第六章醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)線粒體遺傳病

第六章線粒體遺傳病

（diseaseofmitochondrialinheritance)南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)教研室

熊符副教授.phD本章重點(diǎn)1．掌握線粒體疾病、異質(zhì)性、閾值效應(yīng)、母系遺傳、遺傳瓶頸等概念。2．掌握線粒體DNA的結(jié)構(gòu)與遺傳特點(diǎn)。3．熟悉線粒體基因組與核基因組的關(guān)系。4．熟悉幾種常見的人類線粒體疾病。5.了解線粒體DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄特點(diǎn)。powerplant

1894年，德國Altmann首次發(fā)現(xiàn)線粒體，并命名為bioblast

1897年，Benda正式命名為mitochondrion(線粒體)1963年，Nass在雞胚中發(fā)現(xiàn)線粒體中存在DNA

Schatz分離到完整的線粒體DNA1981年，劍橋大學(xué)Anderson小組測定人mtDNA1987年，Wallace提出mtDNA突變可引起疾病的完整DNA序列，稱為“劍橋序列”。第一節(jié)線粒體DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與遺傳特征線粒體基因組線粒體是細(xì)胞質(zhì)中獨(dú)立的細(xì)胞器，也是動(dòng)物細(xì)胞核外唯一的含有DNA(mitochondrialDNA，mtDNA)的細(xì)胞器。25號(hào)染色體每個(gè)正常人的細(xì)胞內(nèi)約有幾百到幾千個(gè)線粒體每個(gè)線粒體內(nèi)約有2－10mtDNA拷貝人mtDNA是一個(gè)長為16,569bp的雙鏈閉合環(huán)狀分子，外環(huán)含G較多，稱重鏈(H鏈)，內(nèi)環(huán)含C較多，稱輕鏈(L鏈)。一、線粒體DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)mtDNA結(jié)構(gòu)緊湊，沒有內(nèi)含子，唯一的非編碼區(qū)是D環(huán)區(qū)，長1,122bp左右。D環(huán)區(qū)包括mtDNA重鏈復(fù)制起始點(diǎn)，重輕鏈轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)子。線粒體的H鏈?zhǔn)?2種多肽鏈、12SrRNA、16SrRNA和14種tRNA的轉(zhuǎn)錄模板，L鏈?zhǔn)?種多肽鏈和8種tRNA轉(zhuǎn)錄的模板。人類的mtDNA編碼13條多肽鏈、22種tRNA和2種rRNA。13種蛋白質(zhì)均是呼吸鏈酶復(fù)合物的亞單位。

mtDNA與nDNA不同

1.其分子上無核苷酸結(jié)合蛋白，缺少組蛋白的保護(hù);2.線粒體內(nèi)無DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)，mtDNA易發(fā)生突變并容易得到保存;3.每個(gè)線粒體內(nèi)含有2～10個(gè)拷貝的mtDNA分子;4.每個(gè)細(xì)胞可具有數(shù)千個(gè)mtDNA分子。D環(huán)復(fù)制（取代環(huán)復(fù)制）：不對(duì)稱復(fù)制。特點(diǎn)：兩條鏈的復(fù)制起點(diǎn)不在同一點(diǎn)上，一條鏈先復(fù)制，另一條鏈保持單鏈而被取代；當(dāng)一條鏈復(fù)制到一定程度時(shí)才暴露出另一條鏈的復(fù)制起點(diǎn)，另一條鏈才開始復(fù)制。線粒體DNA的復(fù)制復(fù)制方式為半保留復(fù)制，由線粒體的DNA聚合酶完成。H鏈復(fù)制起始點(diǎn)(OH)與L鏈復(fù)制起始點(diǎn)(OL)相隔2/3個(gè)mtDNA。線粒體基因的轉(zhuǎn)錄特點(diǎn)：1.兩條鏈均有編碼功能2.兩條鏈從D-環(huán)區(qū)的啟動(dòng)子處同時(shí)開始以相同的速率轉(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3.mtDNA的基因之間無終止子4.tRNA基因通常位于mRNA基因和rRNA基因之間5.mtDNA的遺傳密碼與nDNA不完全相同6.線粒體中的tRNA兼用性較強(qiáng)，1個(gè)tRNA可以識(shí)別幾個(gè)簡并密碼子

二、線粒體DNA的遺傳學(xué)特征mtDNA半自主性mtDNA遺傳密碼與通用密碼不完全相同mtDNA為母系遺傳mtDNA在有絲分裂和減數(shù)分裂期間都要經(jīng)過復(fù)制分離mtDNA具有閾值效應(yīng)的特征mtDNA的突變率很高（一）mtDNA具有半自主性

