第章线粒体遗传与线粒体疾病

1、第十三章 线粒体疾病广义的线粒体病（mitochondrial disease指以线粒体功能异常为 主要病因的一大类疾病。除线粒体基因组缺陷直接导致的疾病外，编 码线粒体蛋白的核 DNA 突变也可引起线粒体病，但这类疾病表现为 孟德尔遗传方式。 目前发现还有一类线粒体疾病， 可能涉及到 mtDNA 与 nDNA 的共同改变， 认为是基因组间交流的通讯缺陷。 通常所指的 线粒体疾病为狭义的概念，即线粒体 DNA 突变所致的线粒体功能异 常。第一节 疾病过程中的线粒体变化线粒体对外界环境因素的变化很敏感，一些环境因素的影响可直 接造成线粒体功能的异常。例如在有害物质渗入（中毒） 、病毒入侵 （感染

2、）等情况下，线粒体亦可发生肿胀甚至破裂，肿胀后的体积有 的比正常体积大34倍。如人体原发性肝癌细胞癌变过程中，线粒 体嵴的数目逐渐下降而最终成为液泡状线粒体；缺血性损伤时的线粒 体也会出现结构变异如凝集、肿胀等；坏血病患者的病变组织中有时 也可见 2到 3个线粒体融合成一个大的线粒体的现象， 称为线粒体球； 一些细胞病变时，可看到线粒体中累积大量的脂肪或蛋白质，有时可 见线粒体基质颗粒大量增加，这些物质的充塞往往影响线粒体功能甚 至导致细胞死亡；如线粒体在微波照射下会发生亚微结构的变化，从 而导致功能上的改变；氰化物、 CO 等物质可阻断呼吸链上的电子传 递，造成生物氧化中断、细胞死亡；随着年

3、龄的增长，线粒体的氧化 磷酸化能力下降等等。在这些情况下，线粒体常作为细胞病变或损伤 时最敏感的指标之一，成为分子细胞病理学检查的重要依据。第二节线粒体疾病的分类根据不同的角度，线粒体疾病可以有不同的分类。从临床角度， 线粒体疾病主要涉及心、脑等组织器官或系统；从病因和病理机制角 度，线粒体疾病有生化分类和遗传分类之别。一、生化分类根据线粒体所涉及的代谢功能，线粒体疾病可分为以下 5种类型: 底物转运缺陷、底物利用缺陷、Krebs循环缺陷、电子传导缺陷和氧化 磷酸化偶联缺陷（表13-1）。遗传分类表13-1线粒体疾病的生化分类1.底物转运缺陷4电子传导缺陷肉碱棕榈酰基转移酶（CPT）缺陷复合体

4、i、v肉碱缺陷（肉碱转运体缺陷）复合体n2.底物利用缺陷复合体川丙酮酸脱氢酶复合体（PDHC ）缺陷复合体W俟氧化缺陷复合体I、川和"联合缺陷3. Krebs循环缺陷5氧化磷酸化偶联缺陷延胡索酸酶缺陷Luft W乌头酸酶缺陷复合体V缺陷a酮戊二酸脱氢酶缺陷根据缺陷的遗传原因，线粒体疾病分为核 DNA（nDNA）缺陷、mtDNA缺陷以及nDNA和mtDNA联合缺陷3种类型（表13-2）。表13-2线粒体疾病的遗传分类nDNA缺陷组织特异基因孟德尔式组织特异综合征组织特异单酶病变非组织特异基因孟德尔式多系统疾病广泛性酶病变mtDNA缺陷点突变母性遗传多系统、异质性特异单酶病变广泛性酶病变

5、缺失散发PEO， KSS， Pears on广泛性酶病变nDNA和mtDNA联合缺陷多发性mtDNA缺失AD/ARPEO广泛性酶病变mtDNA缺失AR肌病、肝病组织特异多酶病变注：PEO:进行性眼外肌麻痹； KSS:眼肌病；Pearson：骨髓/胰腺综合征第三节 mtDNA突变引起的疾病线粒体病是一组多系统疾病，因中枢神经系统和骨骼肌对能量的 依赖性最强，故临床症状以中枢神经系统和骨骼肌病变为特征，如果 病变以中枢神经系统为主，称为线粒体脑病；如果病变以骨骼肌为主， 称为线粒体肌病；如果病变同时侵犯中枢神经系统和骨骼肌，则称为 线粒体脑肌病。线粒体疾病通常累计多个系统，表现型有高度差异。mtD

