2018年，國際頂級醫學期刊柳葉刀發表重磅綜述，闡述組學中的線粒體醫學

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線粒體是動態的生物能細胞器，其維持著基因組中大約1500個蛋白質。線粒體或核基因組中的突變會破壞細胞代謝和同質性功能。線粒體疾病是遺傳性遺傳病中最常見和最嚴重的一類，其特點是臨床、生化和遺傳異質性、診斷性失調和缺乏疾病修飾療法。隨著高通量組學技術的廣泛應用，線粒體生物學和醫學得到了很好的發展，同時也衍生出來了許多新的線粒體疾病治療方法。對生物能量和生物合成線粒體功能的新認識加快了原發性線粒體疾病的遺傳學診斷，並確定了新的線粒體病理機制和治療干預的新靶點。隨著我們進入線粒體醫學的新時代，組學技術將繼續揭示尚未解決的線粒體問題，為改善線粒體疾病患者的結果鋪平道路。

線粒體功能和障礙

線粒體是複雜的動態細胞器，其執行與細胞代謝和均質穩定有關的許多功能。通過氧化磷酸化（OXPHOS）產生細胞能量是線粒體的標誌，但線粒體在鈣穩態，caspase依賴性細胞凋亡啟動，細胞應激反應，血紅素生物合成，硫代謝和胞質蛋白降解中也起作用。線粒體的獨特特徵是線粒體DNA（mtDNA），一種來自細胞器內共生進化起源的小環狀基因組（僅編碼37種基因）.mtDNA編碼13種OXPHOS蛋白;其餘大約1500種線粒體蛋白質組蛋白質在核基因組中編碼並通過複雜的系統轉移至線粒體.

據報道，有350多個來自線粒體和核源的基因發生突變，導致線粒體疾病。這些遺傳病可定義為突變主要或繼發導致OXPHOS功能障礙或線粒體結構和功能的其他紊亂，包括線粒體超微結構紊亂、輔助性因子和維生素產生異常，或線粒體內其他代謝過程受損，包括三羧酸(TCA)循環和丙酮酸代謝。線粒體疾病表現出不均勻的表型和生化表現。這種變異，加上對線粒體病理生理學的不完全了解，使線粒體疾病面臨診斷挑戰，缺乏疾病修飾治療方法。然而，近年來，高通量組學技術-即能夠檢測生物體中多種分子成分差異的高通量技術(包括基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學和表觀基因組學)-以及複雜的生物信息學工具已經揭示了線粒體功能及其對細胞健康和疾病的貢獻的新細節。這些新技術對線粒體醫學的幾個支柱具有寶貴的價值，包括闡明線粒體結構和功能的基本方面，加強線粒體疾病的遺傳診斷，並為改善線粒體疾病的療效提供新的治療目標的見解。

組學技術對線粒體醫學的貢獻

增強對氧化磷酸化的理解

也許線粒體最具特色的功能是它被稱為細胞的「發電站」。這一替代名稱背後的基本原理是通過OXPHOS產生細胞能量。OXPHOS系統從細菌到高等真核生物都是保守的，它由五種多聚酶組成，稱為複合物I至V，以及兩個移動電子載體(輔酶Q10[CoQ 10]和細胞色素c[cyt c])。配合物I(NADH：醌氧化還原酶[CI])通過NADH氧化和CoQ 10還原作用將四個質子從線粒體膜(IMM)中泵入膜間空間(IMS)。配合物II(琥珀酸-coq氧化還原酶[CII])通過CoQ 10的還原將電子從fad依賴的源中轉移出來；然而，這種酶並不能從imm上抽運質子。配合物Ⅲ(泛醌-細胞色素c氧化還原酶[CIII])氧化還原CoQ 10，減少Cytc，釋放四個質子進入IMS。最終的電子受體是分子氧，它在複合物IV(細胞色素c氧化酶(CIV)催化的反應中接受四個電子，形成水分子。這一反應與質子轉移到IMS是耦合的。這些複合物的活性所產生的質子梯度產生了一個質子動力，由F1F0-ATP合酶(複合物V)用來將ADP磷酸化為ATP，ATP是細胞的主要能量貨幣。

