第章線粒體遺傳與線粒體疾病

1、第章線粒體遺傳與線粒體疾病第十三章線粒體疾病廣義的線粒體?。╩itochondrial disease）指以線粒體功能異 常為主要病因的一大類疾病。除線粒體基因組缺陷直接導致的疾病 外，編碼線粒體蛋白的核 DNA突變也可引起線粒體病，但這類疾 病表現(xiàn)為孟德爾遺傳方式。目前發(fā)現(xiàn)還有一類線粒體疾病，可能涉 及到mtDNA與nDNA的共同改變，認為是基因組間交流的通訊缺 陷。通常所指的線粒體疾病為狹義的概念，即線粒體DNA突變所致的線粒體功能異常。第一節(jié)疾病過程中的線粒體變化線粒體對外界環(huán)境因素的變化很敏感，一些環(huán)境因素的影響可 直接造成線粒體功能的異常。例如在有害物質滲入（中毒）、病毒 入侵（感染

2、）等情況下，線粒體亦可發(fā)生腫脹甚至破裂，腫脹后的 體積有的比正常體積大34倍。如人體原發(fā)性肝癌細胞癌變過程 中，線粒體嵴的數(shù)目逐漸下降而最終成為液泡狀線粒體；缺血性損傷時的線粒體也會出現(xiàn)結構變異如凝集、腫脹等；壞血病患者的病 變組織中有時也可見2到3個線粒體融合成一個大的線粒體的現(xiàn) 象，稱為線粒體球；一些細胞病變時，可看到線粒體中累積大量的 脂肪或蛋白質，有時可見線粒體基質顆粒大量增加，這些物質的充 塞往往影響線粒體功能甚至導致細胞死亡； 如線粒體在微波照射下 會發(fā)生亞微結構的變化，從而導致功能上的改變；氰化物、CO等物質可阻斷呼吸鏈上的電子傳遞，造成生物氧化中斷、細胞死亡； 隨著年齡的增長，

3、線粒體的氧化磷酸化能力下降等等。 在這些情況 下，線粒體常作為細胞病變或損傷時最敏感的指標之一，成為分子細胞病理學檢查的重要依據(jù)。第二節(jié)線粒體疾病的分類根據(jù)不同的角度，線粒體疾病可以有不同的分類。從臨床角度,線粒體疾病主要涉及心、腦等組織器官或系統(tǒng)；從病因和病理機制 角度，線粒體疾病有生化分類和遺傳分類之別。一、生化分類根據(jù)線粒體所涉及的代謝功能，線粒體疾病可分為以下5種類型：底物轉運缺陷、底物利用缺陷、Krebs循環(huán)缺陷、電子傳導缺陷和氧化磷酸化偶聯(lián)缺陷（表13-1）。1 底物轉運缺陷4電子傳導缺陷“肉堿棕櫚酰基轉復合體i、v移酶（CPT）缺陷復合體H一”肉堿缺陷（肉堿轉復合體川運體缺陷）復

4、合體W2 底物利用缺陷人復合體I、川和w人丄丙酮酸脫氫酶復聯(lián)合缺陷合體（PDHC）缺陷5.氧化磷酸化偶聯(lián)缺陷仆氧化缺陷Luft 病3. Krebs循環(huán)缺陷復合體V缺陷延胡索酸酶缺陷烏頭酸酶缺陷+ a酮戊二酸脫氫酶缺陷表13-1線粒體疾病的生化分類遺傳分類根據(jù)缺陷的遺傳原因，線粒體疾病分為核DNA (nDNA )缺陷、mtDNA缺陷以及nDNA和mtDNA聯(lián)合缺陷3種類型(表13-2)。表13-2線粒體疾病的遺傳分類缺陷位置遺傳方式遺傳特征生化分析n DNA缺陷組織特異孟德爾式組織特異組織特異基因綜合征單酶病變非組織特孟德爾式多系統(tǒng)疾廣泛性酶異基因病病變mtDNA 缺陷點突變母性遺傳多系統(tǒng)、異特

