复合体 IV，细胞色素 c 氧化酶亚基 I； MTCO1

细胞色素c氧化酶I；CO1; COX1

HGNC 批准的基因符号：MT-CO1

▼ 说明

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） 编码亚基（MTCO1、MTCO2、MTCO3）之一。复合物 IV 位于线粒体内膜内，是线粒体氧化磷酸化电子传递链的第三个也是最后一个酶。它从还原的细胞色素 c 收集电子并将其转移给氧气以产生水。释放的能量用于转移质子穿过线粒体内膜。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 则由核编码（Kadenbach 等，1983） ；肖夫纳和华莱士，1995）。虽然哺乳动物复合物 IV 具有复杂的结构，但几种原核酶系统具有相同的催化功能，但要简单得多。这些系统适合克隆和体外诱变，从而可以进行详细的结构功能研究。两个经过充分研究的系统是球形红杆菌的细胞色素 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）。 R. sphaeroides 酶有 3 个亚基，与 3 个哺乳动物 mtDNA 亚基同源。 R. sphaeroides 亚基 I 为 62.1 kD，与牛心 MTCO1 相同性为 52%，相似性为 76%；亚基II为32.9kD，与牛MTCO2有39%相同和63%相似，亚基III为30.1kD，与牛心有49%相同和71%相似。 Soret maxred = 444.5 nm（牛 = 443 nm），α 波段 maxred = 606 nm（牛 = 604 nm）。消光系数是相同的（Hosler et al., 1993）。这些研究和其他研究（Capaldi，1990）已经得出了该酶的以下功能概要。

细胞色素c氧化酶家族有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，2 个血红素是 a 和 a3，2 个铜是 CuA 和 CuB。 2 个血红素和 CuB 与亚基 I 结合。对于 R. sphaeroides 亚基 I 和哺乳动物 MTCO1，有 12 个跨膜 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，与螺旋 II 氨基酸 102（MTCO1 88） 和螺旋 X 氨基酸 421（MTCO1 378） 处的不变组氨酸连接。螺旋 X 位于血红素 a 和血红素 a3 之间，血红素 a3 与螺旋 X 的另一侧氨基酸 419 处不变的组氨酸（MTCO1 376） 结合。血红素 a3 是双核中心的组成部分，其中包括 CuB，其中氧被还原成水。 CuB 被认为与血红素 a3 的铁相邻，并通过不变的组氨酸 284（MTCO1 240） 连接到螺旋 VI，并通过不变的组氨酸 333 和 334（MTCO1 290 和 291） 连接到螺旋 VII。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 的 CuA 附近（Hosler 等人，1993）。

复合物 IV 的亚基 II 与细胞色素 c 相互作用并包含 CuA 中心。这意味着通过复合体IV的电子转移途径是从细胞色素c，到CuA，到细胞色素a，然后到细胞色素a3-CuB的双核中心。人们认为电子从细胞色素a到双核中心的转移是反应的关键控制点，也是能量转导的要点之一（Hill，1993）。

复合体 IV 中的质子易位涉及四个电子以还原 O2，以及从线粒体膜基质侧吸收四个质子以形成 H2O。另外四个质子从基质垂直转移到膜的细胞质侧。越来越多的证据表明质子易位与双核氧（O2） 结合位点的电子转移有关，这已被扩展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 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。硫氰酸盐和甲酸盐结合在双核中心的其他地方，可能是在 CuB（Palmer, 1993）。

亚基 III 是细胞色素 c 氧化酶的通用成分。此前，人们认为它参与质子易位，因为二环己基碳二亚胺（DCCD）是其他系统中质子转移的抑制剂，与亚基 III 中 90 位的谷氨酸结合（Prochaska 等人，1981）。然而，最近的研究将该功能置于亚基 I 的双核中心。因此，亚基 III 的功能仍不清楚。

10 个核编码的复合体 IV 亚基的功能刚刚开始被阐明。其中三个亚基 VIa、VIIa 和 VIII 有两种亚型，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

MTCO1 由 mtDNA 富含鸟嘌呤的重（H） 链编码，位于核苷酸对（nps） 5904 和 7444 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

