细胞色素c氧化酶亚基I的复合物IV

细胞色素c氧化酶亚基I（CO1或MTCO1）是呼吸复合物IV的3个线粒体DNA（mtDNA）编码的亚基（MTCO1，MTCO2，MTCO3）中的1个。复合物IV位于线粒体内膜内，是线粒体氧化磷酸化电子传输链的第三个也是最后一个酶。它从还原的细胞色素c中收集电子，并将其转移到氧气中以产生水。释放的能量用于跨线粒体内膜传输质子。复合物IV由13个多肽组成。亚基I，II和III（MTCO1，MTCO2，MTCO3）由mtDNA编码，而亚基IV，Va，Vb，VIa，VIb，VIc，VIIa，VIIb，VIIc和VIII是核编码的（Kadenbach等，1983；Shoffner和Wallace，1995年）。尽管哺乳动物的IV复合物具有复杂的结构，但几种原核酶系统具有相同的催化功能，但更为简单。这些系统适合克隆和体外诱变，可进行详细的结构功能研究。两种研究透彻的系统是球形红球菌的细胞色素aa3（细胞色素c氧化酶）和大肠杆菌的细胞色素bo（泛醇氧化酶）。球形芽孢杆菌酶具有与3个哺乳动物mtDNA亚基同源的3个亚基。R. sphaeroides亚基I为62.1 kD，与牛心MTCO1相同，分别为52％和76％。子单元II与牛肉MTCO2的32.9 kD和39％相同和63％相似，与牛肉心具有30.1 kD和49％的相同和71％与牛肉心。Soret maxred = 444.5 nm（牛= 443 nm），α-bandmaxred = 606 nm（牛= 604 nm）。Hosler等，1993）。这些研究和其他研究（Capaldi，1990）已经为这种酶产生了以下功能概述。

细胞色素C氧化酶家族的酶具有4个氧化还原中心，2个血红素和2个铜中心。在线粒体复合体IV中，两个血红素分别为a和a3，两个铜为CuA和CuB。2个血红素和CuB结合到亚基I。对于球形红斑病菌亚基I和哺乳动物MTCO1，有12个跨膜的α螺旋（I至XII）。在这些螺旋中，血红素a位于螺旋II和X之间，与不变组氨酸在螺旋II的氨基酸102（MTCO1 88）和螺旋X的421（MTCO1 378）连接。螺旋X位于血红素a和血红素a3之间，其中血红素a3在不变的组氨酸的419位氨基酸处与螺旋X的另一侧结合（MTCO1 376）。血红素a3是双核中心的组成部分，其中包括CuB，并且其中的氧气被还原为水。据认为，CuB与血红素a3的铁相邻，并通过不变的组氨酸284（MTCO1 240）与螺旋VI连接，并通过不变的组氨酸333和334（MTCO1 290和291）与螺旋VII连接。氨基酸组氨酸411（MTCO1 368），天冬氨酸412（369），苏氨酸413（370）和酪氨酸414（371）出现在螺旋IX和X之间的保守环中，靠近血红素a和a3，并且可能位于位于亚基II（Hosler等，1993）。

复合物IV的亚基II与细胞色素c相互作用，并含有CuA中心。这意味着电子通过复合物IV的转移途径是从细胞色素c到CuA，再到细胞色素a，再到细胞色素a3-CuB的双核中心。人们认为电子从细胞色素a转移到双核中心是反应中的关键控制点，也是能量转换的主要点之一（Hill，1993）。

络合物IV中的质子易位涉及四个电子以还原O2和四个质子从线粒体膜的基质侧吸收形成H2O。另外四个质子从基质垂直转移到膜的细胞溶胶侧。越来越多的证据表明质子易位与双核氧（O2）结合位点上的电子转移有关，该证据已被扩展以表明质子易位与细胞色素a3上酪氨酸和组氨酸之间的近端配体交换有关（Rousseau等，1993）。）。

复合物IV的经典抑制剂的毒性是药物与这些反应位点相互作用的结果。氰化物和叠氮化物在细胞色素a3和CuB之间形成桥梁。硫氰酸盐和甲酸盐在双核中心的其他位置结合，可能在CuB处（Palmer，1993年）。

亚基III是细胞色素C氧化酶的通用组分。以前，人们认为它参与质子转运是因为二环己基碳二亚胺（DCCD）（其他系统中的质子转运抑制剂）会与亚基III的90位谷氨酸结合（Prochaska等人，1981年）。然而，最近的研究将该功能置于I亚基的双核中心。因此，III亚基的功能仍不清楚。

