复合物 I，亚基 ND4； MTND4

• NADH-辅酶q10氧化还原酶，亚基 ND4
• NADH 脱氢酶，亚基 4

HGNC 批准的基因符号：MT-ND4

▼ 说明

亚基 4 是 7 个线粒体 DNA（mtDNA） 编码亚基（MTND1、MTND2、MTND3、MTND4L、MTND4、MTND5、MTND6）中的一个，包含在呼吸复合物 I 的约 41 种多肽中（NADH：辅酶q10氧化还原酶，EC 1.6.5.3） ）（Shoffner 和 Wallace，1995；Arizmendi 等，1992；Walker 等，1992；Anderson 等，1981；Attardi 等，1986；Chomyn 等（1985、1986）；Wallace 等。 ，1986 年；奥利弗和华莱士，1982 年；华莱士等人，1994 年）。复合物 I 接受来自 NADH 的电子，将其转移至辅酶q10（辅酶 Q10），并利用释放的能量将质子泵出穿过线粒体内膜。复合物 I 在 516000 中有更全面的描述。MTND4 可能是疏水蛋白片段的一个组成部分（Ragan, 1987）。

▼ 测绘

MTND4 由 mtDNA 富含鸟嘌呤的重（H） 链编码，位于核苷酸对（nps） 10760 和 12137 之间（Anderson 等，1981；Wallace 等，1994）。它与 mtDNA 一起通过母系遗传（Giles 等，1980；Case 和 Wallace，1981）。

▼ 基因结构

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 引物末端，而其伴随基因 MTND4L 占据 5 引物末端。MTND4蛋白编码序列从mRNA 5-prime末端开始291 np，其7个5-prime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 U 结尾（Anderson 等，1981；Wallace 等，1994；Ojala 等，1981）。双顺反子 MTND4L + MTND4 mRNA 被转录为多顺反子 H 链转录物的一部分，侧翼为 5 引物末端的 tRNA Arg 和 3 引物末端的 tRNA His。这些 tRNA 从转录物中裂解，释放转录物 7，即 MTND4L + MTND4 mRNA。

▼ 基因功能

预测的多肽分子量为 51.4 kD（Anderson et al., 1981）。然而，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 等人，1986；Oliver 等人，1984），而使用尿素磷酸缓冲液时，表观分子量为 36 至 39 kD（Chomyn 等人，1985）。

▼ 分子遗传学

已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“+”=位点增益，“-”=相对于参考序列的位点丢失，Anderson等人，1981）：Alu I：+11100， +11321、+11350、-11362、+11425、+11469、-11576、+11806、+11892；艾娃二号：-11577；Dde I：+11074、+11146、+11793；海二号：+11001、+11968；海三号：+11092、+11313、+11329/11690、+11390/13633；哈我：+11002、-11691、+11969；欣克二号：+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 等人，1994）。

主要的 MTND4 等位基因是 np 11778 处的突变（MTND4*LHON11778A; 516003.0001），它会导致 Leber 遗传性视神经病（LHON; 535000）（Wallace 等人，1988）。皮尔兹等人（1994） 在一名具有这种突变的男性中观察到 Wolfram 综合征（598500）。与线粒体基因组中另一个未检测到的突变或核基因组中的突变的组合或与杂合或纯合形式的常染色体形式的疾病（222300）的巧合发生可能解释了这一发现。

科格尔尼克等人（1996） 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、致病突变及其临床特征、群体相关变异以及基因间相互作用的 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，而且还为开发人类基因组其他组成部分的信息存储和检索系统提供了模型。

▼ 等位基因变异体（4 个选定示例）：

.0001 勒伯视神经萎缩
MTND4，LHON11778A

该等位基因将氨基酸 340 处高度保守的精氨酸更改为组氨酸（R340H）。该等位基因占白种人 Leber 遗传性视神经病变（LHON; 535000） 病例的 50% 以上，以及亚洲人病例的 90% 以上。该突变在随机群体对照中尚未观察到，可能是家族内的同质或异质，并且已被证明在与疾病相关的不同 mtDNA 单倍型上多次出现（Wallace 等，1988；Singh 等，2017）。 ，1989）。在携带这种突变的家庭中，大约 33% 至 60% 的母系亲属受到影响，其中大约 80% 是男性。仅 4% 的病例视力恢复（参见 LHON 表，MIM11 前言部分）（Bolhuis 等人，1990；Carducci 等人，1991；Cavelier 等人，1993；Cortelli 等人，1991；Cullom 等人）等人，1993；埃里克森和卡斯托拉，1993；希达等人（1991、1992）；霍尔特等人，1989；堀塔等人，1989；豪厄尔等人，1992；霍波宁等人，1990；伊敷和中川，1991；约翰斯，1990；约翰斯和伯曼，1991；约翰斯等人（1992、1993）；科曼等人，1991；拉尔森等人，1991；洛特等人，1990；马詹德等人，1991；马岛等人（1992、1993）；莫尔曼等人，1993；中村等人，1993；纽曼，1993；纽曼等人，1991；纽曼和华莱士，1990；诺比，1993；波尔顿等人，1991；辛格等人，1989；史密斯等人，1993；斯通等人（1990、1992）；苏多约等人，1992；维尔基等人（1989、1990）；华莱士等人，1988；韦纳等人，1993；米田等人，1989；朱等人，1992）。

