醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)：第六章 線粒體遺傳病

2023/4/3第六章線粒體遺傳病概述第一節(jié)mtDNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與遺傳特征第二節(jié)mtDNA突變與人類疾病MitochondrialGeneticDiseases1/602023/4/3概述線粒體(mitochondria)是位于真核細(xì)胞質(zhì)中的細(xì)胞器—能量代謝中心。

線粒體結(jié)構(gòu)：雙層膜，內(nèi)膜，外膜，基質(zhì)，膜間腔；基粒，核糖體。122/602023/4/31963年Nass分離到的線粒體DNA

1963年Nass在雞卵母細(xì)胞發(fā)現(xiàn)線粒體存在DNA；Schatz分離到完整mtDNA.1981年劍橋大學(xué)Anderson測定人mtDNA序列—“劍橋序列”。線粒體DNA33/602023/4/3線粒體蛋白質(zhì)4核-質(zhì)系統(tǒng)輸入：＞90%線粒體合成：13種4/602023/4/3線粒體功能：為細(xì)胞活動(dòng)產(chǎn)生能量—ATP。55/602023/4/3在基粒上氧化偶聯(lián)磷酸化產(chǎn)生ATP。6/602023/4/31987年Wallace提出mtDNA突變可引起人類線粒體遺傳病.

線粒體遺傳病1962年Lufe報(bào)道1例以肌無力,極易疲勞,多汗為表現(xiàn)的線粒體肌病。61988年Holt首次在線粒體病中發(fā)現(xiàn)mtDNA缺失突變.指線粒體遺傳缺陷導(dǎo)致ATP合成障礙、細(xì)胞能量不足的疾病。

7/602023/4/3第一節(jié)

mtDNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

與遺傳特征8/602023/4/3線粒體DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)形態(tài)組成基因結(jié)構(gòu)復(fù)制

D－loop一、mtDNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)9/602023/4/3形態(tài):裸露、閉合環(huán)狀、雙鏈:H鏈(富含G)和L鏈(富含C)。組成：16569bp;編碼22種tRNA，2種rRNA,13種mRNA?；蚪Y(jié)構(gòu)：無內(nèi)含子。12310/602023/4/3

D-loop：mtDNA唯一非編碼區(qū),控制區(qū)。長度：共969kb16000－16569(569)1－400(400)組成：高度可變區(qū)(進(jìn)化)高度保守區(qū)(調(diào)控)411/602023/4/3復(fù)制：第一，自我復(fù)制；第二，H和L鏈有區(qū)別:各自的復(fù)制起始點(diǎn)(O),相隔2/3mtDNA;反向復(fù)制不同步—D環(huán)復(fù)制。512/602023/4/3線粒體DNA的傳遞特點(diǎn)功能半自主性專用遺傳密碼母系遺傳高突變率閾值效應(yīng)復(fù)制分離二、mtDNA的遺傳特征13/602023/4/3mtDNA具有復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和突變功能,稱為25號(hào)染色體,或M染色體。(一)功能半自主性特征線粒體DNA是半自主性復(fù)制體。mtDNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯功能依賴于核DNA產(chǎn)物的功能。14/602023/4/315/602023/4/3（二）專用遺傳密碼特征：線粒體基因組所用遺傳密碼和通用密碼不完全相同。tRNA兼用性強(qiáng)：22個(gè)識(shí)別多達(dá)48個(gè)密碼子。

體系

UGAAUAAGG線粒體色氨酸蛋氨酸(起始)終止密碼核-質(zhì)系統(tǒng)終止密碼異亮氨酸精氨酸16/602023/4/3（三）母系遺傳特征(maternalinheritance)不同顏色代表不同線粒體遺傳病17/602023/4/3細(xì)胞分裂時(shí)mtDNA復(fù)制并分離到子細(xì)胞。

遺傳瓶頸(geneticbottleneck)：卵母細(xì)胞成熟過程中線粒體數(shù)目由105→10~100個(gè)的過程.12（四）復(fù)制分離特征18/602023/4/3保留的線粒體質(zhì)量？有絲分裂子細(xì)胞的線粒體隨機(jī)分布？產(chǎn)生組織差異。胚胎早期，線粒體再增殖，數(shù)目＞1萬個(gè)/細(xì)胞。3419/602023/4/3遺傳瓶頸和隨機(jī)分離共同作用的結(jié)果，導(dǎo)致同一個(gè)體的不同組織細(xì)胞，按照所含線粒體基因組不同，分為兩類：（五）閾值效應(yīng)特征異質(zhì)性heteroplasmy純質(zhì)性homoplasmy120/602023/4/3(雜質(zhì)性)：指細(xì)胞內(nèi)的線粒體是突變型和野生型的混合體。異質(zhì)性純質(zhì)性(同質(zhì)性)：指細(xì)胞內(nèi)線粒體是同一類型的野生型或突變型。野生型純質(zhì)細(xì)胞異質(zhì)性細(xì)胞突變純質(zhì)性細(xì)胞21/602023/4/3不同組織細(xì)胞色素氧化酶活性。棕色：陽性；藍(lán)色：缺失。A.

