醫(yī)學(xué)遺傳學(xué) 線粒體遺傳病

1醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)線粒體疾病線粒體是真核細(xì)胞的能量代謝中心1894年在動物細(xì)胞質(zhì)內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)線粒體1963年Nass首次在雞卵母細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)線粒體中存在DNA，同年Schatz分離到完整的線粒體DNA（mtDNA）1981年Anderson發(fā)表了完整的人類mtDNA1987年明確提出mtDNA突變可引起人類疾病23ComplexSubunitsNuclearmtDNAⅠ41347Ⅱ440Ⅲ11101Ⅳ13103ATPase14122mtDNA具有半自主性mtDNA復(fù)制離不開核基因組,如DNA聚合酶;mtDNA轉(zhuǎn)錄離不開核基因組,如RNA聚合酶;mtDNA翻譯離不開核基因組,如氨酰tRNA合成酶、蛋白因子;核糖體的蛋白質(zhì)是由核基因編碼的。4雙鏈16569bp，其中一條為重連，一條為輕連。基因編碼物各不相同。編碼區(qū)包含37個基因：2種rRNA；22種tRNA；13種蛋白質(zhì)。第一節(jié)mtDNA的結(jié)構(gòu)和遺傳特征mtDNA結(jié)構(gòu)特征基因之間排列緊密，基因間隔區(qū)只有87bp基因中無內(nèi)含子序列，多數(shù)情況下不含終止密碼mtDNA有兩段非編碼區(qū)：(1)D環(huán)區(qū)多為串聯(lián)重復(fù)序列，1122bp，與mtDNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄有關(guān)；(2)輕鏈復(fù)制起始區(qū)OLmtDNA突變率極高，多態(tài)現(xiàn)象普遍，進(jìn)化速度最快，極少有同源性。D環(huán)區(qū)兩側(cè)有兩個多態(tài)性高發(fā)區(qū)HVI、HVII。DNA不與組蛋白結(jié)合部分密碼子不同于核基因組密碼子。56線粒體DNA的復(fù)制MtDNA是以半保留方式進(jìn)行復(fù)制的；MtDNA具有兩個復(fù)制起始點OH和OL;重鏈順時針方向復(fù)制，輕鏈逆時針復(fù)制；重鏈和輕鏈復(fù)制不是同步的；MtDNA的復(fù)制和核DNA的復(fù)制不同步；MtDNA的復(fù)制所需要的DNA聚合酶是由nDNA所編碼的。θ型復(fù)制

DNA在復(fù)制原點解開成單鏈狀態(tài),分別作為模板,各自合成其互補(bǔ)鏈,則出現(xiàn)兩個復(fù)制叉。復(fù)制中間體的形狀類似于希臘字母θ型結(jié)構(gòu)。滾環(huán)復(fù)制78線粒體基因組的轉(zhuǎn)錄兩條鏈均有編碼功能線粒體基因組轉(zhuǎn)錄的啟動子:HSP和LSP重鏈逆時針方向轉(zhuǎn)錄，輕鏈順時針轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄和原核生物很相似，基因間無終止子tRNA基因位于其間，剪切位置常在tRNA處mRNA加尾不加帽mtDNA密碼與nDNA密碼的區(qū)別：1.UGA不是終止信號，而是色氨酸的密碼。因此，線粒體tRNAtrp可以識別UGG和UGA兩個密碼子。2.多肽內(nèi)部的甲硫氨酸由AUG和AUA兩個密碼子編碼；而起始甲硫氨酸由AUG,AUA,AUU和AUC四個密碼子編碼。3.AGA,AGG不是精氨酸的密碼子，而是終止密碼子，因而，在線粒體密碼系統(tǒng)中的4個終止密碼子（UAA,UAG,AGA,AGG）。910轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個過程幾乎在同一地點和同一時間進(jìn)行；線粒體合成的蛋白質(zhì)數(shù)量較少，其余的都是由核基因所編碼的，如DNA聚合酶、RNA聚合酶、起始因子、延伸因子、釋放因子、以及核糖體蛋白質(zhì)等等；線粒體蛋白質(zhì)的合成11第二節(jié)線粒體基因的突變突變率mtDNA突變率比nDNA高10～20倍mtDNA是裸露的分子，不與組蛋白結(jié)合，缺乏組蛋白的保護(hù)；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，導(dǎo)致mtDNA點突變或缺失；mtDNA復(fù)制頻率較高，復(fù)制時不對稱，H單鏈DNA自發(fā)脫氨，導(dǎo)致點突變；缺乏有效的DNA損傷修復(fù)能力。12突變類型（一）點突變