線粒體維持與功能

線粒體作為信號細胞器和細胞穩態的守門人

線粒體生物學中的一個新概念是線粒體作為信使細胞器在與細胞核和其他亞細胞室的恆定通信中的作用，以滴定能量的產生和代謝產物到細胞的特定需要和營養可用性。從線粒體到細胞質的逆行信號的細節，包括ROS、線粒體膜電位、關鍵中間代謝產物、線粒體生物能（AMP/ATP）和氧化還原（NAAD+/NADH）比值、線粒體膜上的鈣通量和GasoTurmim。在生理濃度下，如硫化氫促使線粒體ROS產生，雖然最初假定是有害的，並有助於線粒體和細胞病理學，但對細胞信號轉導和基因表達的調節似乎是不可或缺的。OcLee，H2O2和其他ROS微調線粒體形態，通過改變裂變的平衡（碎片線粒體）和融合（長管線粒體）。在細胞的其他地方，線粒體H2O2通過調節激酶驅動的途徑參與調節細胞存活、自噬和細胞遷移。在生物體水平上，重要的是注意到ROS信號不同地影響不同的細胞類型。包括TCA循環、葉酸代謝和硫代謝在內的幾種融合代謝途徑的全部或部分成分。

不僅這些途徑中的酶和代謝物對它們各自的代謝功能很重要，而且這些物種也具有信號分子的多效性作用。除了產生進給OXPHOS系統的還原當量外，TCA循環具有眾多的補體作用，包括為複雜脂質、蛋白質、碳水化合物和核苷酸的生物合成提供前體。周期性中間體對乙醯半胱氨酸和α-酮戊二酸分別影響組蛋白乙醯化和去甲基化的信號作用。蛋白質琥珀醯化需要琥珀醯輔酶A，的翻譯後修飾已被提出。在健康和疾病（包括免疫功能和癌症）中有廣泛的細胞效應。此外，α-酮戊二酸：琥珀酸比值最近已被證明影響人類幹細胞分化。但應注意的是生理相關的證據。F琥珀醯化仍然是稀缺的。線粒體ATP合成受損與AMP:ATP比值的增加有關，導致AMP激活激酶（AMPK）的激活，這是一種主要的細胞生物能感測器，被認為是營養依賴信號的震源。確定AMPK磷酸化的靶點，包括線粒體裂變因子MFF，從而連接營養感測和線粒體動力學。AMPK也改變線粒體NAAD+：NADH氧化還原比，導致sirtuin介導的主轉錄輔激活子PGC1α的去乙醯化。增強其基因表達，促進線粒體生物合成。

基因組學技術在線粒體診斷中的應用

基因組學：線粒體基因組學最初的時代開始於30年前，伴隨著零星的大規模線粒體DNA重排發生在具有Leber遺傳性視神經病變（LHON）的家族中，這些患者伴有粗糙紅纖維肌病和母系遺傳性mtDNA點突變。線粒體基因組的小體積和已知序列導致大量有關新的疾病相關突變的報道，跨越線粒體DNA的幾乎每一個鹼基。在此期間，很明顯許多兒科線粒體疾病病例必然是由核基因缺陷的基礎上，間接證據表明受感染家族血親發病率增加，許多患者沒有mtDNA突變。尋找導致OXPHOS缺陷的核基因突變仍然難以捉摸，直到識別由缺乏複合物II引起的Leigh綜合征患者中的SDHA突變為止，這是唯一由核基因編碼的OXPHOS複合物。儘管有這種突破，但多數情況下的線粒體疾病仍然對基因診斷具有抗性，因為可用方法的局限性限於候選基因測序，有或沒有先前的連鎖分析或（在血緣家族情況下）純合性繪圖。

轉綠組學：WES和WGS是強有力的技術，但僅在25-50％的線粒體病患者中產生了遺傳原因.未能診斷100％病例的原因很複雜，但在確定de -novo突變，52個隱藏剪接位點缺陷，拷貝數變體，插入或缺失事件，以及在深度內含子或調控區域或難治性區域如重複序列中的突變。親子三重測序可以鑒定de novo突變，並且是在解碼發育障礙（DDD）和英國基因組100000基因組（100K）項目中有效使用的策略.最近的研究證明了整個轉錄組測序的能力使用RNA測序技術（RNAseq）優先選擇候選基因（例如那些表達減少或甚至是單等位基因表達的）並鑒定影響剪接的深層內含子變異 .RNAseq也有助於解釋由WGS鑒定的變異。例如，原發性肌肉RNA樣本的RNAseq成功鑒定了50例疑似遺傳性肌病患者中21％的遺傳缺陷，這些患者的診斷已經對WES和WGS有抗藥性.該研究強調了在未解決的病例中研究臨床相關組織的重要性。然而，由於許多線粒體疾病基因是管家基因，它們廣泛表達，包括在培養的皮膚成纖維細胞中。因此，Kremer及其合作者在培養的皮膚成纖維細胞中成功地使用了RNAseq來診斷10％的48例疑似線粒體疾病的患者，後者在WES後未被診斷 .RNAseq確實存在挑戰，受到批次影響並需要強大的方法學和過濾因為它依賴於在被調查的組織中表達的目的基因，對於在成纖維細胞中不表達的基因以及在受影響的組織不能被表達的基因（腦，心臟）中，重編程的iPS細胞的RNAseq可能是有希望的方法。

