第七章線粒體病的遺傳

1、醫(yī)學(xué)遺傳學(xué) Medical Genetics 第七章第七章 線粒體病的遺傳線粒體病的遺傳l 【目標(biāo)要求】l 1掌握線粒體遺傳、線粒體疾病、異質(zhì)性、閾值效應(yīng)等基本概念。l 2掌握線粒體DNA的結(jié)構(gòu)與遺傳特點(diǎn)。l 3熟悉線粒體基因組與核基因組的關(guān)系。l 4了解線粒體DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄特點(diǎn)。l 【教學(xué)內(nèi)容】l 1. 人類線粒體基因組l 2. 線粒體疾病的遺傳l 【重點(diǎn)難點(diǎn)】l 同質(zhì)性，異質(zhì)性，婚配類型和子代發(fā)病風(fēng)險，閾值效應(yīng)，復(fù)制分離, 母系遺傳，高突變率。線粒體病的遺傳線粒體病的遺傳Inheritance of Mitochondrial diseasesInheritance of Mitoch

2、ondrial diseasesl前言l人類線粒體基因組l線粒體基因突變與相關(guān)疾病l線粒體疾病的遺傳特點(diǎn)前言前言l線粒體是真核細(xì)胞的能量代謝中心，其內(nèi)膜上富含呼吸鏈-氧化磷酸化系統(tǒng)的酶復(fù)合體，可通過電子傳遞和氧化磷酸化生成ATP，為細(xì)胞提供進(jìn)行各種生命活動所需要的能量。l大量研究表明，線粒體內(nèi)含有DNA和轉(zhuǎn)譯系統(tǒng)，能夠獨(dú)立進(jìn)行復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯，是許多人類疾病的重要病因。 第一節(jié)第一節(jié) 人類線粒體基因組人類線粒體基因組一、線粒體基因組一、線粒體基因組 線粒體內(nèi)含有DNA分子，被稱為人類第25號染色體，是細(xì)胞核以外含有遺傳信息和表達(dá)系統(tǒng)的細(xì)胞器，其遺傳特點(diǎn)表現(xiàn)為非孟德爾遺傳方式，又稱核外遺傳。 1

3、9811981年年AndersonAnderson等人完成了人類等人完成了人類線粒體基因組的線粒體基因組的全部核苷酸序列全部核苷酸序列的測定，的測定，認(rèn)為有認(rèn)為有16569個堿基。個堿基。研究線粒體研究線粒體DNA的意義的意義l線粒體線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA） 分子量小，結(jié)構(gòu)簡單，進(jìn)化速度快，無組織特異性，具有特殊的結(jié)構(gòu)特征、遺傳特征和重要功能，而且在細(xì)胞中含量豐富（幾乎每個人體細(xì)胞中都含有數(shù)以百計(jì)的線粒體，一個線粒體內(nèi)有 210個拷貝的DNA），易于純化。lmtDNA是研究基因結(jié)構(gòu)和表達(dá)、調(diào)控的良好模型，在人類學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、分子生物學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、法醫(yī)學(xué)等

4、領(lǐng)域受到廣泛的重視，并取得令人矚目的成就。 線粒體基因組線粒體基因組特點(diǎn)特點(diǎn)l線粒體基因組全長16568bp（原第3701的堿基不存在，以X表示）；l不與組蛋白結(jié)合，呈裸露閉環(huán)雙鏈狀，根據(jù)其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在CsCl中密度的不同分為重鏈和輕鏈；l重鏈（H鏈）富含鳥嘌呤，輕鏈（L鏈）富含胞嘧啶。l無內(nèi)含子、無終止子等調(diào)控序列。 l一、線粒體基因組的結(jié)構(gòu)一、線粒體基因組的結(jié)構(gòu)l mtDNA分為編碼區(qū)與非編碼區(qū)l 1.編碼區(qū)占mtDNA 全長的99%多，包含37個基因：l （1）2個基因編碼線粒體核糖體rRNA（12SrRNA、16SrRNA）；l （2）22個基因編碼線粒體中的tRNA；l （3）13個基