5、異單酶質性病變廣泛性酶病變KSS，病變nDNA和mtDNA聯(lián)合缺Pears on陷多發(fā)性AD/ARPEO廣泛性酶mtDNA 缺病變失mtDNA 缺AR肌病、肝病組織特異失多酶病變?nèi)笔l(fā)PEO ,廣泛性酶注：PEO :進行性眼外肌麻痹；KSS :眼肌病;Pearso n:骨髓/胰腺綜合征第三節(jié) mtDNA突變引起的疾病線粒體病是一組多系統(tǒng)疾病，因中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌對能量的依賴性最強，故臨床癥狀以中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌病變?yōu)樘卣鳎?如果病變以中樞神經(jīng)系統(tǒng)為主，稱為線粒體腦病；如果病變以骨骼 肌為主，稱為線粒體肌?。蝗绻∽兺瑫r侵犯中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼 肌，則稱為線粒體腦肌病。線粒體疾病通常累計多個

6、系統(tǒng)，表現(xiàn)型 有高度差異。mtDNA與nDNA有不同的遺傳特性，因此 mtDNA突變所引 起疾病的遺傳方式、病因、病程也有其自身特性。由于線粒體基因 組和生化的復雜性，使線粒體疾病發(fā)病機制非常復雜，表現(xiàn)型很不 一致。不同的mtDNA突變可導致相同疾病，而同一突變也可引起 不同表型，并且通常與突變mtDNA的異質性水平和組織分布相關。如A8344G、T8356C均可導致 MERRF ;又如低比例的 T8993G （ATPase6基因）點突變導致NARP，比例90%時導致Leigh病;高比例的A3243G突變造成MELAS，低比例時可導致母系遺傳的 糖尿病和耳聾（表13-3）。目前已發(fā)現(xiàn)越來越多的

7、疾病與線粒體功能障礙有關，如2型糖尿病、腫瘤、帕金森病、心肌病及衰老等。表13-3 一些mtDNA突變相關的疾病突變相關基因表型nt-3243tRNA Leu(uuR)MELAS 、 PEO、NIDDM/耳聾nt-3256tRNA Leu(UUR)PEOnt-3271tRNA Leu(UUR)MELASnt-3303tRNA Leu(UUR)心肌病nt-3260tRNA Leu(UUR)心肌病/肌病n t-4269tRNA Ile心肌病nt-5730tRNA Asn肌病(PEO)nt-8344tRNA LysMERRFnt-8356tRNA LysMERRF/MELASn t-15990tRN

8、A Pro肌病nt-8993A6NARP/LEIGHn t-11778ND4LHONn t-4160ND1LHONnt-3460ND1LHONnt-7444COX1LHONn t-14484ND6LHONn t-15257Cyt6LHON、Leber遺傳性視神經(jīng)病Leber 遺傳性視神經(jīng)?。↙eber hereditary optic neuropathy , LHON ）于1871年由Leber醫(yī)生首次報道，因主要癥狀為視神經(jīng) 退行性變，故又稱Leber視神經(jīng)萎縮?；颊叨嘣?820歲發(fā)病， 男性較多見，個體細胞中突變mtDNA超過96%時發(fā)病，少于80% 時男性病人癥狀不明顯。臨床表現(xiàn)為雙側

9、視神經(jīng)嚴重萎縮引起的急 性或亞急性雙側中央視力喪失，可伴有神經(jīng)、心血管、骨骼肌等系統(tǒng)異常，如頭痛、癲癇及心律失常等。誘發(fā)LHON的mtDNA 突變均為點突變。1988年，Wal1ace 等發(fā)現(xiàn)LHON患者OXPHOS復合物1（ NADH脫氫酶）的ND4 亞單位基因第 11778位點的堿基由G置換為A（ G11778A，稱 Wal1ace突變），使ND4的第340位上1個高度保守的精氨酸被組 氨酸取代，ND4的空間構型改變，NADH脫氫酶活性降低和線粒 體產(chǎn)能效率下降，視神經(jīng)細胞提供的能量不能長期維持視神經(jīng)的完 整結構，導致神經(jīng)細胞退行性變、死亡。近年來，已相繼報道有更 多mtDNA點突變與LH

