沙特国王大学医学院眼科青光眼研究主任，沙特阿拉伯利雅得11411
佛罗里达大学医学院眼科，佛罗里达州杰克逊维尔32209
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沙特国王大学医学院眼科青光眼研究主任，沙特阿拉伯利雅得11411
佛罗里达大学医学院眼科，佛罗里达州杰克逊维尔32209
DOI: 10.15761 / JTS.1000167
本文对线粒体DNA突变的眼科疾病如Leber遗传性视神经病变(LHON)、进行性眼外肌麻痹(PEO)和卡恩斯-塞雷综合征(KSS)进行了综述。眼部受累也是各种线粒体疾病的一个显著临床特征。已知的线粒体疾病，如线粒体脑肌病，乳酸酸中毒，和中风样发作(MELAS)，肌阵性红纤维紊乱癫痫(MERRF)，线粒体神经胃肠道脑病(MNGIE)和神经病变，共济失调和视网膜色素变性(NARP)，显示继发眼科表现也被包括在内。此外，核基因缺陷的线粒体疾病如常染色体显性视神经萎缩(ADOA)、常染色体显性视神经萎缩和白内障(ADOAC)、Costeff视神经萎缩综合征(COAS)等也有报道。最后，本文综述了继发性线粒体功能障碍的眼科疾病，包括青光眼、非动脉性前缺血性视神经病变(NAION)、糖尿病视网膜病变(DR)和老年性黄斑变性(AMD)。各种眼科疾病的线粒体功能障碍和线粒体疾病中观察到的眼部表现的关联为线粒体畸变在眼病中的直接或间接作用提供了强有力的证据，并代表了一个潜在的治疗靶点。一些可能的疾病机制(s)和治疗方式也进行了审查。
遗传，线粒体DNA，眼部疾病，氧化应激
RGCs:视网膜神经节细胞;OXPHOS:氧化磷酸化;ROS:活性氧;mtDNA:线粒体DNA;博士:糖尿病视网膜病变;AMD:老年性黄斑变性;LHON: Leber遗传性视神经病变;PEO:进行性眼外肌麻痹;COX:细胞色素c氧化酶;CPEO:慢性进行性外眼麻痹; KSS: Kearns-Sayre Syndrome; NAION: Non-arteritic anterior ischemic optic neuropathy; MELAS: Mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis, and stroke-like episodes; NGS: Next generation sequencing; MERRF: Myoclonic epilepsy with ragged-red fibers; POLG: Polymerase: DNA directed, gamma; MNGIE: Mitochondrial Neurogastrointestinal encephalomyopathy; NARP: Neurogenic weakness, Ataxia and Retinitis Pigmentosa; LS: Leigh syndrome
长期以来，线粒体一直被认为是“细胞的工厂”，在通过ATP合成能量产生中发挥着重要作用，这是执行所有细胞和代谢功能所必需的。线粒体存在于有核的真核细胞中，它们在特定细胞类型中的拷贝数量随细胞的能量需求而变化。具有高代谢活性的细胞，包括乳头状黄斑束内的视网膜神经节细胞(RGCs)、心脏传导系统、胰腺、肾脏、肝脏和肌肉，有大量的线粒体来满足它们对ATP的高需求。因此，这些组织极易受到ATP破坏的影响，主要受线粒体疾病的影响[1］．
线粒体呼吸链由五个复合体(I-V)组成，通过氧化磷酸化(OXPHOS)产生ATP。复合物I-IV氧化NADH和FADH2由脂肪酸的糖酵解和β -氧化产生;和复合体V(也称为ATP合成酶)，产生一个电化学梯度，导致ADP磷酸化为ATP。包括泛素在内的其他几个辅助因子促进了这些呼吸链复合体之间的电子转移[2］．虽然线粒体的主要作用是产生ATP，但这些细胞器也参与细胞的其他代谢和生物学功能，包括活性氧(ROS)的解毒、铁代谢、脂肪酸氧化、氨基酸生物合成和调节细胞凋亡。虽然OXPHOS通路的功能障碍是线粒体疾病发病机制中最重要的因素之一，但辅助因子或线粒体动力学和组装以及环境触发器的缺陷也会影响ATP的生成，并导致氧化应激增加，ROS的产生和凋亡，这些都可以对细胞产生破坏性影响。线粒体DNA (mtDNA)突变引起的OXPHOS遗传缺陷也可能导致能量衰竭和导致氧化应激，从而导致各种疾病，包括眼部疾病[3.］．
