(基礎(chǔ)醫(yī)學(xué))醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)第8章線粒體疾病的遺傳課件

1、第八章 線粒體疾病的遺傳 Inheritance of Mitochondrail diseases第1頁，共48頁。第2頁，共48頁。第3頁，共48頁。第一節(jié) 人類線粒體基因組 線粒體含有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。1981年Anderson等人完成了人類線粒體基因組的全部核苷酸序列的測定。 第4頁，共48頁。第一節(jié) 人類線粒體基因組線粒體基因組是人類基因組的重要組成部分 全長16569bp 不與組蛋白結(jié)合，呈裸露閉環(huán)雙鏈狀 雙鏈分重鏈和輕鏈 重鏈（H鏈）富含鳥嘌呤， 輕鏈（L鏈）富含胞嘧啶

2、。 第5頁，共48頁。第6頁，共48頁。第一節(jié) 人類線粒體基因組mtDNA分為編碼區(qū)與非編碼區(qū)編碼區(qū)為保守序列，不同種系間75%的核苷酸具同源性編碼區(qū)包括37個(gè)基因： 2個(gè)基因編碼線粒體核糖體的rRNA（16S、12S） 22個(gè)基因編碼線粒體中的tRNA 13個(gè)基因編碼與線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）有關(guān)的蛋白質(zhì) 第7頁，共48頁。第一節(jié) 人類線粒體基因組3個(gè)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）2個(gè)為ATP合酶復(fù)合體（復(fù)合體）F0部分的2個(gè)亞基（A6和A8）7個(gè)為NADH-CoQ還原酶復(fù)合體（復(fù)合體）的亞基（ND1、ND2、ND3、N

3、D4L、ND4、ND5和ND6）1個(gè)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 第8頁，共48頁。第一節(jié) 人類線粒體基因組 mtDNA僅編碼13種，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。mtDNA基因的表達(dá)受nDNA的制約，線粒體氧化磷酸酶化系統(tǒng)的組裝和維護(hù)需要nDNA和mtDNA的協(xié)調(diào)，二者共同作用參與機(jī)體代謝調(diào)節(jié)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 第9頁，共48頁。第10頁，共48頁。mtDNA有兩段非

4、編碼區(qū):1、控制區(qū)（ D-環(huán)區(qū)或 D-loop ）是mtDNA 基因組中進(jìn)化速率最高、最具多態(tài)的區(qū)域，分為高變區(qū)和高變區(qū)；控制區(qū)是mtDNA 變化最復(fù)雜,是其作為研究人類系統(tǒng)進(jìn)化、人群遷移歷史的一個(gè)很有用的遺傳標(biāo)記的內(nèi)在原因 。 2、 L鏈復(fù)制起始區(qū)第11頁，共48頁。第一節(jié) 人類線粒體基因組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(gè)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H鏈復(fù)制的引物，在DNA聚合酶作用下，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

5、D環(huán)，故此種DNA復(fù)制方式稱D-環(huán)復(fù)制。第12頁，共48頁。第13頁，共48頁。第一節(jié) 人類線粒體基因組與核基因轉(zhuǎn)錄比較，mtDNA的轉(zhuǎn)錄有以下特點(diǎn)：兩條鏈均有編碼功能兩條鏈從D-環(huán)區(qū)的啟動子處同時(shí)開始以相同速率轉(zhuǎn)錄，L鏈按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)錄，H鏈按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)錄mtDNA的基因之間無終止子tRNA基因通常位于mRNA基因和rRNA基因之間mtDNA的遺傳密碼與nDNA不完全相同線粒體中的tRNA兼用性較強(qiáng)第14頁，共48頁。第二節(jié) 線粒體基因的突變突變類型:一、點(diǎn)突變二、大片段重組三、mtDNA數(shù)量減少四、mtDNA突變的修復(fù)第15頁，共48頁。mtDNA突變率比nDNA高1020倍mtDNA中

6、基因排列緊湊，任何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mtDNA是裸露的分子，不與組蛋白結(jié)合mtDNA位于線粒體內(nèi)膜附近，直接暴露于呼吸鏈代謝產(chǎn)生的超氧離子和電子傳遞產(chǎn)生的羥自由基中，極易受氧化損傷mtDNA復(fù)制頻率較高，復(fù)制時(shí)不對稱缺乏有效的DNA損傷修復(fù)能力第16頁，共48頁。第三節(jié) 線粒體疾病的遺傳特點(diǎn) 一、母系遺傳 在精卵結(jié)合時(shí)，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(shí)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