10、ON相關，均可引起基因產(chǎn)物的氨基酸替 換，其中除 G11778A 外,G14459A（ND6）、G3460A（ND1）、T14484C（ND6）、G15257A （cyt b、等4個位點對LHON也有重要作用。 這5個位點的突變雖然均導致LHON，但臨床嚴重程度有較大差 異，以G14459A引起的癥狀最為嚴重，T14484C和G15257A引起 的癥狀較輕。LHON家系中mtDNA可有多個點突變，并且可觀察到2個以 上突變的協(xié)同致病作用，遺傳學研究表明，LHON患者mtDNA的 多發(fā)突變之間存在某種聯(lián)系，這些突變可分原發(fā)性突變和繼發(fā)性突 變，mtDNA某一原發(fā)”突變或nDNA遺傳缺陷可導致 繼

11、發(fā)”突變。 單一的原發(fā)性突變即可引起LHON （稱原發(fā)性LHON、，臨床嚴重 程度隨突變位點不同而異；繼發(fā)性突變往往以某型突變?yōu)橹鳎?伴發(fā) 其他類型突變（二次突變或nDNA突變）,才能引起LHON （繼發(fā) 性 LHON ）。利用LHON患者的特異性mtDNA突變，可進行該病的基因 診斷。例如，mtDNA第11778位GA是LHON患者最常見的突 變類型，該突變可導致原有的限制性內(nèi)切酶sfaN I的切點消失，正常人mtDNA經(jīng)sfaN I酶切后產(chǎn)生915bp、679bp兩個片段，而 LHON患者mtDNA經(jīng)酶切后只產(chǎn)生1590bp片段。Leber s hereditary optic neuro

12、pathy(LHON)1. LHON has bee n linked to poi nt mutatio ns in the mtDNA.2. LHON is expressed predominantly in males of the lineage un expla in ed.3. The on set of visual loss typically occurs betwee n the age of 15 and 35 years.4. Visual loss is painl ess, cen tral, and occurs in one eye week to month

13、sbefore sec ond eye invo Iveme nt. On rare occasi ons, the disease may rema in cli nically mono cular.二、線粒體腦肌病線粒體腦肌病（mitochondria1 encephalomyopathies, ME ） 是一組由于線粒體功能缺陷引起的多系統(tǒng)疾病，以中樞神經(jīng)和肌肉系統(tǒng)病變?yōu)橹?，特征是呼吸鏈酶活性正常的肌纖維與酶活性缺失的 肌纖維混合。患者各種組織內(nèi)mtDNA的突變類型、分布各不相同， 所以表現(xiàn)出不同的癥狀，多表現(xiàn)為肌力低下、易疲勞、小腦失調(diào)、 耳聾、癡呆、代償性高乳酸血癥等。根據(jù)臨床表現(xiàn)

14、，將線粒體腦肌 病分為：伴有破碎紅纖維的肌陣攣癲癇（myoclonic epilepsy andragged red fibers，MERRF ）、線粒體腦肌病合并乳酸血癥及卒中 樣發(fā)作（mitochondrial encephalomyopathy with lactic acidosis ，and stroke-like episodes，MELAS）， Kearns-Sayre 綜合征（KSS）、慢 性 進 行 性 眼外 肌癱瘓 （chronic progressive external ophthalmoplegia，CPEO）、神經(jīng)源性肌軟弱、共濟失調(diào)并發(fā)色素 性視 網(wǎng)膜炎 （neu

15、rogenic muscle weakness,ataxia,and retinitis pigmentosa，NARP）和 Leigh 綜合征（Leigh sysdrom，LS）等幾 種。（一）伴有破碎紅纖維的肌陣攣 癲癇（MERRF ）MERRF患者通常1020歲發(fā)病，主要臨床表現(xiàn)為陣發(fā)性 癲 癇，伴有進行性神經(jīng)系統(tǒng)障礙（智力倒退、共濟失調(diào)、意向性震顫）， 患者肌纖維紊亂、粗糙，線粒體形態(tài)異常并在骨骼肌細胞中積累， 用Gomori Trichrome染色顯示為紅色，稱破碎紅纖維。MERRF最常見的突變類型是 mtDNA 第8344位點（位于 tRNA Lys基因處）A-G的堿基置換，破壞了

