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1、第二章 线粒体遗传病(genetic mitochondrial disease),1894年，Altmann发现动物细胞线粒。1963年，M.Nass和S.Nass首次在鸡卵母细胞中发现线粒体中存在有DNA。1987年，Wallace等通过对线粒体DNA突变和Leber病的关系的研究后，明确地提出线粒体DNA突变可引起人类的疾病。,人类每个细胞的线粒体内含有多拷贝小环状双链DNA，称为线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）。是独立于细胞核基因组外的又一个基因组。线粒体DNA称为第25号染色体或染色体M。M。,到目前为止，已经发现100多种mtDNA重排和50多种mtD
2、NA点突变与人类疾病相关。,线粒体遗传病：遗传物质DNA异常导致线粒体功能异常而引起的疾病。包括mtDNA、核DNA(nDNA)异常以及mtDNA异常和nDNA异常共同作用导致的疾病。,第一节人类线粒体基因组（mtgenome）,一、线粒体基因组的结构特征,线粒体基因组是人类基因组的重要组成部分，它主要编码与线粒体功能相关的tRNA，rRNA及蛋白质。,1981年，剑桥大学的Anderson小组测定了人mtDNA的完整DNA序列，称为“剑桥序列”。,总长度仅16569个碱基对双链环状的DNA分子:外环为重链（H）内环为轻链（L）H链富含G，L链多含C。重链和轻链上的编码物各不相同。,2个rRN
3、A基因，共编码2个rRNA分子，用于构成线粒体的核糖体；22个tRNA基因，编码22种tRNA分子，用于线粒体mRNA的翻译；13个蛋白质基因，编码13种蛋白质,都是呼吸链酶复合体的亚单位。,线粒体DNA含有37个基因,线粒体基因排列非常紧凑,不含内含子。唯一的非编码区是D环,约1000bp。该区包括mtDNA重链复制的起始点和轻重链转录的启动子以及四个高度保守的序列。因此，mtDNA的任何突变都会累及到基因组中的一个重要功能区域。,与核基因不同，mtDNA分子缺少组蛋白的保护，并且无DNA修复系统。这是mtDNA易于突变，而且突变难以修复并遗传到子代细胞的分子基础。,二、线粒体基因组的遗传学
4、特征（一）线粒体基因组具半自主性,线粒体是一种半自主细胞器，受线粒体基因组和核基因组两套遗传系统共同控制。,mtDNA仅编码13种蛋白质，绝大部分蛋白质亚基和其他维持线粒体结构和功能的蛋白质都依赖于nDNA编码，在细胞质合成后，经特定转运方式进入线粒体。mtDNA基因的表达受nDNA的制约，线粒体氧化磷酸酶化系统的组装和维护需要nDNA和mtDNA的协调，二则共同作用参与机体代谢调节。,线粒体DNA突变所产生的表型极为多态。在一个家系中，患病个体的表现可以完全不同；有的以血管病变为主，如中风、冠心病等；有的表现为不同程度的肌无力；有的以精神症状为主；有的以眼科疾病为突出表现。发病的年龄差异也很
5、大。,（二）表型的高度多态（polymorphism）,（三）纯质性与杂质性 纯质性（homoplasmy）：在一个细胞或组织中，所有的线粒体都具有相同的基因组，或者全都是野生型序列，或者都是携带有同样一个基因突变的序列 杂质性（heteroplasmy）：一个细胞或组织中同时具有突变型和野生型线粒体DNA，也称为异质。,异质性一般表现为：同一个体不同组织、同一组织不同细胞、同一细胞甚至同一线粒体内有不同的线粒体DNA拷贝；同一个体在不同的发育时期产生不同的线粒体DNA分子。,人类受精卵中的线粒体绝大部分来自卵母细胞。母亲把线粒体DNA传递给所有的子女，但是只有她的女儿们将其线粒体DNA传给下
