线粒体NADH(辅酶q10)脱氢酶复合体I的亚基4

子单元4是7种线粒体DNA（mtDNA）编码的子单元（MTND1，MTND2，MTND3，MTND4L，MTND4，MTND5，MTND6）中的1种，包括在呼吸道复合体I（NADH：辅酶q10氧化还原酶，EC 1.6.5.3）的约41种多肽中。）（Shoffner和Wallace，1995，阿里斯门迪等人，1992。 ; Walker等人，1992。 ; Anderson等人，1981。 ; 。Attardi等人，1986 ; Chomyn等人（1985，1986）; Wallace等人。，1986；Oliver和Wallace，1982；Wallace等，1994）。复合物I接受来自NADH的电子，将其转移至辅酶q10（辅酶Q10），并利用释放出的能量将质子沿线粒体内膜抽出。复杂I在516000中有更完整的描述。MTND4可能是疏水蛋白片段的一个组成部分（Ragan，1987）。

▼ 测绘
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MTND4由mtDNA的富含鸟嘌呤的重链（H）编码，位于核苷酸对（nps）10760和12137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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MTND4基因包含1377 nps的连续编码序列。它是双顺反子mRNA的一部分，占据3-prime末端，而其伴侣基因MTND4L占据5-prime末端。MTND4蛋白编码序列从mRNA的5个引物末端开始291 np，其七个5个引物核苷酸与MTND4L的最后2个密码子和终止密码子重叠。MTND4开放解读码组是连续的，没有内含子，以UAA终止密码子的U结尾（Anderson等，1981 ; Wallace等，1994 ; Ojala等，1981））。双顺反子MTND4L + MTND4 mRNA转录为多顺反子H链转录物的一部分，在5个引物末端的侧面是tRNA Arg，在3个引物末端的侧面是tRNA His。这些tRNA从转录物释放转录物7，即MTND4L + MTND4mRNA中切割下来。然后将mRNA聚腺苷酸化，完成MTND4终止密码子（Anderson等，1981；Ojala等，1981；Attardi等，1982；Wallace等，1994）。

▼ 基因功能
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预测的多肽分子量为51.4 kD（Anderson等，1981）。但是，使用Tris-甘氨酸缓冲液进行SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）时的表观分子量为36.5 kD（Wallace等，1986 ; Oliver等，1984），而使用尿素磷酸盐缓冲液则为36至39 kD（Chomyn等，1985）。

▼ 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：+11100， + 11321，+ 11350，-11362，+ 11425，+ 11469，-11576，+ 11806，+ 11892；Ava II：-11577； Ava II：-11577。Dde I：+ 11074，+ 11146，+ 11793；海II：+11001，+11968; 海三世：+11092，+11313，+11329/11690，+11390/13633; 哈哈I：+11002，-11691，+11969; HincII：+12026；HinfI：+ 10806，-10830，-10971，-11403，+ 12008；Hpa I：+12026；Mbo I：+ 10934，-11922，+ 11431，+ 11439；Msp I：+ 11161，-11688，-12123；Rsa I：+ 11063，-11447，-11546，+ 11900，+ 11974；Taq I：+ 10893，+ 11924（Wallace等，1994）。

主要的MTND4等位基因是在np 11778处的突变（MTND4 * LHON11778A；516003.0001），其引起莱伯遗传性视神经病变（LHON；535000）（Wallace等，1988）。皮尔兹等（1994）观察了在有此突变的一个人的Wolfram综合症（598500）。与线粒体基因组中另一种未检测到的突变或核基因组中的突变或杂合或纯合形式的疾病的常染色体形式（222300）同时发生的组合可能解释了这一发现。

Kogelnik等（1996年）描述了人类线粒体DNA的综合数据库MITOMAP。MITOMAP使用有关线粒体基因组结构和功能，致病性突变及其临床特征，种群相关变异以及基因与基因相互作用的mtDNA序列信息。MITOMAP不仅为线粒体生物学家提供了有价值的参考，而且为人类基因组其他组件的信息存储和检索系统的开发提供了模型。

▼ 等位基因变异体（4个示例）：
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.0001光学天文望远镜
MTND4，LHON11778A
等位基因将氨基酸340上高度保守的精氨酸变为组氨酸（R340H）。该等位基因占白种人中Leber遗传性视神经病变（LHON; 535000）病例的50％以上，亚洲人中90％以上。该突变尚未在随机种群控制中观察到，可能在家庭中是同质的或异质的，并且已显示与该疾病相关的不同mtDNA单倍型多次出现（Wallace等，1988 ; Singh等。，1989年）。在携带这种突变的家庭中，大约33％至60％的母亲亲戚受到影响，其中大约80％是男性。仅在4％的情况下可见视觉恢复（请参见LHON表，MIM11前言部分）（Bolhuis et al。，1990；Carducci et al。，1991；C。Cavelier et al。，1993 ; Cortelli等，1991；Cullom et al。，1993；Walter等，1993。Erickson and Castora，1993；Hiida等（1991，1992年）; Holt等，1989；Hotta et al。，1989；Hotta等，1989。Howell等人，1992；Huoponen et al。，1990；Isashiki和Nakagawa，1991年；约翰斯，1990年；约翰斯和伯曼，1991年；约翰斯等（1992年，1993年）；Kormann等，1991；拉尔森（Larsson）等人，1991；Lott et al。，1990 ; Majander等，1991；Mashima等（1992年，1993年）；Moorman et al。，1993 ; Nakamura et al。，1993 ; 纽曼（Newman），1993年；Newman et al。，1991；Norman等，1991。纽曼和华莱士，1990；诺比，1993；Poulton等，1991；Singh等，1989；史密斯等，1993。斯通等（1990年，1992年）; Sudoyo et al。，1992 ; Vilkki等（1989，1990）;华莱士等人，1988；Weiner等人，1993；Yoneda等人，1989；Zhu等，1992）。

