复合物 III 的细胞色素 b；MTCYB

COMPLEX III, 细胞色素 b 子单元

辅酶 q10-细胞色素 c 氧化还原酶, 细胞色素 b 子单元

HGNC 批准基因符号：MT-CYB

▼ 说明

细胞色素b（MTCYB）是线粒体DNA（mtDNA）编码呼吸复合物III（泛醇：铁细胞色素c氧化还原酶，或细胞色素bc1，复合物，EC 1.10.2.2）的唯一子单元。复合物 III 位于线粒体内膜内，是线粒体氧化磷酸化电子传递链中的第二个酶。它催化电子从泛醇（还原型辅酶Q10）转移到细胞色素c，并利用能量将质子从线粒体内膜内部转移到外部。牛复合物III经SDS-聚丙烯酰胺凝胶（PAGE）拆分为11种多肽，命名为I-XI（Schagger et al., 1986；冈萨雷斯-哈尔芬等人，1988）。这些子单元包括核心蛋白I和II、细胞色素b（子单元III）、细胞色素c1（子单元IV）、Rieske铁硫蛋白（子单元V）和一些较小的多肽。子单元 III、IV 和 V 是复合物中的主要氧化还原蛋白，以 2:1:1 的摩尔比存在（Rieske, 1976）。核心蛋白 I 和 II 对于复合物 III 中氧化还原中心的组装和正确关联至关重要，尽管它们不包含氧化还原中心（Linke 和 Weiss，1986；Crivellone 等人，1988；奥德肖恩等人，1987；Tzagoloff 等，1986）。

MTCYB 是一种进化高度保守的疏水蛋白，含有 8 或 9 个跨膜结构域和 2 个血红素基团。这两种血红素的氧化还原电位和差异光谱不同，被指定为b-562——高电位血红素和b-566——低电位血红素（Esposti et al., 1993；维克斯特罗姆等人，1981；萨拉斯特，1984）。细胞色素 b 与核心蛋白 I 和 II 一起构成复合物 III 的核心成分。Rieske铁硫蛋白位于内膜的细胞质侧，接受来自MTCYB的电子（Gonzalez-Halphen et al., 1988）。然后电子被转移到细胞色素 c1，它包含 1 个跨膜结构域（一种共价结合的血红素），也位于线粒体内膜的外侧。细胞色素c1将电子转移到细胞色素c（Weiss et al., 1987）。

对于配合物 III，质子易位与电子传输相关的机制已得到深入研究。两个重要的模型是质子动力辅酶q10（Q）循环和b循环（Mitchell, 1976; 哈特菲，1985）。两种模型都通过辅酶q10氧化还原中间体将质子易位和电子转移联系起来（Hatefi, 1985; Wikstrom 和 Krab，1986）。

▼ 测绘

MTCYB由mtDNA富含鸟嘌呤的重（H）链编码，位于核苷酸对（nps）14747和15887之间（Anderson et al., 1981；华莱士等人，1994）。它与 mtDNA 一起通过母系遗传（Giles et al., 1980；凯斯和华莱士，1981）。

▼ 基因结构

MTCYB 基因包含 1140 nps 的 mtDNA，编码不含内含子的单一多肽。mRNA有一个4-np、5-prime非编码区，后面是AUG起始密码子，并以UAA终止密码子U结束（Anderson et al., 1981；奥贾拉等人，1981；蒙托亚等人，1981；华莱士等人，1994）。它被转录为多顺反子 H 链转录物的一部分，两侧是 tRNAGlu 和 tRNAThr 转录物。这些 tRNA 在转录本释放转录本 11（MTCYB mRNA）处被切除。然后 mRNA 被聚腺苷酸化以完成终止密码子（Anderson et al., 1981；Ojala 等人，1981：Attardi 等人，1982）。

