第六講線粒體遺傳病概論

第六講線粒體遺傳病概論第一頁，共41頁。mitochondrion(線粒體)是細(xì)胞物質(zhì)氧化的主要場所和能量供給中心。其存在自己的遺傳系統(tǒng)，是動(dòng)物細(xì)胞核外唯一含DNA的細(xì)胞器，被稱為“人類第25號染色體”。

第二頁，共41頁。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，測定人mtDNA的DNA序列1987年，Wallace提出mtDNA突變可引起疾病1988年，首次報(bào)道m(xù)tDNA突變第三頁，共41頁。一、線粒體基因組的結(jié)構(gòu)特征

第一節(jié)線粒體基因組

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)。第四頁，共41頁。一、線粒體基因組的結(jié)構(gòu)特征

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)，長約1,000bp左右。D環(huán)區(qū)包括mtDNA重鏈復(fù)制起始點(diǎn)，輕重鏈轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)子及4個(gè)高度保守序列和終止區(qū)。第五頁，共41頁。一、線粒體基因組的結(jié)構(gòu)特征

人類的mtDNA含37個(gè)基因，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。H鏈編碼12種多肽鏈和14種tRNA和12srRNA和16srRNA；L鏈僅編碼1種多肽鏈和8種tRNA

。第六頁，共41頁。與核基因組相比，線粒體基因組具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1、半自主性

一、線粒體基因組的結(jié)構(gòu)特征

具有：mtDNA，DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯的全套裝備。但在線粒體所具有的1000多種蛋白質(zhì)中，自身合成的僅十余種。

維持線粒體結(jié)構(gòu)和功能的主要大分子復(fù)合物和大多數(shù)氧化磷酸化酶蛋白亞單位是由核DNA編碼，在細(xì)胞質(zhì)合成后，定向轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體，故其功能又受核基因的影響。

第七頁，共41頁。ComplexSubunitsNuclearmtDNAⅠ41347Ⅱ440Ⅲ11101Ⅳ13103八頁，共41頁。與核基因組相比，線粒體基因組具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1、半自主性2、基因排列緊密

mtDNA沒有內(nèi)含子，排列緊密；mtDNA上基因缺少非翻譯區(qū)，很多基因沒有完整的終止密碼，僅以T或TA結(jié)尾；兩條鏈都有編碼功能；具有基因重疊現(xiàn)象。

一、線粒體基因組的結(jié)構(gòu)特征

第九頁，共41頁。與核基因組相比，線粒體基因組具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1、半自主性2、基因排列緊密3、遺傳密碼和通用密碼不完全相同

一、線粒體基因組的結(jié)構(gòu)特征

第十頁，共41頁。遺傳密碼和通用密碼不完全相同mtDNA的遺傳密碼有4種與核基因的“通用”密碼不同：①UGA不是終止信號，而是色氨酸的密碼；②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；③AGA，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，即UAA，UAG，AGA，AGG。tRNA兼用性也較強(qiáng)，僅用22個(gè)tRNA來識(shí)別多達(dá)48個(gè)密碼子。

第十一頁，共41頁。人類“通用”密碼子和線粒體密碼子之間的一些區(qū)別密碼子“通用”密碼線粒體密碼UGA終止密碼色氨酸AUA異亮氨酸甲硫氨酸AGA精氨酸終止密碼AGG精氨酸終止密碼第十二頁，共41頁。1、母系遺傳（maternalinheritance）母親將她的mtDNA傳給她的所有子女，她的女兒又將其mtDNA傳給下一代。

二、線粒體基因組的遺傳特征第十三頁，共41頁。1、母系遺傳（maternalinheritance）2、同質(zhì)性與異質(zhì)性

同質(zhì)性（homoplasmy）：同一細(xì)胞或同一組織中所有的mtDNA分子都是一致的。

異質(zhì)性（heteroplasmy）：同一細(xì)胞或同一組織中有兩種或兩種以上mtDNA共存，一種為野生型，另一種為突變型。二、線粒體基因組的遺傳特征第十四頁，共41頁。1、母系遺傳2、同質(zhì)性與異質(zhì)性

3、閾值效應(yīng)

突變的mtDNA數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)，才引起某種組織或器官的功能異常，這稱為閾值效應(yīng)。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。二、線粒體基因組的遺傳特征第十五頁，共41頁。閾值效應(yīng)①同突變型的數(shù)量有關(guān)

在異質(zhì)性的細(xì)胞中，突變型和野生型的比例決定了細(xì)胞是否能量短缺。

②特定細(xì)胞或組織對能量的依賴程度

腦＞骨骼?。拘模灸I＞肝第十六頁，共41頁。1、母系遺傳2、同質(zhì)性與異質(zhì)性

3、閾值效應(yīng)