在37名患有LHON的意大利受试者中，Torroni等人（1997年）发现28个是11778阳性，7个是3460阳性（516000.0001），2个是14484阳性（516006.0001））。为了确定mtDNA单倍型与LHON突变之间的系统发育关系，还对所有受试者进行了高分辨率限制性核酸内切酶分析。筛选了九十九个意大利对照的突变和单倍型。分析表明，推定的次级/中间LHON突变4216、4917、13708、15257和15812是古老的多态性，以特定组合关联，并定义了2个常见的高加索样特异性单倍型分组，分别称为J和T单倍群。，相同的分析表明，主要突变11778、3460和14484是近期突变，是由于多个突变事件引起的。然而，系统发育分析揭示了3个主要突变的不同进化模式。3460个突变与系统发育树一起随机分布，

Chinnery等（2001年）分析了包含11778G-A突变的17个孤立谱系。他们得出以下结论：（1）男性失明的频率与个体血液中的突变负荷有关（2）血液中mtDNA突变率为80％或更少的母亲比其血液中mtDNA突变率为100％的母亲受临床影响的可能性较小（3）在单个谱系中，从一代到下一代的突变负荷变化主要由随机遗传漂移决定。

Wong等（2002年）使用神经元前体细胞系NT2创建了混合体，其中包含来自患者淋巴母细胞的线粒体，其携带最常见的LHON突变11778和最严重的LHON突变3460（516000.0001）。未分化的LHON-NT2突变细胞与mtDNA / nDNA比例，线粒体膜电位，活性氧（ROS）产生或还原试剂Alamar蓝的能力在亲代细胞对照上无显着差异。NT2的分化导致突变细胞和对照细胞中神经元的形态，基因表达的神经元特异性模式以及mtDNA / nDNA比率降低了3倍。然而，分化方案产生的LHON细胞比对照组少30％，表明LHON-NT2细胞的增殖潜能降低或细胞死亡增加。细胞向神经元形式的分化也导致LHON-NT2神经元相对于对照的ROS产生显着增加，这被鱼藤酮（复合物I的特异性抑制剂）消除了。Wong等（2002年）推断，LHON基因型可能需要分化的神经元环境才能诱导线粒体ROS升高，这可能是NT2产量降低的原因。他们假设LHON退化表型可能是线粒体超氧化物增加的结果，这是由LHON突变引起的，可能是由复杂I结构中神经元特异性的改变介导的。

Guy等（2002年）发现，与野生型细胞相比，含有11778G-A突变的杂交细胞显示出复杂的I依赖性ATP合成速率降低了60％。使用“异位表达”技术，其中线粒体基因在细胞核中表达，然后蛋白质产物被导入回到线粒体中，Guy等（2002）将融合的ND4亚基基因转染到含有11778G-A突变的杂种中。对于异位转染的细胞，3天后的混合细胞存活率提高了3倍，并且这些细胞显示出复杂的I依赖性ATP合成速率提高了3倍，达到了与正常杂交细胞无法区分的水平。Guy等（2002年）提示这种对严重氧化磷酸化缺乏症的挽救有望为线粒体疾病基因治疗的发展提供希望。

Mimaki等（2003年）报道了一名患有LHON和心肌病的男性患者，其MTTH基因（590040.0001）具有11778G-A突变和12192G-A突变，这是患心肌病的危险因素。由于以前没有报道过LHON伴有心肌病的病例，因此研究结果表明，这是双致病性mtDNA突变的一个实例，该突变协同或同时伴有2种不同的临床表现。

在一项对在意大利顺序诊断为LHON的87例索引病例的研究中，包括一个非常庞大的意大利母亲血统的巴西家庭，有67名受试者患有11778 / ND4突变。Carelli等（2006年）得出的结论是，大多数LHON突变是由于孤立的突变事件引起的。在87个指数病例中，仅观察到7对和3个三倍体相同的单倍型。将突变事件分配到单倍群中证实了J1和J2在LHON表达中起作用，但缩小了与子分支J1c和J2b的关联，因此表明细胞色素b中2种特定的氨基酸变化组合（516020）是mtDNA背景效应的原因，并且可能在呼吸链复合物I和III形成的超复合物水平上发生。