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。

?mtDNA編碼13種蛋白質(zhì)，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)。ComplexSubunitsNuclearmtDNAⅠ41347Ⅱ440Ⅲ11101Ⅳ13103二）線粒體基因組所用的遺傳密碼和通用密碼不完全等同UGA不是終止信號(hào)，而是色氨酸的密碼多肽內(nèi)部的甲硫氨酸由AUG和AUA兩個(gè)密碼子編碼，起始甲硫氨酸由AUG，AUA，AUU和AUC四個(gè)密碼子編碼AGA，AGG不是精氨酸的密碼子，而是終止密碼子，線粒體密碼系統(tǒng)中有4個(gè)終止密碼子（UAA，UAG，AGA，AGG）（三）mtDNA為母系遺傳

?母親將她的mtDNA傳遞給兒子和女兒，但只有女兒能將其mtDNA傳遞給下一代。mtDNA的母系遺傳

?人的細(xì)胞里通常有上千個(gè)mtDNA拷貝，在突變體和正常mtDNA共存的細(xì)胞中，mtDNA在細(xì)胞的復(fù)制和分離過程中發(fā)生遺傳漂變，可導(dǎo)致子細(xì)胞出現(xiàn)三種基因型：純合的突變體mtDNA、純合的正常mtDNA、突變體和正常的mtDNA的雜合體。（四）mtDNA在有絲分裂和減數(shù)分裂期間都要經(jīng)過復(fù)制分離

異質(zhì)性(heteroplasmy):由于mtDNA突變率極高，使得一個(gè)細(xì)胞內(nèi)同時(shí)存在突變型和野生型mtDNA，也叫雜質(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，也稱做純質(zhì)性。

?機(jī)制：雜質(zhì)性細(xì)胞經(jīng)過有絲分裂和減數(shù)分裂，隨機(jī)分離到兩個(gè)子細(xì)胞中的突變型和野生型mtDNA的比例發(fā)生改變，分別向純合突變型和純合野生型漂變，經(jīng)過無數(shù)次分裂后，細(xì)胞達(dá)到純合型。復(fù)制分離：隨機(jī)分配導(dǎo)致mtDNA異質(zhì)性變化的過程。遺傳瓶頸效應(yīng)：10萬→2～200?能引起特定組織器官功能障礙的突變mtDNA的最少數(shù)量稱閾值。?線粒體病發(fā)病有一閾值，只有當(dāng)異常mtDNA超過閾值時(shí)才發(fā)病。?不同的組織器官對(duì)能量的依賴程度不同，腦、骨骼肌、心臟、胰腺、腎臟、肝臟對(duì)能量的依賴性依次降低。?ATP產(chǎn)生越少，病癥涉及的器官越多，癥狀越嚴(yán)重。最先受損的是中樞神經(jīng)系統(tǒng)，其后為骨骼肌、心臟、胰腺、腎臟和肝臟。（五）mtDNA具有閾值效應(yīng)的特性（六）mtDNA的突變率極高原因：

?mtDNA中基因排列緊湊，任何突變都可能會(huì)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(duì)稱,缺乏有效的DNA損傷修復(fù)能力。第二節(jié)mtDNA突變與人類疾病1987年發(fā)現(xiàn)第一個(gè)mtDNA突變以來，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)100多個(gè)與疾病相關(guān)的點(diǎn)突變、200多種缺失和重排。mtDNA突變類型主要包括點(diǎn)突變、片段缺失插入和mtDNA拷貝數(shù)目減少。一、線粒體遺傳病的突變類型

1.堿基突變錯(cuò)義突變:

也稱氨基酸替換突變，主要與腦脊髓性及神經(jīng)性疾病有關(guān)，常見有Leber遺傳性視神經(jīng)病和神經(jīng)肌病。蛋白質(zhì)生物合成基因突變:

比錯(cuò)義突變的疾病表型更具有系統(tǒng)性特征，且所有生物合成基因突變都為tRNA突變，并與線粒體肌病相關(guān)。主要有MERRF綜合征。2.缺失、插入突變

mtDNA缺失突變引起絕大多數(shù)眼肌病，這種缺失導(dǎo)致的疾病一般無家族史。3.mtDNA拷貝數(shù)目突變

與核基因突變有關(guān)。線粒體?。╩itochondrialdisease,MD）:以線粒體結(jié)構(gòu)或功能異常為主要病因的一大類疾病。細(xì)胞病變或損傷最敏感的指標(biāo)之一，是分子細(xì)胞病理學(xué)檢查的重要依據(jù)。特點(diǎn)：

