線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)培訓(xùn)課件

線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)

1894年，Altmann在動物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了線粒體，稱為生物芽體（bioblast）1897年,Benda將其命名為線粒體（mitochondria）1963年，Nass在雞胚中發(fā)現(xiàn)線粒體DNA同年，Schata分離到完整的線粒體DNA1981年，Anderson等公布了完整的人mtDNA序列1987年，Wallace等人證實了線粒體DNA突變和Leber

病之間的關(guān)系1990’,線粒體基因組時代

線粒體線粒體DNA線粒體遺傳病研究歷史的回顧2線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體一、線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)線粒體的形態(tài)線粒體的結(jié)構(gòu)線粒體是個敏感而形態(tài)多變的細(xì)胞器,線粒體的形態(tài)常因細(xì)胞的不同而有差異，即使在同一細(xì)胞內(nèi)線粒體的形態(tài)也不盡相同。

光鏡下可以看到形態(tài)各異的線粒體：粒狀、桿狀、線狀、顆粒狀等。

3線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體外膜：缺乏傳送系統(tǒng)，但卻有較大的通道，便于小分子物質(zhì)進入外膜。內(nèi)膜：各種不同的運輸?shù)鞍踪|(zhì)可選擇性地進行膜內(nèi)外小分子物質(zhì)的轉(zhuǎn)移；

電子傳遞鏈膜間腔：內(nèi)外膜之間的空隙線粒體嵴：內(nèi)膜向內(nèi)凹陷形成嵴間腔：嵴間的空隙基質(zhì)：含有脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、

DNA分子和核糖體4線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體電子傳遞鏈：由一系列能傳遞氫或電子的酶或輔酶組成，它們按一定順序排列在線粒體內(nèi)膜上，組成傳遞氫或傳遞電子的體系。這個體系進行的一系列連鎖反應(yīng)與細(xì)胞攝取氧的呼吸過程有關(guān)，故又稱為呼吸鏈。鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中的、位置相近的、能共同完成電子傳遞過程中的某個生物化學(xué)反應(yīng)的酶或輔酶形成了一個酶復(fù)合體。整個呼吸鏈由五個酶復(fù)合體構(gòu)成，分別為復(fù)合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ。5線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體6線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體人線粒體呼吸鏈復(fù)合體復(fù)合體名稱亞單位數(shù)復(fù)合體ⅠNADH－泛醌還原酶46復(fù)合體Ⅱ琥珀酸－泛醌還原酶4復(fù)合體Ⅲ泛醌－細(xì)胞色素C還原酶11復(fù)合體Ⅳ細(xì)胞色素氧化酶13復(fù)合體ⅤATP合成酶16泛醌為脂溶性，分子較小，不與任何蛋白質(zhì)結(jié)合，可在線粒體內(nèi)膜的不同組分間穿梭游動，傳遞電子。細(xì)胞色素C的分子量也較小，是可在線粒體內(nèi)膜外側(cè)移動的遞電子體.7線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體二、線粒體的功能——線粒體是生物體從營養(yǎng)物中獲取能量的主要結(jié)構(gòu)，是三大能源物質(zhì)糖、脂肪和蛋白質(zhì)的分解代謝中心。這些能源物質(zhì)在線粒體內(nèi)進行分解代謝，最后通過氧化磷酸化過程轉(zhuǎn)化成生物體可利用的高能化合物ATP。能量轉(zhuǎn)換8線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)9線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體DNA一、線粒體DNA的結(jié)構(gòu)特征位于線粒體的基質(zhì)內(nèi)每個線粒體通常含有2－10個拷貝的mtDNAmtDNA為環(huán)狀10線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體DNA線粒體DNA是一個雙鏈閉合環(huán)狀分子，外環(huán)為重鏈（H鏈），內(nèi)環(huán)為輕鏈（L鏈）。線粒體DNA長度約16，569bp。具有37個基因，分別編碼13種蛋白質(zhì)，22種tRNA和2種rRNA。這13種蛋白質(zhì)都是呼吸鏈復(fù)合體的亞單位。線粒體DNA結(jié)構(gòu)緊湊，沒有內(nèi)含子，唯一的非編碼區(qū)是約1000bp的D-環(huán)區(qū)。D-環(huán)區(qū)有mtDNA輕重鏈轉(zhuǎn)錄的啟動子和輕鏈復(fù)制的起始點。11線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體DNA二、線粒體DNA的遺傳學(xué)特征