7、現(xiàn)為母系遺傳（maternal inheritance），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。 第17頁，共48頁。第18頁，共48頁。第19頁，共48頁。二、遺傳瓶頸（genetic bottleneck）線粒體遺傳病mtDNA在有絲和減數(shù)分裂期間要經(jīng)過復(fù)制分離，使數(shù)目從100 000驟減到10100個(gè)，如保留下來的線粒體碰巧攜帶某種突變基因，則在此后的線粒體擴(kuò)增（10 000左右個(gè)）中，得以放大，提高患病的風(fēng)險(xiǎn)。第20頁，共48頁。第三節(jié) 線粒體疾病的遺傳二、異質(zhì)性 同質(zhì)性（homoplasmy）：同一組織或細(xì)胞中的mtDNA分子都是一致的。異質(zhì)

8、性（heteroplasmy）：由于mtDNA發(fā)生突變，導(dǎo)致一個(gè)細(xì)胞內(nèi)同時(shí)存在野生型mtDNA和突變型mtDNA。野生型mtDNA對突變型mtDNA有保護(hù)和補(bǔ)償作用，因此，mtDNA突變時(shí)并不立即產(chǎn)生嚴(yán)重后果。 第21頁，共48頁。第三節(jié) 線粒體疾病的遺傳線粒體異質(zhì)性可分為 序列異質(zhì)性（sequence-based heteroplasmy）長度異質(zhì)性（length-based heteroplasmy）一般表現(xiàn)為： 同一個(gè)體不同組織、同一組織不同細(xì)胞、同一細(xì)胞甚至同一線粒體內(nèi)有不同的mtDNA拷貝； 同一個(gè)體在不同的發(fā)育時(shí)期產(chǎn)生不同的mtDNA。 第22頁，共48頁。第三節(jié) 線粒體疾病的遺傳

9、三、閾值效應(yīng) mtDNA突變可以影響線粒體OXPHOS的功能，引起ATP合成障礙，導(dǎo)致疾病發(fā)生。 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。 突變型mtDNA的表達(dá)受細(xì)胞中線粒體的異質(zhì)性水平以及組織器官維持正常功能所需的最低能量影響，可產(chǎn)生不同的外顯率和表現(xiàn)度。 第23頁，共48頁。第三節(jié) 線粒體疾病的遺傳閾值是一個(gè)相對概念，易受突變類型、組織、老化程度變化的影響，個(gè)體差異很大。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。

10、第24頁，共48頁。第三節(jié) 線粒體疾病的遺傳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它組織更易受到OXPHOS損傷的影響，較低的突變型mtDNA水平就會引起臨床癥狀。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。其它依次為骨骼肌、心臟、胰腺、腎臟、肝臟。如肝臟中突變mtDNA達(dá)80時(shí)，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(shí)就表現(xiàn)為疾病。 第25頁，共48頁。第三節(jié) 線粒體疾病的遺傳同一組織在不同功能狀態(tài)對 OXPHOS 損傷的敏感性也不同。如線粒體腦疾病患者在癲癇突然發(fā)作時(shí)，對ATP的需求驟然增高，腦細(xì)胞中

11、高水平的突變型 mtDNA無法滿足這一需要，導(dǎo)致細(xì)胞死亡，表現(xiàn)為梗塞或梗死。 第26頁，共48頁。第三節(jié) 線粒體疾病的遺傳線粒體疾病的臨床多樣性也與發(fā)育階段有關(guān)。例如肌組織中mtDNA的部分耗損或耗竭在新生兒中不引起癥狀，但受損的OXPHOS系統(tǒng)不能滿足機(jī)體生長對能量代謝日益增長的需求，就會表現(xiàn)為肌病。第27頁，共48頁。第三節(jié) 線粒體疾病的遺傳突變mtDNA隨年齡增加在細(xì)胞中逐漸積累，因而線粒體疾病常表現(xiàn)為與年齡相關(guān)的漸進(jìn)性加重。在一個(gè)伴有破碎紅纖維的肌陣攣癲癇（MERRF）家系中，有85%突變mtDNA的個(gè)體在20歲時(shí)癥狀很輕微，但在60歲時(shí)臨床癥狀卻相當(dāng)嚴(yán)重。第28頁，共48頁。第三節(jié)