6、一代。这种传递方式被称为母系遗传。,（四）线粒体DNA为母系遗传,精子、卵子中线粒体悬殊的数量对比(卵子：精子100，000：100)有性生殖中的受精方式：精卵结合时精子提供的只是核DNA，受精卵中的细胞质全部来自卵子。,线粒体基因组的遗传表现出典型的母系遗传的特点：只有女性患者可将致病基因传递给后代，而后代无论男女均可发病。精子的线粒体外膜上存在有泛素，当精子进入卵子后，受精卵以一种主动的方式降解了来自精子的线粒体及其中的DNA。,案例患者，英国桑德兰人，女，45岁。其从母亲身上继承了一种疾病，她的母亲所生的孩子有3个夭折。她有6个孩子在出生数小时后死亡；此外她还有3次流产，而唯一活下来的孩
7、子现年20岁的爱德华4岁半时被确诊患有与母亲同样的疾病，只能在轮椅上艰难度日。,诊断：该女性家系中的疾病为线粒体遗传病,（五）阈值效应（threshold effects）,阈值效应：突变mtDNA的比例需达到一定程度才足以引起某种组织或器官功能异常。,mtDNA突变可以影响线粒体氧化磷酸化的功能，引起ATP合成障碍，导致疾病发生。,不同组织对氧化磷酸化代谢损伤的反应不同，引起细胞功能障碍所需的突变mtDNA数量也就不同。疾病表型的出现与否以及严重程度，取决于两方面的因素：突变型与野生型mtDNA 的相对比例；组织细胞对能量的需求。,各种组织对氧化磷酸化的依赖性有所不同，脑、骨骼肌、心脏、肾脏
8、、肝脏，对能量的依赖性依次降低。,因此线粒体遗传病常以肌病和脑病为特征！,（六）线粒体DNA的突变率极高,线粒体DNA的突变率极高，约比核DNA高10-20倍。,线粒体DNA缺少组蛋白的保护；线粒体中没有DNA损伤的修复系统；细胞中的线粒体DNA拷贝数多，且每个线粒体基因 组中的任何碱基都可能发生突变。,线粒体DNA的高突变率造成群体中个体之间的线粒体DNA序列极大不同。任何两个人的线粒体DNA，平均每1000个碱基对中就有4个碱基不同。尽管线粒体DNA突变非常普遍，但线粒体遗传病目前还不是想象中的那麽常见。,（七）随机分离：mtDNA自主复制，不依赖核染色体而将复制后的DNA分配到子细胞中去
9、。,（八）遗传密码不同于通用密码,遗传瓶颈（genetic bottleneck）：线粒体在卵母细胞成熟时数目锐减的现象。通过遗传瓶颈而保留下来的线粒体完全是随机的，因此不同的卵母细胞含有不同比例的突变型线粒体DNA。,（九）遗传瓶颈,如果卵母细胞保留下来较高比例的突变型线粒体DNA，由这个卵母细胞受精发育而来的后代就更易出现线粒体疾病。相反，如果卵母细胞经过减数分裂的复制分离后，卵母细胞不含有线粒体DNA突变，或含有较低比例线粒体DNA突变，那么这种卵母细胞受精发育而来的后代则可能不会发病，或症状较轻。,第二节线粒体基因突变与疾病,一、线粒体基因突变的类型（一）碱基替换 1.mRNA基因的错
10、义突变 当某一密码突变前编码的氨基酸与突变后编码的氨基酸不同时叫错义突变。主要与脑、脊髓及神经性疾病有关，常见有Leber遗传性视神经病(LHON)和神经肌病。,2.tRNA基因突变 tRNA是蛋白质合成时氨基酸的“运输工具”，tRNA碱基置换导致其结构异常，必然影响线粒体的蛋白质生物合成，从而导致线粒体遗传病。与线粒体肌病相关，主要有癫痫伴碎红纤维病(MERRF综合征),3.rRNA基因突变mtDNA有两个rRNA基因，分别编码12SrRNA和16SrRNA，它们是线粒体核糖体的重要组成部分。与线粒体肌病、脑病相关，主要有线粒体肌病脑病伴乳酸中毒及中风样发作综合征（MELAS综合征）。,发生
11、在蛋白质编码基因的突变影响特定的呼吸链蛋白质。发生在tRNA和rRNA编码基因的突变，影响整个线粒体蛋白质的合成。,（二）缺失、插入突变 缺失突变引起绝大多数眼肌病，这种缺失导致的疾病一般无家族史，且随年龄增长而病情严重，如慢性进行性眼外肌麻痹（KSS）。（三）线粒体DNA拷贝数突变 主见于致死性婴儿呼吸障碍等。,二、常见线粒体遗传病（MID）,目前发现的线粒体疾病集中在神经和肌肉系统，内分泌系统等疾病也与线粒体的功能障碍有关。,(一)Leber遗传性视神经病(LHON),Leber遗传性视神经病是被证实的第一种母系遗传的疾病，至今尚未发现一个男性患者将此病传给后代。LHON是以德国眼科医生T