16、 tRNA Lys中與核糖體 連接的TWC環(huán)，結果影響了 OXPHOS復合體I和復合體W的合 成，造成OXPHOS功能下降，導致患者多系統(tǒng)病變。（二）線粒體腦肌病合并乳酸血癥及卒中樣發(fā)作（ MELAS ）MELAS患者通常1020歲發(fā)病，主要臨床表現(xiàn)為陣發(fā)性嘔 吐、癲癇發(fā)作和中風樣發(fā)作、血乳酸中毒、近心端四肢乏力等。MELAS的分子特征是線粒體tRNA的點突變，約有80%的患 者是mtDNA的3243 （位于tRNA Leu基因）AG的堿基置換，該 位點是tRNA Leu基因與16SrRNA基因的交界部位，也是轉錄終止 因子的結合部位，進化上高度保守，突變使tRNA Leu基因結構異常， 轉錄

17、終止因子不能結合，rRNA和mRNA合成的比例發(fā)生改變； 少數(shù)患者為tRNA Leu（uuR）基因3271、3252或3291位堿基的點突變。肌組織中 A3243G突變型 mtDNA 達40%50%時，出現(xiàn) CPEO、肌病和耳聾，達90%時，可出現(xiàn)復發(fā)性休克、癡呆、癲癇、 共濟失調(diào)等。（三）Kearns-Sayre綜合征（KSS）、慢性進行性眼外肌癱瘓（CPEO）KSS和CPEO是同一疾病的兩種不同類型，CPEO患者以眼 外肌麻痹為主要癥狀，伴眼瞼下垂、四肢無力，常在青春期或成年 發(fā)??；KSS除進行性眼肌麻痹外，還具有色素視網(wǎng)膜炎、心臟傳導 功能障礙、聽力喪失、共濟失調(diào)、癡呆等癥狀，常在嬰兒、

18、兒童或 青春期發(fā)病。KSS和CPEO主要是由于mtDNA的缺失引起的，缺失類型 多樣，一般缺失長度為0.58kb，最常見的類型是5.0kb的 普遍 缺失”缺失部位多發(fā)生在重鏈和輕鏈兩個復制起始點之間，缺失 區(qū)兩側有同向重復序列。缺失的 mtDNA具有明顯的復制優(yōu)勢，突 變型60%，可抑制線粒體翻譯，酶活性下降。由于涉及多個基因 的缺失，患者可出現(xiàn)不同程度的線粒體蛋白質合成缺陷，影響四種呼吸鏈復合體。此外，偶爾可見8334位點（tRNA Leu）和3242位點（tRNA Leu） 點突變可引起CPEO。KSS和CPEO病情嚴重程度取決于缺失型 mtDNA的異質性 水平和組織分布。異質性程度低時，

19、僅表現(xiàn)為眼外肌麻痹，肌細胞 中缺失型mtDNA85%時，表現(xiàn)為嚴重的KSS。（四）神經(jīng)源性肌軟弱，共濟失調(diào)并發(fā)色素性視網(wǎng)膜炎（NARP）禾口 Leigh 綜合征（LS）NARP的主要臨床表現(xiàn)為主要表現(xiàn)色素性視網(wǎng)膜炎、共濟失 調(diào)、發(fā)育落后、癡呆、驚厥、近端肢體無力和感覺神經(jīng)?。籐eigh綜合征是以高乳酸血癥、低肌張力為主要表現(xiàn)的進行性腦病，主要 侵犯嬰兒。NARP和Leigh綜合征主要與ATP復合酶的功能受損有關， 目前發(fā)現(xiàn)該病的致病突變主要是 mtDNA第8993位點（ATPase6 基因）TA或TC，將ATPase 6亞基156位的亮氨酸改變?yōu)榫?氨酸或脯氨酸，從而影響 ATP合酶的質子通路