眼部受累是各种线粒体疾病的显著临床特征[4］．这源于这样一个事实，眼睛是一个高能量需求器官，因此特别容易受到线粒体损伤的后果。氧化应激和mtDNA不稳定导致的线粒体损伤与眼科疾病的发病机制有关，如糖尿病视网膜病变(DR)、老年性黄斑变性(AMD)和青光眼[5］．也有越来越多的证据表明氧化应激与许多与衰老有关的疾病的发展有关，包括帕金森氏症[6和阿尔茨海默病[7］．眼科疾病的线粒体异常可表现为视神经功能障碍，特别是涉及RGCs，如Leber遗传性视神经病变(LHON)，或累及眼外肌的进行性眼外肌麻痹(PEO)和眼外肌下垂，这通常与原发性mtDNA突变或继发于mtDNA维持核遗传障碍的获得性mtDNA缺陷有关。本文综述了mtDNA突变直接引起的各种眼病、继发性眼部累及的线粒体疾病和核基因引起的与线粒体功能有关的眼病;目前眼科疾病与线粒体畸变和氧化应激有直接或间接关系的实验室研究方法。此外，我们还讨论了线粒体功能障碍和氧化应激之间的独特关系，以及它们如何促进各种眼病的发生和发展，如图1所示。
图1所示。各种因素对线粒体功能障碍的贡献及其对视网膜神经节细胞的影响导致视力障碍。
MtDNA是一个约16.6 Kbp的环状双链基因组，编码37个基因，这些基因都是正常线粒体功能所必需的。其中13个基因编码与OXPHOS有关的酶。剩下的基因编码转移RNA (tRNA)和核糖体RNA (rRNA)，它们帮助氨基酸组装成功能蛋白。MtDNA是一种多拷贝DNA，根据细胞能量需求，MtDNA的拷贝数在100到10,000拷贝之间变化。MtDNA完全遗传自母亲，其雄性和雌性后代遗传MtDNA突变导致线粒体疾病的几率相同[8］．虽然线粒体有自己的基因组，但这并不能使它们摆脱核基因的控制。线粒体蛋白质组估计约有3350个蛋白质，大多数对线粒体组成和功能至关重要的蛋白质由核基因编码[9，10］．
尽管线粒体基因组很小，但mtDNA突变是包括眼科疾病在内的各种遗传疾病的重要原因。最近的进展大大增加了我们对线粒体遗传学和遗传突变与疾病表型之间关系的理解，并在确定与正常衰老和疾病条件相关的获得性mtDNA突变方面。然而，预防和治疗这些疾病仍然具有挑战性。这篇综述探讨了已经取得的进展和未来可能取得进展的领域。根据MitoMap数据库(http://www.mitomap.org/bin/view.pl/MITOMAP/MutationsCodingControl)最新更新的2015年7月20日，目前有301种突变与59种疾病或疾病相关，主要是神经系统、代谢、眼科甚至癌症[11]。同样，其他数据库如MitoCarta也可用(http://www.broadinstitute.org/pubs/MitoCarta/human.mitocarta.html)．最新版本MitoCarta 2.0目录为哺乳动物线粒体的系统级分析提供了分子框架[12］．
线粒体疾病的实验室诊断远非简单明了。通常，有几种代谢筛查试验可以在血液、尿液或脊髓液(SF)中进行。这些指标包括但不限于:基础化学、全血计数、血/乳酸、丙酮酸、L/P比、氨基酸定量、肝酶和氨、肌酐激酶和定量尿有机酸。血清/脑脊液乳酸和乳酸压力测试应包括在疑似线粒体疾病的诊断工作中。
肌肉活检中呼吸功能的组织学和生化检查被认为是诊断线粒体疾病(特别是涉及肌病的疾病)的金标准[13］．许多mtDNA疾病患者表现为OXPHOS功能障碍。组织学显示Gomori三色染色显示经典的不规则红色纤维，肌膜下堆积异常线粒体和细胞色素c氧化酶(COX)缺乏纤维，显示mtDNA参与。肌肉活检的组织学和组织化学检查被认为是诊断慢性进行性外眼肌麻痹(CPEO)和卡恩斯-塞尔综合征(KSS)的金标准。培养的皮肤成纤维细胞可能对发现complex-I缺陷特别有帮助。此外，可以从肌肉活检中提取DNA，并通过southern blotting或远程PCR研究多重缺失的存在，这是CPEO和KSS的主要遗传学潜在原因。肌肉活检是一种侵入性手术，对于LHON和非动脉性前缺血性视神经病变(NAION)等可通过眼科检查和直接DNA测序进行诊断的疾病，不能进行合理的诊断。由核基因缺陷引起的眼病也是如此，可通过Sanger测序(单核基因)或外显子组测序(>1核基因)进行诊断。
分子遗传检测可以从血液、骨骼肌、毛囊、颊黏膜或尿沉积物中提取DNA。MtDNA分离可能需要富集，Qiagen®、Abcam®或Biovision®的少数试剂盒可用于此目的。这些检测通常涉及Sanger®测序，以检测从LHON患者血液样本中提取的mtDNA中的单碱基取代[14]或线粒体脑肌病、乳酸酸中毒和中风样发作[15]或更先进的技术，如外显子组测序[这是下一代测序(NGS)的一部分]，在怀疑突变发生在多个核基因编码区之一时尤其有用[16导致了各种线粒体疾病。涉及内含子区和外显子区测序的NGS也可能是有用的，如果内含子区存在与任何线粒体疾病相关的突变(已知或新的)。一个很好的例子就是基因突变OPA3位于基因内含子区域的核基因。