MTCO1基因包含1540 nps的连续mtDNA，其缺乏内含子并编码单一多肽。 mRNA以12-np 5-prime非翻译序列开始，然后是AUG起始密码子，以充当终止密码子的AGA密码子结束的多肽编码序列，并通过反义tRNAser（UCN）延伸72nps，作为 3-prime 非翻译区（Ojala 等人，1981；Attardi 等人，1982）。 MTCO1 基因被转录为多顺反子 H 链转录物的一部分，其侧翼为 5 引物末端的 tRNAtyr 和 3 引物末端的 tRNAasp。然后，这些 tRNA 从转录物中切下，释放出转录物 9，即 MTCO1 的 mRNA。然后对 mRNA 进行聚腺苷酸化（Anderson 等人，1981；Ojala 等人，1981；Attardi 等人，1982）。

▼ 基因功能

MTCO1 的预测分子量（MW） 为 57 kD（Anderson 等人，1981；Wallace 等人，1994）。然而，其在 SDS-聚丙烯酰胺凝胶（PAGE） 上的表观分子量稍低。使用 Tris-甘氨酸缓冲液时，其运行速度为 39.5 kD（Oliver 等人，1984 年；Oliver 和 Wallace，1982 年；Wallace 等人，1986 年），而使用磷酸尿素时，表观分子量为 45 kD（Ching 和 Attardi，1982 年） ；Hare 等人，1980）。

阿辛-佩雷斯等人（2003） 鉴定出小鼠线粒体 DNA 的细胞色素 c 氧化酶（COX） 亚基 I 基因中含有单错义突变和双错义突变的细胞系。当存在同质性时，单突变体表现出正常的复杂 IV 组装，但 COX 活性显着降低，而双突变体几乎完全补偿了第一个突变的功能缺陷。作者假设有害突变可能会出现并成为主导。培养的细胞可以以稳定的频率维持多种mtDNA单倍型；呼吸链几乎没有多余的COX容量；动物COX的MTCO1I中val421附近空腔的大小可能会影响该酶的功能。

维斯洛夫等人（2005）假设基于低和高内在运动能力对大鼠进行人工选择将产生也能对比心血管疾病风险的模型。 11代后，有氧能力低的老鼠在构成代谢综合征的心血管危险因素上得分较高。有氧能力的下降与线粒体生物发生所需的转录因子的数量和骨骼肌中氧化酶的数量的减少有关。维斯洛夫等人（2005） 发现 PPARG（601487）、PPARG 辅激活剂-1-α（PPARGC1A; 604517）、泛醇细胞色素 c 氧化还原酶核心 2 亚基（UQCRC2; 191329）、细胞色素 c 氧化酶亚基 I（MTCO1）、解偶联蛋白的量与高能力跑步者相比，低能力跑步者大鼠中的-2（UCP2；601693）和ATP合酶H（+）转运线粒体F1复合物（F1-ATP合酶；见108729）显着减少。这些蛋白质的均匀下降与有氧代谢减少在低能力跑步者和高能力跑步者之间差异的发展中起因果作用的假设是一致的。维斯洛夫等人（2005） 得出结论，线粒体功能受损可能将健康状况下降与心血管和代谢疾病联系起来。

坦珀利等人（2010） 证明，人类线粒体核糖体确实会在 AGA 和 AGG 密码子处调用 -1 移码，预计分别终止 MTCO1 和 MTND6 中的 2 个 ORF（516006）。因此，两个 ORF 均以标准 UAG 密码子终止，因此需要仅使用单个线粒体释放因子。

通过免疫印迹分析，Hayashi 等人（2015） 表明，Higd1a（618623） 表达在暴露于缺氧的大鼠心肌细胞中早期被诱导。免疫沉淀分析显示，Higd1a直接与细胞色素c氧化酶（CcO）结合并整合到CcO大分子复合物中，引起CcO活性中心血红素a的结构变化。敲低和过表达分析表明，Higd1a 正向调节 CcO 活性并增加线粒体 ATP 产生，从而保护心肌细胞免受缺氧影响。

▼ 分子遗传学

已在指定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等人等，1981）：Alu I：-5978、-5996、-6022、-6204、-6867、+7025、-7055；艾娃 II：+5984、+6332、+6581、+6699（或 8719 或 8723）； DDE I：-6296、+6356、-6377、-7103；海三号：-6027、-6260、+6425、+6534、+6618、-6​​957、+7325、+7347；哈我：-5971、+6166 或 6168； HinfI：-5983、-6211、+6610、-6871、-6931； Mbo I：-6904； Msp I：+6501、-6688、+7159；邮政编码：-6910； Rsa I：+5985、+6915、-7013、+7241； Taq I：+6049或7854，-7335； Xba I：-7440（Wallace 等人，1994）。