5、因編碼與線粒體氧化磷酸化有關(guān)的蛋白質(zhì)亞單位；l H鏈編碼：12種多肽鏈、14種tRNA、12SrRNA、16SrRNAl L鏈編碼：1種多肽鏈、8種tRNA線粒體基因編碼蛋白線粒體基因編碼蛋白( (1313個個) )l 7個為NADH-CoQ還原酶復(fù)合體（復(fù)合體）的亞基（ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6）l 1個編碼的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)為CoQH2-細(xì)胞色素c還原酶復(fù)合體（復(fù)合體）中細(xì)胞色素b的亞基 l 3個為構(gòu)成細(xì)胞色素c氧化酶（COX）復(fù)合體（復(fù)合體）催化活性中心的亞單位（COX、COX和COX）l 2個為ATP合酶復(fù)合體（復(fù)合體）F0部分的2個亞基（A6和A8）l 2.非

6、編碼區(qū)占mtDNA 全長不足1%，包含2個片段：l （1）控制區(qū)（D-loop），又稱D環(huán)區(qū)（displacement loop region，D-loop）：1122bp，包含H鏈復(fù)制的起始點(diǎn)（OH）、H鏈和L鏈轉(zhuǎn)錄的啟動子（PH1、PH2、PL）以及4個保守序列（分別在213235、299315、346363bp和終止區(qū)1614716172bp）。l （2）L鏈復(fù)制起始區(qū)(OL) 二、線粒體二、線粒體DNADNA的復(fù)制的復(fù)制 mtDNA可進(jìn)行半保留復(fù)制，其H鏈復(fù)制的起始點(diǎn)（OH）與L鏈復(fù)制起始點(diǎn)（OL）相隔2/3個mtDNA。 復(fù)制起始于L鏈的轉(zhuǎn)錄啟動子，首先以L鏈為模板合成一段RNA作為

7、H鏈復(fù)制的引物，在DNA聚合酶作用下，順時針方向復(fù)制一條互補(bǔ)的H鏈，取代親代H鏈與L鏈互補(bǔ)。 被置換的親代H鏈保持單鏈狀態(tài)，這段發(fā)生置換的區(qū)域稱為置換環(huán)或D環(huán)，故此種DNA復(fù)制方式稱D-環(huán)復(fù)制。D-D-環(huán)復(fù)制環(huán)復(fù)制l隨著新H鏈的合成，D環(huán)延伸，輕鏈復(fù)制起始點(diǎn)OL暴露，L鏈開始以被置換的親代H鏈為模板沿逆時針方向復(fù)制。即半保留復(fù)制。l當(dāng)H鏈合成結(jié)束時，L鏈只合成了1/3，此時mtDNA有兩個環(huán)：一個是已完成復(fù)制的環(huán)狀雙鏈DNA，另一個是正在復(fù)制、有部分單鏈的DNA環(huán)。即不對稱復(fù)制。l兩條鏈的復(fù)制全部完成后，起始點(diǎn)的RNA引物被切除，缺口封閉，兩條子代DNA分子分離。 三、線粒體基因的轉(zhuǎn)錄三、線粒

8、體基因的轉(zhuǎn)錄l 兩條鏈均有編碼功能：重鏈編碼2個rRNA、12個mRNA和14個tRNA；輕鏈編碼1個mRNA和8個tRNA；l 兩條鏈從D-環(huán)區(qū)的啟動子處同時開始以相同速率轉(zhuǎn)錄，L鏈按順時針方向轉(zhuǎn)錄，H鏈按逆時針方向轉(zhuǎn)錄；l mtDNA的基因之間無終止子，因此兩條鏈各自產(chǎn)生一個巨大的多順反子初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。H鏈還產(chǎn)生一個較短的、合成活躍的RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，其中包含2個tRNA和2個mRNA；l tRNA基因通常位于mRNA基因和rRNA基因之間，每個tRNA基因的5端與mRNA基因的3端緊密相連，核酸酶準(zhǔn)確識別初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中tRNA序列，并在tRNA兩端剪切轉(zhuǎn)錄本，形成單基因的mRNA、tRNA