12、線粒體疾病的遺傳不均等的有絲分裂分離 在連續(xù)的細(xì)胞分裂過程中，異質(zhì)性細(xì)胞中突變型mtDNA和野生型mtDNA的比例會發(fā)生漂變，向同質(zhì)性的方向發(fā)展。雜質(zhì)性細(xì)胞隨機(jī)分離，雜質(zhì)性漂變純質(zhì)性。分裂旺盛的細(xì)胞（如血細(xì)胞）往往有排斥突變mtDNA的趨勢，經(jīng)無數(shù)次分裂后，細(xì)胞逐漸成為只有野生型mtDNA的同質(zhì)性細(xì)胞。突變mtDNA具有復(fù)制優(yōu)勢，在分裂不旺盛的細(xì)胞（如肌細(xì)胞）中逐漸積累，形成只有突變型mtDNA的同質(zhì)性細(xì)胞。漂變的結(jié)果，表型也隨之發(fā)生改變。 第29頁，共48頁。mtDNA的復(fù)制分離第30頁，共48頁。第四節(jié)線粒體DNA突變與疾病一、Leber遺傳性視神經(jīng)病 圖5-2、圖5-3二、MERRF綜合

13、征三、Melas綜合征四、慢性進(jìn)行性外眼肌麻痹五、線粒體心肌病六、帕金森病七、非胰島素依賴型糖尿病 圖5-4八、氨基糖甙誘發(fā)的聾九、衰老第31頁，共48頁。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(bào)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，男女病人比例5:1，個(gè)體細(xì)胞中突變mtDNA超過96時(shí)發(fā)病，少于80時(shí)男性病人癥狀不明顯。臨床表現(xiàn)為為一種急性或亞急性發(fā)作的母系遺傳病，雙側(cè)視神經(jīng)嚴(yán)重萎縮引起的急性或亞急性雙側(cè)中央視力

14、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。第32頁，共48頁。Leber T 醫(yī)生第33頁，共48頁。第34頁，共48頁。第35頁，共48頁。第36頁，共48頁。誘發(fā)LHON的mtDNA突變均為點(diǎn)突變。近年來，已相繼報(bào)道有更多mtDNA點(diǎn)突變與LHON相關(guān)，均可引起基因產(chǎn)物的氨基酸替換包括 G 11778A、G 14459A（ND6）、G 3460A（ND1）、T 14484C（ND6）、G 15257A（cyt b）。第37頁，共48頁。11778GA導(dǎo)致編碼NADH脫氫酶亞單位4(ND4)中第340位的ArgHis，從而影響線粒體能量的產(chǎn)生。11778 GA第3

15、8頁，共48頁。第39頁，共48頁。第40頁，共48頁。Leigh綜合征（Leigh sysdrom） 第41頁，共48頁。慢性進(jìn)行性眼外肌癱瘓（chronic progressive external ophthalmoplegia，CPEO） 第42頁，共48頁。MERRF綜合征是一種罕見的、雜質(zhì)性的母系遺傳病。典型為8344 bp突變，即MTTK*MERRF8344G，導(dǎo)致tRNALys改變，使蛋白質(zhì)合成受阻。8344 bp肌陣攣性癲癇伴碎紅纖維病(MERRF綜合征)MT：MT-線粒體基因突變TK：T-tRNA基因，K-賴氨酸MERRF：疾病字母的縮略詞8344G：核苷酸8 344位置出現(xiàn)G變異第43頁，共48頁。臨床特征一種罕見的、異質(zhì)性母系遺傳病，具有多系統(tǒng)紊亂的癥狀，包括肌陣攣性癲癇的短暫發(fā)作，不能夠協(xié)調(diào)肌肉運(yùn)動（共濟(jì)失調(diào)），肌細(xì)胞減少（肌病），輕度癡呆，耳聾，脊髓神經(jīng)的退化等。重患的大腦卵圓核和齒狀核出現(xiàn)神經(jīng)元的缺失，小腦和脊髓也可受累。第44頁，共48頁。線粒體遺傳病MTTL1*MELAS 3243G的突變率超過了80%。堿基突變發(fā)生在兩個(gè)tRNAleu基因中的一個(gè)上。MELAS綜合征病因第45頁，共48頁。線