线粒体疾病可由线粒体DNA或核DNA基因突变引起，而且不局限于任何器官或年龄组。遗传模式可以是常染色体显性、隐性、x连锁或线粒体。除了ATP缺乏外，线粒体紊乱还可能涉及多种机制:结构上OXPHOS亚基的缺陷和装配因素:通常表现为呼吸复合体中的mtDNA突变，可导致ATP产生减少和ROS解毒缺陷，最终导致氧化应激(如MELAS和LHON)。此外，如图1所示，其他环境因素也可能有助于各种眼科疾病的发展;(二)核编码蛋白中负责mtDNA维护的缺陷:这可能导致mtDNA的拷贝数变化、点突变和/或多重缺失。破坏mtDNA维持的疾病可以是严重的，影响婴儿，在一个或多个组织中mtDNA拷贝数严重耗尽(如mtDNA耗尽综合征，MDS)，到轻微的成人发病常染色体显性或隐性(如PEO);3)线粒体tRNA和rRNA突变和单个mtDNA缺失: tRNA点突变在人类mtDNA中非常常见(www.mitomap.org)表现出不同程度的临床表现。最常被研究的线粒体tRNA点突变包括tRNA- leu中的A3243G突变和tRNA- lys中的A8344G突变。前者的人群患病率高达5.7 / 10万，并引起广泛的表型，其中MELAS最为突出，而后者与肌阵挛性癫痫伴粗红纤维(MERRF)有关;4）线粒体动力学障碍线粒体形成一个不断重组的相互连接的网络。包括线粒体融合和裂变在内的线粒体动力学对线粒体的分布和功能至关重要。有缺陷的融合或裂变是人类许多神经疾病的基础。OPA1突变导致常染色体显性视神经萎缩[17］．在大多数情况下，这种疾病特别涉及rgc的退化。然而,更加多样化OPA1最近已经描述了相关的表型，其中包括mtDNA维持紊乱[18］．这将在2.7节中进行更详细的讨论。
LHON是一种常见的遗传性视神经病变，导致双侧中央视力丧失，在英格兰东北部、荷兰和芬兰的患病率分别为1 / 30000、1 / 39,000和1 / 50000。LHON可影响早于儿童至60岁以上的成年人[19］．发病年龄女性19-55岁(平均31.3岁)略高于男性15-53岁(平均24.3岁)。由于一些不清楚的原因，LHON在男性中的患病率上升(超过80%)。早期证据表明，雌激素在女性中发挥保护作用，这些激素通过雌激素受体改善LHON的线粒体功能障碍[20.］．在急性LHON中，患者通常出现无痛性视力模糊，或同时影响双眼(25%的病例)，或依次影响双眼(75%的病例)，中位时间间隔为8周。临床眼部检查显示特征性眼底改变，包括乳头周围毛细血管扩张性微血管病变，视网膜神经纤维层肿胀，视网膜血管弯曲和椎间盘充血。LHON的典型场缺损是一侧陡峭的中央或中央盲点。在慢性LHON中，视网膜神经纤维层的变性是渐进的，RGC轴突的丢失导致视神经萎缩[14］．在大多数LHON患者中，视力丧失是永久性的，视力恢复很少[19］．在90%有家族史的LHON患者中，可以观察到三种mtDNA突变中的一种，m.t 3460g >A、m.t 11778g >A和m.t 14484t >C，即原发性LHON突变。剩下的10%要么有其他mtDNA突变，要么整个mtDNA基因组没有突变。迄今为止报告的与LHON相关的mtDNA突变总数为63个(mitomap网站)，其中12个突变被确认为致病状态[21］．据报道，从临床环境中选择的LHON视神经病变患者中，原发性LHON突变比多代家族和有家族史的LHON患者更不常见。换句话说，只有当患者被临床诊断为LHON并有家族病史时，90%的数字才成立。对于缺少LHON三种主要突变之一的LHON患者，为了确定引起疾病的mtDNA突变，筛选整个mtDNA基因组是非常必要的。mtDNA突变明显导致线粒体功能障碍和ATP生产中断，如杂交实验所示。RGCs对ATP生产中断和氧化应激高度敏感。线粒体功能障碍和代谢损伤导致RGCs选择性退化，导致LHON视力丧失[22］．LHON的发病机制有待进一步阐明，为潜在的治疗干预研究铺平道路。LHON的主要参与是rgc而不是视神经，这也是可能的。视神经受累可能是LHON的次要事件，如图2所示，线粒体位于离视神经较远的位置，这可能支持这一事实。
图2。视神经的无髓鞘部分延伸到筛板并在筛板后位置突然停止。无髓神经轴突的线粒体密度比有髓神经轴突高。无髓鞘的轴突在传导信号时效率不高(传导更慢，需要更多能量)。
病人的管理在很大程度上是支持提供视觉辅助和帮助职业康复。强烈建议携带mtDNA lhon基因突变的个体适度饮酒并避免吸烟。避免其他可能导致视力丧失的环境诱因，如接触工业毒素和具有线粒体毒性作用的药物，似乎也是合理的。初步研究表明，口服Idebenone(商品名Raxone®)可使视力进一步丧失高风险的早期LHON患者受益[第23 - 25］．在LHON患者缺乏其他治疗方案的情况下，线粒体医学界通常使用艾德本酮。Santhera制药公司目前正在对LHON患者进行Idebenone的临床试验。针对LHON的靶向基因治疗也在积极探索[26，27］．
在某些情况下，LHON除视力下降外还伴有其他症状。这些症状包括肌张力障碍、震颤和心传导缺陷。一些受影响的人会出现类似于多发性硬化症的特征，这是一种慢性免疫紊乱，其特征是局点中枢神经系统脱髓鞘，导致短暂或永久的视觉问题、感觉缺陷、肌肉无力、协调能力差和各种其他健康问题。在这些患者中，病情描述为lhon + [28］．LHON-plus患者也有类似于LHON的复杂I呼吸缺陷和mtDNA突变[11］．然而，在一份报告中，LHON-plus病例显示了复合体I呼吸缺陷，但在对整个线粒体基因组测序时没有显示mtDNA突变[29］．