4、突變率高二、線粒體基因組的遺傳特征第十七頁，共41頁。突變率高mtDNA的突變率比核DNA高10-20倍。原因：①mtDNA的特殊結(jié)構(gòu)：

缺乏組蛋白和其他DNA結(jié)合蛋白的保護(hù)；無損傷修復(fù)系統(tǒng)；沒有內(nèi)含子，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。②獨(dú)特的復(fù)制方式：“D-環(huán)”復(fù)制。③處于高度氧化性的環(huán)境：

mtDNA與線粒體內(nèi)膜相連，呼吸鏈不斷產(chǎn)生反應(yīng)性活性氧（ROS）和自由基。第十八頁，共41頁。1、母系遺傳2、同質(zhì)性與異質(zhì)性

3、閾值效應(yīng)

4、突變率高5、mtDNA可以穩(wěn)定地整合到核基因組中在特定的條件下，核DNA序列和mtDNA序列可以在細(xì)胞內(nèi)游走，從而造成mtDNA對核基因組的插入。

二、線粒體基因組的遺傳特征第十九頁，共41頁。1、母系遺傳2、同質(zhì)性與異質(zhì)性

3、閾值效應(yīng)

4、突變率高5、mtDNA可以穩(wěn)定地整合到核基因組中6、mtDNA在有絲分裂和減數(shù)分裂期間復(fù)制分離的瓶頸現(xiàn)象

線粒體數(shù)目從100000個(gè)銳減到少于100個(gè)的過程稱為遺傳瓶頸。二、線粒體基因組的遺傳特征第二十頁，共41頁。（廣義）線粒體遺傳?。褐敢跃€粒體功能異常為病因?qū)W核心的一大類疾病，包括線粒體基因組、核基因組的遺傳缺陷以及二者之間的通訊缺陷。（狹義）線粒體遺傳?。褐竚tDNA突變（自發(fā)或遺傳）所致的線粒體功能異常。通常所指的線粒體遺傳病為狹義的線粒體遺傳病。

根據(jù)線粒體所處的細(xì)胞不同可將mtDNA突變分為體細(xì)胞突變和生殖細(xì)胞突變。

第二節(jié)線粒體基因組突變與疾病第二十一頁，共41頁。①mtDNA編碼基因的點(diǎn)突變；通常為母系遺傳②mtDNA的大片段缺失和重復(fù)；③mtDNA數(shù)量的減少。第二節(jié)線粒體基因組突變與疾病一、線粒體基因組突變類型第二十二頁，共41頁。（一）Leber遺傳性視神經(jīng)病

Leber遺傳性視神經(jīng)病（LHON）是以德國眼科醫(yī)師TheodorLeber的名字命名的。該病是人類發(fā)現(xiàn)的第一種母系遺傳的疾病，迄今尚未發(fā)現(xiàn)有一個(gè)男性患者將此病傳給后代的例子。

男女發(fā)病比例為4:1。

第二節(jié)線粒體基因組突變與疾病二、常見線粒體遺傳病第二十三頁，共41頁。第二十四頁，共41頁。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。大約50%的LHON病例由該位點(diǎn)突變引起。11778G→ALeber遺傳性視神經(jīng)病(LHON)第二十五頁，共41頁。（一）Leber遺傳性視神經(jīng)?。ǘ﹎tDNA突變與氨基糖甙類抗生素致聾

mtDNA12SrRNA基因1555位點(diǎn)A→G的突變與這類耳聾有關(guān)，隨后國內(nèi)外的一些研究證實(shí)該突變導(dǎo)致機(jī)體對氨基糖甙類抗生素易感性升高。AAID的發(fā)生是遺傳因素和環(huán)境因素共同作用的結(jié)果。耳聾基因攜帶者僅在接觸氨基甙類抗生素后才出現(xiàn)聽力下降。

二、常見線粒體遺傳病第二十六頁，共41頁。（一）Leber遺傳性視神經(jīng)?。ǘ﹎tDNA突變與氨基糖甙類抗生素致聾（三）MELAS綜合征MELAS綜合征又稱為線粒體肌病腦病伴乳酸中毒及中風(fēng)樣發(fā)作綜合征。

本病系母系遺傳，但散發(fā)患者多見。特征性病理變化：在腦和肌肉的小動(dòng)脈和毛細(xì)血管管壁中有大量形態(tài)異常的線粒體集聚。

二、常見線粒體遺傳病第二十七頁，共41頁。

80%MELAS病例mtDNA編碼的tRNA基因3243位點(diǎn)有A→G。

一些少見的突變還可能出現(xiàn)在該基因的3291、3271、3256和3252等位點(diǎn)。這些突變改變了tRNAleu基因的結(jié)構(gòu)，并使該tRNA基因和rRNA基因下游緊密結(jié)合的轉(zhuǎn)錄終止子失活，因此MELAS突變可能降低轉(zhuǎn)錄活性并改變線粒體rRNA和mRNA轉(zhuǎn)錄的比例。第二十八頁，共41頁。（一）Leber遺傳性視神經(jīng)?。ǘ﹎tDNA突變與氨基糖甙類抗生素致聾（三）MELAS綜合征（四）MERRF綜合征MERRF綜合征又稱為肌陣攣性癲癇伴碎紅纖維病。是一種罕見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)及骨骼肌疾病。