一种位于 MTCO1 的表型相关突变导致了 Leber 遗传性视神经病（LHON; 535000） 的病因，被指定为 MTCO1*LHON7444A（516030.0001）。

戴维斯等人（1997） 报道了 2 个线粒体基因，MTCO1 基因和 MTCO2 基因（516040），分别编码 CO 亚基 I 和 II，似乎与迟发性阿尔茨海默病有关（参见 502500）；然而，他们的工作后来被撤回。在撤回之前，Hirano 等人（1997） 注意到 Davis 等人使用的 DNA 分离方法（1997） 导致了真实的 mtDNA 编码的 COX 基因和嵌入核 DNA 中的高度相似的 COX 样序列（“mtDNA 假基因”）的共扩增。平野等人（1997） 的结论是观察到的异质性是人为的。华莱士等人（1997）也得出了类似的结论。使用 Davis 等人使用的相同 PCR 引物（1997） 为了从 2 个孤立的无 mtDNA 细胞系中扩增 CO1 和 CO2 序列，他们可以从这两种细胞系中扩增 CO1 和 CO2 序列，证明这些序列也存在于人类核 DNA 中。此外，他们还发现了 Davis 等人发现的全部 5 个突变（1997）此外还有 32 个单碱基替换，包括相邻 tRNA 中的 2 个，以及 CO2 基因中的 2 个碱基对的缺失。对核 CO1 和 CO2 序列的系统发育分析表明，它们在距今约 77 万年前的原始人类进化早期就与现代人类 mtDNA 有所不同。

细胞色素 C 氧化酶（COX） 缺乏会导致儿童和成年期出现临床上异质性的各种神经肌肉和非神经肌肉疾病，理论上可能是由核突变或线粒体突变引起，遗传模式存在明显差异（参见 220110）。帕菲特等人（1997） 对复合体 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突变。该研究针对 18 名患有孤立性 COX 缺乏症的患者进行了一系列研究。他们未能在该系列中检测到任何有害突变。此外，没有观察到 mtDNA 缺失，并且对参与 COX 转录物成熟的侧翼 tRNA 基因进行测序也未能检测到有害突变。他们的研究支持这样的观点，即致病突变并不存在于线粒体基因组中，而是存在于编码 COX 亚基或参与复合物组装的蛋白质的核基因中。结果进一步表明，25% 的复发风险（对于常染色体隐性遗传模式）可用于 COX 缺陷的遗传咨询。

大多数导致人类疾病的 mtDNA 突变都是轻度到中度有害的，但许多随机的 mtDNA 变化预计会产生严重的后果。为了确定更严重的 mtDNA 突变的命运，Fan 等人（2008） 将含有 2 种影响氧化磷酸化的突变（一种是轻微的，一种是严重的）的线粒体 DNA 引入雌性小鼠种系中。严重突变 13885insC 在 ND6 基因（516006） 中产生移码突变。当同质时，该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，该突变将密码子 421 处高度保守的缬氨酸转化为丙氨酸（V421A）。当同质时，该突变使氧化磷酸化复合物 IV 的活性降低 50%。范等人（2008） 观察到，严重的 ND6 突变在 4 代内的卵子发生过程中被选择性消除，而较温和的 COI 突变在多代中保留，即使后代持续发展线粒体肌病和心肌病。因此，范等人（2008） 得出的结论是，严重的线粒体 DNA 突变似乎被选择性地从雌性种系中消除，从而最大限度地减少了它们对种群健康的影响。

▼ 等位基因变异体（11 个选定示例）：

.0001 勒伯视神经萎缩
氨基糖苷引起的耳聋，包括
耳聋，非综合征性感觉神经性耳聋，包括线粒体
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 多肽延伸 3 个氨基酸（赖氨酸、谷氨酰胺、赖氨酸）至反义 tRNAser（UCN） 序列（Brown 等人，1992） ；约翰斯和纽菲尔德，1993）。该突变与 SDS-PAGE 上多肽的迁移性受损以及患者淋巴母细胞中复合物 IV 活性降低 36% 相关。具有这种突变簇的患者位于白种人 mtDNA 系统发育树中（Brown 等人，1992）。然而，被广泛研究的 2 例病例还存在其他 LHON 突变：一例为 MTND1LHON3460A 突变，另一例为 MTND6LHON14484A 突变。因此，MTCO1*LHON7444A 突变可能是继发性 LHON 突变（Brown 和 Wallace，1994）。在携带这种突变的 2 个家庭中，23% 至 43% 的母系亲属受到影响，所有受影响的个体均为男性（Brown、Lott 和 Wallace，未发表的数据）。