▼ 基因功能

预测MTCYB的分子量（MW）为42.7 kD（Anderson et al., 1981；华莱士等人，1994）。然而，其高疏水性导致 SDS-PAGE 上的迁移发生变化，表观分子量发生变化。使用 Tris-甘氨酸缓冲液，其迁移速度约为 27.5 kD（Oliver et al., 1984；奥利弗和华莱士，1982；Wallace et al., 1986），而在尿素磷酸盐缓冲液中，它的迁移速度约为 29 kD（Chomyn et al., 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 ：+14899、+15245、+15437、+15606、-15776；艾娃二号：+15487、+15591、+15882；DDE I：+14773、+14923、-15073、-15238、-15250、+15434、+15660、+15727、+15751/15754；海II：-14858，-15002；海三号：+14749、+14899、-15047、-15073、-15172、+15431、+15520、+15595、-15883；哈哈我：-14859，-15003；欣克二号：+14648/15765；HinfI：+15005、-15234、-15375、-15723；Mbo I：+14749、-14869、-15060、+15195/15221、+15235、+15397、-15591、+15790/16373；Msp I：+15485；Rsa I：+15346、+15412、-15812、+15872；塔克一号：-14956、+15549、+15861；Xho I: -15068（Wallace et al., 1994）。

MTCYB 具有导致莱伯遗传性视神经病（LHON；535000），包括MTCYBLHON15257A（516020.0001）和MTCYBLHON15812A（516020.0002）。

Spiro 等人（1970）描述了一名 46 岁男子和他 16 岁的儿子患有进行性共济失调，主要是近端肌无力、反射消失、足底伸肌反应、痴呆，以及伴随的非特异性肌病和神经病性肌肉变化。对肌肉线粒体的研究表明，氧化磷酸化的耦合非常松散，细胞色素 b 含量显着减少，代表复合物 III 的缺陷。Morgan-Hughes et al.（1982）报道了一名患者线粒体呼吸链细胞色素b水平存在缺陷。患者出现肌阵挛，随后出现全身无力、共济失调和精神错乱。Darley-Usmar et al.（1983）和Hayes et al.（1984）报道的复合物III缺乏症患者同时患有肌肉无力、共济失调、运动不耐受和眼肌病。大多数问题最初是在童年时发现的，并随着年龄的增长而恶化。

Andreu等人（1999）描述了5名新的运动不耐受患者，他们在这些患者中发现了MTCYB基因突变，并回顾了之前发现的4名患者的特征。他们的结论是，存在一种散发形式的线粒体肌病，其中运动不耐受是主要症状。MTCYB 基因中的每个突变都会损害细胞色素 b 蛋白的酶功能。这些患者的临床表现包括进行性运动不耐受、近端肢体无力，在某些情况下还出现肌红蛋白尿。没有母系遗传，也没有肌肉以外的组织突变。这些发现的缺乏表明该疾病是由于胚层分化后肌源干细胞的体细胞突变所致。所有点突变都涉及腺嘌呤取代鸟嘌呤，但都发生在不同的位置。

Keightley等人（2000）指出Dumoulin等人（1996）的报告是第一个孤立的复合体III缺陷的实例，其中细胞色素b基因的突变被证明是致病性的，此后又出现了12个致病性突变该基因在各种研究中都有描述。大多数患者的主要特征是严重运动不耐受，有时包括肌肉无力和/或肌红蛋白尿。Keightley 等人（2000）重新调查了一名年轻女性，该女性最初由 Kennaway 等人（1984）报道，该女性出现运动不耐症和乳酸性酸中毒，与严重缺乏复合物 III 相关，并且对甲萘醌和抗坏血酸治疗有反应。她逐渐出现线粒体脑肌病的症状。肌肉连续切片的免疫细胞化学显示纤维镶嵌，与复合物 III 子单元的抗体反应较差，但与复合物 I、II 或 IV 子单元的抗体反应正常，表明 mtDNA 发生突变。这一经验证明了免疫细胞化学在识别特定呼吸链缺陷以及区分核和线粒体 DNA 编码缺陷方面的诊断价值。Keightley等（2000）证明mtDNA编码的细胞色素b基因中存在终止密码子突变15242G-A（516020.0007），导致细胞色素b的最后215个氨基酸丢失。该突变是异质性的，存在于87%的骨骼肌中，并在血液中存在少量（0.7%）。这种突变也存在于其他几个组织中，包括发根，这表明它一定是在胚胎发生的早期、初级胚层分离之前出现的，或者是在母体种系中出现的。

