线粒体DNA点突变m.10191 T>C通过复合物I功能失调引发代谢重塑的多因素致病机制研究

本研究深入解析了线粒体DNA突变m.10191 T>C（ND3S45P）导致Leigh综合征的分子机制。发现突变虽保留30-40%复合物I（CI）活性，却引发NADH/NAD+比率激增和氧耗骤减，首次揭示其通过降低A/D转换能垒（~20 kJ?mol?1）导致CI功能关闭，提出"复合物I调控失常"是致病核心而非单纯活性缺失。

　　

Highlight

Mutation ND3^S45P hardly affects complex I abundance but impairs catalytic activity and inhibitor binding

突变ND3^S45P几乎不影响复合物I丰度但显著损害催化活性与抑制剂结合

我们首先在源自143B ρ0细胞且携带m.10191 T>C突变的人类胞质杂交细胞（cybrids）中分析了ND3^S45P突变对复合物I稳定性和功能的直接影响，并以含100%野生型线粒体DNA的胞质杂交细胞作为对照。使用纯合突变细胞系使我们能够分析同质化的修饰后复合物I，并直接比较突变的生化影响。

通过线粒体复合体组分析（complexome profiling）发现，突变细胞中线粒体复合物I的丰度与对照组相当（图1A）。然而，突变型复合物I的催化活性降低了60-70%（图1B），且与疏水性醌类似物鱼藤酮（rotenone）的结合亲和力显著下降（图1C）。这些结果表明，虽然突变不影响复合物I的结构组装，但直接破坏了其催化核心的功能。

Discussion

为深入理解遗传性线粒体疾病的致病机制，我们探索了严重致病性线粒体突变与其异质性患者表型之间未被揭示的关联。从分子缺陷出发，我们逐步分析了其对受影响酶、催化机制、线粒体功能完整性及全系统代谢网络的多层次影响。

我们发现，尽管ND3^S45P突变保留了相当水平的复合物I活性和氧化磷酸化能力，完整突变细胞却表现出极低的耗氧量和急剧升高的NADH/NAD⁺比率。关键突破在于发现突变使复合物I的活性/失活（A/D）转换能垒降低了约20 kJ?mol^?1，这表明复合物I可能被未知调控通路的功能失常所关闭。

通过对胞质杂交细胞、患者成纤维细胞和肌肉活检的全面线粒体复合体组分析，我们排除了其他导致NADH累积的因素。这些复合体组数据集为后续发现调控复合物I的附加因子提供了丰富资源。我们提出，复合物I的调控失常是导致NADH累积和ND3^S45P突变引发严重表型的主要元凶。

Conclusion

本研究通过多维度分析揭示了致病性mtDNA点突变m.10191 T>C的机制图谱：它不仅直接损害复合物I催化功能，更通过降低A/D转换能垒触发调控通路失常，导致代谢重塑和NADH过度累积。这一发现为理解线粒体疾病中基因型-表型关联提供了新范式，强调调控机制破坏可能比单纯酶活性缺失更具致病性。