潘迪亚等人（1999） 报告了 6 名无关的蒙古聋哑学生的 MTRNR1 基因（561000.0001） 中存在 7444G-A 突变和 1555A-G 突变的共分离。其中 5 人有与听力损失母系遗传一致的家族史（500008）。只有 2 人有明确的氨基糖苷类暴露史，但所有 6 人在出生或婴儿期均检测到严重至极重度双侧感音神经性听力损失。潘迪亚等人（1999） 表明 7444G-A 突变与 MTTS1 基因中相邻的 7445A-G 突变（590080.0002） 具有共同的致病机制，导致 tRNA-ser（UCN） 前体的异常加工（参见guan等人） .，1998）。

袁等人（2005） 报道了一个患有氨基糖甙类诱发的感音神经性听力损失的 3 代中国家庭中同质 7444G-A 突变和同质 1555A-G MTRNR1 突变的共分离（580000）。另一位携带这两种突变的家庭成员有接触噪音史，但没有接触氨基糖苷类药物，表现出轻度听力障碍。给药剂量和年龄似乎与听力损失的严重程度相关。

.0002 铁粒细胞性贫血，获得性特发性
MTCO1、AISA6742C

获得性特发性铁粒幼细胞贫血（AISA） 中的线粒体铁过载可能归因于线粒体 DNA 突变，因为这些突变会导致呼吸链功能障碍，从而损害三价铁向二价铁的还原。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。 Gattermann 等人在 2 名 AISA 患者中（1997） 鉴定了影响细胞色素 c 氧化酶 I 亚基内相同跨膜螺旋的 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 名患者的突变是核苷酸 6742 处的 T 到 C 转变，导致氨基酸从蛋氨酸变为苏氨酸。另一名患者在核苷酸 6721 处发生 T 到 C 的转变突变，将异亮氨酸变为苏氨酸（参见 516030.0003）。这两种氨基酸在多种物种中都高度保守。两种突变都是异质性的。它们存在于骨髓和全血样本、分离的血小板和粒细胞中，但在通过免疫磁珠分离纯化的 T 和 B 淋巴细胞中似乎不存在。在通过漱口水获得的患者颊粘膜细胞或来自其中一名患者的培养皮肤成纤维细胞中均未检测到它们。这种参与模式表明，两名患者的 mtDNA 突变均发生在具有骨髓决定性的自我更新骨髓干细胞中。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 的发病机制中发挥着重要作用。细胞色素c氧化酶亚基I可能是铁还原和通过线粒体内膜转运的生理位点。

.0003 铁粒幼细胞性贫血，获得性特发性
MTCO1、AISA6721C

参见 516030.0002 和 Gattermann 等人（1997）。

.0004 细胞色素 c 氧化酶缺乏
MTCO1、COX6480A

杰克什等人（1998） 在一名患有细胞色素 c 氧化酶缺乏症（220110） 的孩子、她的母亲和妹妹的 MTCO1 基因的核苷酸 6480 处发现了 G 到 A 的转变，该缺陷与感音神经性听力损失、共济失调、肌阵挛性癫痫和智力迟钝有关。

.0005 结直肠癌
MTCO1、GLY121TER

早期，Warburg（1956） 提出肿瘤细胞氧化磷酸化的改变在癌生长中发挥着致病作用。人们对线粒体与肿瘤有关的兴趣重新燃起，这主要是因为它们在细胞凋亡和肿瘤生物学其他方面的作用。线粒体基因组特别容易发生突变，因为该细胞器中产生高水平的活性氧（ROS），同时 DNA 修复水平低。 Polyak 等人在结肠直肠癌（114500） 细胞系中（1998） 在 MTCO1 基因中发现了 6264G-A 转变，由于无义突变将 gly121 改变为停止，导致基因产物截断。线粒体染色体还包含在 MTND5 基因的 lys28 密码子中的核苷酸 12418 之后插入一个额外的腺嘌呤，从而导致移码。

