線粒體遺傳病教材

第六章

線粒體遺傳病

（diseaseofmitochondrialinheritance）

1894年,Altmann發(fā)現(xiàn)動(dòng)物細(xì)胞中線粒體。

1963年，M.Nass和S.Nass首次在雞卵母細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)線粒體中存在有DNA。

1987年,Wallace等通過(guò)對(duì)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)。

除成熟紅細(xì)胞外，幾乎每個(gè)人體細(xì)胞中都含有線粒體。它是一個(gè)敏感而多變的細(xì)胞器，是細(xì)胞物質(zhì)氧化的主要場(chǎng)所和能量供應(yīng)中心。線粒體是細(xì)胞核外唯一含有DNA分子的細(xì)胞器，人類線粒體DNA（mtDNA）被稱為人類第25號(hào)染色體。一個(gè)細(xì)胞內(nèi)通常有數(shù)百個(gè)線粒體，因此每個(gè)細(xì)胞有數(shù)千個(gè)mtDNA。1981年Anderson等人完成了人類線粒體DNA的全部核苷酸序列（劍橋序列）的測(cè)定。第一節(jié)線粒體DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與遺傳特征

ComplexⅢComplexⅠComplexⅣmtDNA結(jié)構(gòu)16569bpATPase8/6rRNAtRNA一、線粒體DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

mtDNA分子量小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，進(jìn)化速度快，無(wú)組織特異性，具有特殊的結(jié)構(gòu)特征、遺傳特征和重要功能，而且細(xì)胞中含量豐富（幾乎每個(gè)人體細(xì)胞中都含有數(shù)以百計(jì)的線粒體，一個(gè)線粒體內(nèi)有2~10個(gè)拷貝的DNA），易于純化，是研究基因結(jié)構(gòu)和表達(dá)、調(diào)控的良好模型，在人類學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、分子生物學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、法醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域受到廣泛的重視，并取得令人矚目的成就。

外環(huán)為重鏈（H）富含G

內(nèi)環(huán)為輕鏈（L）富含C

12種多肽鏈12SrRNA16SrRNA14種tRNA

1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(zhǎng)約5μm、含16569個(gè)堿基對(duì)。

mtDNA共有37個(gè)基因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

mtDNA與nDNA不同:

(1)其分子上無(wú)核苷酸結(jié)合蛋白，缺少組蛋白的保護(hù)。

(2)線粒體內(nèi)無(wú)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。

二、線粒體DNA的遺傳學(xué)特征1.mtDNA半自主性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(guò)復(fù)制分離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(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。

線粒體DNA能夠編碼自己的mRNA、rRNA和tRNA，合成一部分自身所需的蛋白質(zhì)，線粒體的這一功能稱為線粒體的半自主性。線粒體中的大多數(shù)蛋白質(zhì)是核基因編碼的，在細(xì)胞質(zhì)中合成。因此，線粒體的生長(zhǎng)繁殖是核-質(zhì)兩套遺傳系統(tǒng)共同控制的結(jié)果

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(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)。線粒體的半自主性Complex Subunits Nuclear mtDNAⅠ 41347Ⅱ 440Ⅲ11101Ⅳ 13 10 3ATPase1412 2

合計(jì)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甲硫氨酸異亮氨酸AUA甲硫氨酸甲硫氨酸AUG終止密碼精氨酸AGA終止密碼精氨酸AGG終止密碼終止密碼UGA終止密碼精氨酸UGGmtDNAnDNACodon（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(xì)胞;Z:受精卵（四）mtDNA在有絲分裂和減數(shù)分裂期間都要經(jīng)過(guò)復(fù)制分離

一個(gè)人的卵母中大約含有105個(gè)線粒體，但當(dāng)卵母細(xì)胞成熟時(shí)，絕大多數(shù)線粒體數(shù)目可能會(huì)少于10個(gè)，最多不會(huì)超過(guò)100個(gè)。線粒體數(shù)目從105個(gè)銳減至少于100個(gè)的過(guò)程稱為遺傳瓶頸。如果通過(guò)瓶頸存活下來(lái)的一個(gè)線粒體恰巧攜帶一種突變基因，那么這個(gè)基因組就能夠確保該線粒體類型在發(fā)育完成之后的個(gè)體中的數(shù)量。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(guò)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。

（五）mtDNA具有閾值效應(yīng)的特性同質(zhì)性是指同一組織或細(xì)胞中具有相同mtDNA的現(xiàn)象，異質(zhì)性是指同一細(xì)胞或同一組織中具有不同mtDNA的現(xiàn)象。線粒體病發(fā)病有一閾值，只有當(dāng)異常的mtDNA超過(guò)閾值時(shí)才發(fā)病。女性攜帶者的細(xì)胞內(nèi)突變的mtDNA未達(dá)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(guò)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(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