1、線粒體DNA具有半自主性線粒體DNA能獨立地復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯。（第25號染色體，M染色體）核DNA編碼了大量維持線粒體結(jié)構(gòu)和功能的大分子復(fù)合物以及大多數(shù)氧化磷酸化酶的蛋白質(zhì)亞單位，所以線粒體DNA的功能又受核

DNA的影響。12線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體DNA

2、線粒體基因組所用的遺傳密碼和通用密碼不同1979年，Barrell

報道了人線粒體DNA所用的遺傳密碼。

密碼子線粒體DNA編碼核DNA編碼UGA色氨酸終止AUA蛋氨酸異亮氨酸AGG終止精氨酸通用遺傳密碼和線粒體遺傳密碼的差異13線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)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。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。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)中有4個終止密碼子（UAA，UAG，AGA，AGG）。線粒體DNA14線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體tRNA的簡并性（degeneracy）密碼子前兩位堿基一樣，最后一位（3‘位）的堿基無論是嘌呤（A,G）或嘧啶（C,T），都編碼同一種氨基酸?！猰ttRNA的反密碼子5’擺動位上的核苷酸為U，可以與上述密碼子3‘位的4種核苷酸配對，因而，一個tRNA可以識別4種密碼子。密碼子僅3‘位核苷酸不同，由嘌呤堿基組成的密碼子與由嘧啶堿基組成的密碼子編碼不同的氨基酸，——mttRNA反密碼子上5‘位的U經(jīng)過修飾，識別3'位由嘌呤堿基組成的密碼子，而不再識別3'位由嘧啶堿基組成的密碼子，這樣，便可以防止錯誤翻譯的發(fā)生。線粒體DNA編碼的tRNA簡并性較強，僅用22個tRNA來識別多達48個密碼子。線粒體DNA15線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體DNA

3、線粒體DNA為母系遺傳

人類受精卵中的線粒體絕大部分來自卵母細(xì)胞。母親把線粒體DNA傳遞給所有的子女，但是只有她的女兒們將其線粒體DNA傳給下一代。這種傳遞方式被稱為母系遺傳。16線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體DNA有性生殖中的受精方式：精卵結(jié)合時精子提供的只是核DNA，受精卵中的細(xì)胞質(zhì)全部來自卵子。原因17線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體DNA原因——精子、卵子中線粒體懸殊的數(shù)量對比(卵子：精子＝100，000：100)——精子線粒體被選擇性地破壞：在精子形成過程中精子線粒體普遍添加了標(biāo)記，帶有標(biāo)記的精子線粒體被新生的胚胎細(xì)胞核降解。在線粒體遺傳病中，致病性的線粒體DNA突變也是由母親遺傳給后代的。18線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體DNA4、線粒體DNA的突變率極高

線粒體DNA的突變率極高，約比核DNA高10-20倍。線粒體DNA缺少組蛋白的保護；線粒體中沒有DNA損傷的修復(fù)系統(tǒng)；細(xì)胞中的線粒體DNA拷貝數(shù)多，且每個線粒體基因組中的任何堿基都可能發(fā)生突變。19線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體DNA線粒體DNA的高突變率造成群體中個體之間的線粒體DNA序列極大不同。任何兩個人的線粒體DNA，平均每1000個堿基對中就有4個堿基不同。盡管線粒體DNA突變非常普遍，但線粒體遺傳病目前還不是想象中的那麼常見。20線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體DNA

