ND1 3733G>C突变通过破坏线粒体动力学与自噬加重Leber遗传性视神经病变的分子机制

本研究聚焦Leber遗传性视神经病变（LHON）相关的线粒体ND1 3733G>C突变，通过构建同核异质细胞模型（cybrids）结合分子动力学模拟，首次揭示该突变通过破坏复合物I（complex I）组装、降低呼吸链活性，进而诱导线粒体分裂-融合失衡（DRP1/OPA1失调）及泛素依赖的线粒体自噬障碍（PINK1/Parkin下调），最终导致视网膜神经节细胞能量衰竭与凋亡。成果为LHON的精准干预提供了新靶点。

　　

论文解读

背景
Leber遗传性视神经病变（LHON）作为一种典型的母系遗传性致盲疾病，主要由线粒体DNA（mtDNA）突变导致视网膜神经节细胞（RGC）能量代谢衰竭。尽管已知ND1、ND4等基因突变与LHON相关，但ND1 3733G>C（p.E143Q）突变的致病机制尚不明确。该突变在中国人群LHON患者中检出率为0.17%，其如何通过破坏线粒体质量控制引发RGC变性，是亟待解决的科学问题。

研究机构与方法
浙江大学医学院研究人员通过以下关键技术展开攻关：

1. 分子动力学模拟：基于复合物I晶体结构（PDB:5XTD），分析E143Q突变对ND1蛋白构象的影响；
2. 同核异质细胞模型：将患者淋巴母细胞线粒体移植至mtDNA缺失（ρ⁰）细胞，构建遗传背景一致的突变/对照细胞系；
3. 多功能评估体系：包括蓝绿温和胶电泳（BN-PAGE）检测复合物I活性、Seahorse线粒体呼吸仪分析耗氧率（OCR）、流式细胞术定量活性氧（ROS）及线粒体自噬标志物（LC3-II/P62）。

研究结果

1. 分子病变机制

   • 结构破坏：分子动力学模拟显示E143Q突变破坏ND1中E143-S110/Y114及S141-W290的相互作用，导致ND1蛋白稳定性降低（突变细胞ND1水平降至对照的77.3%）。
   • 复合物I功能障碍：BN-PAGE证实突变细胞复合物I组装缺陷（活性降至78.5%），ATP合成减少26.7%，线粒体ROS增加25%。

2. 线粒体质量控制失衡

   • 分裂-融合失调：DRP1线粒体定位增加（+37.9%），磷酸化DRP1^Ser616上调而DRP1^Ser637下调，融合蛋白OPA1/MFN2降低（44.7%-55.3%），电镜显示碎片化线粒体增多。
   • 自噬障碍：PINK1/Parkin表达下降（42.3%-47.1%），LC3-II/Ⅰ比值降低17.1%，而泛素非依赖通路蛋白BNIP3/NIX无变化。

3. 细胞稳态崩溃

   • 凋亡加剧：细胞色素c释放增加，cleaved caspase-3/7/9水平升高（36.7%-150.5%），Annexin V阳性细胞增加25.7%。
   • 抗氧化代偿：SOD2和过氧化氢酶（Catalase）表达分别上调76.3%和59.4%，但无法逆转氧化损伤。

结论与意义
本研究首次阐明LHON相关ND1 3733G>C突变的级联致病机制：突变通过破坏ND1结构域相互作用→降低复合物I稳定性→诱发呼吸链功能障碍→驱动DRP1介导的线粒体过度分裂→抑制PINK1/Parkin依赖的线粒体自噬→最终导致RGC能量衰竭与凋亡。这一发现不仅深化了对LHON发病机制的理解，更揭示了DRP1和PINK1/Parkin通路作为潜在治疗靶点的重要性。论文发表于《Journal of Biological Chemistry》，为开发针对线粒体质量控制网络的神经保护策略提供了理论依据。

---

关键细节说明

• 技术术语保留：如ρ⁰细胞（线粒体DNA缺失细胞）、BN-PAGE（蓝绿温和胶电泳）、OCR（氧消耗率）。
• 蛋白标注：DRP1（发动蛋白相关蛋白1）、PINK1（PTEN诱导激酶1）、LC3-II（微管相关蛋白轻链3脂化形式）。
• 突变命名：m.3733G>C表示线粒体DNA第3733位点鸟嘌呤至胞嘧啶突变。
• 数据引用：所有结论均基于原文图表数据（如ND1蛋白水平下降22.7%对应图3B）。