有明顯的母系遺傳特點(diǎn)

。

二、常見線粒體遺傳病第二十九頁，共41頁。80%～90%的MERRF綜合征患者的mtDNA的tRNALys基因8344bpA→G突變；小部分病人是該基因的8356位存在T→C突變。這些突變使tRNA結(jié)構(gòu)改變，線粒體蛋白質(zhì)合成受阻，產(chǎn)生了一系列MERRF特定的翻譯產(chǎn)物，除電子傳導(dǎo)鏈中酶復(fù)合物II外，所有氧化磷酸化成分含量都減少。8344bp第三十頁，共41頁。MERRF綜合征家族成員mtDNA通常為雜質(zhì)性。氧化磷酸化酶水平會(huì)隨年齡的增大而迅速降低。一般而言，20歲以下的個(gè)體，其mtDNA突變達(dá)95%時(shí)才會(huì)出現(xiàn)MERRF癥狀，突變85%時(shí)表型仍正常；六、七十歲的人mtDNA突變在63%時(shí)就表現(xiàn)中度異常，突變?yōu)?5%時(shí)則表現(xiàn)嚴(yán)重癥狀。第三十一頁，共41頁。（一）Leber遺傳性視神經(jīng)?。ǘ﹎tDNA突變與氨基糖甙類抗生素致聾（三）MELAS綜合征（四）MERRF綜合征（五）Kearns-Sayre綜合征

Kearns-Sayre綜合征（KSS）又稱為慢性進(jìn)行性眼外肌麻痹。二、常見線粒體遺傳病第三十二頁，共41頁。本病于1958年由Kearns和Sayre首次報(bào)道。本病恒定的臨床三聯(lián)癥為：兒童期發(fā)病、進(jìn)行性眼肌麻痹和色素性視網(wǎng)膜炎。男性略多，男女之比為1.5：1，好發(fā)于幼兒、青少年，75%患者發(fā)病在20歲之前。50%有家族史，其余50%為散發(fā)病例。并不表現(xiàn)出特定的母系遺傳方式，可能與某些突變的線粒體基因組不能通過遺傳瓶頸有關(guān)。Kearns-Sayre綜合征（KSS）第三十三頁，共41頁。Kearns-Sayre綜合征mtDNA的結(jié)構(gòu)改變主要是大片段的缺失。缺失大多發(fā)生在重鏈與輕鏈的兩個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)之間。由于缺失丟掉了許多基因，尤其是tRNA基因，因此患者都有不同程度的mtDNA蛋白合成缺陷。另外，有約30%～50%的KSS患者缺失發(fā)生在4977bp區(qū)域，該缺失在ATP酶亞單位8和ND5基因存在斷裂點(diǎn)。第三十四頁，共41頁。（一）Leber遺傳性視神經(jīng)?。ǘ﹎tDNA突變與氨基糖甙類抗生素致聾（三）MELAS綜合征（四）MERRF綜合征（五）Kearns-Sayre綜合征

（六）非胰島素依賴性糖尿?。∟IDDM）

二、常見線粒體遺傳病第三十五頁，共41頁。已發(fā)現(xiàn)與糖尿病相關(guān)的20余種線粒體基因突變

常見的突變方式為線粒體tRNA的點(diǎn)突變最常見的突變位點(diǎn)為mtDNA中tRNA基因3243bpA→G的突變。伴3243bpA→G突變的糖尿病患者呈不同程度的雜質(zhì)性，突變的mtDNA在32%~63%不等。在糖尿病人群中，有2~4%帶有ND1基因中3316bpG→C的點(diǎn)突變。非胰島素依賴性糖尿?。∟IDDM）第三十六頁，共41頁。線粒體產(chǎn)生自由基對線粒體的損傷，在衰老的發(fā)展過程中起促進(jìn)作用。

與年齡相關(guān)的線粒體4977bp缺失在腦和肌肉呈高水平聚集，多種導(dǎo)致線粒體病的堿基置換也隨年齡增加而出現(xiàn)聚集，這種突變線粒體的聚集將導(dǎo)致與年齡相關(guān)的氧化磷酸化能力降低。此外，呼吸鏈能力下降隨著年齡增長而增加。mtDNA突變與細(xì)胞死亡進(jìn)程的調(diào)控及衰老的進(jìn)程有密切關(guān)系。三、線粒體基因突變與衰老第三十七頁，共41頁。1、mtDNA和核