20、?；颊弋愘|性決定 了臨床癥狀的嚴重性：女性攜帶者或癥狀較輕的女患者突變水平 90%時，表現(xiàn)為Leigh綜合征。因此，?？梢姷絅ARP和Leigh 綜合征在同一家系中并存。三、線粒體心肌病線粒體心肌病累及心臟和骨骼肌，病人常有嚴重的心力衰竭， 常見臨床表現(xiàn)為勞動性呼吸困難，心動過速，全身肌無力伴全身嚴 重水腫，心臟和肝臟增大等癥狀。mtDNA的突變與缺失與某些心肌病有關，如： 3260位點的 A-G突變可引起母系遺傳的線粒體肌病和心肌?。?977位點的缺 失多見于缺血性心臟病、冠狀動脈粥樣硬化性心臟病等；擴張性心 肌病和肥厚性心肌病均可見7436位點的缺失等。四、帕金森病帕金森?。≒arkins

21、on disease, PD）又稱震顫性麻痹，是一種 晚年發(fā)病的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，患者表現(xiàn)為運動失調(diào)，震顫，動作遲緩等，少數(shù)病人有癡呆癥狀。神經(jīng)病理學特征包括黑質致密區(qū)多巴胺能神經(jīng)元發(fā)生退行性變，部分存活的神經(jīng)元內(nèi)出現(xiàn)Lewy體。帕金森病患者腦組織，特別是黑質中存在4977bp長的一段DNA缺失，缺失區(qū)域從ATPase8基因延續(xù)到ND5基因，結果導致 多種組織細胞內(nèi)的線粒體復合體I、 H、皿甚至W都存在功能缺陷， 進而引起神經(jīng)元中能量代謝障礙。大多數(shù)觀點認為單純的基因或環(huán) 境毒物很少能直接引起PD，大部分病例是基因和環(huán)境甚至更多因 素共同作用的結果。五、其他與線粒體有關的病變（一）衰老線粒體病

22、的遲發(fā)和漸進過程提示線粒體功能隨著年齡的增加 而退化，在正常生理狀態(tài)下，機體自身的防御系統(tǒng)（如超氧化物歧 化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、維生素C等）可及時清除能量代 謝過程中產(chǎn)生的氧自由基。在個體衰老的進程中，抗氧化防御系統(tǒng) 作用減弱，線粒體內(nèi)自由基不能有效地清除而累積， 從而導致線粒 體的氧化性損傷，包括生物膜損傷、改變巰基酶活性、破壞核苷酸 類輔酶以及mtDNA損傷等。大量的研究證實，衰老與線粒體氧化 磷酸化酶活性降低以及分裂終末的組織中突變 mtDNA積累密切相 關，mtDNA突變類型包括缺失、點突變、插入、重復和 D環(huán)區(qū)域 出現(xiàn)小片段重疊，盡管這五種突變中的任何一種很少達到1%，但在衰

23、老組織中可同時存在其中幾種， 大大增加突變型mtDNA的比 例。與增齡有關的突變類型主要是缺失，并且與氧化損傷有關。許 多研究表明，衰老時組織中8-OH-dG含量增多，小于55歲個體膈 肌中，8-OH-dG含量低于0.02%, 65歲以上的個體中，8-OH-dG 以每10年0.25%的比率增加，在85歲時達到0.51%，而且mtDNA 的缺失率也隨之增加，表明分裂旺盛的細胞中 mtDNA的快速復制 可稀釋8-OH-dG，而分裂終末的細胞中 8-OH-dG累積，促進 mtDNA缺失。缺失常包括一個或幾個 mRNA基因和tRNA基因，可累及腦、 心肌、骨骼肌、肝、腎、肺、皮膚、卵巢、精子等多種器官

24、組織。 不同年齡的人心肌、腦、骨骼肌、肝、膈肌等細胞中 mtDNA片段 缺失的位置可能不同，但缺失率均隨增齡而增加，如：在17歲青年中未發(fā)現(xiàn)mtDNA片段的缺失；在34歲個體中檢測到 mtDNA5.0bp片段的缺失，缺失率為0.005%;隨年齡的增長，缺 失率逐漸增加，85歲個體中達0.26%，是低值的4200倍。說明缺 失的mtDNA積累到一定程度時，線粒體發(fā)生生物學變化， OXPHOS組分缺損或數(shù)量減少，生成的能量低于維持正常細胞功 能閾值，致使細胞死亡，弓I起衰老和多種老年退化性疾病。（二）腫瘤腫瘤細胞具有異常快速的分裂增殖能力，能量需求很高。各種 腫瘤和腫瘤細胞系中發(fā)現(xiàn)了體細胞 mtD

