NADH-辅酶q10氧化还原酶 Fe-S 蛋白 4； NDFS4

• NADH-辅酶 Q 还原酶、18-KD
• 复合物 I、线粒体呼吸链、18-KD 亚基
• AQDQ

HGNC 批准的基因符号：NDUFS4

细胞遗传学位置：5q11.2 基因组坐标（GRCh38）：5:53,560,639-53,683,338（来自 NCBI）

▼ 描述

复合物 I（或 NADH：辅酶q10氧化还原酶）是线粒体呼吸链的第一个多亚基酶复合物，在细胞 ATP 生成中发挥着至关重要的作用，而 ATP 是活细胞中许多关键过程的主要能量来源。它从 NADH 中除去电子，并通过一系列不同的蛋白质偶联氧化还原中心将电子传递给电子受体辅酶q10。在耦合良好的线粒体中，电子通量通过在内膜上建立质子梯度来产生 ATP。复合体 I 由至少 41 个亚基组成，其中 7 个由线粒体基因组（ND1-6、ND4L）编码，其余由核基因编码（van den Heuvel 等，1998）。

▼ 克隆和表达

Papa 等人（1996） 表明牛心脏复合物 I 的核编码 18-kD（AQDQ） 亚基可以被线粒体 cAMP 依赖性蛋白激酶磷酸化。18-kD 亚基位于复合物 I 的外在结构域中。18-kD 蛋白的牛 cDNA 序列的可用性（Walker 等人，1992）使他们能够应用基于 PCR 的策略来生成 cDNA来自人类心脏的人类 18-kD 蛋白质。他们发现AQDQ cDNA编码一个175个氨基酸的蛋白质，分子量为23.2 kD。

▼ 测绘

Papa 等人的地图（1996） 通过分析人类-啮齿动物体细胞杂交体，将 NDUFS4 基因定位到人类 5 号染色体。

通过辐射混合分析，Emahazion 等人（1998） 将 NDUFS4 基因对应到 5q11.1。

▼ 基因功能

希门尼斯-布拉斯科等人（2020） 表明，与线粒体膜（mtCB1） 相关的小鼠星形胶质细胞 1 型大麻素受体（CNR1; 114610） 的激活会阻碍大脑中葡萄糖的代谢和乳酸的产生，从而导致神经元功能改变，进而受损社会互动分析中的行为反应。具体来说，星形胶质细胞 mtCB1 受体的激活会降低线粒体复合物 I 亚基 NDUFS4 的磷酸化，从而降低复合物 I 的稳定性和活性。这会导致星形胶质细胞产生的活性氧减少，并通过以下方式影响乳酸的糖酵解产生： HIF1（参见 603348）途径，最终导致神经元氧化还原应激和社交互动测定中行为反应的损害。对这些影响中的每一个进行遗传和药理学校正，消除了大麻素治疗对观察到的行为的影响。希门尼斯-布拉斯科等人（2020） 得出的结论是，他们的发现表明 mtCB1 受体信号传导可以直接调节星形胶质细胞葡萄糖代谢，从而微调小鼠的神经元活动和行为。

▼ 分子遗传学

van den Heuvel 等人在患有复合物 I 缺陷核 1 型（MC1DN1; 252010） 的患者中（1998） 鉴定出 NDUFS4 基因中的纯合突变（602694.0001）。范登赫维尔等人（1998） 指出，这是线粒体呼吸链核复合物 I 基因病理突变的首次报道。

乌加德等人（2004） 使用蓝色天然电泳来研究不同的核突变如何影响 15 名复合物 I 缺陷患者的成纤维细胞中线粒体 OXPHOS 复合物的完整性。作者发现，在核编码复合物 I 亚基中存在突变的患者中，完整复合物 I 的水平有所下降，表明复合物 I 的组装和/或稳定性受到损害。这些患者中存在不同模式的低分子量亚复合物，表明外周臂的形成可能在早期组装阶段受到影响。复合物 I 基因的突变也影响其他线粒体复合物的稳定性，在 NDUFS2（602985） 和 NDUFS4 突变的患者中，完全组装的复合物 III 出现特定减少。Ugalde 等人在患有孤立性复合物 I 缺陷的患者中，未发现结构亚基突变（2004） 可以根据组装和活性水平之间是否存在相关性来区分复合物 I 组装和催化缺陷。

Anderson 等人在 3 名同胞中，出生于德系犹太人，因复合体 I 缺乏而患有 Leigh 综合征（256000）（2008） 鉴定出 NDUFS4 基因中的纯合突变（462delA; 602694.0006）。该突变导致 cAMP 依赖性蛋白激酶磷酸化共有位点丢失，该位点对于复合物 I 的激活非常重要。

