《Seizure: European Journal of Epilepsy》：Mitochondrial complex assembly in epilepsy of primary mitochondrial disease origin
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线粒体氧化磷酸化系统基因突变与癫痫关联性研究综述。本文系统分析复杂I-V及编码/组装相关基因突变导致癫痫的临床与实验证据，探讨线粒体能量代谢异常与神经元过度兴奋的分子机制，提出整合多组学数据与新型细胞模型的未来研究方向。
Gavin P. McStay
利物浦约翰摩尔斯大学药学与生物分子科学学院，Byrom Street，利物浦，默西塞德郡，L3 3AF，英国
摘要
原发性线粒体疾病是由线粒体氧化磷酸化系统表达、功能或组装所需基因的突变引起的。原发性线粒体疾病的病理表现多样，其中一部分与癫痫和发作有关。在线粒体氧化磷酸化系统的5个复合体中，无论是结构亚基还是组装因子，以及线粒体编码的蛋白质合成机制成分中都发现了突变。本综述将重点介绍在临床病例研究中发现的与癫痫和发作相关的突变，并包括使用细胞系统和其他模式生物进行的研究，这些研究对氧化磷酸化的分子特性有更深入的探讨。然而，相关细胞中癫痫的分子原因尚未得到充分阐明。本综述指出了知识上的空白，并提出了未来研究的方向，以增进对与原发性线粒体疾病相关的癫痫分子发病机制的理解。
引言
癫痫是一种神经系统疾病，表现为无法控制的发作，包括意识丧失、感知能力下降或运动控制能力减弱，同时会影响感官、情绪和行为。发作的原因多种多样，包括遗传因素、脑损伤或发育障碍等，其具体机制尚不完全清楚。癫痫发作可以通过药物治疗，也可以通过手术或神经刺激干预来治疗。然而，由于病因的多样性，癫痫的诊断和治疗仍然具有挑战性[65]。
在细胞水平上，癫痫是由神经元活动同步过度刺激引起的。这种神经元的高活化可能是由于兴奋性神经元活动增强或抑制性神经元活动减弱所致。神经元可能因离子通道功能异常、神经递质释放或再摄取问题、胶质细胞功能障碍或线粒体功能障碍而具有致痫性[91]。本综述将重点讨论线粒体在癫痫中的作用。
神经元是大脑中的主要信号传递细胞，它们依赖神经递质进行细胞间通信，同时也需要电信号来沿细胞长度传递信号。这些细胞功能的需求对能量有很高的要求，因此神经元非常依赖线粒体的功能。线粒体功能的丧失与许多神经系统疾病有关，包括神经退行性疾病、神经肌肉疾病和神经发育障碍等。除了在线粒体能量供应中的作用外，线粒体还在细胞死亡、钙信号传导、活性氧（ROS）生成和代谢中发挥着关键作用——所有这些都对神经元功能至关重要[87]。
为了支持大脑中的神经网络，胶质细胞（如星形胶质细胞）通过维持神经元环境来促进有效的神经传递。星形胶质细胞拥有丰富的线粒体网络，其线粒体质量可与神经元相当。星形胶质细胞深度参与谷氨酸的代谢，生成谷氨酸供神经元释放，并回收大部分释放到突触间隙中的谷氨酸，以防止其过度积累。线粒体对这些方面的谷氨酸稳态至关重要。此外，线粒体还对星形胶质细胞中的钙离子和ATP稳态至关重要，如果稳态出现缺陷，将间接影响神经传递[6]。
章节摘录
线粒体在神经元细胞中的作用
线粒体的功能最近已从其最初的ATP合成作用扩展到其他方面。长期以来，线粒体在能量生产中的作用被认为是导致疾病的原因。神经元细胞需要大量的能量来进行电化学信号传导和神经传递。然而，最近发现的线粒体功能也可能影响细胞和组织的其他活动，如细胞死亡、免疫反应、发育等。
神经元细胞中的线粒体氧化磷酸化复合体组装
线粒体的功能依赖于在线粒体内膜（IMM）上生成电化学梯度，即质子动力（PMF）。这主要是通过碳基底物的氧化实现的，该氧化过程导致NADH/NAD+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）和FADH2/FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）等载体捕获电子。这些电子直接供给电子传递链（ETC），并通过一系列电子传递过程传递。
导致癫痫的复合体I组装缺陷
复合体I（NADH:泛醌氧化还原酶）是OXPHOS系统中最大的复合体，最终形成的酶中含有大约47个结构亚基。这个多亚基酶由3个主要功能模块组成：N模块（NADH脱氢酶）从NADH接受电子，并将其传递给一系列Fe-S簇和黄素单核苷酸（FMN）辅因子，然后传递给Q模块，后者负责将电子传递给氧化型辅酶Q10。
与癫痫相关的线粒体编码复合体I基因突变
MT-ND1位于P模块中，与Q模块相互作用。2009年首次报道了一例10个月大的婴儿患有线粒体脑肌病并伴有强直性发作和呼吸及代谢障碍的病例，该病例中MT-ND1发生突变。研究发现肌肉和成纤维细胞中的复合体I活性降低。突变类型为3688G>A，导致 Alanine 被 Threonine 取代。
