成人患者则更多的表现为肌病，同时伴随不同的中枢神经系统症状如共济失调、听力丧失、癫痫、多神经病、色素性视网膜病，以及少见的运动障碍疾病。一些患者仅仅主诉肌力减弱、萎缩或者运动耐受力的下降。其中的一些线粒体疾病具有特征性的形态学和生物化学的标志，最常见的形态学表现可能是所谓的“破碎红纤维（RRF）”，即由于肌肉肉膜下线粒体的异常堆积所致。通过线粒体呼吸链特异性酶—琥珀酸脱氢酶的染色，可以观察到肌肉肉膜下密集的阳性反应，另外还可在肌肉纤维发现COX（呼吸链复合体Ⅳ）组织化学染色的缺失现象。

线粒体在对兴奋性细胞毒性的调控、维持细胞内钙离子的稳态环境、活性氧簇的生成以及凋亡等过程中的作用，还使之与帕金森病（PD）、阿尔采默氏病（AD）、肌萎缩侧索硬化等神经变性疾病的病理发生密切相关，成为近年来神经科学研究的一个热点。

然而，目前还缺少更多的手段确定导致线粒体疾病发生的责任基因的异常，也存在着生物化学、形态学等检测方法的不足，从而使神经系统线粒体疾病的诊断比较困难。神经系统线粒体疾病的诊断首先依赖于仔细的临床评价，一些实验室的检测有助于线粒体疾病的诊断：

1.血浆乳酸水平的检测 乳酸水平的增高应可疑线粒体疾病的可能；

2.乳酸／丙酮酸比值 呼吸链病变时，比值常常高于25︰1；

3.肌酸激酶（CK）水平 可以正常和轻度升高，而在与mtDNA缺失相关的肌病患者中，CK可以高于1000IU；

4.核磁共振波谱检查（MRS） 可用于脑内乳酸水平的检测，以及肌肉在静态、运动时和运动恢复后磷酸肌酸／无机磷酸盐比值的测定，线粒体功能缺失患者在静态时的比值较低，运动时比值进一步下降，恢复期则较慢的恢复到基线水平。

需要指出的是，以上的检查手段并不能作为明确确诊线粒体疾病的特异指标，同时如果缺少这些变化，也不足以排除临床上可疑的诊断。线粒体疾病的诊断有赖于临床症状的识别、相关生物化学检测、组织病理学检查，特别是基因学方法等的综合指标加以诊断。

近年来，围绕着神经系统变性疾病如帕金森病，“线粒体治疗（mitochondrial therapy）”的概念已成为广受关注的新的治疗手段。辅酶Q10（CoQ10）作为线粒体复合物Ⅰ、Ⅱ之间的电子转运体，以及影响线粒体去极化等功能而具有自然的抗氧化作用。已经发现帕金森病患者线粒体CoQ10水平较之正常对照组下降，在啮齿类和哺乳类动物实验中也发现应用CoQ10能够抑制百草枯（除草剂）引发的氧化应激反应，减少鱼藤酮（杀虫药）导致的多巴胺能神经元的丢失，以及急、慢性MPTP所致的多巴胺神经元死亡。初步的临床药物试验证实每天应用1200mg的CoQ10可以延缓帕金森病的进展，一项设计了安慰剂对照组以及每天摄入1200mg或2400mg CoQ10观察帕金森病治疗效果的三期临床药物试验正在进行中。肌酸、雷沙吉兰等药物由于其稳定线粒体膜电位等多重功效也受到临床上的关注。

表1 常见mtDNA基因缺陷引发的线粒体疾病

散发性重组

Kearns-Sayre 综合症（KSS）

Pearson综合症

散发性慢性进行性眼外肌麻痹（CPEO）

糖尿病和耳聋

散发性点突变

CPEO

线粒体脑病伴乳酸酸中毒和卒中样发作（MELAS）

运动耐受力下降

肌病

母系遗传性重组

CPEO

多系统综合症

母系遗传性mtDNA点突变

编码结构蛋白基因的点突变

Leber遗传性视神经病

周围神经病、共济失调和视网膜色素沉着综合症（NARP）

Leigh综合症

编码tRNAs基因的点突变

MELAS

肌阵挛发作伴破碎红纤维（MERRF）

心肌肌病伴肌病（MIMyCa）

CPEO

肌病

糖尿病和耳聋

感觉神经性耳聋

肥厚性心肌病

编码rRNAs基因的点突变

氨基糖甙致耳聋

肥厚性心肌病

表2 常见基因缺陷引发的线粒体疾病

编码呼吸链复合体结构蛋白的基因缺陷

Leigh 综合症

心肌病

神经节细胞瘤

多系统综合症

编码呼吸链复合体组装的基因缺陷

Leigh 综合症

多系统综合症

调节mtDNA稳定性和完整性的基因缺陷

常染色体性CPEO

早发性帕金森综合症

多系统综合症

线粒体神经胃肠性脑肌病（MNGIE）

mtDNA缺失综合症

辅酶Q10缺陷

脑肌病

伴有肾功能不全的脑肌病

共济失调

脂质缺陷

Barth综合症

线粒体核糖核酸调节缺陷导致的综合症

MLASA

线粒体翻译缺陷

MRPS16变异综合症

线粒体裂变或融合缺陷

常染色体显性遗传性视神经萎缩