6、NA与nDNA有不同的遗传特性，因此mtDNA突变所引起疾 病的遗传方式、病因、病程也有其自身特性。由于线粒体基因组和生 化的复杂性，使线粒体疾病发病机制非常复杂，表现型很不一致。不 同的mtDNA突变可导致相同疾病，而同一突变也可引起不同表型， 并且通常与突变mtDNA的异质性水平和组织分布相关。如 A8344G、 T8356C均可导致MERRF ;又如低比例的T8993G（ATPase6基因） 点突变导致NARP,比例90%时导致Leigh病；高比例的A3243G突 变造成MELAS，低比例时可导致母系遗传的糖尿病和耳聋（表13-3）。目前已发现越来越多的疾病与线粒体功能障碍有关， 如2型

7、糖尿病、肿瘤、帕金森病、心肌病及衰老等。表13-3 一些mtDNA突变相关的疾病突变相关基因表型nt-3243tRNA Leu(UUR)MELAS、PEO、NIDDM/ 耳聋nt-3256tRNA Leu(UUR)PEOnt-3271tRNA Leu(UUR)MELASnt-3303tRNA Leu(UUR)心肌病nt-3260tRNA Leu(UUR)心肌病/肌病n t-4269tRNA Ile心肌病nt-5730tRNA Asn肌病(PEO)nt-8344tRNA LysMERRFnt-8356tRNA LysMERRF/MELASn t-15990tRNA Pro肌病nt-8993A6N

8、ARP/LEIGHn t-11778ND4LHONn t-4160ND1LHONnt-3460ND1LHONnt-7444COX1LHONn t-14484ND6LHONn t-15257Cyt6LHON、Leber遗传性视神经病Leber 遗传性视神经病(Leber hereditary optic neuropathy LHON) 于1871年由Leber医生首次报道，因主要症状为视神经退行性变，故 又称Leber视神经萎缩。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

9、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。诱发LHON的mtDNA突变均为点突变。1988年，Wallace等发 现LHON患者OXPHOS复合物I （NADH脱氢酶）的ND4亚单位基 因第11778位点的碱基由G置换为A（ G11778A，称Wallace突变）， 使ND4的第340位上1个高度保守的精氨酸被组氨酸取代，ND4的 空间构型改变，NADH脱氢酶活性降低和线粒体产能效率下降，视神 经细胞提供的能量不能长期维持视神经的完整结构，导致神经细胞退 行性变、死亡。近年来，已相继报道有更多 mtDNA点突变与LHON 相关，均可引起基因产物的氨基酸替换

10、，其中除G11778A外, G14459A（ND6 ）、G3460A （ND1 ）、T14484C （ND6 ）、G15257A （cyt b）等 4 个位点对LHON也有重要作用。这5个位点的突变虽然均导致LHON , 但临床严重程度有较大差异，以G14459A引起的症状最为严重，T14484C和G15257A引起的症状较轻。LHON家系中mtDNA可有多个点突变，并且可观察到 2个以上 突变的协同致病作用，遗传学研究表明，LHON患者mtDNA的多发 突变之间存在某种联系，这些突变可分原发性突变和继发性突变， mtDNA某一原发”突变或nDNA遗传缺陷可导致继发”突变。单一 的原发性突变即

11、可引起 LHON （称原发性LHON ），临床严重程度随 突变位点不同而异；继发性突变往往以某型突变为主，伴发其他类型 突变（二次突变或nDNA突变），才能引起LHON （继发性LHON ）。利用LHON患者的特异性mtDNA突变，可进行该病的基因诊断。 例如，mtDNA第11778位GA是LHON患者最常见的突变类型， 该突变可导致原有的限制性内切酶 sfaN I的切点消失，正常人mtDNA 经sfaN I酶切后产生915bp、679bp两个片段，而LHON患者mtDNA 经酶切后只产生1590bp片段。Leber' s hereditary optic neuropathy(LHO

12、N)1. LHON has bee n linked to poi nt mutatio ns in the mtDNA.2. LHON is expressed predominantly in males of the lineage >un expla in ed.3. The on set of visual loss typically occurs betwee n the age of 15 and 35 years.4. Visual loss is painl ess, cen tral, and occurs in one eye week to mon thsbef