點(diǎn)突變雜質(zhì)性骨骼肌；B.tRNA基因突變純質(zhì)性心??；C.

藍(lán)色示患者具有mtDNA重排的小腦神經(jīng)元；D.

眼外肌細(xì)胞色素氧化酶缺乏。22/602023/4/3異質(zhì)性細(xì)胞對表型的影響：取決于突變型線粒體的比例。閾值：線粒體遺傳病發(fā)生時(shí)細(xì)胞內(nèi)突變型線粒體的最小比例。23是否影響細(xì)胞對能量的需求。是否發(fā)生線粒體遺傳病?23/602023/4/3不同組織閾值不同能量需求高的組織閾值低。如：腦＞骨骼肌＞心臟＞腎＞肝母系遺傳特征非典型性細(xì)胞質(zhì)和線粒體非均等分離→細(xì)胞內(nèi)核基因組相同，線粒體基因組可以不同→不同表型。同卵雙生子可有不同的線粒體遺傳病表型。4524/602023/4/3原因缺乏組蛋白保護(hù)；暴露于自由基環(huán)境中(氧化磷酸化反應(yīng)產(chǎn)物)；無內(nèi)含子,直接攻擊基因;缺乏DNA修復(fù)系統(tǒng)。效應(yīng)突變率＞核DNA10倍。序列差異大：群體中個(gè)體間mtDNA的序列差異平均4/1000bp。表型效應(yīng)低：通過自然選擇消除。（六）高突變率特征25/602023/4/3第二節(jié)

mtDNA突變

與人類疾病一、線粒體遺傳病的突變類型二、線粒體遺傳病26/602023/4/3（一）1.錯(cuò)義突變：氨基酸2.蛋白質(zhì)生物合成基因突變：tRNA基因突變一、線粒體遺傳病的突變類型（二）由異常重組、異常復(fù)制滑動(dòng)、脫鏈誤配或RNA的錯(cuò)誤剪切導(dǎo)致.（三）指mtDNA拷貝數(shù)量大大低于正常.(一)堿基替換(二)缺失、插入突變(三)拷貝數(shù)目突變27/602023/4/3二、線粒體遺傳病(二)MERRF綜合征(三)MELAS綜合征

(四)鏈霉素耳毒性耳聾(一)Leber遺傳性視神經(jīng)病

(五)KSS綜合征28/602023/4/3(一)Leber遺傳性視神經(jīng)病Leberhereditaryopticneuropathy,LHON以眼科醫(yī)師TheodorLeber(德)的名字命名以遺傳性視神經(jīng)萎縮為主要特征。發(fā)病年齡：兒童期～70歲，多在20～30歲。29/602023/4/3臨床癥狀1Leber遺傳性視神經(jīng)病的雙胞胎兄弟首發(fā)癥狀：視物模糊，中央視力喪失;發(fā)展(幾個(gè)月內(nèi))：進(jìn)行性視神經(jīng)萎縮，視力下降，兩眼同時(shí)或相繼出現(xiàn)無痛性、完全或接近完全失明。30/602023/4/3視神經(jīng)萎縮：由于谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)障礙、活性氧增多導(dǎo)致視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞凋亡，視乳頭水腫，乳頭盤蒼白。血管病變：膨脹變形。病理特征2視乳頭盤蒼白，毛細(xì)血管擴(kuò)張31/602023/4/3LHON視神經(jīng)髓鞘染色，示髓鞘缺損。中央和周圍神經(jīng)軸突更為嚴(yán)重，與視乳頭黃斑束的退化相紊和。32/602023/4/3閾值：多為同質(zhì)性，異質(zhì)性的mtDNA突變閾值水平≥70％突變方式：點(diǎn)突變；主要有三種突變點(diǎn)。發(fā)病率：1/50000;發(fā)病年齡：6~70歲,平均18~35歲。發(fā)病率性別差異：男:女=5:1。遺傳特性4流行病學(xué)333/602023/4/311778G→AMTND4*LHONG11778A：占50~70%.脫氫酶第4亞單位第340位的Arg(高度保守)→His—氧化作用效率↓。三種突變(＞90%)34/602023/4/3

MTND1*LHONG3460A：＞33％。

MTND6*LHONT14484C：占加拿大患者的84％。三類突變均因mRNA錯(cuò)義突變降低了呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ的活性，致呼吸鏈功能受阻。35/602023/4/3例如：MT

ND4*LHON

11778A突變基因:NADH脫氫酶第4亞單位基因疾病:縮略語突變位點(diǎn):第11778位堿基突變?yōu)锳或G11778A,該位點(diǎn)由G→A突變的遺傳命名線粒體(DNA)36/602023/4/3(二)MERRF綜合征