線粒體突變導(dǎo)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(jiàn)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:

mtDNA生物合成中的基因發(fā)生突變，到目前為止所了解的幾乎所有突變都發(fā)生在編碼tRNA的基因上。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。在這類突變中，當(dāng)突變的mtDNA不超過(guò)85%時(shí)，不發(fā)病，一旦超過(guò)這一水平，就會(huì)表現(xiàn)出嚴(yán)重的臨床癥狀。同時(shí)隨年齡增長(zhǎng)從不表現(xiàn)癥狀，逐漸加重，直至完全表現(xiàn)，比錯(cuò)義突變的疾病表現(xiàn)出更具系統(tǒng)性特征。許多神經(jīng)肌肉性疾病及心臟、腎臟等病變與此類突變相關(guān)，典型疾病包括有線粒體腦肌病、線粒體肌病、肌陣攣性癲癇伴破損性紅肌纖維病、感覺(jué)神經(jīng)性耳聾等。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(wú)家族史。3.mtDNA拷貝數(shù)目突變

表現(xiàn)為mtDNA拷貝數(shù)大大低于正常，較少見(jiàn)，僅見(jiàn)于一些致死性嬰兒呼吸障礙，乳酸酸中毒或肌肉、肝、腎衰竭的病例。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(jiàn)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(jué)性神經(jīng)耳聾共濟(jì)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(dǎo)系統(tǒng)缺陷范可尼近端神經(jīng)元機(jī)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(gè)體矮小乳酸中毒全血減少心肌病

LeberT醫(yī)生（一）Leber遺傳性視神經(jīng)病（OMIM#535000）

Leber遺傳性視神經(jīng)病(LHON)是由德國(guó)眼科醫(yī)生TheodorLeber在1871年首次報(bào)道的。本病為母系遺傳，存在性別差異，男女比例約為4∶1。發(fā)病年齡通常在20～30歲，平均27歲，有的病例最早在6歲發(fā)病，最遲在70多歲。主要癥狀為急性或亞急性的雙眼視力減退視物模糊，多為雙眼同時(shí)發(fā)病，有些病例雙眼先后相差1～6個(gè)月發(fā)病。由于視神經(jīng)的壞死，使得雙眼的中央視力迅速喪失，但周圍視力仍存在?；颊呖赡苓€有周圍神經(jīng)退化、震顫、心臟傳導(dǎo)阻滯和行動(dòng)異常等表現(xiàn)。一般認(rèn)為是由于mtDNA點(diǎn)突變導(dǎo)致其第11778位精氨酸→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(dǎo)致NADH脫氫酶活性降低，線粒體產(chǎn)能下降，對(duì)需能量多的視神經(jīng)組織損害最大，久之導(dǎo)致視神經(jīng)細(xì)胞退行性變，直至萎縮。I12II123456III1234567Leber遺傳性視神經(jīng)病家系之一Leber遺傳性視神經(jīng)病家系之二Leber遺傳性視神經(jīng)病家系之三Leber遺傳性視神經(jīng)病家系之四（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（OMIM#551500）

以發(fā)育遲緩，近端肢體肌無(wú)力，癡呆，抽搐，視網(wǎng)膜色素變性和感覺(jué)功能減退為特點(diǎn)。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位上的亮氨酸改變?yōu)榫彼?。如?993位置突變的異質(zhì)性超過(guò)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

NARP和Leigh綜合征主要與ATP復(fù)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(diǎn)（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（OMIM#545000）

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*MERRF8344GmtDNA結(jié)構(gòu)16569bp（四）MELAS綜合征（OMIM#540000）

40歲以前開(kāi)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(wú)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(wú)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。

超過(guò)80%的突變率發(fā)生在tRNAleu(UUR)基因上的A3243G突變。MELAS患者腦部病變mtDNA結(jié)構(gòu)16569bpMTTL1*MELAS3243G

（五）鏈霉素耳毒性耳聾（OMIM#580000）

1993年，Prezant等通過(guò)3個(gè)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(bào)道m(xù)tDNA編碼的12SrRNA基因1555位點(diǎn)A→G的突變。另一個(gè)導(dǎo)致聽(tīng)力喪失的純質(zhì)性突變是7445位點(diǎn)T→G的突變。

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（OMIM#530000）(CPEO)常見(jiàn)臨床表現(xiàn)是進(jìn)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(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。

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(fù)制。

CPEO患者眼外肌慢性進(jìn)行性癱瘓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帕金森?。≒arkinsondisease，PD）又稱震顫性麻痹，多在60歲以后發(fā)病。有震顫，動(dòng)作遲緩、運(yùn)動(dòng)失調(diào)、言語(yǔ)不清等癥狀，少數(shù)患者還表現(xiàn)為癡呆?；颊吣X組織，特別是黑質(zhì)中存在一段4977bp長(zhǎng)的mtDNA缺失。本段缺失涉及多個(gè)編碼線粒體蛋白質(zhì)的基因，導(dǎo)致線粒體復(fù)合體Ⅰ中的4個(gè)亞單位功能失常，從而使神經(jīng)元能量代謝障礙，引起腦黒質(zhì)中多巴胺能神經(jīng)元細(xì)胞的退行性病變。此類突變?yōu)楫愘|(zhì)性，正常人細(xì)胞中突變mtDNA只占0.3%，而帕金森病患者可達(dá)5%。表明mtDNA突變與帕金森病有關(guān)。