医学遗传学：第8章 线粒体遗传病VIP

1、WZMCBiology Department第8章线粒体遗传病线粒体研究历史线粒体研究历史1850年发现年发现1898年命名线粒体年命名线粒体1981年完成人类线粒年完成人类线粒体的全部测序体的全部测序1988年发现年发现Lebers视视神经病的发生与线粒神经病的发生与线粒体突变有关。体突变有关。线粒体功能线粒体功能产生产生ATP信号转导信号转导细胞分化细胞分化细胞凋亡细胞凋亡目录 Contents线粒体基因组的分子结构和遗传学特征线粒体疾病线粒体基因组的分子结构和遗传学特征 线粒体基因组的分子结构线粒体基因组的分子结构 线粒体基因组遗传学特征线粒体基因组遗传学特征线粒体基因组的分子结构 环状

2、结构环状结构包括包括37个基因：个基因： 2个个rRNA（12S、16S） 22个个tRNA 13个与（个与（OXPHOS） 有关的蛋白质有关的蛋白质线粒体的起源 内共生假说认内共生假说认为线粒体来源于被原始的为线粒体来源于被原始的前真核生物吞噬的好氧性细菌，这种细前真核生物吞噬的好氧性细菌，这种细菌和前真核生物共生，在长期的共生过菌和前真核生物共生，在长期的共生过程中演化成了线粒体。程中演化成了线粒体。 线粒体中的其他线粒体中的其他1500余个蛋白是由分余个蛋白是由分散在染色体中的核散在染色体中的核DNA编码，这些基编码，这些基因编码的线粒体蛋白在细胞质核糖体中因编码的线粒体蛋白在细胞质核糖

3、体中合成，通过线粒体蛋白转入系统有选择合成，通过线粒体蛋白转入系统有选择地运输到线粒体内。地运输到线粒体内。 线粒体基因组编码蛋白质的基因线粒体基因组编码蛋白质的基因线粒体基因组编码线粒体基因组编码tRNA的基因的基因 线粒体基因组编码线粒体基因组编码rRNA的基因的基因 线粒体基因组的非编码区线粒体基因组的非编码区 潜在的开放阅读框潜在的开放阅读框 mt DNA线粒体基因组 线粒体密码子系统的特性线粒体密码子系统的特性 线粒体基因组编码蛋白质的基因细胞色素细胞色素b基因基因细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶3个个亚基基因亚基基因NADH氧化还原酶氧化还原酶7个个亚基基因亚基基因ATP酶酶2个亚基基

4、因个亚基基因这些都是线粒体内膜呼吸链的组成成分。这些都是线粒体内膜呼吸链的组成成分。线粒体基因组编码tRNA的基因H链：链：tRNA-Glu，A1a，Asn，Cys，Tyr，Ser(UCN)，Gln和和ProL链：链：tRNA-Phe，Val，Leu(UUR), Leu(CUN)，Ile，Met，Ser(AGY)，Trp，Asp，Lys，Gly，Arg，His和和Thr线粒体基因组编码rRNA的基因线粒体的线粒体的12S rRNA和和16S rRNA基因位基因位于于H链的链的tRNAPhe和和tRNALeu(UUR) 基因之基因之间，以间，以tRNAVal基因为间隔。基因为间隔。rRNA基因的

5、二级结构很保守，形成多基因的二级结构很保守，形成多个大小不一的茎环结构。环的核苷酸代个大小不一的茎环结构。环的核苷酸代替率高于茎，并且替率高于茎，并且CT转换是一种常见转换是一种常见的形式。的形式。线粒体基因组的非编码区 控制区（控制区（control region），又称），又称D环区环区（displacement 1oop region，D-Loop）另一段是另一段是L链复制起始区链复制起始区D-loop and OL潜在的开放阅读框 人的人的Hela细胞线粒体中也发现了相似细胞线粒体中也发现了相似的的RNA（7S RNA），也含有一个线），也含有一个线粒体通用的终止密码子及粒体通用的终止

