医学遗传学课件-第5章-线粒体遗传病

1、第五章 线粒体遗传病（ disease of mitochondrial inheritance）第五章 线粒体遗传病（ disease of mi 1894年, Altmann发现动物细胞中线粒体。 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。 1894年, Altmann发现动物细胞中线粒体。线粒体一般呈粒状或杆状，一般直径0.51m，长1.53.0m，主要化学成分是蛋白质和脂类，其中蛋白质占线粒体干重的65-70%，脂类占25-30%。线粒体是真核细胞的重要细胞器，是动物细胞生成ATP的主要地点。它们内部基本上是空的，但具有复杂的膜结构。线粒体一般呈

2、粒状或杆状，一般直径0.51m，长1.53 通常结合在维管上，分布在细胞功能旺盛的区域。如在肝细胞中呈均匀分布，在肾细胞中靠近微血管，呈平行或栅状排列，肠表皮细胞中呈两极性分布，集中在顶端和基部，在精子中分布在鞭毛中区。线粒体在细胞质中可以向功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨，由马达蛋白提供动力。 通常结合在维管上，分布在细胞功能旺盛的区域。如在肝细胞 线粒体基质的三羧酸循环酶系通过底物脱氢氧化生成NADH。NADH通过线粒体内膜呼吸链氧化，与此同时合成ATP。合成的ATP进入细胞质后参与细胞的各种需能过程。 线粒体基质的三羧酸循环酶系通过底物脱氢氧化生成NAD1894年，首次发现1897年，正

3、式命名为mitochondrion(线粒体)1963年，Nass在鸡胚中发现线粒体中存在DNA Schatz分离到完整线粒体DNA1981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” 1987年，Wallac提出mtDNA突变可引起疾病1988年，首次报道mtDNA突变1894年，首次发现1897年，正式命名为mitochond 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突变可以引起人类的疾病。 目前已发现人类100余种疾病与线粒体DNA突变有关。 1987年,Wallace等通过对线粒体DN

4、A突变第一节 线粒体DNA的结构特点与遗传特征 第一节 线粒体DNA的结构特点与遗传特征 mtDNA结构16569 bp一、 线粒体DNA的结构特点 mtDNA结构一、 线粒体DNA的结构特点 外环为重链（H）富含G 内环为轻链（L）富含C 12种多肽链12S rRNA16S rRNA14种tRNA 1种多肽链8种tRNA mtDNA: 双链环状的DNA分子、裸露不与组蛋白结合,分散在线粒体基质中，长约5m、含16569个碱基对。 外环为重链（H）富含G12种多肽链1种多肽链 mtDNA共有37个基因2种 编码 rRNA(12S和16S）基因22种 编码 tRNA基因13种 编码 蛋白质基因

5、mtDNA共有37个基因2种 编码 rRNA( Human mtDNA, a circular molecule that has been completely sequenced, is among the smallest known mtDNAs, containing 16,569 base pairs. It encodes the two rRNAs found in mitochondrial ribosomes and the 22 tRNAs used to translate mitochondrial mRNAs. Human mtDNA, a circular mtD

6、NA与nDNA不同: (1)其分子上无核苷酸结合蛋白，缺少组蛋白的保护。 (2)线粒体内无DNA损伤修复系统，mtDNA易发生突变 并容易得到保存。 (3)每个线粒体内含有210个拷贝的mtDNA分子。 (4)每个细胞可具有数千个mtDNA分子 。 mtDNA与nDNA不同: mtDNA的半保留复制 : H链复制的起始点（OH）与L链复制起始点（OL）相隔2/3个mtDNA。复制起始于L链的转录启动子，首先以L链为模板合成一段RNA作为H链复制的引物，在DNA聚合酶作用下，复制一条互补的H链，取代亲代H链与L链互补。被置换的亲代H链保持单链状态，这段发生置换的区域称为置换环或D环。 mtDNA