10个核编码的Complex IV亚基的功能才刚刚被阐明。VIa，VIIa和VIII中的三个亚基具有两种同工型，一种在心脏和骨骼肌中表达，另一种在其余组织中表达（Capaldi，1990；Lomax和Grossman，1989）。该基因的差异表达部分是差异转录的产物（Wallace，1993）。

▼ 测绘
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MTCO1由mtDNA的富含鸟嘌呤的重链（H）编码，位于核苷酸对（nps）5904和7444之间（Anderson等，1981；Wallace等，1994）。它在母体上与mtDNA一起遗传（Giles等，1980；Case和Wallace，1981）。

▼ 基因结构
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MTCO1基因包含1540 nps的连续mtDNA，该序列缺少内含子并编码单个多肽。mRNA以12-np 5-prime非翻译序列开始，然后是AUG起始密码子，即以AGA密码子作为终止密码子结尾的多肽编码序列，并通过反义tRNAser（UCN）延伸了72 nps。作为3个主要的非翻译区（Ojala等，1981；Attardi等，1982）。MTCO1基因作为多顺反子H链转录物的一部分转录，其侧翼为5末端的tRNAtyr和3末端的tRNAasp。然后将这些tRNA从转录产物游离转录本9（MTCO1的mRNA）中切除。然后将mRNA聚腺苷酸化（Anderson等，1981 ; Ojala等，1981; Attardi et al。，1982）。

▼ 基因功能
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MTCO1的预测分子量（MW）为57 kD（Anderson等，1981；Wallace等，1994）。但是，其在SDS-聚丙烯酰胺凝胶（PAGE）上的表观MW略低。使用Tris-甘氨酸缓冲液的运行速度为39.5 kD（Oliver等，1984 ; Oliver and Wallace，1982 ; Wallace等，1986），而使用磷酸脲则表观分子量为45 kD（Ching和Attardi，1982）；Hare等，1980）。

Acin-Perez等（2003年）确定了一种细胞系，该细胞系在小鼠线粒体DNA的细胞色素C氧化酶（COX）亚基I基因中包含单义和双义错义突变。当以同质体形式存在时，单个突变体显示出正常的复杂IV组装，但COX活性显着降低，而双重突变体几乎完全弥补了第一个突变的功能缺陷。作者假设有害突变会出现并占主导地位。培养的细胞可以以稳定的频率维持多种mtDNA单倍型；呼吸链的备用COX容量很少；而且动物COX的MTCO1I中val421附近的空腔大小可能会影响酶的功能。

Wisloff等（2005）假设，基于低和高内在运动能力的人工选择大鼠将产生与心血管疾病风险相反的模型。11代后，有氧运动能力低的大鼠在构成代谢综合征的心血管危险因素上得分更高。有氧能力的下降与线粒体生物发生所需的转录因子数量的减少以及骨骼肌中氧化酶的数量减少有关。Wisloff等（2005）发现PPARG（601487），PPARG coactivator-1-α（PPARGC1A; 604517），泛醇-细胞色素c氧化还原酶核心2亚基（UQCRC2; 191329）的量），细胞色素c氧化酶亚基I（MTCO1），解偶联蛋白2（UCP2; 601693）和ATP合酶H（+）转运线粒体F1复合体（F1-ATP合酶;见108729）明显减少大鼠与高容量跑步者相比。这些蛋白质的均匀下降与以下假设相一致：有氧代谢减少在低容量跑步者和高容量跑步者大鼠之间的差异发展中起因果作用。Wisloff等（2005年）得出结论，线粒体功能受损可能将适应性降低与心血管疾病和代谢性疾病联系起来。

Temperley等（2010）证明了人类的线粒体确实在预测终止MTCO1和MTND6的2个ORF的AGA和AGG密码子处调用-1移码（516006）。因此，两个ORF均以标准UAG密码子终止，因此仅需使用单个线粒体释放因子。

通过免疫印迹分析，Hayashi等（2015）显示Higd1a（618623）表达在暴露于低氧的大鼠心肌细胞中被早期诱导。免疫沉淀分析表明，Higd1a与细胞色素c氧化酶（CcO）直接相关并整合到CcO大分子复合物中，导致血红素a（CcO的活性中心）发生结构变化。抑制和过度表达分析表明，Higd1a正调控CcO活性并增加线粒体ATP的产生，从而保护心肌细胞免受缺氧的影响。