PEO是一种以眼外肌无力为特征的疾病，影响18至40岁的成年人。最常见的临床体征和症状包括上睑下垂，可影响单侧或双侧眼睑和眼肌麻痹(图3A)。部分病人亦可出现颈部、手臂或腿部的肌病[30.］．这种虚弱在运动时尤其明显(运动不耐受)。肌肉无力也可能导致吞咽困难。PEO患者在显微镜下常有外观异常的细胞，表现为杂乱的红色纤维，并显示大量mtDNA缺失(图3B和3C) [31］．然而，mtDNA拷贝数通常保持正常。
图3。（一个迟发性peo是眼外线粒体肌病最常见的形式，通常是自发发生。（B)骨骼肌组织中缺乏氧化酶的纤维和(C)异质性，单一大规模mtDNA重排(主要是mtDNA缺失，lane 2)．
与PEO相似的具有重叠体征和症状的疾病也被描述过。这包括由聚合酶(DNA导向)、γ (POLG)基因突变(32]，如共济失调神经病变谱，以及其他mtDNA缺失障碍，如KSS [32］．然而，这些情况有许多额外的特征，不是大多数PEO患者所共有的。
在某些情况下，PEO还伴有其他体征和症状，包括感音神经性听力丧失、神经病变引起的四肢无力和感觉丧失、肌肉受损和共济失调(一种被称为帕金森症或抑郁症的运动异常模式)。当PEO和上睑下垂与其他神经系统或多系统异常相关时，可称为眼肌麻痹加重综合征(PEO-加重)。Drachman(1968)描述了与进行性眼外肌麻痹相关的疾病，他将其称为“眼外肌麻痹+”[33］．据报道，有许多全身特征，包括肢体、面部和球肌无力、身材矮小、糖尿病、耳聋、心脏传导缺陷、中枢和外周呼吸功能障碍以及内分泌和性器官异常[33］．PEO-plus的患病率尚不清楚。
Kearns-Sayre综合症:KSS是PEO-plus综合征最常见的形式[34]，估计患病率为每10万人1至3人。其主要特征包括PEO发病的早期(20岁以前)、退行性色素视网膜病变、心脏传导阻滞，并有潜在危及生命的心律失常和小脑功能障碍或脑脊液蛋白(>100mg/dl)升高的风险[35］．随着疾病的进展，除了耳聋、大球功能障碍、反射和中风样发作外，还会出现近端肌病。尽管有报道称存在兄弟姐妹[35]，大多数KSS病例是散发的。患有KSS的个体有单一的、大量的mtDNA缺失，从1000到10000个核苷酸不等。在受影响的个体中，缺失的原因尚不清楚。
线粒体脑肌病伴乳酸酸中毒和中风样发作:MELAS患者很少发生PEO。携带m.3243的PEO患者的一个子集>G点突变通常与MELAS相关，但没有表现出该疾病的其他临床特征，已有报道[36］．在影像学检查中，可在中风样发作时显示多灶性，主要是皮层梗死样病变，提示基底神经节内的栓塞性或血管性疾病和钙化。值得注意的是，与典型的缺血性中风相比，这些病变并不局限于血管区域。其他眼部表现包括色素性视网膜病变和黄斑病变。肌肉活检显示典型的cox缺陷和红色纤维;通过对血液、肌肉或尿液沉淀物的mtDNA分析，可对m.3243A>G突变进行分子确认[37］．
肌阵挛性癫痫，肌病伴粗红纤维: MERRF的特征是肌阵挛、肌病和痉挛，主要影响肌肉和神经系统。MERRF的临床特征是高度多变的，即使在同一家族成员之间也可能有很大的差异。MERRF的其他临床特征包括癫痫、共济失调、周围神经病变和痴呆[38］．PEO也被描述为与MERRF合并，这似乎是一种重叠综合征[39］．肌肉活检标本中有红色纤维还有m。3243的DNA测序>G突变是MERRF/PEO的特征[39］．肌酸激酶和血清乳酸可能中度升高，而脑成像可能只是显示轻度弥漫性萎缩。
线粒体neurogastrointestinal encephalomyopathy:线粒体神经胃肠道脑肌病(MNGIE)是一种主要影响消化系统和神经系统的疾病。MNGIE通常与胃肠道运动障碍有关。后者会影响消化系统的肌肉和神经，导致饱腹感、吞咽困难、恶心和呕吐、腹痛发作、腹泻和肠阻塞，从而导致恶病质。神经系统异常相对轻微，可能包括刺痛、麻木和周围神经病变，尤其是手和脚。耳聋很常见，但通常不存在与其他线粒体肌病相关的共济失调和癫痫发作。MNGIE的发病率和死亡率很高，死亡发生在生命的第三或第40岁。MNGIE是一种由核编码突变引起的隐性遗传疾病TYMP编码胸苷磷酸化酶的基因，与PEO和上睑下垂有关[40］．肌肉活组织检查中报告的粗红色和cox缺陷纤维也显示多重mtDNA缺失[41］．