7、的半保留复制 :D环复制D环复制 随着新H链的合成，D环延伸，轻链复制起始点OL暴露，L链开始以被置换的亲代H链为模板沿逆时针方向复制。两条链的复制全部完成后，起始点的RNA引物被切除，缺口封闭，两条子代DNA分子分离。 40分钟后，新合成的松弛型线粒体DNA成为超螺旋状态。 随着新H链的合成，D环延伸，轻链复制起始点OL暴医学遗传学课件-第5章-线粒体遗传病复制中的线粒体DNA复制中的线粒体DNA与核基因转录比较，mtDNA的转录有以下特点：两条链均有编码功能两条链从D-环区的启动子处同时开始以相同速率转录，L链按顺时针方向转录，H链按逆时针方向转录mtDNA的基因之间无终止子tRNA基因通

8、常位于mRNA基因和rRNA基因之间mtDNA的遗传密码与nDNA不完全相同线粒体中的tRNA兼用性较强与核基因转录比较，mtDNA的转录有以下特点： 二、线粒体DNA的遗传学特征1. mtDNA半自主性 2. mtDNA遗传密码与通用密码不完全相同 3. mtDNA为母系遗传 4. mtDNA在有丝分裂和减数分裂期间都要经过复制分离 5. mtDNA具有阈值效应的特征 6. mtDNA的突变率很高 7. mtDNA的异质性8. mtDNA中普遍存在多态现象 二、线粒体DNA的遗传学特征（一）mtDNA具有半自主性 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 。（一

9、）mtDNA具有半自主性 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，在细胞质中合成后，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，二者共同作用参与机体代谢调节。 mtDNA仅编码13种蛋白质，绝大部分蛋白质亚基线粒体的半自主性Complex Subunits Nuclear mtDNA 41 34 7 4 4 0 11 10 1 13 10 3ATPase 14 12 2 合计 87 70 13线粒体的半自主性Complex Subunits

10、Nu（二）线粒体基因组所用的遗传密码和通用密码不完全等同 MetIleAUAMetMetAUGStopArgAGAStopArgAGGTrpStopUGATrpTrpUGGmtDNAnDNACodon（二）线粒体基因组所用的遗传密码和通用密码不完全等同 Met在线粒体中，有4种密码子与核基因的 “通用”密码不同， UGA是编码色氨酸的密码子，而非终止子；AUA编码甲硫氨酸而非异亮氨酸；AGA，AGG为终止子，而非编码精氨酸。线粒体 tRNA兼用性较强，仅用22个tRNA来识别多达48个密码子。在线粒体中，有4种密码子与核基因的 “通用”密码不同， UG（三）mtDNA为母系遗传 母亲将她的mt

11、DNA传递给儿子和女儿，但只有女儿能将其mtDNA传递给下一代。（三）mtDNA为母系遗传 母亲将她的mtDNA线粒体的母系遗传，O：卵子; S:精子; A、B、C子细胞; Z:受精卵线粒体的母系遗传，O：卵子; S:精子; A、B、C子细胞受精卵中的线粒体DNA绝大多数来自于卵子，因为卵母细胞拥有数十万拷贝的mtDNA，而精子中线粒体主要位于精子的颈部，受精时几乎不进入受精卵，因此，来源于精子的mtDNA对表型无明显作用，线粒体遗传病的传递方式不符合孟德尔遗传，母系遗传即母亲将mtDNA传递给她的儿子和女儿，但只有女儿能将其mtDNA传递给下一代。这种只通过母亲传递的遗传方式称为母系遗传。

12、受精卵中的线粒体DNA绝大多数来自于卵子，因为卵母细胞拥有数（四）mtDNA在有丝分裂和减数分裂期间都要经过复制分离 人的细胞里通常有上千个mtDNA拷贝，在突变体和正常mtDNA共存的细胞中，mtDNA在细胞的复制和分离过程中发生遗传漂变，可导致子细胞出现三种基因型：纯合的突变体mtDNA、纯合的正常mtDNA、突变体和正常的mtDNA的杂合体。（四）mtDNA在有丝分裂和减数分裂期间都要经过复制分离医学遗传学课件-第5章-线粒体遗传病如果通过“瓶颈”的mtDNA含有一种突变的基因，经过减数分裂和有丝分裂，突变的mtDNA随机分布到子代细胞。那么这个突变基因组就能够在发育完成之后的个体中占有