▼ 分子遗传学
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已经在所示酶的以下核苷酸位置鉴定了限制性位点多态性（其中“ +” ＝位点获得，“-” ＝相对于参考序列的位点丧失，Anderson等，1981）：Alu I：-5978， -5996，-6022，-6204，-6867，+ 7025，-7055; Ava II：+ 5984，+ 6332，+ 6581，+ 6699（或8719或8723）；Dde I：-6296，+ 6356，-6377，-7103；Hae III：-6027，-6260，+ 6425，+ 6534，+ 6618，-6957，+ 7325，+ 7347；哈哈I：-5971，+6166或6168; HinfI：-5983，-6211，+ 6610，-6871，-6931；Mbo I：-6904；Msp I：+ 6501，-6688，+ 7159；Pst I：-6910；Rsa I：+ 5985，+ 6915，-7013，+ 7241；Taq I：+6049或7854，-7335；Xba I：-7440（Wallace等，1994）。

定位于MTCO1的一个表型相关突变有助于Leber遗传性视神经病变（LHON; 535000）的病因，被命名为MTCO1 * LHON7444A（516030.0001）。

戴维斯等（1997）报道了两个线粒体基因，分别编码CO亚基I和II 的MTCO1基因和MTCO2基因（516040），似乎与迟发性阿尔茨海默病有关（见502500）；但是，他们的工作后来被撤回。在撤回之前，平野等（1997年）已经注意到，戴维斯等人使用的DNA分离方法（1997年）导致真正的mtDNA编码的COX基因和嵌入核DNA的高度相似的COX样序列（“ mtDNA假基因”）的共扩增。平野等（1997）得出结论，观察到的异质性是人工产物。华莱士等（1997）也得出了类似的结论。使用与Davis等人相同的PCR引物（1997年）从2个孤立的无mtDNA的细胞系中扩增CO1和CO2序列，他们可以从两者中扩增CO1和CO2序列，表明这些序列也存在于人的核DNA中。此外，他们发现了Davis等人发现的所有5种突变（1997年），除了32个单碱基取代，包括相邻的tRNA中的2个，以及CO2基因的2个碱基的缺失。对CO1和CO2核序列的系统进化分析表明，它们在距人类约770,000年的原始人类进化早期与现代人类mtDNA不同。

细胞色素C氧化酶（COX）的缺乏会导致儿童期和成年期临床上神经肌肉和非神经肌肉疾病的临床异质变化，并且理论上可归因于遗传方式上明显不同的核或线粒体突变（参见220110）。Parfait等（1997）对复杂IV的3个线粒体编码的COX亚基进行了测序，以测试这些基因中的致病性突变。这项研究是针对18例孤立的COX缺乏症患者进行的。他们未能检测到该系列中的任何有害突变。此外，未观察到mtDNA缺失，并且与COX转录本成熟有关的侧翼tRNA基因测序也未能检测到有害突变。他们的研究支持以下观点：致病突变不在于线粒体基因组，而在于编码COX亚基或参与复合物装配的蛋白质的核基因。结果进一步表明，可将25％的复发风险（就常染色体隐性遗传而言）用于COX缺乏症的遗传咨询。

大多数引起人类疾病的mtDNA突变都是轻度到中度有害的，但是许多随机的mtDNA突变预计会很严重。为了确定更严重的mtDNA突变的命运，Fan等人（2008年）将mtDNA包含2种影响氧化磷酸化的突变（一种轻度和一种严重）引入雌性小鼠生殖系。严重突变13885insC在ND6基因中产生了移码突变（516006）。同源时，此突变使氧化磷酸化复合物I失活。轻度突变是COI基因中的错义突变T6589C，它将421位密码子高度保守的缬氨酸转化为丙氨酸（V421A）。在同质时，此突变使氧化磷酸化复合物IV的活性降低了50％。范等（2008年）观察到严重的ND6突变在卵子发生的4代内被有选择地消除，而较轻的COI突变在多代中得以保留，即使后代持续发生线粒体肌病和心肌病。因此，范等（2008年）得出的结论是，严重的线粒体DNA突变似乎已从雌性种系中选择性清除，从而将其对种群适应性的影响降至最低。