6、密码子及PolyA尾，尾，是是Hela细胞中含有细胞中含有PolyA尾最多的尾最多的mtRNA，其间也有一个潜在的，其间也有一个潜在的ORF，编码，编码23或或24个氨基酸的多肽。个氨基酸的多肽。 AUA成为起始密码子，而不是通用的成为起始密码子，而不是通用的Ile密码子密码子 UGA编码编码Trp密码子，而不是终止密码子密码子，而不是终止密码子文内容文内容AGA、AGG编码终止密码子，而不是编码终止密码子，而不是Arg密码子密码子 tRNA兼用性较强，仅用兼用性较强，仅用22个个tRNA来识别多达来识别多达48个密码子个密码子 1 12 23 34 4线粒体密码子系统特性 线粒体基因突变类型

7、碱基突变碱基突变缺失、插入突变缺失、插入突变 拷贝数变异拷贝数变异错义突变错义突变 蛋白质生物合成基因突变蛋白质生物合成基因突变 通常为通常为mtDNA拷贝数大大低于正常，分为常染色体显性或隐拷贝数大大低于正常，分为常染色体显性或隐性遗传，提示该病是由核基因缺陷所致线粒体功能障碍。性遗传，提示该病是由核基因缺陷所致线粒体功能障碍。 mtDNA缺失发生的原因往往是由于缺失发生的原因往往是由于mtDNA的异常重组或在的异常重组或在复制过程中异常滑动所致。复制过程中异常滑动所致。线粒体的遗传学特征线粒体的遗传学特征母系遗传母系遗传线粒体线粒体DNA的半自主复制的半自主复制 线粒体线粒体DNA的转录的

8、转录 线粒体线粒体DNA的遗传瓶颈的遗传瓶颈 线粒体线粒体DNA的阈值效应的阈值效应 1 12 23 34 45 5母系遗传受精卵中的受精卵中的mtDNA几乎全都来自于卵几乎全都来自于卵子，来源于精子的子，来源于精子的mtDNA对表型无明对表型无明显作用，这种双亲信息的不等量传递决显作用，这种双亲信息的不等量传递决定了线粒体遗传病的传递方式不符合孟定了线粒体遗传病的传递方式不符合孟德尔遗传，而是表现为母系遗传。德尔遗传，而是表现为母系遗传。 母系遗传家系图线粒体DNA的半自主复制 线粒体DNA的转录 人类人类mtDNA有三个启动子，分别是有三个启动子，分别是H1，H2和和L。H2启动除启动除2

9、个个rRNA外的整外的整个重链的转录，个重链的转录，L启动整个轻链的转录启动整个轻链的转录。H1启动启动2个个rRNA的转录。的转录。 线粒体DNA的遗传瓶颈 卵母细胞中大约有卵母细胞中大约有10万个线粒体，当卵万个线粒体，当卵母细胞成熟后，线粒体的数目会减少，母细胞成熟后，线粒体的数目会减少，可能少于可能少于10个，但不会超过个，但不会超过100个，这个，这个过程被称之为遗传瓶颈效应（个过程被称之为遗传瓶颈效应（genetic bottle neck effects） 复制分离如果通过遗传瓶颈携带某种突变的一个如果通过遗传瓶颈携带某种突变的一个线粒体被保留下来，细胞分裂时，突变线粒体被保留下

10、来，细胞分裂时，突变型和野生型型和野生型mtDNA发生分离，随机地发生分离，随机地分配到子细胞中，使子细胞拥有不同比分配到子细胞中，使子细胞拥有不同比例的突变型例的突变型mtDNA分子，这种随机分分子，这种随机分配导致配导致mtDNA异质性变化的过程称为异质性变化的过程称为复制分离复制分离 线粒体DNA的阈值效应 同质性（同质性（homoplasmy）：）：每个细胞内的所每个细胞内的所有有mtDNA都相同，全部突变或者全部正常都相同，全部突变或者全部正常，称之为同质性。，称之为同质性。异质性（异质性（heteroplasmy）：）：在同一细胞里在同一细胞里的的mtDNA同时存在野生型同时存在野