多數(shù)點突變發(fā)生在線粒體的tRNA或rRNA基因上；部分點突變發(fā)生于mRNA相關(guān)的基因上。

（二）缺失、插入突變

以缺失較為常見，涉及多個基因，對OXPHOS功能影響大。5.0kb缺失、7.4kb缺失、10.4kb缺失。引起mtDNA缺失的原因可能是mtDNA分子中同向重復(fù)序列的滑動復(fù)制或同源重組。（三）mtDNA數(shù)量減少核基因缺陷所致線粒體功能障礙，表現(xiàn)為AD、AR

13mtDNA突變的修復(fù)

切除修復(fù)：核酸內(nèi)切酶先切除損傷DNA片段，然后DNA聚合酶以未損傷鏈為模板，復(fù)制正確的核苷酸序列以填補(bǔ)形成的空缺。線粒體內(nèi)存在上述過程所需的幾種酶；

修復(fù)酶種類少，修復(fù)能力低。14mtDNA為母系遺傳第三節(jié)mtDNA的遺傳特性mtDNA的異質(zhì)性與閾值效應(yīng)15mtDNA的母系遺傳把時間往后推到足夠久遠(yuǎn)，那么必然有某個女子將是所有后代人類的純粹母系的共同祖先，那些后代的線粒體統(tǒng)統(tǒng)來自于她的線粒體的原本。線粒體夏娃17遺傳瓶頸效應(yīng)

人類的每個卵母細(xì)胞中大約有10萬個mtDNA，但只有隨機(jī)的一小部分（2～200個）可以進(jìn)入成熟的卵細(xì)胞傳給子代。瓶頸效應(yīng)限制了下傳的mtDNA的數(shù)量及種類，造成子代個體間明顯的異質(zhì)性差異，甚至同卵雙生子也可表現(xiàn)為不同的異質(zhì)性水平。

18異質(zhì)性的發(fā)生機(jī)制：1、

mtDNA發(fā)生突變導(dǎo)致一個細(xì)胞內(nèi)同時存在野生型mtDNA和突變型mtDNA。2、受精卵中存在的異質(zhì)mtRNA在卵裂過程中被隨機(jī)分配于子細(xì)胞中，由此分化而成的不同組織中會存在mtDNA異質(zhì)性差異。異質(zhì)性的表現(xiàn)：1、同一個體不同組織、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；2、同一個體在不同的發(fā)育時期產(chǎn)生不同的mtDNA。

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閾值效應(yīng)（thresholdeffects）

突變所產(chǎn)生的效應(yīng)取決于該細(xì)胞中野生型和突變型線粒體DNA的比例，只有突變型DNA達(dá)到一定數(shù)量（閾值）才足以引起細(xì)胞的功能障礙，這種現(xiàn)象稱為閾值效應(yīng)。

閾值效應(yīng)的一個表現(xiàn)就是在某些線粒體遺傳病的家系中，有些個體起初并沒有臨床癥狀，但隨年齡增加由于自發(fā)突變、環(huán)境選擇等原因，突變型DNA逐漸積累，線粒體的能量代謝功能持續(xù)性下降，最終出現(xiàn)臨床癥狀。