13、一定的数量。因此，一些干细胞很可能接受大量的携带突变基因的线粒体，随后形成的体组织细胞会具有高比例的携带突变基因的线粒体。如果氧化磷酸化系统缺陷的线粒体数量超过野生型，将会造成组织中能量供应水平降低，进而会影响组织的功能，特别是对那些能量需求高的组织。瓶颈效应限制了下传的mtDNA的数量及种类，造成子代个体间明显的异质性差异，甚至同卵双生子也可表现为不同的表型。如果通过“瓶颈”的mtDNA含有一种突变的基因，经过减数分裂 （五）mtDNA具有阈值效应的特性 线粒体病发病有一阈值，只有当异常的mtDNA超过阈值时才发病。女性携带者的细胞内突变的mtDNA未达到阈值或在某种程度上受核影响而未发病，

14、但仍可以通过mtDNA突变体向下代传递。 （五）mtDNA具有阈值效应的特性（六）mtDNA的突变率极高 mtDNA中基因排列紧凑，任何突变都可能会影响到其基因组内的某一重要功能区域。 mtDNA是裸露的分子，不与组蛋白结合。 mtDNA位于线粒体内膜附近，直接暴露于呼吸链代谢产生的超氧离子和电子传递产生的羟自由基中，极易受氧化损伤。 mtDNA复制频率较高，复制时不对称,缺乏有效的DNA损伤修复能力。 mtDNA突变率比nDNA高1020倍（六）mtDNA的突变率极高mtDNA突变率比nDNA高10（七） mtDNA的异质性当一部分mtDNA发生突变时，就会导致细胞内同时存在野生型和突变型两

15、种mtDNA，称为异质性。突变型与野生型mtDNA通过减数分裂和有丝分裂随机分布到子代细胞中，结果细胞中突变型与野生型mtDNA的比例发生随机增减（称为遗传漂变），最后，再分裂的子代细胞有朝着全部为突变型或全部为野生型mtDNA（即同质体）的方向发展的趋势，这一过程称为“复制分离”。野生型mtDNA对突变型mtDNA有保护和补偿作用，因此，mtDNA突变时并不立即产生严重后果。 （七） mtDNA的异质性当一部分mtDNA发生突变时，就（八） mtDNA中普遍存在多态现象mtDNA的另一个特征是在不同生物个体之间，多态现象非常普遍。有研究表明，在全世界范围内，任意两个人的线粒体之间，平均有61

16、.6个碱基对不同。这一性质现已被用作亲缘关系鉴定，在法医学、犯罪学和骸骨分析等领域中应用。（八） mtDNA中普遍存在多态现象mtDNA的另一个特征是第二节 mtDNA突变与人类疾病 线粒体突变导致的疾病主要累及肌肉、中枢和外周神经系统，与贫血和糖尿病等疾病也相关。第二节 mtDNA突变与人类疾病 线粒体突变导一、线粒体遗传病的突变类型 1.碱基突变错义突变: 也称氨基酸替换突变，主要与脑脊髓性及神经性疾病有关，常见有Leber遗传性视神经病和神经肌病。蛋白质生物合成基因突变: 比错义突变的疾病表型更具有系统性特征，且所有生物合成基因突变都为tRNA突变，并与线粒体肌病相关。主要有MERRF综