Torroni 等人在 37 名患有 LHON 的意大利受试者中进行了研究（1997） 发现 28 例为 11778 阳性，7​​ 例为 3460 阳性（516000.0001），2 例为 14484 阳性（516006.0001）。还对所有受试者进行了高分辨率限制性内切酶分析，以确定 mtDNA 单倍型和 LHON 突变之间的系统发育关系。对 99 名意大利对照者进行了突变和单倍型筛查。分析表明，假定的二级/中间 LHON 突变 4216、4917、13708、15257 和 15812 是古老的多态性，与特定组合相关，并定义了 2 个常见的高加索人种特异性单倍型分组，指定为单倍群 J 和 T。 ，相同的分析表明，主要突变 11778、3460 和 14484 是最近发生的，并且是由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，与欧洲人群特有的 9 种单倍型没有任何优先关联，而 11778 和 14484 突变则显示出与单倍型 J 的强烈优先关联。研究结果表明，单倍型 J 与特定突变增加了 2 个主要突变 11778 和 14484 的外显率。

钦纳里等人（2001） 分析了 17 个携带 11778G-A 突变的孤立家系。他们进行了以下观察：（1）男性失明的频率与个体血液中的突变负荷有关（2） 与血液中 mtDNA 含量为 100% 的母亲相比，血液中 mtDNA 含量为 80% 或更少的母亲生出患有临床疾病的儿子的可能性较小（3） 在个体谱系中，从一代到下一代的突变负荷变化很大程度上是由随机遗传漂变决定的。

黄等人（2002） 使用神经元前体细胞系 NT2 创建了 cybrids，该细胞系含有来自携带最常见 LHON 突变 11778 和最严重 LHON 突变 3460 的患者淋巴母细胞的线粒体（516000.0001）。未分化的LHON-NT2突变细胞在mtDNA/nDNA比率、线粒体膜电位、活性氧（ROS）产生或减少试剂Alamar蓝的能力方面与亲本细胞对照没有显着差异。NT2 的分化导致突变细胞和对照细胞中神经元形态、神经元特异性基因表达模式以及 mtDNA/nDNA 比率降低 3 倍；然而，分化方案产生的 LHON 细胞比对照少 30%，表明 LHON-NT2 细胞的增殖潜力降低或细胞死亡增加。与对照组相比，细胞向神经元形式的分化还导致 LHON-NT2 神经元中 ROS 产生显着增加，而鱼藤酮（复合物 I 的一种特异性抑制剂）可消除这种情况。黄等人（2002）推断LHON基因型可能需要分化的神经元环境以诱导线粒体ROS增加，这可能是NT2产量减少的原因。他们假设 LHON 退化表型可能是由 LHON 突变引起的线粒体超氧化物增加的结果，可能是通过复合物 I 结构的神经元特异性改变介导的。黄等人（2002）推断LHON基因型可能需要分化的神经元环境以诱导线粒体ROS增加，这可能是NT2产量减少的原因。他们假设 LHON 退化表型可能是由 LHON 突变引起的线粒体超氧化物增加的结果，可能是通过复合物 I 结构的神经元特异性改变介导的。黄等人（2002）推断LHON基因型可能需要分化的神经元环境以诱导线粒体ROS增加，这可能是NT2产量减少的原因。他们假设 LHON 退化表型可能是由 LHON 突变引起的线粒体超氧化物增加的结果，可能是通过复合物 I 结构的神经元特异性改变介导的。

盖伊等人（2002） 发现含有 11778G-A 突变的细胞杂种细胞与野生型细胞相比，复合物 I 依赖性 ATP 合成率降低了 60%。Guy等人使用“同位素表达”技术，即线粒体基因在细胞核中表达，然后将蛋白质产物输入回线粒体（2002）将融合ND4亚基基因转染到含有11778G-A突变的胞质杂种中。3天后，同位素转染细胞的细胞杂种细胞存活率增加了3倍，并且这些细胞的复合物I依赖性ATP合成速率增加了3倍，达到与正常细胞杂种无法区分的水平。盖伊等人。

美牧等人（2003） 报道了一名患有 LHON 和心肌病的男性患者，其 MTTH 基因（590040.0001） 中存在 11778G-A 突变和 12192G-A 突变，这是心肌病的危险因素。由于之前没有报道过出现心肌病的 LHON 病例，因此研究结果表明，这是与两种不同临床表现协同或同时相关的双致病性 mtDNA 突变的实例。

在一项对意大利相继诊断出的 87 名 LHON 指标病例（其中包括一个具有意大利母系的巴西大家庭）的研究中，67 名受试者患有 11778/ND4 突变。卡雷利等人（2006） 得出结论，绝大多数 LHON 突变是由孤立突变事件引起的。在 87 个指示病例中，仅观察到 7 对和 3 个三联体相同的单倍型。将突变事件分配到单倍群中证实了 J1 和 J2 在 LHON 表达中发挥作用，但缩小了与 J1c 和 J2b 分支的关联，因此表明细胞色素 b（516020） 中氨基酸变化的 2 个特定组合是导致 LHON 表达的原因。 mtDNA 背景效应，这可能发生在由呼吸链复合物 I 和 III 形成的超级复合物水平。