12、heodor Leber的名字命名的，为一种急性或亚急性发作的母系遗传病。男女病人比例5:1。,Leber T 医生,1.临床症状,是典型的人类母系遗传病。本病起病为急性或亚急性球后视神经炎，导致严重双侧视神经萎缩，丧失中心视野，视力急剧减退，但周围视力仍存在。任何年龄均可发病，但发病高峰年龄是2025岁。男性患者明显多于女性，约5：1，性别差异原因不清。,视网膜神经元和视神经的退化是它的主要病理特征。,2.病理特征,Leber遗传性视神经病是第一种被证实由线粒体DNA突变导致的母系遗传疾病。目前已经发现了至少有18种错义突变可直接或间接地导致这种疾病的出现。这些突变分别位于线粒体基因组编码9
13、种呼吸链蛋白质的基因中,涉及呼吸链复合体、和。,3.遗传学基础,MTND4*LHON（G)11778 A,mt,突变 gene,疾病临床字母的缩略词,mtDNA突变位点,突变后的核苷酸种类,线粒体碱基置换疾病的名称,NADH脱氢酶亚单位,Leber遗传性视神经病,Leber遗传性视神经病可分为两种类型：第一种类型：单个线粒体突变就足以导致出现临床症状。在第一种类型的病例中，96的患者由以下三种错义突变引起(原发型）MTND1*LHON3460A 13%MTND4*LHON11778A 69%MTND6*LHON14484C 14%第二种类型：需要二次突变或其他变异才能出现临床症状。（继发型）,
14、该碱基替换使酶复合体ND4亚单位中的第340位高度保守的精氨酸变成了组氨酸，从而影响了线粒体能量的产生。该突变可以对大约50的LHON家系用限制性酶切片段分析技术进行基因诊断。,MTND4*LHON11778A 69%,11778 G,MTND4*LHON11778A,SfaN,Mae,normal,abnormal,normal,abnormal,原理：,normal,abnormal,PCR，酶切,SfaN,Mae,（二）伴有破碎红纤维的肌肉阵挛性癫痫（myoclonnus epilepsy and ragged-red fibers,MERRF）,1.临床症状,通常在儿童期发病，病程可持
15、续很多年。脑和肌肉组织受累，常常出现多系统紊乱症状：肌阵挛性癫痫的短暂发作 共济失调 痴呆 感觉神经性听力丧失 呼吸异常 心肌病肌肉组织的组化检查可观察到特征性的破碎红纤维。,2.遗传学基础,绝大部分病例是一种tRNA基因发生点突变的结果：MTTK*MERRF（A）8344G MT表示线粒体基因突变，T代表转运RNA，K表示赖氨酸，A8344G表示该基因8344碱基位置的鸟嘌呤变异,发生在转运RNA基因的这种突变影响了整个线粒体蛋白的合成，除了复合体，所有氧化磷酸化成分的含量降低。MERRF综合征家系中的线粒体DNA通常为异质性，当突变的线粒体DNA达到或超过90时，个体将会出现典型的临床症状
16、,（三）线粒体肌病脑病伴乳酸中毒及中风样发作综合征（MELAS）1.临床症状40岁以前开始出现的复发性休克、肌病、共济失调、肌阵挛、痴呆和耳聋。少数患者出现反复呕吐、周期性的偏头疼、糖尿病。进行性眼外肌无力或麻痹使眼的水平运动受限，眼外肌麻痹，眼脸下垂。肌无力，身材矮小等。,在MELAS患者中，异常的线粒体不能够代谢丙酮酸，导致大量的丙酮酸生成乳酸，而后者在血液和其他体液中累积。MELAS患者的特征性病理变化是在脑和肌肉的小动脉和血管壁中有大量的形态异常的聚集的线粒体。,2.发病机理MTTL1*MELAS3243G(AG),使tRNALeu(UUR)基因发生突变（80%）tRNALeu基因内的