▼ 等位基因变异体（11个示例）：
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.0001光学天文望远镜
耳聋
，由糖苷诱导的，包括的耳聋，非综合征性的感觉神经，线粒体的包括
MTCO1，LHON7444A
参见535000。该等位基因将AGA终止密码子转换为赖氨酸密码子（AAA），允许MTCO1多肽通过3个氨基酸（赖氨酸，谷氨酰胺，赖氨酸）延伸至反义tRNAser（UCN）序列中（Brown等，1992；Johns和Neufield，1993）。该突变与多肽在SDS-PAGE上的活动性受损以及患者淋巴母细胞复合物IV活性降低36％有关。高加索族mtDNA系统发生树中具有这种突变的患者（Brown等，1992）。但是，已被广泛研究的2个案例也包含其他LHON突变：一个案例是MTND1 * LHON3460A突变，另一案例是MTND6 * LHON14484A。因此，MTCO1 * LHON7444A突变可能是继发的LHON突变（Brown和Wallace，1994年）。在具有此突变的2个家庭中，有23％至43％的母亲亲属受到影响，所有受影响的个体均为男性（布朗，洛特和华莱士，未公开数据）。

潘迪等（1999年）报道了6名蒙古族聋哑学生，他们的MTRNR1基因突变为7444G-A突变和1555A-G突变（561000.0001）。其中五个人的家族病史与母体遗传的听力损失一致（500008）。只有2个人有明确的氨基糖苷暴露史，但是所有6个人在出生或婴儿期都发现了严重到严重的双侧感觉神经性听力丧失。潘迪等（1999）建议7444G-A突变与MTTS1基因中的相邻7445A-G突变（590080.0002）具有共同的致病机制，这导致tRNA-ser（UCN）前体的异常加工（参见Guan等）。，1998）。

Yuan等（2005年）报道了在3代中国人家庭中，同种7444G-A突变和同种1555A-G MTRNR1突变与氨基糖苷引起的感音神经性听力损失的共分离现象（580000）。有这两种突变的另外一名家庭成员，既有接触噪音的历史，也没有接触氨基糖苷的历史，但表现出轻度的听力障碍。给药时的剂量和年龄似乎与听力损失的严重程度相关。

.0002骨质性贫血，获得性特发性
MTCO1，AISA6742C
获得性特发性铁粒幼细胞性贫血（AISA）中的线粒体铁超负荷可能归因于线粒体DNA突变，因为这些突变可能导致呼吸链功能障碍，从而损害三价铁还原为二价铁。铁的还原形式对于线粒体血红素生物合成的最后一步至关重要。在2例AISA患者中，Gattermann等人（1997）确定了影响细胞色素C氧化酶亚基I内相同跨膜螺旋的mtDNA点突变。通过限制性片段长度多态性分析和温度梯度凝胶电泳检测突变。1位患者的突变是核苷酸6742的T到C转换，导致氨基酸从蛋氨酸变为苏氨酸。另一例患者在核苷酸6721处有从T到C的转变突变，将异亮氨酸变为苏氨酸（参见516030.0003）。两种氨基酸在各种物种中都是高度保守的。两种突变都是异质的。它们存在于骨髓和全血样品中，孤立的血小板中和粒细胞中，但似乎不存在通过免疫磁珠分离纯化的T和B淋巴细胞中。在通过漱口水获得的患者口腔粘膜细胞或从其中1位患者获得的培养的皮肤成纤维细胞中均未检测到它们。这种参与模式表明，这两名患者的mtDNA突变均发生在具有髓样测定的自我更新的骨髓干细胞中。对位置非常相似的2个点突变的鉴定表明，细胞色素C氧化酶在AISA的发病机理中起着重要作用。

.0003骨质性贫血，获得性特发性
MTCO1，AISA6721C
参见516030.0002和Gattermann等（1997）。

.0004细胞色素c氧化酶缺乏症
MTCO1，COX6480A
Jaksch等（1998年）在患有细胞色素c氧化酶缺乏症（220110）的儿童，母亲和妹妹的MTCO1基因第6480位核苷酸上发生了G到A的转变，这与感觉神经性听力丧失，共济失调，肌阵挛性癫痫和智力低下有关。

.0005大肠癌
MTCO1，GLY121TER
早期，Warburg（1956）提出肿瘤细胞中氧化磷酸化的改变在癌的生长中起着致病作用。线粒体对瘤形成的兴趣已经恢复，这主要是由于它们在细胞凋亡和肿瘤生物学的其他方面的作用。线粒体基因组特别容易发生突变，因为该细胞器中产生的高水平活性氧（ROS）以及低水平的DNA修复。在结肠直肠癌（114500）细胞系中，Polyak等人（1998）在MTCO1基因中发现了6264G-A过渡，由于无义突变使gly121终止而导致基因产物的截短。线粒体染色体还在MTND5基因的lys28密码子中的核苷酸12418后面插入了一个额外的腺嘌呤，导致移码。