与癫痫相关的复合体I核编码基因突变
NDUFA1是复合体I P模块中的一个结构亚基，由核基因组编码。一名9岁患者患有癫痫，同时伴有行走和语言能力发育迟缓，其NDUFA1亚基发生突变。251G>C 的替换导致该高度保守位置上的 Arginine 被 Serine 取代。
复合体I组装因子
NDUFAF2是一种组装因子，负责将复合体I的N模块和Q模块连接在一起。它在NUDFS4和NDUFA12缺失的情况下，能够稳定包含NDUFS1和NDUFV1的830 kDa复合体[1]。一名携带NDUFAF2突变的女性患者，其肌肉和成纤维细胞中的复合体I NADH:泛醌还原酶活性降低。该患者的突变发生在ATG -> TTG位点，导致Leucine被替换为Treonine。
与癫痫相关的复合体II结构亚基和组装因子突变
琥珀酸脱氢酶（复合体II）负责FADH2的氧化，并将电子从柠檬酸循环和脂肪酸的β氧化过程中传递到电子传递链（ETC）。电子由FAD、Fe-S簇和血红素等辅因子携带至移动电子载体辅酶Q10。SDH是一种四聚体酶，所有亚基均由核基因组编码。
复合体III（泛醌：细胞色素c氧化还原酶）将电子从辅酶Q传递给细胞色素c，并同时转运质子。它是一个由11个亚基组成的多亚基蛋白复合体，需要多个组装因子才能正确形成。该复合体含有两种血红素辅基，即血红素b和c1。线粒体编码的MT-CYTB亚基和某些组装因子的突变与癫痫相关。
细胞色素c氧化酶（复合体IV）是电子传递链的最终电子受体。来自细胞色素c的电子通过一系列血红素和铜辅因子传递，最终将分子氧还原为水。复合体IV由13个亚基组成，其中3个来自线粒体基因组，其余10个来自核基因组。3个线粒体亚基是复合体IV的催化位点，MT-CO1和MT-CO2亚基含有血红素和铜基团。
与癫痫相关的复合体IV结构亚基基因突变
COX6B1是一种广泛表达的核编码亚基，位于复合体IV的IMM面上，被认为能稳定复合体IV二聚体并参与细胞色素c结合位点的形成[118]。最新研究表明，COX6B1对于MT-COII模块早期中间体的组装是必需的[26]。最近的一份临床报告指出，一名7岁男孩因COX6B1突变而出现癫痫症状。
与癫痫相关的复合体IV组装因子基因突变
富含Leucine的PPRRC基序蛋白LRPPRC调节线粒体编码RNA转录本的基因表达。LRPPRC最初被确定为魁北克Leigh综合征的致病基因，导致大脑和肝脏中COX缺乏，从而引发严重的Leigh综合征和类似癫痫的症状。虽然未直接检测到突变，但观察到大脑和肝脏中的COX水平降低了50%。
复合体V的结构和组装
F1FO-ATP合成酶（复合体V）是OXPHOS系统的最终组成部分，负责将质子转移以生成ATP。复合体V由3个模块组成：柄部/定子、转子和环状结构，它们通过机械方式将电化学能量转化为ATP中的高能键。FO复合体在IMM中充当质子通道。复合体V也遵循模块化生物合成途径，每个模块独立组装后最终结合形成完整结构。
与线粒体编码基因相关的突变
MT-ATP6基因位于线粒体基因组上，作为FO复合体的一部分嵌入IMM中。已发现多种致病变异，这些突变与癫痫有关。首个描述的突变发生在具有多种癫痫形式的家族中，其中MT-ATP6在核苷酸位置8993处发生突变，导致Thymine被Guanine取代。
与癫痫相关的复合体V核编码结构基因突变
ATP5F1A编码α亚基，存在于F1复合体中，与β亚基共同组成六聚体环。一名13天大的婴儿的ATP5F1A发生突变，导致第207位氨基酸从Arginine变为Histidine，影响了α和β亚基之间的相互作用，从而导致ATP5F1A蛋白表达降低和ATP合成酶组装异常。该婴儿在喂食后出现癫痫发作。
与癫痫相关的复合体V组装因子突变
ATPAF2（原名ATP12）是F1复合体的组装因子之一。该突变导致骨骼肌、肝脏和成纤维细胞中的ATP合成酶组装和活性下降。突变发生在第94位氨基酸处，将Tryptophan替换为Arginine。这名患者出生时有发育问题和畸形特征，14个月时死亡。
影响线粒体基因翻译的突变
线粒体DNA编码20种tRNA，这些tRNA参与线粒体编码蛋白质的翻译。线粒体tRNA需要正确折叠、转录后修饰，并在适当时间与核糖体结合。许多线粒体疾病和癫痫相关疾病都是由线粒体tRNA突变引起的[98]。
结论
迄今为止报道的与线粒体疾病相关的癫痫类型在临床表现和严重程度上存在很大差异。这是由于人类群体和患者中线粒体功能和性质的巨大变异所致。线粒体背景、异质性、应激因素暴露以及其他潜在遗传因素都会影响最终疾病的临床表现。大多数研究基于临床病例进行诊断。
未引用的参考文献
[28]
本文的撰写得到了利物浦约翰摩尔斯大学的资助。