17、合征。一、线粒体遗传病的突变类型2.缺失、插入突变 mtDNA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。3.mtDNA拷贝数目突变2.缺失、插入突变引起mtDNA突变的原因： 氧化损伤细胞抗氧化机制的削弱缺乏有效的DNA损伤修复能力。引起mtDNA突变的原因： 氧化损伤细胞抗氧化机制的削弱2.核基因突变导致线粒体功能异常人类线粒体的发育约需要1000个基因（包括mtDNA编码的37个），线粒体内膜呼吸链的63个亚基仅有13个（20）由mtDNA编码，其余80由核基因编码，因此，线粒体病既可由线粒体基因也可由核基因突变所致。核DNA突变属于常染色体隐性或显性遗传。此外还存在性连

18、锁遗传。mtDNA和核基因的异常主要影响蛋白合成，导致线粒体功能的异常，包括：底物的运输缺陷；底物的利用缺陷；柠檬酸循环异常；氧化磷酸化脱偶联； 呼吸链异常。2.核基因突变导致线粒体功能异常人类线粒体的发育约需要1003.基因转录调节异常导致线粒体功能异常氧化磷酸化系统是由mtDNA和核DNA共同编码的，它们存在一些相似的转录调节因子。转录因子受损或功能异常，例如转录因子的氧应激损害，也可影响到线粒体氧化磷酸化的功能。3.基因转录调节异常导致线粒体功能异常氧化磷酸化系统是由mt二、人类线粒体遗传病 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功能障碍有关。二、人类线粒体

19、遗传病 又称线粒体细胞病，是指线粒体DNA的缺陷所造成细胞不能产生足够的ATP,而导致细胞功能减退甚至坏死，从而在临床上表现为复杂多样的症状。 线粒体DNA的缺陷包括线粒体DNA重复、缺失及点突变。 线粒体病 又称线粒体细胞病，是指线粒体DNA的缺陷所造成细胞不 人体内能量代谢最旺盛的器官最易受累，线粒体突变导致的疾病主要累及中枢神经系统、骨骼肌和心肌等能量需求较高的组织损害为主。 如病变易侵犯骨骼肌，提示线粒体肌病，如病变同时累及中枢神经系统，则称线粒体脑肌病。 与贫血和糖尿病等疾病也相关。 线粒体病病人可表现出极为广泛的临床特征。其中，常见的神经系统临床特征包括眼外肌瘫痪、视网膜色素变性、

20、耳聋、癫痫、共济失调、中风样发作、痴呆、肌病和外周性神经综合征。另外，病人也可以表现为非神经系统综合征，如糖尿病、内分泌紊乱性疾病、心肌病、肾功能低下、肝功能低下或血液系统功能紊乱及皮肤病。 线粒体病病人可表现出极为广泛的临床特征。其中，常见的神经系统医学遗传学课件-第5章-线粒体遗传病线粒体病的常见临床表现神经系统表现 脑血管意外样症状癫痫发作眼肌麻痹肌阵挛眼神经病肌病抑制性精神病感觉性神经耳聋共济失调 健忘外周性神经病 血管性头痛 脊髓病 线粒体病的常见临床表现神经系统表现 其他系统疾病表现 心脏传导系统缺陷 范可尼近端神经元机能障碍视网膜色素变性肾小球病肝病小肠假性梗阻糖尿病 个体矮小

21、乳酸中毒 全血减少 心肌病其他系统疾病表现 心脏传导系统缺陷 糖尿病 在许多mtDNA病人中常见的病理特征为骨骼肌活检可见破碎的红色纤维。这些破碎的红色纤维是肌肉纤维，其中含有大量异常的线粒体堆积物，这些堆积物可被一种特殊的染料染成红色。左图：肌纤维出现中度线粒体增殖；右图：线粒体已经占据了半个肌纤维；Gomori trichrome线粒体红染 在许多mtDNA病人中常见的病理特征为骨骼肌活检线粒体基因病系谱 线粒体基因病系谱 确定一个mtDNA是否为致病性突变，有以下几个标准：突变发生于高度保守的序列或发生突变的位点有明显的功能重要性；该突变可引起呼吸链缺损；正常人群中未发现该mtDNA突变