蛋白組學：最近被納入線粒體診斷設備的另一種工具是定量蛋白質組學。在對所有大約1500個預測的人類線粒體蛋白進行編目時，正在取得進展，最近在釀酒酵母和人類細胞中研究了線粒體蛋白質組的線粒體定位。此外，基於質譜交聯相互作用組分析已被用於研究線粒體蛋白的許多相互作用，並將C17orf89（NDUFAF8）鑒定為Leigh綜合征患者突變的新型複合物I裝配因子。所有這些信息都是無價的在鑒定新的線粒體疾病的疾病基因時，可能有助於解決WES或WGS後未確診的25-50％的病例。

代謝組學：幾十年來一直在尋找線粒體疾病的生物標誌物和治療目標。線粒體疾病最初的生化標誌物，如乳酸和丙酮酸，敏感性低，特異性低。質譜代謝組學可對生物樣品中的數千個小分子進行全面、系統的分析，是尋找線粒體疾病難以捉摸的理想生物標誌物或藥物靶標的最新技術。代謝組學可用於分析線粒體功能障礙的眾多下游效應，包括氧化應激、NAD/NADH氧化還原失衡和能量缺乏在全球範圍內的後果。

新的線粒體疾病機制

對線粒體疾病病理學的支持機制知之甚少。然而，近年來，使用組學技術來闡明新的病理生理學線粒體機制已經導致令人興奮並且經常出乎意料的發展。由於OXPHOS無效而產生的生物能量缺乏是解釋線粒體疾病病理生理學的起點，對於影響OXPHOS成分突變的患者更是如此。然而，未能在體外和體內檢測到ATP缺陷已經表明能量缺陷不能完全解釋線粒體疾病的病理生理學。其他假定的線粒體病理機制包括增加的ROS產生（或減少的抗氧化劑保護），線粒體膜電位損失，線粒體鈣處理受損，

線粒體疾病可能由具有已知作用的蛋白質突變引起，包括OXPHOS結構亞基和組裝因子，線粒體DNA維持，線粒體翻譯，線粒體脂質和線粒體動力學。相反，數十種線粒體疾病突變影響功能未確定的蛋白質。闡明這些未表徵的蛋白質的活性為線粒體病理生理學提供了有價值的見解，並且已經通過非目標全局分析得到了實質性的促進。線粒體蛋白質 - 蛋白質相互作用的一項新的生物素化親近測定的調查使功能理解的修改線粒體載體蛋白SLC25A46，突變與Leigh綜合征和視神經萎縮。這些研究在幾個生理過程包括線粒體動力學牽連SLC25A46，由於患者細胞中觀察到的線粒體hyperfused表型。SLC25A46的識別結合伴侶提出了其他作用，包括作為線粒體接觸位點和嵴組織系統（MICOS）的一個組成部分，一個負責連接嵴連接到IMM的蛋白質複合物，以及通過與內質相互作用的線粒體脂質穩定性（EMC），它負責磷脂從內質網（細胞磷脂合成位點）轉移到線粒體。這些過程中的缺陷有助於擾亂線粒體超微結構，改變線粒體DNA的遺傳和功能失調的OXPHOS。在具有QIL1MICOS亞基突變的患者中已經觀察到類似的病理學和神經表型

發展中的線粒體療法

基因治療

遺傳途徑治療線粒體疾病也可以分為兩組 - 針對mtDNA，和那些旨在糾正核基因缺陷。由於mtDNA特有的特徵，即高拷貝數導致異質性現象（不同細胞中不同比例的突變型和野生型mtDNA共存），獨特的遺傳密碼和獨特的母系遺傳，需要不同的策略。

線粒體基因組編輯

對於異質性mtDNA突變，選擇性破壞突變序列的基因組編輯是一種有吸引力的選擇，並且已經使用日益複雜的工具超過15年來追求。初步的原理證明研究表明限制性核酸內切酶可以選擇性地破壞突變的mtDNA，使野生型基因組完整無損。隨後的研究中使用鋅指核酸酶和線粒體的TALEN以限制性內切酶定位到線粒體，最初是在線粒體病的細胞模型以及最近在整體動物。 CRISPR-Cas9基因編輯在技術上在對線粒體DNA上的應用，會因為RNA進入線粒體的問題而變得非常棘手。

內容為【iNature】公眾號原創，歡迎轉載

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