醫(yī)學遺傳學：線粒體與多基因遺傳病

確定某單基因遺傳病是由某基因造成的對于臨床治療有重大意義，可以對癥下藥。那么怎樣在實驗室里準確的確定某單基因遺傳病是由某基因的突變造成的？ControlsDNAsequencingMicroarrayorRNAseqBioinformaticsSelectmodelorganismGeneratetransgenicanimals,mutant?RNAioroverexpress.PhenotypicandbiochemistryanalysisRescue第五大節(jié)1.線粒體遺傳病2.多基因遺傳病

線粒體遺傳病

（diseaseofmitochondrialinheritance）要點線粒體DNA結(jié)構(gòu)特點mtDNA與nDNA的不同mtDNA突變遺傳特征mt遺傳病與衰老和癌癥關(guān)系研究方法

1894年,Altmann發(fā)現(xiàn)動物細胞中線粒體。1963年，M.Nass和S.Nass首次在雞卵母細胞中發(fā)現(xiàn)線

粒體中存在有DNA。1987年,Wallace等通過對線粒體DNA突變和Leber病的

關(guān)系的研究后，明確地提出線粒體DNA突變可以引起人

類的疾病。

目前已發(fā)現(xiàn)人類100余種疾病與線粒體DNA突變有關(guān)。

發(fā)現(xiàn)歷史Cellstructureandmitochondrion

ComplexⅢComplexⅠComplexⅣATPase8/6mtDNA結(jié)構(gòu)16569bprRNAtRNA一、

線粒體DNA的結(jié)構(gòu)特點復合物I:NADH脫氫酶復合物,催化電子從NADH傳遞給輔酶Q.復合物II:琥珀酸脫氫酶復合物,催化電子從琥珀酸傳遞給輔酶Q.復合物Ⅲ:細胞色素c還原酶復合物,催化電子從輔酶Q向細胞色素c傳遞.復合物Ⅳ:細胞色素c氧化酶,將電子從細胞色素c傳遞給O2.

線粒體DNA特點

外環(huán)為重鏈（H）富含G

內(nèi)環(huán)為輕鏈（L）富含C12種多肽鏈12SrRNA16SrRNA14種tRNA1種多肽鏈8種tRNA

mtDNA:雙鏈環(huán)狀的DNA分子、裸露不與組蛋白結(jié)合,分散在線粒體基質(zhì)中，長約5um、含16569個堿基對。

線粒體DNA組成2種編碼rRNA(12S和16S）基因22種編碼tRNA基因13種編碼蛋白質(zhì)基因HumanmtDNA,acircularmoleculethathasbeenfirstcompletelysequenced,containing16,569basepairs.Howtoextractit?

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。②線粒體內(nèi)無DNA損傷修復系統(tǒng)，mtDNA易發(fā)生突變并容易得到保存。③每個線粒體內(nèi)含有2～10個拷貝的mtDNA分子。④每個細胞可具有數(shù)千個mtDNA分子

。

mtDNA的半保留復制:H鏈復制的起始點（OH）與L鏈復制起始點（OL）相隔2/3個mtDNA。復制起始于L鏈的轉(zhuǎn)錄啟動子，首先以L鏈為模板合成一段RNA作為H鏈復制的引物，在DNA聚合酶作用下，復制一條互補的H鏈，取代親代H鏈與L鏈互補。被置換的親代H鏈保持單鏈狀態(tài)，這段發(fā)生置換的區(qū)域稱為置換環(huán)或D環(huán)。

隨著新H鏈的合成，D環(huán)延伸，輕鏈復制起始點OL暴露，L鏈開始以被置換的親代H鏈為模板沿逆時針方向復制。兩條鏈的復制全部完成后，起始點的RNA引物被切除，缺口封閉，兩條子代DNA分子分離。40分鐘后，新合成的松弛型線粒體DNA成為超螺旋狀態(tài)。線粒體DNA復制

二、線粒體DNA的遺傳學特征1.mtDNA半自主性，受核蛋白調(diào)控

2.mtDNA遺傳密碼與通用密碼不完全相同

3.mtDNA為母系遺傳

4.mtDNA在有絲分裂和減數(shù)分裂期間都要經(jīng)過

復制分離,也有時不復制

5.mtDNA具有閾值效應(yīng)的特征

6.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僅編碼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，在細胞質(zhì)中合成后，經(jīng)特定轉(zhuǎn)運方式進入線粒體