.0006 细胞色素 c 氧化酶缺乏
MTCO1，6930G-A

Bruno 等人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（220110） 的年轻女性中（1999） 在 MTCO1 基因的核苷酸 6930 处发现了异质性 G 到 A 的转变。该突变将甘氨酸密码子更改为终止密码子，导致多肽最后 170 个氨基酸（33%） 的预计丢失。该突变存在于患者的肌肉、成肌细胞和血液中。患者母亲、姐姐和4名姨妈的mtDNA中均未检测到该物质。布鲁诺等人（1999） 研究了跨线粒体杂种细胞系的遗传、生化和形态特征，该细胞系是通过将患者的血小板与缺乏内源性 mtDNA 的人类细胞融合而获得的。突变mtDNA的比例与生化缺陷有直接关系。他们还观察到，这种突变的表型表达阈值低于涉及 tRNA 基因的突变中报道的阈值。布鲁诺等人（1999） 表明这种突变会导致呼吸链复合体 IV 的组装中断。

.0007 肌红蛋白尿，复发性
MTCO1，5920G-A

卡拉迪马斯等人（2000） 鉴定了线粒体核苷酸 5920 处的 G 到 A 替换，导致 MTCO1 基因中的 trp 到 ter 突变。这种突变仅在一名 33 岁男性的 COX 缺陷骨骼肌纤维中被发现，该男性自童年起就患有复发性肌红蛋白尿症。血清 CPK 水平范围为 15,000 至 38,000。该突变是异质性的，在 COX 阴性纤维中大量存在，但在 COX 阳性纤维中较少或不存在；在患者的血液或成纤维细胞或患者无症状的母亲和姐妹的血液样本中没有发现这种病毒。这种突变在肌肉中的零星发生表明它是在胚层分化后在肌源干细胞中从头出现的。

.0008 细胞色素 c 氧化酶 I 缺乏
MTCO1、LEU196ILE

瓦尔拉莫夫等人（2002） 在一名 17 岁持续性偏性癫痫女孩的 MTCO1 基因中发现了异质性 6489C-A 错义突变。点突变导致高度保守的 leu196（L196I） 上的 ile 被替换。肌肉活检显示单纤维中的 COX 活性降低，COX 抗体的结合降低，表明突变酶的稳定性降低。在单肌纤维水平上定量分析突变基因剂量对COX活性的影响，揭示了一个非常高的阈值；仅在含有超过 95% 突变 mtDNA 的纤维中观察到 COX 缺陷（参见 220110）。与这种高突变基因剂量阈值形成鲜明对比的是，对含有约 90% 突变 mtDNA 的皂苷透化肌纤维的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 COX 通量对肌纤维呼吸的控制增加了 2 倍，COX 代谢阈值降低了 30%，支持了 COX 对骨骼肌氧化磷酸化的严格控制的概念。

.0009 细胞色素 c 氧化酶 I 缺乏
MTCO1、SER142PHE

Lucioli 等人在 COX 缺乏症女性（220110） 的骨骼肌组织中（2006） 鉴定了 MTCO1 基因中的同质 6328C-T 转变，导致第四个 N 端跨膜螺旋的起始处发生 Ser142 到 phe（S142F） 的取代。同源突变在脱氮副球菌中的表达导致 COX 酶活性显着降低。

.0010 结直肠癌
MTCO1、GLY125ASP

Greaves 等人在来自结肠癌患者（114500） 细胞色素 C 氧化酶缺陷隐窝的结肠细胞中（2006） 鉴定了 MTCO1 基因中的 6277A-G 转变，预计会导致在高度保守的残基处发生 gly125 到 asp（G125D） 的取代。

Namslauer 和 Brzezinski（2009） 使用定点诱变来改变球形红杆菌（G171D） 细菌 MTCO1 基因中 gly125 对应的残基，并证明 G171D 突变体 COX 显示出与质子泵相关的稳态催化活性，即大约为野生型的34%。此外，在酶中发现了内在的质子泄漏，这会导致呼吸链的整体能量转换效率降低，扰乱蛋白质、离子和代谢物转移等转移过程。

.0011 结直肠癌
MTCO1、SER458PRO

Greaves 等人在来自结肠癌患者（114500） 细胞色素 C 氧化酶缺陷隐窝的结肠细胞中（2006） 鉴定了 MTCO1 基因中的 7275T-C 转变，预计会导致 ser458 到 pro（S458P） 的取代。

Namslauer 和 Brzezinski（2009） 采用定点诱变方法改变球形红杆菌（A501P） 细菌 MTCO1 基因中 Ser458 对应的残基，发现 A501P 突变体 COX 不表达，表明氨基酸替换导致酶的整体结构发生严重改变。