来自患有帕金森病和线粒体脑病并伴有乳酸酸中毒和中风样发作的患者的细胞（MELAS；Rana 等人（2000）在 MTCYB 基因中存在 4 bp 缺失，Rana 等人（540000）发现该蛋白合成有缺陷，氧化磷酸化有缺陷，复合物 III 合成和活性有缺陷，以及过氧化氢产量增加。在患者中，脑脊液乳酸比血清高 10 倍，这可能表明中枢神经系统中突变的积累。Rana et al.（2000）提出，4-bp 缺失可能会增加活性氧，并通过不同于能量产生减少的机制导致可变表型。

Legros等人（2001）分析了21名线粒体疾病患者（一组7名患者有孤立的复合物III缺陷，一组14名患者有线粒体疾病但没有孤立的复合物III缺陷）和146名健康人的MTCYB基因成人对照对象。对患者进行基因测序，而对对照组进行 DGGE。总共，在患者和对照人群中鉴定出了 MTCYB 基因序列的 38 个变异。使用间接标准（例如突变的性质、对照中的突变频率以及突变氨基酸的系统发育保守性）以及复合物 III 的酶学和蛋白质印迹分析来评估序列变异的功能相关性。在 7 名具有明显复合体 III 缺陷的患者组中发现了两个原始有害突变。两种突变（15150G-A；516020.0008 和 15197T-C；516020.0009）是异质性的并且仅限于肌肉组织，并且两名患者从童年晚期就对运动产生了孤立的不耐受性。呼吸链的分光光度分析表明，复合物 III 活性在肌肉中极度降低，但在白细胞和皮肤成纤维细胞中正常。研究结果强调了 2 种异质性突变的致病相关性，并进一步证实细胞色素 b 的改变导致人类出现孤立的复合物 III 缺陷。

Andreu等人（1998，1999）指出，MTCYB基因的突变通常是零星的，并且可能在胚胎发生过程中出现，影响有限数量的细胞并导致组织特异性表型。Andreu等人（2000）发现了MTCYB基因（516020.0011）中的一个点突变与组织细胞样心肌病（500000）相关。

Fliss等人（2000）在膀胱癌患者（109800）的肿瘤组织中发现了MTCYB基因的体细胞21-bp缺失。Dasgupta 等人（2008）发现，Fliss 等人（2000）发现的 21-bp 缺失在小鼠膀胱癌细胞中的过度表达导致体外和注射到小鼠体内后肿瘤生长增加和侵袭性表型。肿瘤生长的增加与糖酵解和活性氧（ROS）的产生有关。细胞周期的快速进展与 NFKB（164011）信号通路的上调有关，抑制 ROS 或 NFKB 可减少体外肿瘤生长。将 21-bp 缺失转染到人尿路上皮细胞中也产生了类似的效果。研究结果表明线粒体突变可能有助于肿瘤生长。

▼ 等位基因变异体（14个选例）：

.0001 勒伯视神经萎缩

MTCYB，LHON15257A

该等位基因将171位氨基酸高度保守的天冬氨酸改变为天冬酰胺（D171N）。该突变位于大约 20 个保守氨基酸的区域，该区域与参与连接低电位 b-566 血红素的不变组氨酸残基（His-183）相邻（Brown et al., 1992）。该等位基因显示出原发性和继发性 LHON 突变的特征，因此可能对疾病过程有显着影响。在大多数（但不是所有）情况下，MTCYBLHON15257A 等位基因与初级 LHON 突变 MTND6LHON14484A 和次级突变 MTND5LHON13708A 相关。携带这种 mtDNA 单倍型的个体也可能携带等位基因 MTCYBLHON15812A，并且在 1 例病例中发现 MTCYBLHON15257A 等位基因与 MTND2LHON5244A 突变相关。总体而言，携带 MTCYBLHON15257A 变异的个体约占 LHON 患者的 9%，但在 0.3% 的对照人群中也发现了该突变。患有这种变异以及 MTND6LHON14484A 的家庭有 27% 至 80% 的母系亲属受到影响，其中 75% 至 100% 是男性。大约 28% 的受影响个体经历了视力恢复（Brown et al., 1991；布朗等人，1992；赫赫和约翰斯，1993；霍波宁等人，1993；约翰斯和纽菲尔德，1991；约翰斯等人，1993）。