。mtDNA基因的表達受nDNA的制約，線粒體氧化磷酸酶化系統(tǒng)的組裝和維護需要nDNA和mtDNA的協(xié)調(diào)，二者共同作用參與機體代謝調(diào)節(jié)。線粒體的半自主性Complex Subunits Nuclear mtDNAⅠ 41347Ⅱ 440Ⅲ11101Ⅳ

13 10 3ATPase1412 2

合計877013（二）線粒體基因組所用的遺傳密碼和通用密碼不完全等同

MetIleAUAMetMetAUGStopArgAGAStopArgAGGTrpStopUGATrpTrpUGGmtDNAUniversalcodeCodon（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。線粒體的母系遺傳，O：卵子;S:精子;A、B、C子細胞;Z:受精卵突變檢測與遺傳特點有些可通過southern檢測，常規(guī)檢測呢？母系遺傳（四）mtDNA在有絲分裂和減數(shù)分裂期間都要經(jīng)過復制分離

人的細胞里通常有上千個mtDNA拷貝，在突變體和正常mtDNA共存的細胞中，mtDNA在細胞的復制和分離過程中發(fā)生遺傳漂變，可導致子細胞出現(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。

（五）mtDNA具有閾值效應(yīng)的特性

線粒體病發(fā)病有一閾值，只有當異常的mtDNA超過閾值時才發(fā)病。女性攜帶者的細胞內(nèi)突變的mtDNA未達到閾值或在某種程度上受核影響而未發(fā)病，但仍可以通過mtDNA突變體向下代傳遞。

（六）mtDNA的突變率極高

mtDNA中基因排列緊湊，任何突變都可能會影響到其基因組內(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復制頻率較高，復制時不對稱,缺乏有效的DNA損傷修復能力。

第二節(jié)mtDNA突變與人類疾病

線粒體突變導致的疾病主要累及肌肉、中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)，與貧血和糖尿病等疾病也相關(guān)。一、線粒體遺傳病的突變類型

1.堿基突變蛋白質(zhì)錯義突變:

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)合成基因突變:

tRNA

突變，比錯義突變的疾病表型更具有系統(tǒng)性特征，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，這種缺失導致的疾病一般無家族史。3.mtDNA拷貝數(shù)目突變

此型較少，如嬰兒致死性呼吸障礙。二、人類線粒體遺傳病

目前發(fā)現(xiàn)的線粒體疾病集中在神經(jīng)和肌肉系統(tǒng)，內(nèi)分泌系統(tǒng)等疾病也與線粒體功能障礙有關(guān)。線粒體病的常見臨床表現(xiàn)

神經(jīng)系統(tǒng)表現(xiàn)

腦血管意外樣癥狀癲癇發(fā)作眼肌麻痹肌陣攣眼神經(jīng)病肌病抑制性精神病感覺性神經(jīng)耳聾共濟失調(diào)

健忘外周性神經(jīng)病

血管性頭痛

脊髓病

其他系統(tǒng)疾病表現(xiàn)

心臟傳導系統(tǒng)缺陷

范可尼近端神經(jīng)元機能障礙視網(wǎng)膜色素變性腎小球病，肝病小腸假性梗阻糖尿病

個體矮小

乳酸中毒

全血減少

心肌病

主要病變?yōu)橐暽窠?jīng)退行性變，發(fā)病較早，表現(xiàn)為急性亞急性視力減退，中心視野喪失最明顯。LeberT醫(yī)生（一）Leber遺傳性視神經(jīng)?。∣MIM#535000）

一般認為是由于mtDNA點突變導致其第11778位堿基突變，精氨酸→組氨酸,使編碼呼吸鏈NADH脫氫酶mtDNA第340位精氨酸被組氨酸取代，改變了mtDNA閥間構(gòu)型，導致NADH脫氫酶活性降低，線粒體產(chǎn)能下降，對需能量多的視神經(jīng)組織損害最大，久之導致視神經(jīng)細胞退行性變，直至萎縮。mtDNA結(jié)構(gòu)16569bp11778G→A

假如幾十個線粒體中有數(shù)個線粒體的堿基突變，如何鑒定？I12II123456III1234567Leber遺傳性視神經(jīng)病家系之一母系遺傳，女病人的后代都可患病，壽命短Leber遺傳性視神經(jīng)病家系之二女病人的后代不一定患病，正常女人（攜帶者）的后代也可能是患者Leber遺傳性視神經(jīng)病家系之三有的患病，有的正常Leber遺傳性視神經(jīng)病家系之四（二）神經(jīng)病伴運動性共濟失調(diào)和視網(wǎng)膜色素變性（Neuropathy,ataxia,andretinitispigmentosa）