9、和rRNA，剪切下來的mRNA無5帽結(jié)構(gòu)，在polyA聚合酶的作用下，在3端合成一段polyA，成為成熟的mRNA。初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中無信息的片段被很快降解；l mtDNA的遺傳密碼與nDNA不完全相同：lUGA編碼色氨酸而非終止信號，lAGA、AGG是終止信號而非精氨酸，lAUA編碼甲硫氨酸兼啟動信號，而不是異亮氨酸的密碼子；l 線粒體中tRNA的兼用性較強(qiáng)，其反密碼子嚴(yán)格識別密碼子的前兩位堿基，但第3位堿基的識別有一定的自由度（稱堿基擺動），可以識別4種堿基中的任何一種，因此，1個tRNA往往可識別幾個簡并密碼子，22個tRNA便可識別線粒體mRNA的全部密碼子（表表）。l與nDNA比較，線粒

10、體密碼子的第3位更常見的是A或C，這是線粒體密碼子簡并性的主要來源。丙氨酸（Ala）的tRNA反密碼子擺動密碼子反密碼子核tRNA線粒體tRNAGCU、GCCGCA、GCGGGCUGCUGCl四、線粒體遺傳系統(tǒng)的特點(diǎn)四、線粒體遺傳系統(tǒng)的特點(diǎn)l （一）半自主性（一）半自主性（self-independence）l mtDNA僅編碼13種蛋白質(zhì)亞基，絕大部分蛋白質(zhì)亞基和其他維持線粒體結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)都依賴于核DNA（nuclear DNA，nDNA）編碼，在細(xì)胞質(zhì)中合成后，經(jīng)特定轉(zhuǎn)運(yùn)方式進(jìn)入線粒體；l mtDNA基因的表達(dá)受nDNA的制約，線粒體氧化磷酸化酶系統(tǒng)的組裝和維護(hù)需要nDNA和mtDN

11、A的協(xié)調(diào)，二者共同作用參與機(jī)體代謝調(diào)節(jié)。l 因此線粒體是一種半自主細(xì)胞器，受線粒體基因組和核基因組兩套遺傳系統(tǒng)共同控制 。l （二）多質(zhì)性、同質(zhì)性和異質(zhì)性（二）多質(zhì)性、同質(zhì)性和異質(zhì)性(polyplasmy、homoplasmy and heteroplasmy )l 一般每個細(xì)胞有數(shù)千個mtDNA, 即多質(zhì)性；l 如果所有mtDNA分子都是相同的，則為同質(zhì)性；l 如果突變型mtDNA與野生型共存，即異質(zhì)性。 l （三）不同的遺傳密碼（三）不同的遺傳密碼（different genetic code）l 有4個密碼子的含義與通用密碼不同，線粒體的tRNA兼用性較強(qiáng)。l （四）母系遺傳（四）母系遺

12、傳（maternal inheritance）l 受精卵中線粒體幾乎全部來自母親的卵子細(xì)胞質(zhì)，即母親將mtDNA傳遞給她的子女，且只有母親能將其mtDNA傳遞給下一代。l （五）復(fù)制分離（五）復(fù)制分離（replicative segregation）l 細(xì)胞分裂時，突變型和野生型mtDNA發(fā)生分離，隨機(jī)地分配到子細(xì)胞中，使子細(xì)胞擁有不同比例的突變型mtDNA分子。 l（六）高突變率（六）高突變率 (high mutation rate)l mtDNA中基因排列非常緊湊，任何mtDNA的突變都可能會影響到其基因組內(nèi)的某一重要功能區(qū)域；l mtDNA是裸露的分子，不與組蛋白結(jié)合，缺乏組蛋白的保護(hù)；

13、l mtDNA位于線粒體內(nèi)膜附近，直接暴露于呼吸鏈代謝產(chǎn)生的超氧粒子和電子傳遞產(chǎn)生的羥自由基中，極易受氧化損傷。如：mtDNA鏈上的脫氧鳥苷（dG）可轉(zhuǎn)化成羥基脫氧鳥苷（8-OH-dG），導(dǎo)致mtDNA點(diǎn)突變或缺失；l mtDNA復(fù)制頻率較高，復(fù)制時不對稱。親代H鏈被替換下來后，長時間處于單鏈狀態(tài)，直至子代L鏈合成，而單鏈DNA可自發(fā)脫氨基，導(dǎo)致點(diǎn)突變；l 缺乏有效的DNA損傷修復(fù)能力。 第二節(jié)第二節(jié) 線粒體基因突變線粒體基因突變與相關(guān)疾病與相關(guān)疾病l自從1988年發(fā)現(xiàn)第一個mtDNA突變以來，已發(fā)現(xiàn)100多個與疾病相關(guān)的點(diǎn)突變、200多種缺失和重排，大約60%的點(diǎn)突變影響tRNA，35%影響