25、NA突變，這些突變能通過 細胞生成能量的改變、線粒體氧化壓力的增加和 /或調(diào)節(jié)凋亡而導 致腫瘤。有些因素的作用可使mtDNA游離出線粒體膜外（如細胞內(nèi)線 粒體受損傷崩解），而細胞內(nèi)核酸降解酶活性下降，不能有效地清 除游離于胞質中的mtDNA分子，mtDNA有可能像致瘤病毒那樣 通過核膜，隨機整合到nDNA中，激活原癌基因或抑制抗癌基因， 使細胞增殖分化失控，導致癌變。mtDNA是致癌物作用的重要靶點，眾多研究結果顯示，化學 致癌物與mtDNA的結合比nDNA更充分。（三）糖尿病近年來的分子遺傳學研究證實，一些2型糖尿病患者具有明顯 的遺傳背景，其中部分患者糖尿病的發(fā)生與線粒體基因的突變有 關，

26、mtDNA點突變或缺失可選擇性地破壞 B細胞，1997美國糖尿 病學會年進行新的糖尿病病因學分類，將其歸為特殊類型糖尿病中 B細胞遺傳性缺陷疾病。與線粒體糖尿病有關的 mtDNA突變類型較多，如tRNA Lys的 A8296G、12SrRNA 的 G1438A、T1310C 等點突變、8kb 重復突變 和 10.4kb、7.7kb 及 7.6kb 缺失突變等。tRNA Leu（UUR）基因 3230 3304 是熱點突變區(qū)域，包括 tRNALeu（uuR）的 A3243G、C3256T、 T3264C、G3316A，其中A3243G突變最為常見。mtDNA突變可通過以下機制誘導糖尿?。阂扰KB細

27、胞能感受血糖值，以葡萄糖為底物產(chǎn)生 ATP，影響K+通道，進一步借助 電位感受性的Ca2+通道使其分泌胰島素。突變使 B細胞變得不能 感受血糖值，呼吸鏈復合體酶活性下降，ATP合成不足，胰島素分泌降低；B細胞不穩(wěn)定性增高，誘發(fā)自身免疫介導的B細胞損壞；增加糖原異生；脂肪細胞對胰島素的反應減弱，糖耐量減 退，出現(xiàn)高血糖。（四）冠心病線粒體OXPHOS過程產(chǎn)生大量的氧自由基，引起 mtDNA損 傷而發(fā)生突變，使線粒體呼吸鏈的電子傳遞受阻，電子直接泄漏于 線粒體基質內(nèi)，使超氧陰離子產(chǎn)生增多，導致線粒體內(nèi)的氧應激水 平提高，氧化應激能大大增加線粒體的損傷程度，結果又使 OXPHOS障礙加重，形成惡性循

28、環(huán)。在冠脈狹窄、心肌細胞缺血和反復出現(xiàn)低血氧時，可使mtDNA 出現(xiàn)不可逆性損害，產(chǎn)生永久性心肌細胞氧化功能障礙，因此， 心 肌缺血與mtDNA突變互為因果關系。冠心病患者mtDNA5.0kb片段的缺失是正常人的7220倍， 7.4kb片段和10.4kb片段的缺失率也比正常人高。（五）氨基糖甙類誘發(fā)的耳聾耳毒性聾與氨基糖甙類抗生素（aminoglycosideantibiotic ,AmAn）的應用相關，對常規(guī)量AmAn易感的耳聾可能具有母系遺 傳傾向，這些易感個體具有 mtDNA12SrRNA 基因的1555位點 A-G的突變，有人認為該突變多存在于亞洲人種，白種人極少發(fā) 生。第四節(jié) nDNA突變引起的線粒體病、編碼線粒體蛋白的基因缺陷已定性的由于編碼線粒體蛋白的基因缺陷所引起的疾病并不 多，如丙酮酸脫氫酶復合體缺陷、肉堿棕櫚酮轉移酶缺陷等。主要 從以下方面尋找線索：如有孟德爾遺傳的家族史；生化方面可檢測 的特定酶缺陷；組織化學方面的研究，如一些呼吸鏈蛋白亞基是由 核基因編碼的；利用Rho細胞進行的互