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。

在線粒體ATPase6基因的第8993位點發(fā)生T至G的顛換，使ATPase第6亞單位的第156位上的亮氨酸改變?yōu)榫彼帷?/p>

如果8993位置突變的異質(zhì)性超過90%時，通常會發(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）。主要病理學特征是基底神經(jīng)節(jié)和腦干部位神經(jīng)元細胞的退化

。Leigh綜合征患者

NARP和Leigh綜合征主要與ATP復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→G或T→C，將Pase6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)子通道。

mtDNA結(jié)構(gòu)16569bpNARP8993T→G（三）MERRF綜合征

多系統(tǒng)紊亂，肌陣攣性癲癇，共濟失調(diào)，輕度癡呆，耳聾，脊髓退化。

大量團塊狀線粒體聚集于肌細胞中（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MTTK*MERRF8344GmtDNA結(jié)構(gòu)16569bp（四）MELAS綜合征

40歲以前開始出現(xiàn)的復發(fā)性休克、肌病、共濟失調(diào)、肌陣攣、癡呆和耳聾。少數(shù)患者出現(xiàn)反復嘔吐、周期性的偏頭痛、糖尿病。進行性眼外肌無力或麻痹使眼的水平運動受限，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脈和毛細血管管壁中有大量的形態(tài)異常的聚集的線粒體。

超過80%的突變率發(fā)生在tRNAleu(UUR)基因上的A3243G突變。（五）鏈霉素耳毒性耳聾

1993年，Prezant等通過3個母系遺傳的氨基糖甙類抗生素致聾（aminoglycosideantibioticsinduceddeafness,AAID）家系的研究，首次報道m(xù)tDNA編碼的12SrRNA基因1555位點A→G的突變。

另一個導致聽力喪失的純質(zhì)性突變是7445位點T→G的突變

。

mtDNA結(jié)構(gòu)16569bpDEAF1555位點A→G

7445位點T→G氨基糖甙類抗生素耳神經(jīng)毒性（六）KSS

常見臨床表現(xiàn)是進行性眼外肌麻痹（PEO)和視網(wǎng)膜色素變性。還包括心肌電傳導異常，共濟失調(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。

KSS并不表現(xiàn)出特定的母系或核基因遺傳方式。然而癥狀表明是一種線粒體病。

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復制。

mtDNA結(jié)構(gòu)16569bp第8648位

第13460位

(七)其他與線粒體有關(guān)的病變帕金森病(Parkinsondisease)腫瘤糖尿病冠心病衰老

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。一個母系遺傳的非綜合征耳聾家系衰

老

三、核DNA編碼的線粒體遺傳病

由核基因突變導致的線粒體功能損害比較少見，但是目前這種缺陷的發(fā)生率在逐漸增加。nDNA改變引起的遺傳疾病主要表現(xiàn)為線粒體功能障礙，呈孟德爾遺傳方式。（一）線粒體蛋白輸入缺陷（二）底物運輸缺陷（三）底物利用缺陷（四）鐵運輸缺陷（五）電子傳遞鏈缺陷第六章

多基因遺傳病(diseaseofpolygenicinheritance)多基因病的定義與特點遺傳率的計算Falconer公式

Holgiger公式發(fā)病風險的評估

要點第一節(jié)

多基因遺傳的定義和特點

一種遺傳性狀或遺傳病受兩對或兩對以上基因的控制，每對基因彼此間沒有顯性和隱性的關(guān)系，每對基因?qū)Ρ硇偷男?yīng)都很小，但是各對基因的作用有積累效應(yīng)，這種遺傳方式稱為多基因遺傳（poly-genicinheritance）。

質(zhì)量性狀(qualitativetrait)

單基因遺傳的性狀或疾病的變異在一個群體中的分布是不連續(xù)的，可以明顯地將變異個體分為2～3群，2～3群個體間差異顯著。120cm165cmaaAA或Aa垂體性侏儒和正常人的身高0~5%45~50%100%

aaAaAAPKU患者、攜帶者和正常人PAH的活性

數(shù)量性狀(quantitativetrait)

多基因遺傳的性狀或疾病的變異在一個群體中的分布是連續(xù)的，不同個體之間的差異只有數(shù)量上的差異，沒有質(zhì)的不同。130140150160170180190200身高(cm)8070605040302010變異數(shù)數(shù)