14、多肽鏈的亞單位，5%影響rRNA。lmtDNA基因突變可影響OXPHOS功能，使ATP合成減少，一旦線粒體不能提供足夠的能量則可引起細(xì)胞發(fā)生退變甚至壞死，導(dǎo)致一些組織和器官功能的減退，出現(xiàn)相應(yīng)的臨床癥狀。 l一、線粒體基因組突變類型一、線粒體基因組突變類型l（一）點(diǎn)突變l 主要為mtDNA序列上堿基替換導(dǎo)致的錯義突變。 l（二）大片段重組（二）大片段重組l指缺失了一個或多個以上基因的片段?？蓪?dǎo)致氧化磷酸化功能下降，ATP合成減少，從而影響組織器官功能。 l常見的缺失片段：l8483 13459bpl8637 16073bpl4389 14812bpl（三）（三）mtDNA數(shù)量減少數(shù)量減少lmt

15、DNA數(shù)量的減少是指mtDNA拷貝數(shù)大大低于正常細(xì)胞。這種突變較少見，且病重致死。可為常染色體顯性或隱性遺傳，即提示該病由核基因缺陷所致線粒體功能障礙。 l二、突變導(dǎo)致的功能缺陷二、突變導(dǎo)致的功能缺陷l（一）點(diǎn)突變導(dǎo)致的功能缺陷：（一）點(diǎn)突變導(dǎo)致的功能缺陷：l 如果突變發(fā)生于tRNA基因，可使tRNA和rRNA的結(jié)構(gòu)異常，影響mtDNA編碼的全部多肽鏈的翻譯過程，導(dǎo)致呼吸鏈中多種酶合成障礙；如果突變發(fā)生于mRNA基因，可導(dǎo)致多肽鏈發(fā)生錯義突變，進(jìn)而影響氧化磷酸化相關(guān)酶的結(jié)構(gòu)及活性，使細(xì)胞氧化磷酸化功能下降。典型疾病：l MERRF：最常見突變是tRNALys基因存在8344位點(diǎn) AG突變，使t

16、RNALys結(jié)構(gòu)中TC環(huán)改變。l LHON：病人ND4基因中存在11778位點(diǎn)上GA突變，使NADH脫氫酶亞單位4（ND4）第340位精氨酸變成了組氨酸，從而影響了線粒體能量的產(chǎn)生，引進(jìn)視神經(jīng)和視網(wǎng)膜神經(jīng)元退化。l（二）大片段重組導(dǎo)致的功能缺陷：（二）大片段重組導(dǎo)致的功能缺陷：l 大片段的缺失往往涉及多個基因，可導(dǎo)致線粒體氧化磷酸化功能下降，產(chǎn)生的ATP減少，從而影響組織器官的功能。如最常見的848313459位堿基之間5.0kb的片段缺失，該片段缺失意味著其中A8、A6、COX、ND3、ND4L、ND4、ND5及部分tRNA基因的丟失，造成氧化磷酸化系統(tǒng)中多肽不能生成，ATP生成減少。該缺失

17、多見于Kearns-Sayre綜合征（KSS）等。l KSS：最常見的是8468位點(diǎn)和13446位點(diǎn)之間的4977bp缺失，約1/3患者的缺失斷裂點(diǎn)位于ATP酶亞單位8基因和ND5基因內(nèi)；最大片段的缺失為5786位點(diǎn)和15944位點(diǎn)之間大于10kb的缺失。由于缺失丟掉了許多基因，尤其是tRNA基因，導(dǎo)致線粒體蛋白合成缺陷，大多數(shù)患者確診后幾年內(nèi)死亡。 第三節(jié)第三節(jié) 線粒體疾病的遺傳特點(diǎn)線粒體疾病的遺傳特點(diǎn)l由于每個細(xì)胞中線粒體DNA拷貝數(shù)目可多達(dá)數(shù)千，每個線粒體中有若干個DNA分子。l因此，由線粒體DNA突變所引起的細(xì)胞病變就不可能像核DNA突變引起的細(xì)胞病變那么簡單。l缺失多發(fā)生于體細(xì)胞中，