1.MD多數(shù)由于線粒體DNA改變而引起。

2.MD具有母系遺傳的特點(diǎn)。

3.MD多為神經(jīng)、肌肉系統(tǒng)疾病。二、人類線粒體遺傳病

細(xì)胞損傷中的液泡狀線粒體缺氧導(dǎo)致的腎小管上皮細(xì)胞損傷線粒體病涉及組織病因：mtDNA發(fā)生突變（片段缺失或點(diǎn)突變）

無法編碼M在氧化代謝過程中必須的酶/載體糖原/脂肪酸（底物）不能進(jìn)入M或不能被充分利用

ATP產(chǎn)生不足

細(xì)胞功能減退甚至壞死m(xù)tDNA突變引起的疾病中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌對(duì)能量的依賴性最強(qiáng)，故臨床癥狀以中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌病變?yōu)樘卣?線粒體腦病:病變以中樞神經(jīng)系統(tǒng)為主；線粒體肌病:病變以骨骼肌為主；線粒體腦肌病:病變同時(shí)侵犯中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌。（一）Leber遺傳性視神經(jīng)?。∣MIM#535000）Leber遺傳性視神經(jīng)病是以德國眼科醫(yī)生TheodorLeber的名字命名的，又稱Leber視神經(jīng)萎縮，為一種急性或亞急性發(fā)作的母系遺傳病，男女病人比例5:1，至今尚未發(fā)現(xiàn)一個(gè)男性患者將此病傳給后代。LeberT醫(yī)生視神經(jīng)與視網(wǎng)膜神經(jīng)元退化，發(fā)病較早，表現(xiàn)急性亞急性視力減退，中心視野喪失明顯，導(dǎo)致失明?；颊哒Ｕ?1778G→A導(dǎo)致編碼NADH脫氫酶亞單位4(ND4)中第340位的Arg精→His組，改變ND4空間構(gòu)型，NADH脫氫酶活性降低，線粒體產(chǎn)能效率下降，視神經(jīng)細(xì)胞提供能量不能長期維持視神經(jīng)完整結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞退行性變、死亡。Leber遺傳性視神經(jīng)病(LHON)11778G→A公認(rèn)的致病性最強(qiáng)的三種原發(fā)性突變11778G→A90.9%3460G→A1.8%

14484T→C7.3%其它致病基因位點(diǎn)突變Leber遺傳性視神經(jīng)病家系山東的趙氏家系26位母系親屬中有21人因LHON失明,其中3人自殺42以發(fā)育遲緩，近端肢體肌無力，癡呆，抽搐，視網(wǎng)膜色素變性和感覺功能減退為特點(diǎn)。（二）神經(jīng)病伴運(yùn)動(dòng)性共濟(jì)失調(diào)和視網(wǎng)膜色素變性（NARP）mtDNA結(jié)構(gòu)16569bpNARP8993T→G在線粒體ATPase6基因的第8993位點(diǎn)發(fā)生T至G的顛換，使ATPase第6亞單位的第156位上亮氨酸→精氨酸，從而影響ATP合酶的質(zhì)子通道。?如果8993位置突變的異質(zhì)性超過90%時(shí)，通常會(huì)發(fā)生一種致命的、發(fā)生在嬰兒期的疾病，稱Leigh綜合征（Leighsyndrome，LS，OMIM#256000）。主要病理學(xué)特征是基底神經(jīng)節(jié)和腦干部位神經(jīng)元細(xì)胞的退化。Leigh綜合征患者（三）癲癇伴碎紅纖維?。∕ERRF綜合征）多系統(tǒng)紊亂，肌陣攣性癲癇，共濟(jì)失調(diào)，輕度癡呆，耳聾，脊髓退化。大量團(tuán)塊狀線粒體聚集于肌細(xì)胞中（可被特異性染料染成紅色，—破碎紅纖維）。大腦卵圓核與齒狀核有神經(jīng)元的缺失。MERRF綜合征患者M(jìn)TTK*MERRF8344A→