5、線粒體DNA具有閾值效應(yīng)的特性純質(zhì)（homoplasmy）：在一個細(xì)胞或組織中，所有的線粒體都具有相同的基因組，或者全都是野生型序列，或者都是攜帶有同樣一個基因突變的序列。雜質(zhì)（heteroplasmy）：一個細(xì)胞或組織中同時具有突變型和野生型線粒體DNA，也稱為異質(zhì)。線粒體的異質(zhì)性是普遍存在的。突變型和野生型線粒體DNA的比例在不同個體、在個體的不同組織器官中是不同的。21線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體DNA線粒體病存在著表型表達的閾值:當(dāng)突變型線粒體DNA達到一定的比例時，才會導(dǎo)致異常性狀的出現(xiàn)。有體外實驗證實，細(xì)胞中最多可含有70－90％的突變型線粒體DNA仍不出現(xiàn)呼吸鏈功能的異常。閾值取決于不同細(xì)胞或組織對能量的依賴性。大量的臨床研究證實，當(dāng)突變型線粒體DNA超過閾值導(dǎo)致個體發(fā)病時，相應(yīng)組織中突變型線粒體DNA的比例越高，臨床癥狀就越嚴(yán)重。高需能又含有同質(zhì)性線粒體DNA突變的細(xì)胞將會遭受更為嚴(yán)重的損害。22線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體DNA6、線粒體DNA在有絲分裂和減數(shù)分裂期間都要經(jīng)過復(fù)制分離在卵母細(xì)胞經(jīng)過減數(shù)分裂而逐漸成熟時，絕大部分的線粒體會隨機喪失，線粒體數(shù)目急劇減少，只有有限的線粒體會保留下來。

23線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)——遺傳瓶頸（geneticbottleneck）：線粒體在卵母細(xì)胞成熟時數(shù)目銳減的現(xiàn)象?！ㄟ^遺傳瓶頸而保留下來的線粒體完全是隨機的，因此不同的卵母細(xì)胞含有不同比例的突變型線粒體DNA?！绻涯讣?xì)胞保留下來較高比例的突變型線粒體DNA，由這個卵母細(xì)胞受精發(fā)育而來的后代就更易出現(xiàn)線粒體疾病。相反，如果卵母細(xì)胞經(jīng)過減數(shù)分裂的復(fù)制分離后，卵母細(xì)胞不含有線粒體DNA突變，或含有較低比例線粒體DNA突變，那么這種卵母細(xì)胞受精發(fā)育而來的后代則可能不會發(fā)病，或癥狀較輕。線粒體DNA24線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體DNA在胚胎發(fā)生和組織形成的有絲分裂過程中，線粒體在復(fù)制后隨細(xì)胞分裂隨機地分離，進入子細(xì)胞。25線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)——線粒體在子細(xì)胞中的隨機重新分布，使得不同子細(xì)胞具有比例不同的突變型線粒體DNA?！恍└杉?xì)胞攜帶大量的具有突變基因的線粒體，隨后形成的組織細(xì)胞也就具有高比例的突變型線粒體DNA，造成組織中能量供應(yīng)水平降低，出現(xiàn)臨床癥狀，尤其是那些高需能的組織。而另一些干細(xì)胞則可能攜有較少的具有突變基因的線粒體，隨后形成的組織細(xì)胞含有的突變線粒體DNA較低，不會出現(xiàn)癥狀。線粒體DNA26線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體遺傳病線粒體DNA突變導(dǎo)致的線粒體遺傳病線粒體DNA的致病性突變可以導(dǎo)致各種各樣的線粒體疾病，這些線粒體疾病多表現(xiàn)為各種臨床綜合征。27線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體遺傳病發(fā)生在蛋白質(zhì)編碼基因的突變影響特定的呼吸鏈蛋白質(zhì)。發(fā)生在tRNA和rRNA編碼基因的突變，影響整個線粒體蛋白質(zhì)的合成。28線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體遺傳病線粒體疾病通常是多系統(tǒng)疾病。某些線粒體疾病也表現(xiàn)組織器官的特異性29線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)Leber遺傳性視神經(jīng)?。╨eberhereditaryopticneuropathy，LHON）（一）、臨床癥狀一種急性或亞急性發(fā)作的眼部疾?。阂曃锬：o痛性的失明（雙眼同時或先后受累）心臟的傳導(dǎo)阻滯肌張力的降低周圍神經(jīng)的退化一般成年期發(fā)病，平均發(fā)病年齡27歲，但最早可在6歲，最晚可在70多歲發(fā)病。存在性別差異，一般男性患者是女性患者的4－5倍。30線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)視網(wǎng)膜神經(jīng)元和視神經(jīng)的退化是它的主要病理特征。（二）、病理特征Leber遺傳性視神經(jīng)病31線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)