20不均等的有絲分裂分離

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，這種隨機(jī)分配導(dǎo)致mtDNA異質(zhì)性變化的過程稱為復(fù)制分離。連續(xù)分裂時二者比例會發(fā)生漂變，向同質(zhì)性的方向發(fā)展。21線粒體疾病廣義：指以線粒體功能異常為主要病因的一大類疾病。狹義：線粒體DNA突變所致的線粒體功能異常。22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，在有害物質(zhì)滲入（中毒）、病毒入侵（感染）等情況下，線粒體亦可發(fā)生腫脹甚至破裂。一些細(xì)胞病變時，可看到線粒體中累積大量的脂肪或蛋白質(zhì)，有時可見線粒體基質(zhì)顆粒大量增加，這些物質(zhì)的充塞往往影響線粒體功能甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

23第二節(jié)線粒體疾病的分類生化分類

底物轉(zhuǎn)運缺陷、底物利用缺陷、Krebs循環(huán)缺陷、電子傳遞缺陷、氧化磷酸化偶聯(lián)缺陷遺傳分類

核DNA（nDNA）缺陷、mtDNA缺陷、nDNA和mtDNA聯(lián)合缺陷24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，臨床癥狀以中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌病變?yōu)橹饕卣鳌?/p>

線粒體腦?。翰∽円灾袠猩窠?jīng)系統(tǒng)為主。線粒體肌?。翰∽円怨趋兰橹?。線粒體腦肌病：病變同時侵犯中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌。25Leber遺傳性視神經(jīng)病(LHON)Leber遺傳性視神經(jīng)病是被證實的第一種母系遺傳的疾病，至今尚未發(fā)現(xiàn)一個男性患者將此病傳給后代。LHON是以德國眼科醫(yī)生TheodorLeber的名字命名的，為一種急性或亞急性發(fā)作的母系遺傳病。LeberT醫(yī)生26

臨床表現(xiàn):視神經(jīng)退行性變，故又稱Leber視神經(jīng)萎縮?；颊叨嘣?8～20歲發(fā)病，男性較多見，個體細(xì)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(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。27

視神經(jīng)與視網(wǎng)膜神經(jīng)元退化，發(fā)病較早，視力減退，導(dǎo)致失明。289個線粒體基因突變與該病有關(guān)，突變種類達(dá)18種。主要突變類型：MTND4*LHONG11778AMTND1*LHONG3460AMTND6*LHONG14459A(ND:呼吸鏈復(fù)合物)使編碼呼吸鏈NADH脫氫酶活性降低，線粒體產(chǎn)能下降，因而對需能量多的視神經(jīng)組織損害最大，久之導(dǎo)致視神經(jīng)細(xì)胞退行性變，直至萎縮。11778G→A導(dǎo)致編碼NADH脫氫酶亞單位4(ND4)中第340位的Arg→His，從而影響線粒體能量的產(chǎn)生。Leber遺傳性視神經(jīng)病(LHON)11778G→A29線粒體腦肌?。╩itochondria1encephalomyopathies，ME）

線粒體功能缺陷引起，以中樞神經(jīng)和肌肉系統(tǒng)病變?yōu)橹?。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。（一）肌陣攣癲癇和粗糙纖維病（MERRF）（二）線粒體腦肌病合并乳酸血癥及卒中樣發(fā)作（MELAS）（三）Kearns-Sayre綜合征（KSS）（四）Leigh綜合征（LS）

30MERRF綜合征MERRF綜合征是一種罕見的、異質(zhì)性的母系遺傳病。典型為8344bp突變，即A8344G，導(dǎo)致tRNALys改變，使蛋白質(zhì)合成受阻。8344bp