Phasukkijwatana 等人（2006） 检查了 30 个具有 LHON 和 11778G-A 突变的泰国或中国血统的不相关血统。与具有相同突变的白人和日本人群相比，研究中的家系显示受影响者的男女比例较低（2.6：1），并且血液异质性的患病率较高（37％的家系至少含有1个基因）。异质11778G-A个体）。估计男性总体外显率为 37%，女性总体外显率为 13%。

Qu 等人在一个 3 代中国家庭的受影响成员中，由于 LHON 表现出高外显率和表达性视力障碍（2006） 鉴定了属于亚洲单倍群 D5 的 MTND4 基因中的同质 11778G-A 突变和 35 个其他变体。其他变异之一是一种新的同质 4435A-G 突变，位于与反密码子相邻的 3 引物末端，常规位置 37（A37），在 164 个中国对照中不存在。MTND4 中的 A37 从细菌到人类线粒体都非常保守。修饰后的 A37 被证明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 稳态水平显着降低，但在仅携带 11778G-A 突变的细胞中则没有观察到。因此，由 4435A-G 突变引起的线粒体 tRNA 代谢失败可能会加剧与主要 11778G-A 突变相关的线粒体功能障碍。曲等人（2006） 得出结论，新的 4435A-G 突变在增加中国家族中主要 LHON 相关 G11778A 突变的外显率和表达性方面具有潜在的修饰作用。

为了创建 LHON 动物模型，Ellouze 等人（2008） 通过体内电穿孔将含有 11778G-A 突变的人类 ND4 基因引入大鼠眼中，该突变导致 60% 的 LHON 病例。治疗引起视网膜神经节细胞变性，治疗眼的视网膜神经节细胞数量比对照眼少 40%。这种有害作用也在原代细胞培养中得到证实，其中 RGC 存活和神经突生长均受到损害。重要的是，RGC 损失明显与视觉表现下降相关。随后用野生型 ND4 进行电穿孔可防止 RGC 损失和视觉功能损伤。埃卢兹等人（2008） 得出的结论是，他们的数据提供了原理证明，即优化的同位素表达可以有效治疗 LHON，

Ji等人通过研究来自182个中国家庭（其中1个来自柬埔寨）的1,859名携带MTND4 11778G-A突变的个体的LHON外显率（2008） 发现线粒体单倍群 M7b1-prime-2 与视力丧失风险增加相关，而 M8a 单倍群与视力丧失风险降低相关。进一步的序列分析表明，M7b1-prime-2效应是由于MTND5（516005）基因的变异引起的，M8a效应是由于MTATP6基因（516060）的变异引起的。

请参阅 LOAM（308905），了解一种 LHON 形式的讨论，该形式由于 PRICKLE3 基因（300111.0001） 中的额外突变（作为疾病表达的修饰因子）而导致外显率增加和发病年龄较早。

.0002 梅拉斯综合症
MTND4，MELAS11084G

该等位基因将氨基酸 109 处适度保守的苏氨酸更改为丙氨酸（T109A）。该病是在一名 19 岁女性身上发现的，她有间歇性偏头痛、感音神经性听力损失、双侧白内障、癫痫大发作、中风样发作、乳酸性酸中毒和红色肌纤维破碎（MELAS 综合征；540000）病史。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，这表明它可能是一种多态性（Sakuta et al., 1993）并且与该家族的MELAS（540000）样症状无关。

.0003 LEBER 视神经萎缩和肌张力障碍
MTND4，VAL312ILE

遗传性痉挛性肌张力障碍和 LHON（参见 535000 和 500001），单独或联合出现，发生在荷兰一个大家族 7 代的 24 个人中（Bruyn 等，1992）。肌张力障碍和LHON均表现出严格的母系遗传。母系亲属中，12 例仅患有视神经萎缩，4 例仅表现出神经系统疾病（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 人患有单侧神经功能缺损。德弗里斯等人（1996） 发现了 2 个以前未报道的 mtDNA 突变。第一个是 ND4 基因中核苷酸 11696 处的异质 A 到 G 转变，导致氨基酸位置 312 处的缬氨酸被异亮氨酸取代。第二个突变，

.0004 线粒体复合物 I 缺陷
MTND4, 11777C-A

Deschauer 等人对一名患有认知缺陷、癫痫持续状态、偏瘫和严重乳酸性酸中毒的 67 岁男性进行了研究（2003） 鉴定了 MTND4 基因中的异质 11777C-A 突变。骨骼肌呼吸链分析显示复合物 I 的活性存在缺陷（对照的 40%）（252010）。作者指出，该患者具有与 MELAS 综合征（540000） 中观察到的类似中风症状，但发病较晚。该突变与导致莱伯遗传性视神经病的 11778G-A 突变（516003.0001） 发生在同一密码子中。