医学遗传学 线粒体遗传病

1医学遗传学线粒体疾病线粒体是真核细胞的能量代谢中心1894年在动物细胞质内首次发现线粒体1963年Nass首次在鸡卵母细胞中发现线粒体中存在DNA，同年Schatz分离到完整的线粒体DNA（mtDNA）1981年Anderson发表了完整的人类mtDNA1987年明确提出mtDNA突变可引起人类疾病23ComplexSubunitsNuclearmtDNAⅠ41347Ⅱ440Ⅲ11101Ⅳ13103ATPase14122mtDNA具有半自主性mtDNA复制离不开核基因组,如DNA聚合酶;mtDNA转录离不开核基因组,如RNA聚合酶;mtDNA翻译离不开核基因组,如氨酰tRNA合成酶、蛋白因子;核糖体的蛋白质是由核基因编码的。4双链16569bp，其中一条为重连，一条为轻连。基因编码物各不相同。编码区包含37个基因：2种rRNA；22种tRNA；13种蛋白质。第一节mtDNA的结构和遗传特征mtDNA结构特征基因之间排列紧密，基因间隔区只有87bp基因中无内含子序列，多数情况下不含终止密码mtDNA有两段非编码区：(1)D环区多为串联重复序列，1122bp，与mtDNA的复制和转录有关；(2)轻链复制起始区OLmtDNA突变率极高，多态现象普遍，进化速度最快，极少有同源性。D环区两侧有两个多态性高发区HVI、HVII。DNA不与组蛋白结合部分密码子不同于核基因组密码子。56线粒体DNA的复制MtDNA是以半保留方式进行复制的；MtDNA具有两个复制起始点OH和OL;重链顺时针方向复制，轻链逆时针复制；重链和轻链复制不是同步的；MtDNA的复制和核DNA的复制不同步；MtDNA的复制所需要的DNA聚合酶是由nDNA所编码的。θ型复制

DNA在复制原点解开成单链状态,分别作为模板,各自合成其互补链,则出现两个复制叉。复制中间体的形状类似于希腊字母θ型结构。滚环复制78线粒体基因组的转录两条链均有编码功能线粒体基因组转录的启动子:HSP和LSP重链逆时针方向转录，轻链顺时针转录转录和原核生物很相似，基因间无终止子tRNA基因位于其间，剪切位置常在tRNA处mRNA加尾不加帽mtDNA密码与nDNA密码的区别：1.UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码。因此，线粒体tRNAtrp可以识别UGG和UGA两个密码子。2.多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子编码；而起始甲硫氨酸由AUG,AUA,AUU和AUC四个密码子编码。3.AGA,AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，因而，在线粒体密码系统中的4个终止密码子（UAA,UAG,AGA,AGG）。910转录和翻译两个过程几乎在同一地点和同一时间进行；线粒体合成的蛋白质数量较少，其余的都是由核基因所编码的，如DNA聚合酶、RNA聚合酶、起始因子、延伸因子、释放因子、以及核糖体蛋白质等等；线粒体蛋白质的合成11第二节线粒体基因的突变突变率mtDNA突变率比nDNA高10～20倍mtDNA是裸露的分子，不与组蛋白结合，缺乏组蛋白的保护；呼吸链代谢产生的超氧粒子和电子传递产生的羟自由基，导致mtDNA点突变或缺失；mtDNA复制频率较高，复制时不对称，H单链DNA自发脱氨，导致点突变；缺乏有效的DNA损伤修复能力。12突变类型（一）点突变

多数点突变发生在线粒体的tRNA或rRNA基因上；部分点突变发生于mRNA相关的基因上。

（二）缺失、插入突变

以缺失较为常见，涉及多个基因，对OXPHOS功能影响大。5.0kb缺失、7.4kb缺失、10.4kb缺失。引起mtDNA缺失的原因可能是mtDNA分子中同向重复序列的滑动复制或同源重组。（三）mtDNA数量减少核基因缺陷所致线粒体功能障碍，表现为AD、AR

13mtDNA突变的修复

切除修复：核酸内切酶先切除损伤DNA片段，然后DNA聚合酶以未损伤链为模板，复制正确的核苷酸序列以填补形成的空缺。线粒体内存在上述过程所需的几种酶；

修复酶种类少，修复能力低。14mtDNA为母系遗传第三节mtDNA的遗传特性mtDNA的异质性与阈值效应15mtDNA的母系遗传把时间往后推到足够久远，那么必然有某个女子将是所有后代人类的纯粹母系的共同祖先，那些后代的线粒体统统来自于她的线粒体的原本。线粒体夏娃17遗传瓶颈效应

人类的每个卵母细胞中大约有10万个mtDNA，但只有随机的一小部分（2～200个）可以进入成熟的卵细胞传给子代。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异质性水平。