18、引起的疾病常為散發(fā)，無家族史，突變mtDNA隨年齡增長在組織細(xì)胞中逐漸積累，故誘發(fā)的疾病在一定的年齡階段表現(xiàn)并進(jìn)行性加重。l缺失的大小、位置與疾病的生化表現(xiàn)和嚴(yán)重程度是否相關(guān)尚無定論；是發(fā)生在生殖細(xì)胞中的mtDNA突變引起母系家族性疾病。一、母系遺傳一、母系遺傳 在精卵結(jié)合時，卵母細(xì)胞擁有上百萬拷貝的mtDNA，而精子中只有很少的線粒體，受精時幾乎不進(jìn)入受精卵，因此，受精卵中的線粒體DNA幾乎全都來自于卵子，來源于精子的mtDNA對表型無明顯作用。 這種在精卵結(jié)合時雙親信息的不等量表現(xiàn)決定了線粒體遺傳病的傳遞方式不符合孟德爾遺傳，而是表現(xiàn)為母系遺傳（maternal inheritance），

19、即母親將mtDNA傳遞給她的兒子和女兒，但只有女兒能將其mtDNA傳遞給下一代。 l 注：并非女性患者的后代全部發(fā)病，而且發(fā)病年齡也不一致，甚至一些女性患者本身表型正常，但可將本病傳給下一代。由于l 遺傳瓶頸效應(yīng)l 復(fù)制分離和遺傳漂變現(xiàn)象l 閾值效應(yīng)lmtDNA在親子代之間的傳遞非常復(fù)雜，人類的每個卵細(xì)胞中大約有10萬個mtDNA，但只有隨機(jī)的一小部分（2200個）可以進(jìn)入成熟的卵細(xì)胞傳給子代，這種卵細(xì)胞形成期mtDNA數(shù)量劇減的過程稱“遺傳瓶頸效應(yīng)”。l 卵母細(xì)胞形成卵子時的遺傳瓶頸效應(yīng)l三、閾值效應(yīng)三、閾值效應(yīng)l異質(zhì)性細(xì)胞的表現(xiàn)型依賴于細(xì)胞內(nèi)突變型和野生型mtDNA的相對比例，能引起特定組

20、織器官功能障礙的突變mtDNA的最少數(shù)量稱閾值。l在特定組織中，突變型mtDNA積累到一定程度，超過閾值時，能量的產(chǎn)生就會急劇地降到正常的細(xì)胞、組織和器官的功能最低需求量以下，引起某些器官或組織功能異常，其能量缺損程度與突變型mtDNA所占的比例大致相當(dāng)。l閾值是一個相對概念，易受突變類型、組織、老化程度變化的影響，個體差異很大。l例如，缺失5kb的變異的mtDNA比率達(dá)60%，就急劇地喪失產(chǎn)生能量的能力。線粒體腦肌病合并乳酸血癥及卒中樣發(fā)作（MELAS）患者tRNA點(diǎn)突變的mtDNA達(dá)到90%以上，能量代謝急劇下降。 閾值效應(yīng)表現(xiàn)在以下方面：閾值效應(yīng)表現(xiàn)在以下方面：l1.由于閾值效應(yīng)，子女中得到較多突變mtDNA者將發(fā)病，得到較少突變mtDNA者不發(fā)病或病情較輕。l2.不同的組織器官對能量的依賴程度不同，對能量依賴程度較高的組織比其他組織更易受到OXPHOS損傷的影響，較低的突變型mtDNA水平就會引起臨床癥狀。l中樞神經(jīng)系統(tǒng)對ATP依賴程度最高，對OXPHOS缺陷敏感，易受閾值效應(yīng)的影響而受累。其他依次為骨骼肌、心臟、胰腺、腎臟、肝臟。l如肝臟中突變mtDNA達(dá)80時，尚不表現(xiàn)出病理癥狀，而肌組織或腦組織中突變mtDNA達(dá)同樣比例時就表現(xiàn)為疾病。 l3.同一組織在不同功能狀態(tài)對OXPHOS損傷的敏感性也不同。l如線粒體腦疾