Leber遺傳性視神經(jīng)病是第一種被證實由線粒體DNA突變導(dǎo)致的母系遺傳疾病。

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了至少有18種錯義突變可直接或間接地導(dǎo)致這種疾病的出現(xiàn)。這些突變分別位于線粒體基因組編碼9種呼吸鏈蛋白質(zhì)的基因中,涉及呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ。（三）、遺傳學(xué)基礎(chǔ)Leber遺傳性視神經(jīng)病32線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)Leber遺傳性視神經(jīng)病可分為兩種類型：

第一種類型：單個線粒體DNA突變就足以導(dǎo)致出現(xiàn)臨床癥狀。在第一種類型的病例中，90％的患者存在有三種突變

MTND1*LHON3460AMTND4*LHON11778AMTND6*LHON14484C

第二種類型：需要二次突變或其他變異才能出現(xiàn)臨床癥狀。Leber遺傳性視神經(jīng)病33線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)MTND4*LHON11778A：Wallance突變

在具有上述三種突變的第一種類型的病例中，Wallance突變占了50－70％。該堿基替換使酶復(fù)合體ⅠND4亞單位中的第340位高度保守的精氨酸變成了組氨酸，從而影響了線粒體能量的產(chǎn)生。利用Wallance突變可以對大約50％的LHON家系用限制性酶切片段分析技術(shù)進行基因診斷。Leber遺傳性視神經(jīng)病34線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)11778GMTND4*LHON11778ASfaNⅠMaeⅢnormalabnormalnormalabnormalLeber遺傳性視神經(jīng)病原理：normalabnormalPCR，酶切SfaNⅠMaeⅢ35線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)Leber遺傳性視神經(jīng)病36線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)肌陣攣性癲癇和破碎紅纖維?。╩yoclonnusepilepsyandragged-redfibers,MERRF）（一）、臨床癥狀通常在兒童期發(fā)病，病程可持續(xù)很多年。腦和肌肉組織受累，常常出現(xiàn)多系統(tǒng)紊亂癥狀：肌陣攣性癲癇的短暫發(fā)作共濟失調(diào)癡呆感覺神經(jīng)性聽力喪失呼吸異常心肌病肌肉組織的組化檢查可觀察到特征性的破碎紅纖維。

37線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)肌陣攣性癲癇和破碎紅纖維?。ǘ?、遺傳學(xué)基礎(chǔ)絕大部分病例是一種tRNA基因發(fā)生點突變的結(jié)果：

MTTK*MERRF8344GMT表示線粒體基因突變，

T代表轉(zhuǎn)運RNA，

K表示賴氨酸，

8344G表示該基因8344堿基位置的鳥嘌呤變異39線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)肌陣攣性癲癇和破碎紅纖維病發(fā)生在轉(zhuǎn)運RNA基因的這種突變影響了整個線粒體蛋白的合成，除了復(fù)合體Ⅱ，所有氧化磷酸化成分的含量降低。MERRF綜合征家系中的線粒體DNA通常為異質(zhì)性，當(dāng)突變的線粒體DNA達到或超過90％時，個體將會出現(xiàn)典型的臨床癥狀40線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)慢性進行性外眼肌麻痹（Kearns-Sayresyndrome）（一）、臨床癥狀患者可表現(xiàn)一系列的癥狀：