冈萨雷斯-金塔纳等人（2020） 在一名患有 MC1DN1 的 7 岁女孩中鉴定出 NDUFS4 基因剪接突变（602694.0007） 的纯合性。患者的父亲携带该突变，但她的母亲没有。对患者及其父母的 DNA 进行短串联重复分析表明，纯合性是由父系单亲二体性引起的。对患者肌肉和成纤维细胞 cDNA 的分析显示 NDUFS4 表达降低，并且在患者肌肉中发现了几个异常的 NDUFS4 转录本，表明剪接异常。与对照组相比，患者的成纤维细胞复合物 I 活性降低，线粒体呼吸测定研究显示基础呼吸降低、最大呼吸能力降低以及 ATP 合成降低。

评论

Smeitink 和 van den Heuvel（1999） 回顾了有关人类核编码复合物 I 亚基的可用分子数据。

▼ 动物模型

Johnson 等人（2013） 发现雷帕霉素（mTOR（601231） 信号通路的特异性抑制剂）可显着提高 Leigh 综合征小鼠模型（256000） 的存活率并减缓疾病进展。给这些线粒体呼吸链亚基 Ndufs4 缺陷的小鼠注射雷帕霉素，可以延迟神经系统症状的发作，减少神经炎症，并预防脑损伤。雷帕霉素诱导代谢转变为氨基酸分解代谢并远离糖酵解，从而减轻糖酵解中间体的积累。约翰逊等人（2013） 因此表明，这种策略可能与广泛的线粒体疾病相关。

范德瓦尔等人（2022） 回顾了已发表的 Ndufs4 小鼠敲除模型的表型。在 Ndufs4（Ndufs4 -/-） 全身敲除小鼠模型中，突变小鼠在出生后第 21 天（PD） 出现视力丧失。到 PD30，小鼠变得昏昏欲睡、体温过低、心率异常和呼吸模式异常。并出现共济失调。小鼠在 PD50 左右死亡，大脑异常包括前庭核的双侧海绵状病变和大脑多个其他区域的神经变性。在不同的大脑区域观察到复合物 I 活性的差异性减少。神经元或神经胶质细胞特异性敲除 Ndufs4 的小鼠与全身 Ndufs4 敲除小鼠具有相似的表型。心脏特异性敲除 Ndufs4 的小鼠在 1 岁后出现肥厚性心肌病，伴有左心室射血分数降低和左心室质量增加。范德瓦尔等人（2022） 还回顾了 Ndufs4 敲除小鼠模型的干预措施。通过部分减少脑氧合和/或氧气输送来治疗全身 Ndufs4 -/- 小鼠，可以改善症状。烟酰胺单核苷酸（NMN）治疗可以延长寿命，但不能改善临床表型。采用静脉内和脑室内 AAV 联合疗法输送人 NDUFS4 可以恢复复合物 I 活性、延长寿命并改善运动协调性（2022） 还回顾了 Ndufs4 敲除小鼠模型的干预措施。通过部分减少脑氧合和/或氧气输送来治疗全身 Ndufs4 -/- 小鼠，可以改善症状。烟酰胺单核苷酸（NMN）治疗可以延长寿命，但不能改善临床表型。采用静脉内和脑室内 AAV 联合疗法输送人 NDUFS4 可以恢复复合物 I 活性、延长寿命并改善运动协调性（2022） 还回顾了 Ndufs4 敲除小鼠模型的干预措施。通过部分减少脑氧合和/或氧气输送来治疗全身 Ndufs4 -/- 小鼠，可以改善症状。烟酰胺单核苷酸（NMN）治疗可以延长寿命，但不能改善临床表型。采用静脉内和脑室内 AAV 联合疗法输送人 NDUFS4 可以恢复复合物 I 活性、延长寿命并改善运动协调性。

▼ 等位基因变异体（7 个选定示例）：

.0001 线粒体复合物 I 缺陷，核 1 型
NDUFS4，5-BP DUP
在 20 名复合物 I 缺陷核 1 型患者中，有 1 名患者（MC1DN1；252010），van den Heuvel 等人（1998） 鉴定出 NDUFS4 基因中 466 至 470 位（AAGTC） 的纯合 5-bp 重复，导致密码子 K158 发生移码，从而破坏了蛋白质 C 末端的磷酸化位点。此外，复制将蛋白质的氨基酸序列从氨基酸158改变到C末端，并将蛋白质的长度延长了14个氨基酸。父母双方都是突变杂合子。

.0002 线粒体复合物 I 缺陷，核 1 型
NDUFS4，TRP96TER
Budde 等人（2000） 证明了复合物 I 缺陷核 1 型（MC1DN1; 252010） 患者的 NDUFS4 基因发生突变，并且复合物 III 的活性降低。第一个突变是第 289 或 290 位 G 的纯合 1-bp 缺失，导致 trp96 至 ter（W96X） 取代。父母双方都是突变杂合子。该女性患者在 1 周内表现出肌张力低下、缺乏目光接触、嗜睡和生长发育迟缓。3 个月大时，出现小头畸形，并发现乳酸血症，乳酸/丙酮酸比率增加。CT和MRI显示双侧基底节低密度。孩子3个月大时就去世了。