22、类型，在来自不同家系但有类似表型的患者中发现相同的突变；有异质性存在，而且异质性程度与疾病严重程度正相关。 mtDNA突变类型主要包括点突变、大片段重组和mtDNA数量减少。 确定一个mtDNA是否为致病性突变，有以下几个标准： 主要病变为视神经退行性变，发病较早，表现为急性亚急性视力减退，中心视野丧失最明显。Leber T 医生（一）Leber遗传性视神经病（OMIM # 535000） 主要病变为视神经退行性变，发病较早，表现为急性 一般认为是由于mtDNA点突变导致其第11778位精氨酸组氨酸 ,使编码呼吸链NADH脱氢酶mtDNA第340位精氨酸被组氨酸取代，改变了mtDNA阀间构型，

23、导致NADH脱氢酶活性降低，线粒体产能下降，对需能量多的视神经组织损害最大，久之导致视神经细胞退行性变，直至萎缩。 一般认为是由于mtDNA点突变导致其第11778位医学遗传学课件-第5章-线粒体遗传病mtDNA结构16569 bp11778 GA mtDNA结构11778 GA 医学遗传学课件-第5章-线粒体遗传病I 1 2 II 1 2 3 4 5 6III 1 2 3 4 5 6 7Leber遗传性视神经病家系之一I Leber遗传性视神经病家系之二Leber遗传性视神经病家系之二Leber遗传性视神经病家系之三Leber遗传性视神经病家系之三Leber遗传性视神经病家系之四Leber遗

24、传性视神经病家系之四（二）神经病伴运动性共济失调和视网膜色素变性（OMIM # 551500） 以发育迟缓，近端肢体肌无力，痴呆，抽搐，视网膜色素变性和感觉功能减退为特点。 在线粒体ATPase6基因的第8993位点发生T至G的颠换，使ATPase 第6亚单位的第156位上的亮氨酸改变为精氨酸。 （二）神经病伴运动性共济失调和视网膜色素变性（OMIM # 如果8993位置突变的异质性超过90%时，通常会发生一种致命的、发生在婴儿期的疾病，称Leigh综合征（Leigh syndrome，LS，OMIM # 256000）。主要病理学特征是基底神经节和脑干部位神经元细胞的退化 。Leigh综合征

25、患者 如果8993位置突变的异质性超过90%时，通常会发生 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）TG或TC，将ATPase 6亚基156位的亮氨酸改变为精氨酸或脯氨酸，从而影响ATP合酶的质子通道。 mtDNA结构16569 bpNARP8993TG NARP和Leigh综合征主要与ATP复合酶的功（三）MERRF综合征（OMIM # 545000） 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）。大脑卵圆核与齿

26、状核有神经元的缺失。MERRF综合征患者（三）MERRF综合征（OMIM # 545000） MTTK*MERRF 8344GmtDNA结构16569 bpMTTK*MERRF 8344GmtDNA结构（四）MELAS综合征（OMIM # 540000） 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、周期性的偏头痛、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，眼睑下垂。肌无力，身材矮小等。 （四）MELAS综合征（OMIM # 540000） 在MELAS患者中，异常的线粒体不能够代谢丙酮酸，导致大量丙酮酸生成乳酸，而后者在血液和其

27、他体液中累积。MELAS患者的特征性病理变化就是在脑和肌肉的小动脉和毛细血管管壁中有大量的形态异常的聚集的线粒体。 超过80%的突变率发生在tRNAleu(UUR)基因上的A3243G突变。 在MELAS患者中，异常的线粒体不能够代谢丙酮酸，MELAS患者脑部病变mtDNA结构16569 bpMTTL1*MELAS3243G MELAS患者脑部病变mtDNA结构MTTL1*MELAS3（五）链霉素耳毒性耳聋（OMIM # 580000） 1993年，Prezant等通过3个母系遗传的氨基糖甙类抗生素致聋（aminoglycoside antibiotics induced deafness,AAID）家系的研究，首次报道mtDNA编码