Phasukkijwatana等（2006年）检查了30个泰国或中国血统和LHON和11778G-A突变无关的血统。与具有相同突变的高加索人和日本人相比，研究中的血统书显示受影响人群的男女比例较低（2.6：1），血液异质性患病率较高（37％的血统谱系至少包含1异质11778G-A个人）。男性的总外et率估计为37％，女性为13％。

Qu等人，在LHON引起的高外显率和视觉障碍表现力的3代中国家庭的受影响成员中，（2006年）鉴定出属于亚洲单倍群D5的MTND4基因的同质11778G-A突变和35个其他变体。其他变体之一是在164位中国对照人群中不存在新颖的同质4435A-G突变，该突变位于反密码子附近的3个引物末端的常规位置37（A37）。MTND4中的A37从细菌到人类线粒体都非常保守。研究表明，修饰的A37有助于密码子识别的高保真度以及功能性tRNA的结构形成和稳定。在同时携带4435A-G和11778G-A突变的细胞中观察到tRNA-Met稳态水平的显着降低，而在仅携带11778G-A突变的细胞中未观察到。因此，由4435A-G突变引起的线粒体tRNA代谢失败，Qu等（2006）得出结论，新的4435A-G突变在增加中国家庭中与LHON相关的主要G11778A突变的渗透性和表达能力方面具有潜在的修饰作用。

为了创建LHON的动物模型，Ellouze等人（2008年）通过体内电穿孔法将具有11778G-A突变的人ND4基因引入大鼠的眼睛，该突变占LHON病例的60％。该治疗诱导了视网膜神经节细胞的变性，在治疗后的眼睛中视网膜神经节细胞的变性比对照眼中的少40％。在原代细胞培养中也证实了这种有害作用，其中RGC存活和神经突生长均受到损害。重要的是，RGC丢失显然与视觉性能下降有关。随后的野生型ND4电穿孔可防止RGC丢失和视觉功能受损。Ellouze等（2008年）结论是，他们的数据提供了原则上的证据，即优化的异位表达可以有效治疗LHON，并为其他破坏性线粒体疾病的临床研究开辟了道路。

通过研究来自182个中国家庭（包括柬埔寨的1个家庭）的1859名具有MTND4 11778G-A突变的LHON的外显力，Ji等人（2008年）发现线粒体单倍体组M7b1-prime-2与视力丧失的风险增加有关，而M8a单倍体组与视力丧失的风险减少有关。进一步的序列分析表明，M7b1-prime-2效应归因于MTND5（516005）基因的变异，而M8a效应归因于MTATP6基因的变异（516060）。

.0002 MELAS综合症
MTND4，MELAS11084G
该等位基因将氨基酸109的中等保守的苏氨酸变为丙氨酸（T109A）。在一位19岁的女性中发现了该病，该病具有间歇性偏头痛，感觉神经性听力减退，双侧白内障，巨大的癫痫发作，中风样发作，乳酸性酸中毒和参差不齐的红色肌肉纤维（MELAS综合征；540000）。哥哥和母亲的症状较轻（Danks等，1988；Lertrit等，1992）。后来在14％的亚洲人中发现了这种突变，这表明它可能是多态性（Sakuta等，1993），与该家族的MELAS（540000）样症状无关。

.0003 LEBER光学天体和肌张力障碍
MTND4，VAL312ILE
遗传性痉挛性肌张力障碍和LHON（见535000和500001）分别或组合出现在荷兰大家庭的7代以上的24个人中（Bruyn et al。，1992）。肌张力障碍和LHON均显示严格的母体遗传。在产妇亲属中，仅12例患有视神经萎缩，4例仅表现为神经系统疾病（1例单侧受累），8例表现为视神经萎缩和神经系统疾病。这8人中有1人具有单侧神经功能缺损。De Vries等（1996）发现了2个以前未报告的mtDNA突变。一种是ND4基因第11696位核苷酸的异质A到G过渡，导致异亮氨酸被氨基酸位置312的缬氨酸取代。第二种突变是在氨基酸4位核苷酸14596的同质T到A过渡。 ND6基因（516006.0003）导致在氨基酸残基26处的异亮氨酸被蛋氨酸取代。肌肉活检的生化分析显示严重的复合物I缺乏。

.0004线粒体复杂性I缺陷
MTND4，11777C-A
Deschauer等人在一个67岁的男子中，该男子患有认知缺陷，癫痫持续状态，偏瘫和严重的乳酸性酸中毒（2003年）确定了MTND4基因中的异质11777C-A突变。骨骼肌的呼吸链分析显示复合物I的活性存在缺陷（占对照的40％）（252010）。作者指出，该患者的中风样症状类似于在MELAS综合征中观察到的症状（540000），但起病较晚。该突变与导致Leber遗传性视神经病变的11778G-A突变（516003.0001）发生在同一密码子中。