神经源性虚弱、共济失调和色素性视网膜炎:1990年，霍尔特和他的同事在一个家庭中描述了神经源性虚弱、共济失调和视网膜色素变性(NARP)，该家庭的4名成员表现出发育迟缓、视网膜色素变性、痴呆、癫痫发作、共济失调、近端神经源性肌肉无力和感觉神经病变的可变组合，其谱系模式与母体传播一致。受影响个体的生化分析(丙酮酸和乳酸)和肌肉活检结果可能正常。脑成像，可在高疾病负担患者中显示非特异性脑或小脑萎缩。尽管缺乏线粒体肌病的组织化学证据，但是，来自患者的血液和肌肉活检显示存在异质性(m.8993T>G)线粒体突变ATP6基因(42］．
利综合征(LS)是一种严重的神经退行性疾病，通常发生在生命的第一年，影响大约四万分之一的活产儿。症状通常在3至12个月大时出现，特征是智力和运动能力逐渐丧失(精神运动能力退化)，通常导致在生命的头2年死亡，通常是由于急性感染后的呼吸衰竭。然而，成人发病的LS也有描述。利综合征患者可能出现几种眼科特征。许多受影响的人会发展为眼瘫;眼球震颤和视神经萎缩。在迄今为止进行的最大规模的研究中，对44名Leigh综合征患者的眼科检查显示斜视(40.9%)是最常见的眼科表现。其次是色素性视网膜病变(22.5%)、视神经萎缩(22.5%)、上睑下垂(15.9%)和眼球震颤(13.6%)。13例为外视性，5例为内视性[43］．
上睑下垂可能是LS患者的初始体征，这些患者很容易被误诊为幼年型重症肌无力。与其他线粒体疾病如KSS或CPEO一样，上睑下垂可能是LS患者的主要表现。这些患者最初被误诊为幼年型重症肌无力，因为在随访期间，LS患者的上睑下垂表现不一。幼儿获得性上睑下垂有许多病因，包括外伤和神经系统疾病，以及青少年重症肌无力，这在亚洲人群中并不少见。青少年重症肌无力的诊断仅基于临床特征，因为重复性神经刺激试验等其他检测在青少年中不可行，抗乙酰胆碱受体抗体可能为阴性。因此，对于出现上睑下垂或凝视性麻痹的患者，应将LS纳入鉴别诊断，并随访检查发育迟缓、步态障碍或其他神经系统症状。与LS和眼部症状(包括上睑下垂)相关的最常见mtDNA突变是MT-ND5基因中的m.13513G>A。迄今为止，在mtDNA和核DNA中已经报道了超过75个基因的致病性突变[44，45］．
常染色体显性视神经萎缩(ADOA)是一种主要影响视网膜RGCs和神经纤维层的遗传疾病，估计在北欧的患病率为35000分之一。ADOA的临床特征是双侧和对称视神经苍白，在生命的第一个或第二个10岁时，视力潜伏下降，视野缺陷和色觉缺陷。视力损害从中度(6/10到2/10)到轻度甚至不明显到严重(法定失明，视力<1/20)不等。视野缺损典型表现为中央型、中央型或旁中央型;在那些患有严重疾病的患者中，它通常很大。视力的自发恢复尚未见报道。其他发现还包括听神经病变，导致严重程度不同的感音神经性听力丧失。ADOA与核编码的突变有关OPA1位于染色体3q上的基因编码与线粒体膜生物发生和完整性有关的线粒体靶向蛋白[46］．最近的一项回顾性研究发现OPA1在有视力障碍家族史的个体中，可检测到50%的突变，而在散发病例中则为5.3%。这一比率与其他研究报告的突变检出率相当[47］．遗传咨询，特别是对受影响的父母和阳性患者OPA1强烈推荐突变。一般来说，无基因型-表型相关性OPA1但很少有报告表明帧内删除涉及视力损失(平均1/10)，这在统计上比截断突变或错义替换(平均2/10)造成的损失更严重。ADOA的治疗主要包括为视力下降的患者提供低视力辅助治疗。
OPA1与动力蛋白家族的蛋白质有关[48］．该线粒体融合基因的突变导致了ADOA，突出了线粒体动力学的重要性。研究已经提出了一些可能的发病机制。研究表明，发生在OPA1的GTPase结构域的突变会影响GTPase活性，并产生显性的负面影响[49]，而c端截断则是由潜在的GTPase效应域(GED)的去除或整个的删除引起的OPA1基因消除了动力蛋白的低聚刺激活性，导致单倍体不足[50］．虽然OPA1不是唯一由rgc表达的，然而，rgc主要受OPA1突变是未知的。尽管如此，这个特定的分布OPA1mRNA和蛋白质变异[51表明该动力蛋白的特定变体在ADOA的发病机制中所起的作用。下调OPA1诱导自发凋亡细胞死亡[52]，因此推测凋亡可能是导致ADOA中RGC变性的病理生理过程。同样，下调的OPA1会导致线粒体膜电位和细胞呼吸功能受损，从而降低ATP合成，增加ROS产生，这一机制可能与LHON类似，发生在ADOA中。研究Opa1突变小鼠模型(见[53])的研究表明，融合缺陷导致去极化线粒体数量增加、自噬消除增加和树突病[54，55］．值得注意的是，这两个模型的表型与人类疾病相似，但并不完全匹配，人类疾病的特征总是rgc丢失和视神经萎缩。然而，影响线粒体动力学和/或嵴结构组织的OPA1仍然是ADOA的主要原因[52];未来对该动力蛋白功能的研究对于进一步了解与该病相关的病理过程至关重要。
常染色体显性视神经萎缩和白内障(ADOAC)患者有视神经萎缩、白内障和以锥体外系体征和共济失调为特征的神经系统疾病。ADOAC遗传为常染色体显性遗传;白内障通常在第一个十年被发现。ADOAC是由OPA3基因(56］．OPA3基因被认为为制造一种确切功能未知的蛋白质提供指令。OPA3蛋白存在于线粒体中，参与调节线粒体的形状。电子显微镜研究表明，没有功能的OPA3蛋白的细胞线粒体形状异常[57］．目前很少有突变的报道OPA3因此，基因型与表型的相关性并不明确。