Mackey等人（1996）调查了159个北欧血统的家庭，其中至少有1例LHON。在 97% 的这些家族中，发现了先前发现的 3 个所谓的主要突变（3460、11778 和 14484）中的 1 个。在任何情况下都没有发现 15257 突变，这促使 Mackey 等人（1996）认为它不是导致 LHON 的原发突变。他们承认，这可能代表一种主要致病突变，其外显率足够高，足以产生清晰的、多代的母系遗传模式。他们将单个 LHON 病例排除在研究之外。

.0002 勒伯视神经萎缩

MTCYB，LHON15812A

This allele converts the moderately conserved aliphatic amino acid（either alanine, valine, or isoleucine） at 356 to a methionine（V356M）. This is a secondary LHON mutation which is regularly found associated with the additional LHON mutations: MTND5LHON13708A, MTND6LHON14484A, and MTCYB*LHON15257A. While the mutation does not cause LHON, it may increase the probability of phenotypic expression（Brown et al., 1991; Brown et al., 1992; Johns and Neufeld, 1991）.

.0003 结直肠癌

MTCYB，14985G-A，ARG80HIS

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（1998）在结直肠癌中发现线粒体基因组中有3个体细胞突变。MTCYB 基因中发生了两个变化：14985G-A 的变化导致 arg80 替换为 his；15572T-C 转变，导致 phe276 替换为 leu（516020.0004）。第三个突变发生在MTCO1基因；参见 516040.0002。

.0004 结直肠癌

MTCYB，15572T-C，PHE276LEU

参见 516020.0003 和 Polyak 等人（1998）。

.0005 运动不耐受

MTCYB、15615G-A、GLY290ASP

Bouzidi 等人（1993）在一名 25 岁运动不耐受男性的肌肉中发现了呼吸链复合物 III 的低活性，Dumoulin 等人（1996）后来在该男子的线粒体中发现了一个错义突变 15615G-A。细胞色素b基因，唯一编码复合体III子单元的mtDNA。Andreu 等人（1999）对该患者的研究结果进行了回顾，作为 9 个病例系列的一部分，其中 5 个是他们自己的，4 个是其他人报告的。

.0006 运动不耐受

MTCYB，14846G-A，GLY34SER

Andreu等人（1999）发现的5例因线粒体DNA细胞色素b基因突变而导致运动不耐受的患者中，有一名52岁女性，她从小就患有运动不耐受，并伴有肌肉无力和肌病。肌电图和高乳酸血症。患者肌肉活检显示“参差不齐的红色纤维”（22%）。核苷酸取代导致 gly34 氨基酸取代为丝氨酸。Andreu等人（1999）研究的5名患者中，有4名发现静息状态下乳酸性酸中毒。

.0007 线粒体脑肌病

MTCYB、15242G-A、GLY166TER

Keightley 等人（2000）提出了对一名 34 岁女性长达 17 年跟踪观察的结果。她从大约 9 岁时开始就有进行性运动不耐受和乳酸性酸中毒的病史。19 岁时，她出现了明显的脑病症状，伴有情绪不稳定、癫痫发作、脑电图异常、间歇性幻视和抑郁。作者鉴定了一个终止突变 15242G-A，预测该蛋白质会发生 gly166 至 ter 截短，丢失 215 个氨基酸，代表细胞色素 b 的 C 末端的 57%。

.0008 运动不耐受

MTCYB、15150G-A、TRP135TER

Legros 等人（2001）在一名从童年晚期就患有孤立性运动不耐受的患者中发现了一个无义突变 15150G-A，预测该蛋白会出现 trp135-to-ter 截短。家族史为阴性。该突变仅限于肌肉组织，占线粒体 DNA 分子的 60%。146 名健康成年人的对照人群中不存在这种突变。分光光度分析表明，复合物III的活性在肌肉中极度降低，但在白细胞和皮肤成纤维细胞中正常。肌肉中复合物 III 的蛋白质印迹分析显示检测不到细胞色素 b 蛋白。