GmtDNA結(jié)構(gòu)16569bp病因：（四）線粒體腦肌病伴乳酸血癥和卒中樣發(fā)作（MELAS綜合征）10～20歲發(fā)病，40歲以前開始出現(xiàn)的復(fù)發(fā)性休克、肌病、共濟(jì)失調(diào)、肌陣攣、癡呆和耳聾。少數(shù)患者出現(xiàn)反復(fù)嘔吐、周期性的偏頭痛、糖尿病。進(jìn)行性眼外肌無力或麻痹使眼的水平運(yùn)動(dòng)受限，眼外肌麻痹，眼瞼下垂。肌無力，身材矮小等。在MELAS患者中，異常的線粒體不能夠代謝丙酮酸，導(dǎo)致大量丙酮酸生成乳酸，而后者在血液和其他體液中累積。MELAS患者的特征性病理變化就是在腦和肌肉的小動(dòng)脈和毛細(xì)血管管壁中有大量的形態(tài)異常的聚集的線粒體。MELAS患者腦部病變mtDNA結(jié)構(gòu)16569bpMTTL1*MELAS3243G?超過80%的突變率發(fā)生在tRNAleu(UUR)基因上的A3243G突變鏈霉素、慶大霉素、妥布霉素、新霉素、巴龍霉素等氨基糖甙類藥物進(jìn)入耳蝸和前庭毛細(xì)胞的線粒體并蓄積，抑制線粒體蛋白質(zhì)的合成并抑制耳蝸和前庭細(xì)胞氧化磷酸化，造成線粒體和細(xì)胞受損，啟動(dòng)細(xì)胞調(diào)亡，最終造成患者聽力下降。

A1555G突變線粒體12SrRNA（五）鏈霉素耳毒性耳聾（OMIM#580000）

mtDNA結(jié)構(gòu)16569bpDEAF1555位點(diǎn)A→G

7445位點(diǎn)T→G氨基糖甙類抗生素耳神經(jīng)毒性（六）KSS綜合征（慢性進(jìn)行性外部眼肌麻痹，CPEO)

?常見臨床表現(xiàn)：是進(jìn)行性眼外肌麻痹（CPEO)和視網(wǎng)膜色素變性。還包括心肌電傳導(dǎo)異常，共濟(jì)失調(diào)，耳聾，癡呆和糖尿病。發(fā)病年齡一般低于20歲，大多數(shù)患者在確診后幾年內(nèi)死亡。

CPEO患者眼外肌慢性進(jìn)行性癱瘓

?病因：KSS患者的線粒體分析表明有mtDNA結(jié)構(gòu)的改變，包括大片段缺失(＞1000bp)和DNA復(fù)制。mtDNA結(jié)構(gòu)16569bp第8648位第13460位(七)帕金森病（Parkinsondisease，PD）又稱震顫麻痹，特征是震顫、強(qiáng)直、運(yùn)動(dòng)減少；是一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病。由于環(huán)境和/或遺傳所導(dǎo)致的線粒體功能受損及α-突觸核蛋白異常聚集所致。位于中腦部位黑質(zhì)的細(xì)胞發(fā)生退化，患者黑質(zhì)mtDNA中存在4977bp長的一段DNA缺失，導(dǎo)致多種組織細(xì)胞內(nèi)的線粒體復(fù)合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ存在功能缺陷，引起神經(jīng)元中能量代謝障礙。

巴金和陳景潤都是帕金森病患者帕金森病患者腦和脊髓發(fā)生神經(jīng)元退性變性,丟失。線粒體功能隨著年齡的增加而退化衰老過程中，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，導(dǎo)致線粒體損傷缺失累積多種器官組織，使OXPHOS組分缺損或數(shù)量減少，致使細(xì)胞死亡，引起衰老和多種老年退化性疾病(八)衰老腫瘤細(xì)胞mtDNA結(jié)構(gòu)的突變：包括堿基的易位、缺失和插入,但還未發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的重排腫瘤細(xì)胞mtDNA拷貝數(shù)的改變：D-loop區(qū)的突變影響復(fù)制速度腫瘤細(xì)胞mtDNA的核內(nèi)整合:胞質(zhì)核酸降解酶活性失調(diào)(九)腫瘤β細(xì)胞中mtDNA突變使β細(xì)胞不能感受血糖值，呼吸鏈復(fù)合體酶活性下降，ATP合成不足，胰島素分泌降低β細(xì)胞不穩(wěn)定性增高，誘發(fā)自身免疫介導(dǎo)的β細(xì)胞損壞增加糖原異生(十)糖尿病線粒體OXPHOS→大量的氧自由基→mtDNA損傷→線粒體呼吸鏈電子傳遞受阻→電子泄漏于線粒體基質(zhì)→超氧陰離子增多→線粒體內(nèi)氧應(yīng)激水平提高→mtDNA進(jìn)一步損傷→線粒體OXPHOS障礙加重。冠