11、生型mtDNA和突变和突变型型mtDNA，称之为异质性。，称之为异质性。 阈值在异质性细胞中，异质性细胞的表现型在异质性细胞中，异质性细胞的表现型依赖于细胞内突变型和野生型依赖于细胞内突变型和野生型mtDNA的相对比例，能引起特定组织器官功能的相对比例，能引起特定组织器官功能障碍的突变障碍的突变mtDNA的最少数量称阈值的最少数量称阈值。 线粒体DNA的高突变率 mtDNA突变率明显高于核突变率明显高于核DNA，大约，大约1020倍倍 mtDNA处于高超氧化物的环境下，处于高超氧化物的环境下，mtDNA更易受到损伤更易受到损伤线粒体中的线粒体中的mtDNA损伤后，修复能力非常有限损伤后，修复能

12、力非常有限mtDNA复制频率较高，复制时不对称复制频率较高，复制时不对称由于线粒体中的由于线粒体中的mtDNA缺乏组蛋白保护而呈现裸露的闭缺乏组蛋白保护而呈现裸露的闭 合双环状结构，使其更易被损伤合双环状结构，使其更易被损伤mtDNA中基因排列非常紧凑，任何中基因排列非常紧凑，任何mtDNA的突变都可能的突变都可能会影响到其基因组内的某一重要功能区域会影响到其基因组内的某一重要功能区域综 述线粒体疾病由于线粒体呼吸链机能失调导致的一组由于线粒体呼吸链机能失调导致的一组异质性疾病。这些疾病可由核基因或异质性疾病。这些疾病可由核基因或mtDNA突变引起。突变引起。 线粒体疾病的特征性表现遗传方式复

13、杂。遗传方式复杂。疾病的表现非常复杂。疾病的表现非常复杂。环境因素和遗传背景在疾病的发生发展环境因素和遗传背景在疾病的发生发展与表现上有着复杂的影响。与表现上有着复杂的影响。Leber遗传性视神经病遗传性视神经病 （LHON）Leber遗传性视神经病（遗传性视神经病（Leber hereditary optic neuropathy，LHON）于于1871年由年由Leber医生首医生首次报道。次报道。主要症状主要症状为视神经退行性变，故又称为视神经退行性变，故又称Leber视神视神经萎缩。临床表现为双侧视神经严重萎缩引起的经萎缩。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，

14、可伴有神经、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。心血管、骨骼肌等系统异常。患者多在患者多在1820岁发病，岁发病，男性男性较多见，个体细胞较多见，个体细胞中突变中突变mtDNA超过超过96时发病，少于时发病，少于80时男时男性病人症状不明显。性病人症状不明显。Leber T 医生医生一个一个LHON的典型系谱的典型系谱诱发诱发LHON的的mtDNA突变均为突变均为点突变点突变G11778A（1988，Wallace,ND4 精精 组组)、G14459A（ND6）、）、G3460A（ND1）、）、T14484C（ND6）、）、G15257A（cyto b）等）等5

15、个位点对个位点对LHON也有重要作也有重要作用。用。LHON致病突变LHON检查眼科相关检查：眼科相关检查：视野改变视野改变眼电生理改变眼电生理改变光学相干断层扫描光学相干断层扫描(OCT) 视网膜地形图视网膜地形图(HRT) 生化检查：生化检查： 分子遗传学检查：此项结果是本病的最分子遗传学检查：此项结果是本病的最终诊断。终诊断。 LHON治疗迄今为止，尚无有效的迄今为止，尚无有效的LHON治疗方案治疗方案。 氨基糖苷类药物性耳聋 氨基糖苷类药物性耳聋是指由于使用氨氨基糖苷类药物性耳聋是指由于使用氨基糖甙类抗生素基糖甙类抗生素(aminoglycoside antibiotics，AmAn)而导致的耳聋。而导致的耳聋。主要表现为双耳对称性高频听力损害。主要表现为双耳对称性高频听力损害。 氨基糖苷类药物性耳聋的发病机制 常规剂量的氨基糖甙类抗生素致聋的分子机理线粒体线粒体12S rRNA的的A1555G和和C1494T突变二级结构图突变二级结构图 实验室诊断 临床上线粒体临床上