.0009 运动不耐受

MTCYB、15197T-C、SER151PRO

Legros 等人（2001）在一名从童年晚期就患有孤立性运动不耐受的患者中发现了一个错义突变 15197T-C，导致 Ser151 氨基酸替换为 Pro 氨基酸。151位的丝氨酸高度保守，该突变构成了氨基酸理化性质的重要改变。家族史为阴性。该突变仅限于肌肉组织，代表了 80% 的线粒体 DNA 分子。146 名健康成年人的对照人群中不存在这种突变。分光光度分析表明，复合物III的活性在肌肉中极度降低，但在白细胞和皮肤成纤维细胞中正常。肌肉中复合物 III 的蛋白质印迹分析显示细胞色素 b 蛋白的量减少。

.0010 多系统紊乱

MTCYB，15579A-G，TYR278CYS

据报道，MTCYB 基因中的大多数突变会导致纯粹运动不耐受的同质表型，Wibrand 等人（2001）描述了 15579A-G 突变与患者肌肉复合体 III 活性的选择性降低相关，该患者除了患有严重的运动障碍外，运动不耐受，还有多系统表现（耳聋、智力低下、色素性视网膜炎、白内障、生长迟缓、癫痫）。15579A-G突变在肌肉（88%）和白细胞（15%）中呈异质性，将278位氨基酸高度保守的酪氨酸改变为半胱氨酸。

.0011 心肌病，婴儿组织细胞样变

MTCYB，15498G-A，GLY251ASP

Andreu等（2000）在一例4周龄时因心脏骤停死亡的女婴中发现了具有组织细胞样心肌病典型病理特征（500000）的MTCYB基因点突变，即G-to -核苷酸 15498 处的转变，导致 gly251 替换为 asp。这种突变是异质性的，满足所有公认的致病性标准，被认为损害了全酶的功能，这是从它对泛醇细胞色素c氧化还原酶晶体结构的影响推断出来的。婴儿表现出其他器官受累，包括肝脏（肝脂肪变性）和肾脏（急性肾小管坏死）。

.0012 运动不耐受、心肌病和脓性视神经发育不良

MTCYB、14849T-C、SER35PRO

Schuelke等人（2002）报道了一名患者，其从婴儿期开始出现神经系统症状，表现为肌张力低下、语言和运动发育迟缓、轮换运动障碍、步态共济失调、头围小、小脑发育不全和运动不耐受。此外，他还患有肥厚性心肌病、色素性视网膜炎和中隔视神经发育不良的特征；后两种症状此前并未被描述为与复合物 III 缺乏有关。该患者的MTCYB基因被发现存在14849T-C突变，导致第35位脯氨酸被高度保守的丝氨酸取代。该突变在肌肉（69%）和成纤维细胞（12%）中呈异质性，尽管残留两种组织中复合物III的活性相同（70%）。作者认为，该突变可能导致活性氧物质增加，这可能在致病发现中发挥作用。

.0013 帕金森症/黄斑重叠综合症

MTCYB，4-BP DEL，14787TTAA

在一名线粒体呼吸链复合物 III 活性减弱的患者中，De Coo 等人（1999）在细胞色素 b 基因高度保守的部分中发现了异质性 4-bp 缺失。预计该缺失会导致蛋白质被截短。患者从 6 岁时开始患有严重的进行性障碍，精细运动协调和注意力难以集中。后来他出现了行为改变、帕金森症、肌阵挛、足底伸肌反应和脑梗塞。肌肉中95%以上的线粒体DNA发生了突变。

.0014 肥胖，易感

MTCYB，15497G-A，GLY251SER

Okura等人（2003）通过研究日本中老年人（825名女性和906名男性），探讨了Mt15497G-A多态性与肥胖（601665）之间可能的关系。在调整了年龄和吸烟情况后，他们发现，与 G 等位基因相比，携带 A 等位基因的女性的体重、体重指数、腰围和臀围、脂肪量、去脂体重、腹内脂肪和甘油三酯显着更高。对于男性来说，与 G 等位基因相比，携带 A 等位基因的受试者的腰臀比显着更大，腰围、腹内脂肪和甘油三酯有显着更大的趋势。这些数据表明 Mt15497 多态性可能与肥胖相关变量和脂质代谢有关。