17、其它位点（3252，3256，3271，3291）突变tRNAVal基因和COX基因突变,（四）慢性进行性外眼肌麻痹（Kearns-Sayre syndrome，KSS）,1.临床症状,患者可表现一系列的症状：眼肌麻痹，上睑下垂，四肢肌病，视网膜色素变性，酸中毒，感觉神经性听力丧失，运动失调，心脏传导功能障碍，痴呆。常在20岁以前发病，多数病人在确诊后几年内死亡。,大片段的线粒体DNA缺失：常见DNA的复制：常见点突变：偶尔,2.遗传学基础,（1）线粒体DNA的结构改变,*大片段的mtDNA缺失影响呼吸链4种复合物（NADH-CoQ氧化还原酶、琥珀酸-CoQ氧化还原酶、CoQH2-细胞色素C氧
18、化还原酶及细胞色素C氧化酶）的合成。,大片段的线粒体DNA缺失,一般只有一处，但其大小和位置在个体间差异很大，现已发现有一百多种缺失。这些缺失都在重链和轻链的复制起始区之间,且缺失区的侧翼有重复序列。大约1/3的病人可见8468碱基位置与13446碱基位置之间有大约4979bp的缺失，其断裂点在ATP8和ND5基因内，缺失区两端有13个碱基的重复序列（5ACCTCCCTCACCA），常伴有转运RNA基因的缺失。,（2）DNA的复制：当含有复制的线粒体基因组增加时，某些基因的过度表达将会导致氧化磷酸化亚基的失衡，从而影响呼吸链中蛋白复合物的组装。（3）点突变：偶尔也有点突变导致的眼肌病的病例，为
19、赖氨酸转运RNA基因8334碱基位置和亮氨酸转运RNA基因3242碱基位置的突变。,（五）帕金森病（Parkinson disease,PD）1.临床症状 一种晚年发病的神经系统变性疾病，患者表现为：运动失调 震颤 动作迟缓 少数病人有痴呆症状,2.发病机理 患者脑组织(尤其是黑质）中存在4977bp长的一段DNA缺失，缺失区域从ATPase8基因延伸到ND5基因，结果导致多种组织细胞内的线粒体复合体都存在功能缺陷，进而引起神经元中的能量代谢障碍。,六、氨基糖苷类抗生素引起的耳聋,链霉素导致听力丧失具有家族倾向，与中等剂量的抗生素相关，称为链霉素耳毒性耳聋，或氨基糖苷耳毒性耳聋。除链霉素外，氨
20、基糖苷还包括卡那霉素、庆大霉素、托普酶素和新霉素。,因为氨基糖苷类抗生素的的“天然靶目标”是进化上相关的细菌核糖体，而线粒体核糖体与细菌核糖体结构相近。12SrRNA结构改变可能导致耳蜗细胞的线粒体核糖体受到氨基糖苷类抗生素的攻击，从而导致耳聋，12SrRNA基因核苷酸1555AG突变是氨基糖苷耳聋发病的分子基础。,7.非胰岛素依赖性糖尿病（NIDDM）,NIDDM占所有糖尿病患者的90%以上，因此是研究的重点。糖尿病属于多基因遗传，已经发现有8个以上与糖尿病发病相关的候选基因，但是主基因尚未肯定。其中线粒体DNA的tRNA基因3243AG点突变是糖尿病的主要致病因素。,近几年3243的突变一
21、直是研究热点，迄今已报道45个家系199位NIDDM患者带有此位点突变，患病率为82%，说明该位点的突变和NIDDM相关。,线粒体基因突变性糖尿病的治疗方法不同于1、2型糖尿病。,应早期使用胰岛素；避免剧烈运动；慎用双胍降糖药；长期服用辅酶Q10；对其直系亲属进行检查。,伴神经性耳聋、低体重、中枢神经系统症状、骨骼肌症状、心肌病、视网膜色素变性、视神经萎缩的糖尿病患者都应早期做线粒体基因诊断，早期防治。,8.衰老（aging）是机体在退化时期生理功能下降和紊乱的综合表现，是不可逆的生命过程，受各种内外因素的影响。mtDNA突变随年龄增加而增加。人的衰老与mtDNA突变的积累呈正相关性。mtDN
22、A突变的累积可以诱发多种老年性疾病。,核基因组编码的大量蛋白质参与构建与维持线粒体正常的结构和功能。这些由核基因组编码的蛋白质大约有850种，行使众多的功能，包括在膜间隙和基质间转运分子、代谢底物、调节线粒体对铁的摄入、维持线粒体DNA结构的完整性、控制线粒体DNA的复制等等。,核基因的突变也会引起线粒体疾病。,第三节 核DNA异常引起的线粒体病,参与呼吸链的一些酶成份是受双重遗传控制的，即部份亚基为细胞核基因所编码，另一些亚基则是mtDNA编码的。,丙酮酸脱氢酶复合体缺乏症,该基因定位于Xp22.1,遗传方式为X连锁隐性遗传，患者临床表现为乳酸性酸中毒、眼部异常和中枢神经系统退变。,影响线粒