这是另一种疾病引起的OPA3突变。的截断突变OPA33-甲基戊二酸尿3型，也称为Costeff视神经萎缩综合征(COAS)。COAS是一种神经眼科综合征，包括早发型双侧视神经萎缩和晚发型痉挛、锥体外系功能障碍和认知障碍。3-甲基戊二酸和3-甲基戊二酸的尿排泄增加[58］．不像ADOAC，它也是由基因突变引起的OPA3基因上，本病为常染色体隐性遗传。
常染色体显性PEO常染色体显性遗传(AD)-PEO可由以下核基因之一的突变引起:波尔-γ或POLG［59];线粒体和DNA修复功能;ii)闪烁解旋酶基因(PEO1)是合成新生d -环链和完成mtDNA复制所必需的线粒体解旋酶[60];3)SLC25A4编码腺嘌呤核苷酸转位器1 [61)和(四)RRM2B编码维持线粒体dNTP池平衡所需的p53诱导核糖核酸还原酶蛋白的一个亚基[62］．其他突变基因包括POLG2，编码pol γ的附属β -亚基[63),OPA1它编码一种与线粒体动力学相关的GTPase，这是线粒体动力学和mtDNA维持所必需的[64］．
常染色体隐性PEO:常染色体隐性遗传(AR)-PEO病例已在骨骼肌mtDNA重排的谱系中被报道，并特别与POLG突变(65］．隐性突变POLG基因也可引起感觉性共济失调神经病变、构音障碍和眼瘫(SANDO)表型[66]和线粒体隐性共济失调综合征[67除了AR-PEO。Carrozzo等(1998)研究了3例AD-PEO患者和3例AR-PEO患者。特别是，AD-PEO患者肌肉样本中多重mtDNA缺失的比例高于AR-PEO患者[68］．
色素性视网膜病变是一种非特异性的发现，可在几种线粒体疾病中发现。最好描述的原发性mtDNA疾病，色素视网膜病变可能是NARP，其结果是m.8993线粒体复合体V呼吸复合体中T>C突变(ATP6基因)。色素性视网膜病变也可发生在一系列其他mtDNA细胞病变中，包括Leigh综合征(累及基底神经节和脑干的退行性疾病)、MELAS [69]、MERRF、LHON、KSS和线粒体肌病。一项回顾性研究发现，59名患有明确线粒体疾病的儿童和青少年中有16人视网膜色素改变[70］．据观察，81%的患者表现出至少一种或多种其他眼科表现，包括上睑下垂、眼动减退(包括严重的眼外肌麻痹)、斜视、眼球震颤、低视力、屈光不正、畏光、部分或全部视神经萎缩[28]。这些数据强烈支持在怀疑线粒体疾病的所有年龄个体中进行扩张眼科检查，包括视网膜电图的概念。
青光眼是一种视神经病变，临床表现为视神经拔罐和萎缩，与原发性线粒体视神经病变相似。青光眼与各种线粒体视神经病变之间的相似性引起了人们对青光眼线粒体功能和异常的研究兴趣。RGCs的特异性缺失是线粒体疾病的共同特征，不仅是LHON的典型线粒体视神经病变，而且在许多其他综合征性线粒体疾病中还伴有更严重的中枢神经系统受累。研资局受结构和能量的限制，似乎极易受线粒体功能障碍的影响。众所周知，包括神经元在内的有丝分裂后组织的线粒体功能也会随着年龄的增长而下降[71］．因为年龄是青光眼的一个危险因素，这增加了研究青光眼线粒体的另一个原因[72］．各种研究表明，来自实验性青光眼动物模型和从青光眼患者收集的临床样本的眼组织中存在氧化应激[73］．第一条证据与电子显微镜下线粒体结构的变化有关。这些变化包括:i)线粒体表面积变小;Ii)嵴破坏或处于极端氧化应激状态，嵴丢失;3)分裂;(四)肿胀;V)膜透性变化[74］．青光眼不仅是线粒体疾病中的继发性疾病，而且是原发性疾病。也有越来越多的证据表明青光眼患者的临床样本存在线粒体异常(mtDNA序列改变、线粒体呼吸缺陷、mtDNA拷贝数增加甚至属于某一线粒体单倍群)[72，75 - 77］．2006年，Abu-Amero等人在一组原发性开角型青光眼患者中证实了mtDNA序列的潜在病理性改变。该小组还显示线粒体呼吸减少，mtDNA拷贝数增加[72］．随后，其他研究人员报告了从青光眼患者收集的临床样本中可能发生的病理性mtDNA序列变化[78 - 80］．上述研究均指出线粒体异常和氧化应激在青光眼发病中起重要作用，但其确切机制迄今尚未完全了解。一种可能的情况是，线粒体功能失调导致ATP产生减少，从而影响眼压(最近在青光眼小鼠的视神经中证明了这一点[74)并引发青光眼发病的级联。另一种可能的情况是青光眼发展过程中小梁网(TM)的破坏。氧化应激和随后的血管损伤可能在TM和视神经头的凋亡细胞丢失中起作用[81可以想象的是，早期开始抗氧化治疗是可行的。