當(dāng)線粒體中90%存在這種突變，將出現(xiàn)典型癥狀，當(dāng)突變比例下降時，癥狀也隨之變輕。主要臨床表現(xiàn)：陣發(fā)性癲癇，伴有進(jìn)行性神經(jīng)系統(tǒng)障礙，患者肌纖維紊亂、粗糙，線粒體形態(tài)異常并在骨骼肌細(xì)胞中積累。31線粒體腦肌病合并乳酸血癥及卒中樣發(fā)作（MELAS）

主要臨床表現(xiàn)：陣發(fā)性嘔吐、癲癇發(fā)作和中風(fēng)樣發(fā)作、血乳酸中毒、近心端四肢乏力等。分子特征：線粒體tRNA的點突變，約有80%的患者是mtDNA的3243（位于tRNALeu基因）A→G的堿基置換，該位點是tRNALeu基因與16SrRNA基因的交界部位，也是轉(zhuǎn)錄終止因子的結(jié)合部位，進(jìn)化上高度保守，突變使tRNALeu基因結(jié)構(gòu)異常，轉(zhuǎn)錄終止因子不能結(jié)合，rRNA和mRNA合成的比例發(fā)生改變；少數(shù)患者為tRNALeu(UUR)基因3271、3252或3291位堿基的點突變。肌組織中A3243G突變型mtDNA達(dá)40%～50%時，出現(xiàn)CPEO、肌病和耳聾，達(dá)90%時，可出現(xiàn)復(fù)發(fā)性休克、癡呆、癲癇、共濟(jì)失調(diào)等。32Kearns-Sayre綜合征（KSS）KSS進(jìn)行性眼肌麻痹，具有色素視網(wǎng)膜炎、心臟傳導(dǎo)功能障礙、聽力喪失、共濟(jì)失調(diào)、癡呆等癥狀，常在嬰兒、兒童或青春期發(fā)病。

33慢性進(jìn)行性眼外肌癱瘓（CPEO）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)病；34KSS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0.5～8kb，最常見的類型是4.9kb的“普遍缺失”。缺失的mtDNA具有明顯的復(fù)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(zhì)合成缺陷，影響四種呼吸鏈復(fù)合體。偶爾可見8334位點（tRNALeu）和3242位點（tRNALeu）點突變可引起CPEO。KSS病情嚴(yán)重程度取決于缺失型mtDNA的異質(zhì)性水平和組織分布。異質(zhì)性程度低時，僅表現(xiàn)為眼外肌麻痹，肌細(xì)胞中缺失型mtDNA>85%時，表現(xiàn)為嚴(yán)重的KSS。35Leigh綜合征（LS）Leigh綜合征是以高乳酸血癥、低肌張力為主要表現(xiàn)的進(jìn)行性腦病，主要侵犯嬰兒。Leigh綜合征主要與ATP復(fù)合酶的功能受損有關(guān)，目前發(fā)現(xiàn)該病的致病突變主要是mtDNA第8993位點（ATPase6基因）T→A或T→C，將ATPase6亞基156位的亮氨酸改變?yōu)榫彼峄蚋彼?，從而影響ATP合酶的質(zhì)子通路。患者異質(zhì)性決定了臨床癥狀的嚴(yán)重性：女性攜帶者或癥狀較輕的女患者突變水平<70%；突變水平>90%時，表現(xiàn)為Leigh綜合征。36帕金森病（Parkinsondisease，PD）

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(xué)特征包括黑質(zhì)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(zhì)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(jié)果導(dǎo)致多種組織細(xì)胞內(nèi)的線粒體復(fù)合體Ⅰ、III甚至Ⅳ都存在功能缺陷，進(jìn)而引起神經(jīng)元中能量代謝障礙。大多數(shù)觀點認(rèn)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(jié)果。37其他與線粒體有關(guān)的病變衰老腫瘤糖尿病38衰老

個體衰老的進(jìn)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(dǎo)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。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(dá)到0.51%，細(xì)胞中8-OH-dG累積，促進(jìn)mtDNA缺失。與增齡有關(guān)的突變類型主要是缺失，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(dá)0.26%，是低值的4200倍。39腫