23、体的正常功能。,核基因突变引起电子传递链缺陷,引起电子传递链缺陷的核基因突变主要发生在复合体和复合体，通常引起儿童期严重的神经系统疾病。如：NDUFS4基因突变导致酶复合体的活性缺陷，临床上可出现严重呕吐，肌张力减退，常死于心力衰竭和呼吸衰竭。,1.临床症状,患者多在1820岁发病，男性较多见，个体细胞中突变mtDNA超过96时发病，少于80时男性病人症状不明显。临床表现为双侧视神经严重萎缩引起的急性或亚急性双侧中央视力丧失，可伴有神经、心血管、骨骼肌等系统异常，如头痛、癫痫及心律失常等。,2.发病机理 mtDNA11778A（GA），使编码NADH脱氢酶亚单位4（ND4）中第340位高度保守
24、的精氨酸组氨酸，从而影响线粒体能量产生。,MTND4*LHON 11778 A,mt,突变 gene,MID的缩略词,mtDNA突变位点,突变后的核苷酸种类,3.线粒体基因组突变表达式及命名,4.突变类型（1）单一的mtDNA突变而致病 MTND1*LHON 3460A（GA）MTND4*LHON 11778A（GA）（69%）MTND6*LHON 14484C（TC）（2）二次突变或其它变异而致病,（二）肌阵挛性癫痫伴碎红纤维病（MERRF）1.临床症状,多系统紊乱，肌阵挛性癫痫，共济失调，轻度痴呆，耳聋，脊髓退化。大量团块状线粒体聚集于肌细胞中（可被特异性染料染成红色，破碎红纤维）。大脑卵
25、圆核与齿状核有神经元的缺失。,2.发病机理MTTK*MERRF 8344 G（AG）*导致呼吸链COX和ATPase复合物第8亚基合成受损。,（三）线粒体肌病脑病伴乳酸中毒及中风样发作综合征（MELAS）临床症状发病机理MTTL1*MELAS3243G(AG),使tRNALeu(UUR)基因发生突变（80%）tRNALeu基因内的其它位点（3252，3256，3271，3291）突变tRNAVal基因和COX基因突变,（四）慢性进行性眼外肌麻痹（KSS）1.临床症状*2.发病机理 大片段的mtDNA缺失影响呼吸链4种复合物（NADH-CoQ氧化还原酶、琥珀酸-CoQ氧化还原酶、CoQH2-细胞
26、色素C氧化还原酶及细胞色素C氧化酶）的合成。,（五）帕金森病（Parkinson disease,PD）1.临床症状*2.发病机理 患者脑组织(尤其是黑质）中存在mtDNA缺失。(六）衰老,第三节 核基因异常引起的线粒体病,线粒体蛋白质输入缺陷*底物运输缺陷*底物利用缺陷铁运输缺陷电子传递链缺陷*,思考题1.线粒体基因组的结构有何特征？2.简述线粒体基因组的遗传学特征？3.扼要说明线粒体是半自主性细胞器的原因。4.常见的线粒体遗传病有哪些？它们的共同特征是什么？,母系遗传*,线粒体蛋白输入缺陷,PHDA1基因（Xp22.1）编码丙酮酸脱羧酶亚单位，其碱基替换可致亚单位在胞浆内合成时N末端靶序列
27、中的氨基酸变化，使得亚单位转入线粒体障碍，使丙酮酸脱氢酶复合体活性降低，糖有氧氧化过程受损，引起一种致死性XR病，临床上部和中枢神经系统异常。,改变蛋白质N末端的靶序列,线粒体蛋白输入缺陷,脉络膜和视网膜的回旋萎缩现象：AR，OAT基因（10q26）可编码鸟氨酸氨基转移酶，催化鸟氨酸和谷氨酸半醛之间的相互转化。当OAT基因发生纯合错义突变时，所合成的OAT蛋白构象改变，进入线粒体基质障碍，线粒体基质内OAT活性缺陷，引起脉络膜和视网膜的变性而导致成人失明。*,改变蛋白质的构象,底物运输缺陷,CACT基因突变致脂肪酸氧化酶脂酰肉碱移位酶发生缺陷，脂肪酸不能通过线粒体内膜。故脂肪酸利用障碍，引起多系统异常，婴儿出生后数日或数月内死亡。*,帕金森病又称“震颤麻痹”，是一种见于中老年的中枢神经系统变性疾病（黑质等病变），主要表现为患者动作缓慢,手脚或身体的其它部分的震颤,身体僵硬。,