18异质性的发生机制：1、

mtDNA发生突变导致一个细胞内同时存在野生型mtDNA和突变型mtDNA。2、受精卵中存在的异质mtRNA在卵裂过程中被随机分配于子细胞中，由此分化而成的不同组织中会存在mtDNA异质性差异。异质性的表现：1、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mtDNA拷贝；2、同一个体在不同的发育时期产生不同的mtDNA。

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阈值效应（thresholdeffects）

突变所产生的效应取决于该细胞中野生型和突变型线粒体DNA的比例，只有突变型DNA达到一定数量（阈值）才足以引起细胞的功能障碍，这种现象称为阈值效应。

阈值效应的一个表现就是在某些线粒体遗传病的家系中，有些个体起初并没有临床症状，但随年龄增加由于自发突变、环境选择等原因，突变型DNA逐渐积累，线粒体的能量代谢功能持续性下降，最终出现临床症状。

20不均等的有丝分裂分离

细胞分裂时，突变型和野生型mtDNA发生分离，随机地分配到子细胞中，使子细胞拥有不同比例的突变型mtDNA分子，这种随机分配导致mtDNA异质性变化的过程称为复制分离。连续分裂时二者比例会发生漂变，向同质性的方向发展。21线粒体疾病广义：指以线粒体功能异常为主要病因的一大类疾病。狭义：线粒体DNA突变所致的线粒体功能异常。22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，在有害物质渗入（中毒）、病毒入侵（感染）等情况下，线粒体亦可发生肿胀甚至破裂。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。

23第二节线粒体疾病的分类生化分类

底物转运缺陷、底物利用缺陷、Krebs循环缺陷、电子传递缺陷、氧化磷酸化偶联缺陷遗传分类

核DNA（nDNA）缺陷、mtDNA缺陷、nDNA和mtDNA联合缺陷24第三节mtDNA突变引起的疾病

线粒体病是一组多系统疾病，临床症状以中枢神经系统和骨骼肌病变为主要特征。

线粒体脑病：病变以中枢神经系统为主。线粒体肌病：病变以骨骼肌为主。线粒体脑肌病：病变同时侵犯中枢神经系统和骨骼肌。25Leber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TheodorLeber的名字命名的，为一种急性或亚急性发作的母系遗传病。LeberT医生26

临床表现:视神经退行性变，故又称Leber视神经萎缩。患者多在18～20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。27

视神经与视网膜神经元退化，发病较早，视力减退，导致失明。289个线粒体基因突变与该病有关，突变种类达18种。主要突变类型：MTND4*LHONG11778AMTND1*LHONG3460AMTND6*LHONG14459A(ND:呼吸链复合物)使编码呼吸链NADH脱氢酶活性降低，线粒体产能下降，因而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。11778G→A导致编码NADH脱氢酶亚单位4(ND4)中第340位的Arg→His，从而影响线粒体能量的产生。Leber遗传性视神经病(LHON)11778G→A29线粒体脑肌病（mitochondria1encephalomyopathies，ME）

线粒体功能缺陷引起，以中枢神经和肌肉系统病变为主。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。（一）肌阵挛癫痫和粗糙纤维病（MERRF）（二）线粒体脑肌病合并乳酸血症及卒中样发作（MELAS）（三）Kearns-Sayre综合征（KSS）（四）Leigh综合征（LS）

30MERRF综合征MERRF综合征是一种罕见的、异质性的母系遗传病。典型为8344bp突变，即A8344G，导致tRNALys改变，使蛋白质合成受阻。8344bp

当线粒体中90%存在这种突变，将出现典型症状，当突变比例下降时，症状也随之变轻。主要临床表现：阵发性癫痫，伴有进行性神经系统障碍，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。31线粒体脑肌病合并乳酸血症及卒中样发作（MELAS）

主要临床表现：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。分子特征：线粒体tRNA的点突变，约有80%的患者是mtDNA的3243（位于tRNALeu基因）A→G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，rRNA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。32Kearns-Sayre综合征（KSS）KSS进行性眼肌麻痹，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、儿童或青春期发病。

33慢性进行性眼外肌瘫痪（CPEO）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；34KSS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0.5～8kb，最常见的类型是4.9kb的“普遍缺失”。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。偶尔可见8334位点（tRNALeu）和3242位点（tRNALeu）点突变可引起CPEO。KSS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，仅表现为眼外肌麻痹，肌细胞中缺失型mtDNA>85%时，表现为严重的KSS。35Leigh综合征（LS）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。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ATPase6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%；突变水平>90%时，表现为Leigh综合征。36帕金森病（Parkinsondisease，PD）

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、III甚至Ⅳ都存在功能缺陷，进而引起神经元中能量代谢障碍。大多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。37其他与线粒体有关的病变衰老肿瘤糖尿病38衰老

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。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%，细胞中8-OH-dG累积，促进mtDNA缺失。与增龄有关的突变类型主要是缺失，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。39肿