眼肌麻痹，上瞼下垂，四肢肌病，視網(wǎng)膜色素變性，酸中毒，感覺神經(jīng)性聽力喪失，運動失調(diào)，心臟傳導(dǎo)功能障礙，癡呆。常在20歲以前發(fā)病，多數(shù)病人在確診后幾年內(nèi)死亡。41線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)慢性進行性外眼肌麻痹大片段的線粒體DNA缺失：常見DNA的復(fù)制：常見點突變：偶爾（二）、遺傳學(xué)基礎(chǔ)1、線粒體DNA的結(jié)構(gòu)改變42線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)慢性進行性外眼肌麻痹大片段的線粒體DNA缺失一般只有一處，但其大小和位置在個體間差異很大，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有一百多種缺失。這些缺失都在重鏈和輕鏈的復(fù)制起始區(qū)之間，且缺失區(qū)的側(cè)翼有重復(fù)序列。大約1/3的病人在8468堿基位置與13446堿基位置之間有大約4979bp的缺失，其斷裂點在

ATP8和ND5基因內(nèi)，缺失區(qū)兩端有13個堿基的重復(fù)序列（5’——ACCTCCCTCACCA），

常伴有轉(zhuǎn)運RNA基因的缺失。43線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)慢性進行性外眼肌麻痹DNA的復(fù)制：當(dāng)含有復(fù)制的線粒體基因組增加時，某些基因的過度表達將會導(dǎo)致氧化磷酸化亞基的失衡，從而影響呼吸鏈中蛋白復(fù)合物的組裝。點突變：偶爾也有點突變導(dǎo)致的眼肌病的病例，為賴氨酸轉(zhuǎn)運RNA基因8334堿基位置和亮氨酸轉(zhuǎn)運RNA基因3242堿基位置的突變。44線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)慢性進行性外眼肌麻痹2、多數(shù)KSS病例是散發(fā)的，不表現(xiàn)特定的母系或某種核基因遺傳方式，3、KSS綜合征的臨床癥狀與異質(zhì)性的程度和有缺失的線粒體基因組的組織分布有關(guān)。肌細(xì)胞：KSS造血干細(xì)胞：Pearson綜合征，這是一種早發(fā)且致命的疾病，主要特點是血細(xì)胞不能利用鐵來進行血紅蛋白的合成，從而造成患者出現(xiàn)缺鐵性貧血。45線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)線粒體遺傳病核基因DNA突變導(dǎo)致的線粒體遺傳病參與呼吸鏈的一些酶成份是受雙重遺傳控制的，即部份亞基為細(xì)胞核基因所編碼，另一些亞基則是mtDNA編碼的。核基因組編碼的大量蛋白質(zhì)參與構(gòu)建與維持線粒體正常的結(jié)構(gòu)和功能。這些由核基因組編碼的蛋白質(zhì)大約有850種，行使眾多的功能，包括在膜間隙和基質(zhì)間轉(zhuǎn)運分子、代謝底物、調(diào)節(jié)線粒體對鐵的攝入、維持線粒體DNA結(jié)構(gòu)的完整性、控制線粒體DNA的復(fù)制等等。46線粒體遺傳病專題知識培訓(xùn)核基因突變引起電子傳遞鏈缺陷引起電子傳遞鏈缺陷的核基因突變主要發(fā)生在復(fù)合體Ⅰ和復(fù)合體Ⅱ，通常引起兒童期嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。

如：NDUFS4基因突變導(dǎo)致酶復(fù)合體Ⅰ的活性缺陷，臨床上可出現(xiàn)嚴(yán)重嘔吐，肌張力減退，常死于心力衰竭和呼吸