13、ore sec ond eye invo Iveme nt. On rare occasi on s,the disease may rema in cli nically mono cular.二、线粒体脑肌病线粒体脑肌病（mitochondria1 encephalomyopathies ME）是一组 由于线粒体功能缺陷引起的多系统疾病，以中枢神经和肌肉系统病变 为主，特征是呼吸链酶活性正常的肌纤维与酶活性缺失的肌纤维混 合。患者各种组织内mtDNA的突变类型、分布各不相同，所以表现 出不同的症状，多表现为肌力低下、易疲劳、小脑失调、耳聋、痴呆、 代偿性高乳酸血症等。根据临床表现，将线粒体

14、脑肌病分为：伴有破 碎红纤维的肌阵挛癫痫（ myoclonic epilepsy and ragged red fibers， MERRF）、线粒体脑肌病合并乳酸血症及卒中样发作（mitochondrialencephalomyopathy with lactic acidosis， and stroke-like episodes, MELAS），Kearns-Sayre综合征（KSS）慢性进行性眼外肌瘫痪（chronic progressive external ophthalmoplegia CPEO）、神经源性肌软弱、共济 失调并发色素性视网膜炎（n euroge nic muscle

15、 weak ness,ataxia,a ndretinitis pigmentosa NARP、和 Leigh 综合征（Leigh sysdrom, LS） 等几种。（一）伴有破碎红纤维的肌阵挛 癫痫（MERRF）MERRF患者通常1020岁发病，主要临床表现为阵发性 癫痫， 伴有进行性神经系统障碍（智力倒退、共济失调、意向性震颤） ，患 者肌纤维紊乱、粗糙，线粒体形态异常并在骨骼肌细胞中积累，用 Gomori Trichrome染色显示为红色，称破碎红纤维。MERRF最常见的突变类型是 mtDNA第8344位点（位于tRNALys 基因处）A-G的碱基置换，破坏了 tRNALys中与核糖体连

16、接的TWC 环，结果影响了 OXPHOS复合体I和复合体W的合成，造成OXPHOS 功能下降，导致患者多系统病变。（二）线粒体脑肌病合并乳酸血症及卒中样发作（ MELAS ）MELAS患者通常1020岁发病，主要临床表现为阵发性呕吐、 癫痫发作和中风样发作、血乳酸中毒、近心端四肢乏力等。MELAS 的分子特征是线粒体 tRNA 的点突变，约有 80%的患者 是mtDNA的3243 （位于tRNALeu基因）AG的碱基置换，该位点 是tRNALeu基因与16SrRNA基因的交界部位，也是转录终止因子的结 合部位，进化上高度保守，突变使 tRNALeu 基因结构异常，转录终止 因子不能结合， rR

17、NA 和 mRNA 合成的比例发生改变；少数患者为 tRNALeu（uuR）基因3271、3252或3291位碱基的点突变。肌组织中A3243G突变型mtDNA达40%50%时，出现CPEO、 肌病和耳聋，达 90%时，可出现复发性休克、痴呆、癫痫、共济失调 等。（三）Kearns-Sayre综合征（KSS）、慢性进行性眼外肌瘫痪（ CPEO）KSS和CPEO是同一疾病的两种不同类型，CPEO患者以眼外肌 麻痹为主要症状，伴眼睑下垂、四肢无力，常在青春期或成年发病； KSS 除进行性眼肌麻痹外， 还具有色素视网膜炎、 心脏传导功能障碍、 听力丧失、共济失调、痴呆等症状，常在婴儿、儿童或青春期发

18、病。KSS和CPEO主要是由于mtDNA的缺失引起的，缺失类型多样， 一般缺失长度为0.58kb,最常见的类型是5.0kb的普遍缺失”缺 失部位多发生在重链和轻链两个复制起始点之间，缺失区两侧有同向 重复序列。缺失的 mtDNA 具有明显的复制优势，突变型 >60%，可抑 制线粒体翻译，酶活性下降。由于涉及多个基因的缺失，患者可出现 不同程度的线粒体蛋白质合成缺陷，影响四种呼吸链复合体。此外，偶尔可见8334位点（tRNALeu ）和3242位点（tRNALeu） 点突变可引起 CPEO。KSS和CPEO病情严重程度取决于缺失型mtDNA的异质性水平 和组织分布。异质性程度低时，仅表现为