.0003 线粒体复合物 I 缺陷，核 1 型
NDUFS4，ARG106TER
Budde 等人在患有复合物 I 缺乏和复合物 III 活性降低的患者中（2000） 鉴定了 NDUFS4 cDNA 的 316C-T 转变，导致 arg106 到终止氨基酸的变化。该患者的突变是纯合的；他的父母是近亲结婚，还有一个兄弟是杂合子。除了出生时发现的尿道下裂外，患者在 7 周龄之前表现正常，此时观察到肌肉张力减退以及视觉和听觉注意力缺乏。3个月大时，他被发现血液中乳酸水平升高。头颅 MRI 显示出类似于 Leigh 综合征（256000） 中发现的高信号。心脏超声显示左心室同心性肥大并伴有收缩过度。他因心循环功能不全而死亡。

.0004 线粒体复合物 I 缺陷，核 1 型
NDUFS4，TRP15TER
在复合物 I 缺陷（MC1DN1; 252010） 导致 Leigh 综合征（256000） 的患者中，Petruzzella 等人（2001） 鉴定了 NDUFS4 cDNA 的纯合 44G-A 转变，导致线粒体前导肽中的 trp15-to-ter（W15X） 取代。父母双方都是突变杂合子。通过对患者成纤维细胞蛋白进行蛋白质印迹分析，发现复合物 I 的 18 kD 亚基不存在。

.0005 线粒体复合物 I 缺陷，核 1 型
NDUFS4，IVS1AS，GA，-1
Benit 等人（2003） 在一个近亲家庭中发现了 2 名姐妹患有复合体 I 缺陷核 1 型（MC1DN1; 252010） 和 Leigh 综合征（见 256000）。他们利用推定疾病位点侧翼的微卫星 DNA 标记，排除了 4 个候选位点，并发现 NDUFS4 基因座存在纯合性。通过直接测序，他们鉴定了 NDUFS4 基因 IVS1AS-1G-A 内含子 1 中的纯合剪接受体位点突变。

.0006 线粒体复合物 I 缺陷，核 1 型
NDUFS4，1-BP DEL，462A
Anderson 等人在 3 名同胞中，出生于德系犹太人父母，患有复合体 I 缺陷核 1 型（MC1DN1；252010），表现为 Leigh 综合征（见 256000）（2008） 在 NDUFS4 基因中发现了一个纯合 1-bp 缺失（462delA），导致阅读框发生变化，最后 22 个氨基酸被 34 个新氨基酸取代。该突变导致 cAMP 依赖性蛋白激酶磷酸化共有位点的丢失，这对于复合物 I 的激活非常重要。通过连锁分析和候选基因测序来鉴定该突变。每个未受影响的父母和未受影响的同胞都是该突变的杂合子。从 5,000 名德系犹太人后裔对照中确定，该突变的携带频率为千分之一，这与该人群中的创始人效应一致。根据结果​​，安德森等人（2008） 在这个家庭中使用产前检测来帮助父母生出未受影响的孩子。

阿塞雷托等人（2014） 在 2 个具有 MC1DN1 的同胞中发现了纯合 462delA 突变。由于无义介导的 mRNA 衰减，患者细胞的 NDUFS4 转录水平降低了 60%。在分离的线粒体中未检测到 NDUFS4 或 NDUFS6（603848） 蛋白，这与复合物 I 的低效组装一致。脑 MRI 未显示基底神经节异常，但存在涉及丘脑底核和脑干的异常 T2 加权高信号。阿塞雷托等人（2014） 指出，患者不是德系犹太人后裔。

.0007 线粒体复合物 I 缺陷，核 1 型
NDUFS4，IVS3DS，GA，+5
Gonzalez-Quintana 等人在一名患有 1 型复合体 I 缺陷核（MC1DN1; 252010） 的 7 岁女孩中（2020） 鉴定了 NDUFS4 基因中内含子 3（c.350+5G-A, NM_002495.4） 的 +5 位置处的 G 到 A 转变的纯合性，预计会导致异常剪接。该突变通过对一组 133 个编码氧化磷酸化结构亚基和组装因子的基因进行新一代测序来鉴定，并通过桑格测序进行确认。gnomAD 数据库中不存在该突变。患者的父亲携带该突变，但她的母亲没有。对患者及其父母的DNA短串联重复分析表明，该突变的纯合性是由父系单亲二体性引起的。对患者肌肉和成纤维细胞 cDNA 的分析显示，NDUFS4 的表达分别降低至对照水平的 13% 和 18%，并且在肌肉中检测到表明剪接异常的异常转录物种类的存在。与对照组相比，患者的成纤维细胞复合物 I 活性降低，线粒体呼吸测定研究显示基础呼吸降低、最大呼吸能力降低以及 ATP 合成降低。