量

性

狀親代

極高個體

極矮個體

AABBCCA’A’B’B’C’C’子1代

中等身高

AA’BB’CC’子2代總計0’1’2’3’4’5’6’16152015611.兩個極端變異(純種)的個體雜交2.兩個中間類型的子1代個體之間雜交3.子一代隨機雜交后的群體20151566110’1’2’3’4’5’6’高矮第二節(jié)

多基因遺傳病一、易患性與閾值閾值(threshold)

低

高

易患性605040302010變異數(shù)平均值μ68.28%95.46%99.74%σ其估量的尺度以正態(tài)分布的標準差為單位，就是在正態(tài)分布中，以平均值為0，在±1個標準差（0）范圍內(nèi)的面積占曲線內(nèi)總面積的68%，以外的面積的占32%，兩邊各占16%。如此類推，在±2個標準差以內(nèi)面積占總面積的95.4%，標準差以外的面積占4.6%，兩邊各占2.3%；在±3個標準差時，標準差以內(nèi)面積占總面積的99.74%,以外面積占0.26%，兩邊各占0.13%。多基因病的易患性閾值與平均值距離越近，其群體易患性的平均值越高，閾值越低，則群體發(fā)病率也越高。反之，兩者距離越遠，其群體易患性平均值越低；閾值越高，則群體發(fā)病率越低。因此，可從群體發(fā)病率的高低計算出閾值與平均值之間的距離。下圖表示易患性閾值和平均值距離與發(fā)病率的關(guān)系。σμ均數(shù)標準差二、遺傳率(h2)

多基因病中，易患性的高低受遺傳基礎(chǔ)和環(huán)境因素的雙重影響，其中遺傳基礎(chǔ)所起作用的大小稱為遺傳率(heritability)。一般用百分率(%)來表示。

遺傳率高：表明遺傳基礎(chǔ)在決定易患性變異和發(fā)病上起重要作用，環(huán)境因素的作用較小.

遺傳率低：表明在決定易患性變異和發(fā)病上，環(huán)境因素起重要作用，遺傳基礎(chǔ)的作用較小.1.從一般群體G和患者親屬R易患性的對比計算遺傳率2.從患者和對照組的一級親屬易患性的對比計算遺傳率h2＝brb：患者親屬對患者的回歸系數(shù)r：親緣系數(shù)b＝Xg—Xragb＝Pc(Xc—Xr)acagXrTGR遺傳率(h2)——Falconer公式Xgar從一般群體和患者親屬易患性的對比計算遺傳率b＝Xg—Xragb＝3.090－1.8383.367＝0.372h2＝brh2＝0.3721/2＝0.744b＝0.996(2.652－1.960)2.962＝0.233h2＝brh2＝0.2331/2＝0.466b＝Pc(Xc—Xr)ac二、遺傳率(h2)——

Holgiger公式h2

＝CMZ—CDZ100—CDZ根據(jù)遺傳率越高的疾病，MZ的發(fā)病一致率與DZ的發(fā)病一致率相差越大。發(fā)病一致率(concordance)：指雙生子中一個患某種病，另一個也患同樣疾病的概念。三、多基因病的遺傳特點包括一些常見病和常見的畸形，發(fā)病率大多超過1/1000。發(fā)病有家族傾向。發(fā)病率有種族(或民族)差異近親婚配，子女發(fā)病風險增高，但不如AR顯著?；颊唠p親、同胞、子女親緣系數(shù)相同，發(fā)病風險相同。隨著親屬級別降低，發(fā)病風險迅速下降。1、發(fā)病風險與遺傳率和群體發(fā)病率的關(guān)系相當多的多基因病的群體發(fā)病率為0.1%～1%，遺傳率為70％～80％。這時可用Edward公式估計發(fā)病風險，即f＝

P，f為患者一級親屬發(fā)病率，P為群體發(fā)病率。四、多基因病發(fā)病風險的估計0.10.20.40.60.81246810一般群體發(fā)病率(%)402010864210.80.60.40.2患者一級親屬發(fā)病率(%)10090807060504030201003、發(fā)病風險與患病人數(shù)的關(guān)系雙親患病數(shù)012群

體遺傳率患病同胞數(shù)患病同胞數(shù)患病同胞數(shù)發(fā)病率(％)01201201210017141124346365671.0801614818284147525014849151521261000.1411516266263640.1800.131041423606162500.113139711152、多基因病有家族聚集傾向

閾值♀♂先天性幽門狹窄4、發(fā)病風險與病情嚴重程度的關(guān)系5、發(fā)病風險與發(fā)病率的性別差異

C