MERRF綜合征(myoclonusepilepsyandragged-redfibers,MERRF，肌陣攣癲癇和碎紅纖維病)。一種線粒體腦肌病，具有大腦與肌肉多系統(tǒng)功能紊亂癥狀。37/602023/4/3肌陣攣性癲癇的短暫發(fā)作(周期性抽搐),共濟(jì)失調(diào);輕度癡呆,神經(jīng)性耳聾;肌細(xì)胞減少引起的擴(kuò)張性心肌病。臨床癥狀138/602023/4/38344bp發(fā)病機(jī)理2基因突變使蛋白質(zhì)合成水平整體下降；氧化磷酸化成分含量降低(復(fù)合物Ⅱ除外),尤其復(fù)合物Ⅰ和Ⅳ含量降低。39/602023/4/3脊髓神經(jīng)退化，肌細(xì)胞減少;大量團(tuán)塊狀異常線粒體聚集在肌細(xì)胞中，被電子傳導(dǎo)鏈復(fù)合物Ⅱ的特異性染料染成紅色—碎紅纖維。細(xì)胞學(xué)特征3Regged-redfiber40/602023/4/3遺傳特性4突變：tRNAlys基因突變。mtDNA8344A→G閾值：異質(zhì)性神－肌細(xì)胞為90%。年齡增大,閾值降低,＞60歲，突變型線粒體達(dá)85%時(shí)表現(xiàn)嚴(yán)重癥狀。？41/602023/4/3MT

T

K*MERRF

A8344G突變的遺傳命名轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)基因賴氨酸簡寫42/602023/4/3(三)MELAS綜合征MELAS(MitochondrialEncephalomyopathy

withLacticAcidosisandStroke-likeepisodes,MELAS)：線粒體腦肌病伴乳酸中毒及中風(fēng)樣發(fā)作綜合征。43/602023/4/3腦：癲癇，癡呆，耳聾，40歲前反復(fù)中風(fēng)樣發(fā)作;?。杭〗M織病變,肌陣攣,共濟(jì)失調(diào)；進(jìn)行性眼外肌麻痹，眼的水平運(yùn)動(dòng)受限。乳酸中毒;

陣發(fā)嘔吐;糖尿病.臨床癥狀144/602023/4/3MT

T

L1*MELASA3243G兩個(gè)tRNAleu基因之一發(fā)病機(jī)理212tRNAleu結(jié)構(gòu)改變；tRNAleu基因和rRNA基因下游緊密結(jié)合的轉(zhuǎn)錄終止子失活—rRNA和mRNA的轉(zhuǎn)錄比例改變.

45/602023/4/3病理特征3腦和肌肉的小動(dòng)脈和毛細(xì)血管壁中有大量形態(tài)異常的線粒體聚集—腦肌病。丙酮酸代謝障礙致大量乳酸生成，并在血液和體液中累積，pH↓—乳酸中毒。大腦皮層和脊髓白質(zhì)損傷—中風(fēng)樣發(fā)作。

46/602023/4/3MELAS-smallinfarct(bluearrows)47/602023/4/3基因突變位點(diǎn)的雜質(zhì)性：基因內(nèi)部可發(fā)生多個(gè)位點(diǎn)突變,如3250,3251,3260,3302,3303等。臨床癥狀的雜質(zhì)性：同一位點(diǎn)的突變可導(dǎo)致不同的臨床癥狀，不同位點(diǎn)的突變可導(dǎo)致相同的臨床癥狀。雜質(zhì)性特征448/602023/4/3（四）鏈霉素耳毒性耳聾氨基糖甙類藥物敏感性耳聾Aminoglycosideantibioticsinduceddeafness有家族性傾向—母系遺傳特征線粒體遺傳病49/602023/4/3有慶大霉素、鏈霉素及卡那霉素等氨基糖苷類抗生素應(yīng)用史。中重度感音神經(jīng)性耳聾，雙側(cè)對稱性高頻聽力下降。臨床癥狀150/602023/4/3突變：mtDNA12SrRNAA1555G效應(yīng)：12SrRNA結(jié)構(gòu)改變，與氨基糖甙類抗生素高親和性，導(dǎo)致：耳窩毛細(xì)胞的功能被干擾；抑制呼吸鏈蛋白合成，影響ATP的產(chǎn)生。異質(zhì)性：7445T→G，影響COⅪ和tRNASer。發(fā)病機(jī)理251/602023/4/312SrRNA與氨基糖甙類抗生素高親和性→耳窩毛細(xì)胞的多糖(帶負(fù)電荷)與抗生素(帶正電荷)結(jié)合，功能被干擾。52/602023/4/3(五)KSS綜合征KSS病(Kearns-sayreSyndrome,KSS)慢性進(jìn)行性眼外肌麻痹。53/602023/4/3臨床癥狀1Thereisafaintspeckledpigmentaryretinopathyevidentintheperiphery-alight"saltandpepperchange".

進(jìn)行性眼外肌麻痹,視網(wǎng)膜色素變性,復(fù)視、弱視。共濟(jì)失調(diào),耳聾,癡呆；語言、吞咽障礙；心肌電傳導(dǎo)異常,糖尿?。?0歲發(fā)病,幾年內(nèi)死亡。54/602023/4/3突變：＞1000