19、眼外肌麻痹，肌细胞中缺失型 mtDNA>85% 时，表现为严重的 KSS。（四）神经源性肌软弱，共济失调并发色素性视网膜炎（ NARP） 和 Leigh 综合征（ LS ）NARP 的主要临床表现为主要表现色素性视网膜炎、共济失调、 发育落后、痴呆、惊厥、近端肢体无力和感觉神经病； Leigh 综合征 是以高乳酸血症、 低肌张力为主要表现的进行性脑病， 主要侵犯婴儿。NARP 和 Leigh 综合征主要与 ATP 复合酶的功能受损有关，目前 发现该病的致病突变主要是 mtDNA第8993位点（ATPase6基因）T-A 或T-C，将ATPase 6亚基156位的亮氨酸改变为精氨酸或脯氨酸

20、， 从而影响 ATP 合酶的质子通路。患者异质性决定了临床症状的严重 性：女性携带者或症状较轻的女患者突变水平 <70%；个体突变水平为 70%90%时，表现为NARP;突变水平>90%时，表现为Leigh综合 征。因此，常可见到NARP和Leigh综合征在同一家系中并存。三、线粒体心肌病线粒体心肌病累及心脏和骨骼肌，病人常有严重的心力衰竭，常 见临床表现为劳动性呼吸困难，心动过速，全身肌无力伴全身严重水 肿，心脏和肝脏增大等症状。mtDNA的突变与缺失与某些心肌病有关，女口： 3260位点的A-G 突变可引起母系遗传的线粒体肌病和心肌病; 4977位点的缺失多见于 缺血性心脏病、

21、冠状动脉粥样硬化性心脏病等;扩张性心肌病和肥厚 性心肌病均可见 7436位点的缺失等。四、帕金森病帕金森病（Parkinson disease PD）又称震颤性麻痹，是一种晚年 发病的神经系统变性疾病， 患者表现为运动失调， 震颤，动作迟缓等， 少数病人有痴呆症状。神经病理学特征包括黑质致密区多巴胺能神经 元发生退行性变，部分存活的神经元内出现Lewy 体。帕金森病患者脑组织，特别是黑质中存在 4977bp 长的一段 DNA 缺失，缺失区域从 ATPase8基因延续到ND5基因，结果导致多种组 织细胞内的线粒体复合体I、"、皿甚至W都存在功能缺陷，进而引 起神经元中能量代谢障碍。大多

22、数观点认为单纯的基因或环境毒物很 少能直接引起PD,大部分病例是基因和环境甚至更多因素共同作用 的结果。五、其他与线粒体有关的病变（一）衰老 线粒体病的迟发和渐进过程提示线粒体功能随着年龄的增加而 退化，在正常生理状态下， 机体自身的防御系统 （如超氧化物歧化酶、 过氧化氢酶、过氧化物酶、维生素C等）可及时清除能量代谢过程中 产生的氧自由基。在个体衰老的进程中，抗氧化防御系统作用减弱， 线粒体内自由基不能有效地清除而累积，从而导致线粒体的氧化性损 伤，包括生物膜损伤、改变巯基酶活性、破坏核苷酸类辅酶以及 mtDNA 损伤等。大量的研究证实，衰老与线粒体氧化磷酸化酶活性降低以及 分裂终末的组织中

23、突变 mtDNA 积累密切相关， mtDNA 突变类型包括 缺失、点突变、插入、重复和 D 环区域出现小片段重叠，尽管这五种 突变中的任何一种很少达到 1%，但在衰老组织中可同时存在其中几 种，大大增加突变型 mtDNA 的比例。与增龄有关的突变类型主要是缺失，并且与氧化损伤有关。许多 研究表明，衰老时组织中8-OH-dG含量增多，小于55岁个体膈肌中， 8-OH-dG 含量低于 0.02%， 65岁以上的个体中， 8-OH-dG 以每 10年 0.25%的比率增加，在 85 岁时达到 0.51%，而且 mtDNA 的缺失率也 随之增加，表明分裂旺盛的细胞中mtDNA 的快速复制可稀释8-OH

24、-dG，而分裂终末的细胞中8-OH-dG累积，促进mtDNA缺失。缺失常包括一个或几个 mRNA 基因和 tRNA 基因，可累及脑、 心 肌、骨骼肌、肝、肾、肺、皮肤、卵巢、精子等多种器官组织。不同 年龄的人心肌、脑、骨骼肌、肝、膈肌等细胞中 mtDNA 片段缺失的 位置可能不同，但缺失率均随增龄而增加，如：在 17 岁青年中未发 现 mtDNA 片段的缺失；在34岁个体中检测到 mtDNA5.0bp 片段的缺 失，缺失率为 0.005%；随年龄的增长，缺失率逐渐增加， 85 岁个体 中达 0.26%，是低值的 4200 倍。说明缺失的 mtDNA 积累到一定程度 时，线粒体发生生物学变化，