.0006细胞色素c氧化酶缺乏症
MTCO1，6930G-A
Bruno等在一名患有多系统线粒体疾病和细胞色素C氧化酶缺乏症的年轻女性中（220110）（1999）确定了MTCO1基因的核苷酸6930的异质G到A过渡。该突变将甘氨酸密码子改变为终止密码子，导致预期的多肽最后170个氨基酸（33％）的丢失。该突变存在于患者的肌肉，成肌细胞和血液中。在患者的母亲，姐姐和4个母阿姨的白细胞的mtDNA中未检测到。布鲁诺等（1999年）研究人员通过将患者的血小板与缺乏内源性mtDNA的人类细胞融合获得的跨线粒体杂交细胞系的遗传，生化和形态学特征。突变mtDNA的比例与生化缺陷之间存在直接关系。他们还观察到该突变表型表达的阈值低于涉及tRNA基因突变的报告阈值。布鲁诺等（1999）建议这种突变会导致呼吸链复合体IV的装配中断。

.0007轮回，轮回
MTCO1，5920G-A
Karadimas等（2000年）确定了线粒体核苷酸5920的G到A取代，导致MTCO1基因的trp到ter突变。仅在一名自童年以来就患有复发性肌红蛋白尿症的33岁男子的COX缺陷型骨骼肌纤维中发现了这种突变。血清CPK水平介于15,000至38,000之间。该突变是异质性的，并且在COX阴性纤维中大量存在，而在COX阳性纤维中较少或不存在。在患者的血液或成纤维细胞中，或在患者无症状的母亲和妹妹的血液样本中均未发现。仅在肌肉中偶发发生这种突变，表明它是在细菌层分化后从新生肌中产生的。

.0008细胞色素c氧化酶I缺陷
MTCO1，LEU196ILE
Varlamov等（2002年）在一名17岁的连续性癫痫女孩中，在MTCO1基因中发现了一个异质6489C-A错义突变。点突变导致高度保守的leu196（L196I）处的ile取代。肌肉活检显示单纤维的COX活性降低，COX抗体的结合降低，表明突变酶的稳定性降低。定量分析突变基因剂量对单条肌纤维水平上COX活性的影响是一个很高的阈值。COX缺乏症（请参阅220110仅在含有超过95％突变mtDNA的纤维中观察到）。与这种高突变基因剂量阈值形成明显对比的是，体内对包含约90％突变mtDNA的皂素透化的肌纤维中线粒体功能的体内研究显示，最大呼吸速率降低，纤维呼吸对氰化物的敏感性增加。这是由于对肌肉纤维呼吸的COX通量控制增加了2倍，而COX代谢阈值降低了30％，这支持了骨骼肌氧化磷酸化的严格COX控制的概念。

.0009细胞色素c氧化酶I缺陷
MTCO1，SER142PHE
Lucioli等人在来自COX缺乏症女性的骨骼肌组织中（220110）（2006年）确定了MTCO1基因中的同质6328C-T过渡，导致在第四个N末端跨膜螺旋的开始处出现ser142-phe（S142F）取代。细菌脱氮副球菌中同源突变的表达导致COX酶活性显着降低。

.0010大肠癌
MTCO1，GLY125ASP
Greaves等人在来自结肠癌患者的细胞色素C氧化酶缺陷型隐窝的结肠细胞中（114500）（2006年）在MTCO1基因中鉴定出6277A-G过渡，预计会在保守性良好的残基上导致gly125-asp（G125D）取代。

Namslauer和Brzezinski（2009）使用定点诱变来改变球形球形红细菌（G171D）MTCO1基因中gly125的残基，并证明G171D突变型COX表现出与质子泵浦有关的稳态催化活性。约占野生型的34％。此外，在酶中发现了内在的质子泄漏，这将导致呼吸链的整体能量转换效率降低，从而扰乱了蛋白质，离子和代谢物转移等转移过程。

.0011大肠癌
MTCO1，SER458PRO
Greaves等人在来自结肠癌患者的细胞色素C氧化酶缺陷型隐窝的结肠细胞中（114500）（2006年）确定了MTCO1基因中的7275T-C过渡，预计会导致ser458-pro（S458P）取代。

Namslauer和Brzezinski（2009）使用定点诱变方法改变了球形球形红细菌（A501P）MTCO1基因中与ser458对应的残基，发现未表达A501P突变型COX，表明氨基酸取代导致严重改变了酶的整体结构。