NAION患者通常表现出视神经病变的部分或全部症状，包括视力下降、色差、相对传入乳头缺损、肿胀的视神经伴裂片出血和视野缺损。因此，NAION在临床上类似于LHON，但唯一的区别是它发生在老年人(>50岁)，并伴有视盘水肿。视盘水肿的原因尚不清楚，但普遍认为，最终的共同途径导致结构拥挤的视盘轴索水肿引起的隔室综合征，导致凋亡诱导的视网膜神经节细胞死亡[82］．与LHON不同，NAION的潜在遗传原因在很大程度上是未知的。Abu-Amero等人报道，在一组NAION患者中发现了一些潜在的致病性mtDNA突变和线粒体对氧化应激的间接反应——相对mtDNA含量的增加[21，83］．此外，一种病理证实的mtDNA突变m.9957T>C报告于1例NAION和癫痫患者[84］．另一个mtDNA突变m.4132G>A在一个大的家族性NAION谱系中也有报道[85］．除了这些研究，到目前为止，NAION的潜在遗传原因在很大程度上仍不清楚。线粒体DNA突变(如果确定的话)如何发展成NAION的确切机制仍然未知。由于LHON和NAION在病理上的相似之处，我们有理由认为氧化应激和随后rgc的变性可能与之有关。由于NAION发生在老年，它进一步加强了NAION与线粒体病理之间的联系[86］．
DR是年轻人失明的主要原因。糖尿病中氧化应激的增加及其在糖尿病并发症发展中的作用现已被广泛接受[87，88］．诱导氧化应激的分子机制包括葡萄糖的自氧化、抗氧化防御酶受损和高血糖引起的代谢异常[87］．此外，由于糖尿病是一种终身疾病，细胞暴露在持续的代谢压力和增加的自由基生成，导致组织损伤。然而，导致氧化应激和DR发展的确切机制仍有待阐明。据认为，DR涉及高血糖环境下视网膜线粒体的进行性功能障碍，导致mtDNA损伤和视网膜毛细血管细胞凋亡增加[89］．基质金属蛋白酶-2 (MMP2)是介导糖尿病视网膜细胞促凋亡过程的主要蛋白[79］．激活的MMP2引起线粒体膜降解和连接蛋白43损伤，从而激活凋亡机制[90］．抗氧化剂，如锰超氧化物歧化酶，可减少mmp2介导的线粒体损伤，抑制DR的发展[89］．在一项类似的研究中，抗氧化剂SS31被发现可以减轻人类糖尿病视网膜细胞中葡萄糖诱导的损伤，在用SS31处理高糖培养基中的细胞后，线粒体ROS生成明显减少，细胞破坏减少，细胞色素c释放减少(标志着细胞凋亡的开始)[53］．这些重要的发现强调了氧化应激介导的糖尿病视网膜损伤的潜在可逆性。
视网膜退行性变，特别是黄斑变性，是老年人失明的很大一部分原因。光似乎对已经损害线粒体功能的视网膜细胞有有害影响。波长在400到760 nm之间的光似乎通过降低线粒体脱氢酶的活性和增加ROS的释放来特别影响充满线粒体的组织[91］．由于黄斑色素无法保护视网膜神经节细胞免受短波光的伤害，因此它们特别容易受到光诱导的损伤。因此，光诱导的线粒体功能障碍可能加重视网膜神经节细胞疾病，如AMD [91］．为了确定致病性mtDNA变异是否也发生在AMD患者中，Kenney和同事比较了AMD患者和年龄匹配的对照组之间的视网膜和血液mtDNA [92］．作者报告说，视网膜细胞比血液有更多的mtDNA重排和缺失，在AMD患者中有更多的潜在致病意义的非同义基因变异。这些mtDNA基因组的改变似乎随着时间在病变视网膜神经节细胞中积累，这既是氧化应激的结果，也可能是氧化应激加剧视网膜线粒体功能障碍的持续原因。在正常衰老的情况下，mtDNA损伤只在已知与衰老相关的线粒体基因组的常见缺失区域被观察到。相反，mtDNA损伤随着AMD的进展而增加到整个线粒体基因组，而不仅仅局限于常见的缺失区域[93］．先前的研究已经确定mtDNA是AMD过程中优先受到影响的损伤部位，并确定这些变化发生在疾病的中间阶段。这与mtDNA损伤增加可能是导致视网膜色素上皮(RPE)功能障碍的一个因素的想法是一致的[94］．在正常条件下产生的ROS，如光(特别是短波蓝光)、吞噬和代谢，使RPE处于相当大的代谢需求和氧化应激下。RPE受损可引起信号因子失衡(即血管内皮生长因子升高)和细胞凋亡，导致终末期AMD。因此，在AMD早期通过靶向线粒体的治疗方法保护mtDNA完整性可以阻止或改善视力丧失的进展[93］．
眼癌虽然罕见，但具有特别的侵袭性，发病率和死亡率都很高。虽然这些癌症的起源通常不被认为是线粒体，但最近的一些研究治疗已经瞄准了破坏肿瘤细胞的线粒体功能，专门诱导它们的凋亡。去年研究的两种癌症是视网膜母细胞瘤和葡萄膜黑色素瘤。
视网膜母细胞瘤:视网膜母细胞瘤是幼童最常见的眼癌。如果不及时治疗，视网膜母细胞瘤可能会转移，但在美国，其治愈率最高，约为95% [95］．一种新型异喹啉衍生物EDL-155最近被评估为选择性破坏视网膜母细胞瘤细胞的潜在剂[96］．在体外治疗导致线粒体破坏和诱导自噬。此外，作者还进行了论证在体内使用大鼠视网膜母细胞瘤模型，EDL-155提示四次眼周注射后肿瘤细胞局部破坏，疗效显著[96这表明线粒体在这种肿瘤中的作用。大多数视网膜母细胞瘤病例已知是由RB1（retinoblastoma-1)基因，是一种肿瘤抑制基因[97］．大多数视网膜母细胞瘤病例的遗传方式为常染色体显性遗传。