25、OXPHOS 组分缺损或数量减少，生成的 能量低于维持正常细胞功能阈值，致使细胞死亡，引起衰老和多种老 年退化性疾病。（二）肿瘤 肿瘤细胞具有异常快速的分裂增殖能力，能量需求很高。各种肿 瘤和肿瘤细胞系中发现了体细胞 mtDNA 突变，这些突变能通过细胞 生成能量的改变、线粒体氧化压力的增加和 /或调节凋亡而导致肿瘤。有些因素的作用可使 mtDNA 游离出线粒体膜外（如细胞内线粒 体受损伤崩解），而细胞内核酸降解酶活性下降，不能有效地清除游 离于胞质中的mtDNA分子，mtDNA有可能像致瘤病毒那样通过核膜， 随机整合到 nDNA 中，激活原癌基因或抑制抗癌基因， 使细胞增殖分 化失控，导致癌

26、变。mtDNA 是致癌物作用的重要靶点，众多研究结果显示，化学致 癌物与 mtDNA 的结合比 nDNA 更充分。（三）糖尿病 近年来的分子遗传学研究证实，一些 2 型糖尿病患者具有明显的 遗传背景，其中部分患者糖尿病的发生与线粒体基因的突变有关， mtDNA点突变或缺失可选择性地破坏 B细胞，1997美国糖尿病学会 年进行新的糖尿病病因学分类，将其归为特殊类型糖尿病中B细胞遗传性缺陷疾病。与线粒体糖尿病有关的 mtDNA 突变类型较多，如 tR NA Lys 的 A8296G、12SrRNA 的 G1438A、T1310C 等点突变、8kb 重复突变和 10.4kb、7.7kb及 7.6kb

27、 缺失突变等。tRNALeu（UUR）基因 32303304 是 热点突变区域，包括 tRNALeu（uuR）的 A3243G、C3256T、T3264C、 G3316A,其中A3243G突变最为常见。mtDNA突变可通过以下机制诱导糖尿病：胰脏B细胞能感受 血糖值，以葡萄糖为底物产生ATP,影响K+通道，进一步借助电位感 受性的Ca2+通道使其分泌胰岛素。突变使B细胞变得不能感受血糖值， 呼吸链复合体酶活性下降，ATP合成不足，胰岛素分泌降低；B细 胞不稳定性增高，诱发自身免疫介导的B细胞损坏；增加糖原异生； 脂肪细胞对胰岛素的反应减弱，糖耐量减退，出现高血糖。（四）冠心病线粒体OXPHOS

28、过程产生大量的氧自由基，引起mtDNA损伤而 发生突变，使线粒体呼吸链的电子传递受阻，电子直接泄漏于线粒体 基质内，使超氧阴离子产生增多，导致线粒体内的氧应激水平提高， 氧化应激能大大增加线粒体的损伤程度，结果又使 OXPHOS 障碍加 重，形成恶性循环。在冠脉狭窄、心肌细胞缺血和反复出现低血氧时，可使 mtDNA 出现不可逆性损害，产生永久性心肌细胞氧化功能障碍，因此，心肌 缺血与 mtDNA 突变互为因果关系。冠心病患者mtDNA5.0kb片段的缺失是正常人的7220倍,7.4kb 片段和 10.4kb 片段的缺失率也比正常人高。（五）氨基糖甙类诱发的耳聋耳毒性聋与氨基糖甙类抗生素 （aminoglycosideantibiotic，AmAn） 的应用相关， 对常规量 AmAn 易感的耳聋可能具有母系遗传倾向， 这 些易感个体具有 mtDNA12SrRNA基因的1555位点AG的突变，有 人认为该突变多存在于亚洲人种，白种人极少发生。第四节 nDNA 突变引起的线粒体病一、编码线粒体蛋白的基因缺陷已定性的由于编码线粒体蛋白的基因缺陷所引起的疾病并不多，如丙酮酸脱氢酶复合体缺陷、肉碱棕榈酮转移酶缺陷等。主要从以下方面寻找线索：如有孟德尔遗传的家族史；生化方面可检测的特定酶缺陷；组织化学方面的研究，如一些呼吸链蛋白亚基是由核基因编码的；利用Rho细胞进行的