葡萄膜黑色素瘤:葡萄膜黑色素瘤是一种成人原发性眼内肿瘤，是一种非常罕见的侵袭性癌症，预后不良，高达一半的患者在确诊后15年内发生肝转移[98］．最近的一次在体外姜黄素对葡萄膜黑色素瘤细胞诱导凋亡作用的研究[98］．姜黄素是一种植物源性的多酚抗氧化和抗炎化合物，发现于香料姜黄中，先前的研究表明，它对从白血病到实体肿瘤(如前列腺癌和卵巢癌)的癌症都有体外凋亡作用[98，99］．姜黄素给药后，葡萄膜黑色素瘤细胞的活力显著下降，且呈剂量和时间依赖性，随着姜黄素浓度的增加，线粒体诱导的凋亡和细胞破坏逐渐增加。因此，靶向抑制肿瘤特异性线粒体功能的疗法有望成为治疗眼部癌症的新手段。此外，种系突变在BAP1（BRCA1相关蛋白1)基因也与葡萄膜黑色素瘤有关[One hundred.］．
尽管在确定线粒体疾病的遗传原因和诊断方面取得了进展，但在治疗的发展方面仍缺乏重大改进，这是迫切需要的。目前，对于OXPHOS功能障碍引起的线粒体组疾病，尚无有效的治疗方法，主要局限于症状的控制和根据患者个人需要调整的维生素和抗氧化鸡尾酒的使用[101］．由于线粒体的双重遗传起源，原则上可以通过定向基因替换和基因治疗来靶向核基因组和线粒体基因组的缺陷。然而，与它的核对应部分相比，开发mtdna为基础的疾病动物模型在技术上具有挑战性。尽管存在这些技术挑战，基于mtdna的视神经病变的动物模型已经使用经典的复合物I抑制剂鱼藤酮或装载鱼藤酮的微球开发出来[102］．然而，这些动物的眼部表现的表征仍然有限。对核编码线粒体ATP/ADP转位器(ANT1)敲除小鼠的转基因研究证明了基因治疗线粒体相关疾病的可行性[103］．Tischner和Wenz最近的评论非常优雅地描述了大量的基因靶向方法及其结果(在[104])。最常研究的基因治疗方法包括LHON中mtdna编码基因的核异位表达。传递含有野生型的腺相关病毒(AAV)载体ND4，为在体外人眼和小鼠模型，提供了理论水平LHON基因治疗方法的研究[27，105］．使用该方法的人体临床试验结果尚待确定[106］．此外，使用不同的方法，成功直接在线粒体内传递整个mtDNA或含有mtDNA编码的AAV载体ND4亚基基因也已被证实[107，108］．尽管mtDNA或含有mtDNA编码基因的AAV结构的线粒体传递机制不清楚，但这些研究与传统观点相悖，即mtDNA可以直接传递到线粒体，这是线粒体医学领域一项非常重要的技术成就，需要进一步研究。值得注意的是，我们已经建立了一个真正的LHON基因小鼠模型。该模型显示在所有组织中均存在一种同质mtDNA复合体I突变，这是该病的生化和组织学特征，应该为进一步的研究提供一个平台，这些研究可能揭示人类LHON的某些无法解释的特征，并允许对潜在疗法进行适当测试[109］．替代基因疗法是一种成功应用于人类遗传性视网膜病变的方法，未来也可能应用于由核遗传缺陷(如ADOA)引起的人类视神经疾病OPA1突变。考虑到线粒体疾病的异质性和在这些OXPHOS功能障碍患者中观察到的临床变异性，很可能未来的治疗策略将涉及更多的个性化治疗方法。
很明显，线粒体功能障碍与眼科疾病的许多方面密切相关。此外，原发性线粒体疾病明显表现出主要的眼科后遗症(见表1)。同样，线粒体功能障碍，可能通过氧化应激机制的诱导和肿瘤细胞线粒体功能的破坏，似乎分别有助于原发性眼科疾病，如青光眼、DR、AMD和眼部肿瘤。由于线粒体在各种眼科疾病的发病机制中发挥着重要作用，因此需要设计多种针对线粒体抗氧化应激和过早凋亡的保护策略来保护rgc。这可能会提供一种有希望的方法来延迟各种眼科疾病的发作，降低严重程度或同时预防它们。
该项目由沙特阿拉伯王国阿卜杜勒阿齐兹国王科技城国家科学、技术和创新计划(MAARIFAH)资助，奖励号(12-MED2621-02)
特里Lichtor
评论文章
收稿日期:2016年10月20日
录用日期:2016年11月15日
出版日期:2016年11月18日
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Abu-Amero KK, Kondkar AA, Chalam KV(2016)线粒体畸变与眼病。科学通报3:doi: 10.15761/JTS.1000167
佛罗里达大学医学院眼科，杰克逊维尔，佛罗里达州32209，美国电话:(904)244-9390。
图1所示。各种因素对线粒体功能障碍的贡献及其对视网膜神经节细胞的影响导致视力障碍。
图2。视神经的无髓鞘部分延伸到筛板并在筛板后位置突然停止。无髓神经轴突的线粒体密度比有髓神经轴突高。无髓鞘的轴突在传导信号时效率不高(传导更慢，需要更多能量)。
图3。（一个迟发性peo是眼外线粒体肌病最常见的形式，通常是自发发生。（B)骨骼肌组织中缺乏氧化酶的纤维和(C)异质性，单一大规模mtDNA重排(主要是mtDNA缺失，lane 2)．
