1、第一節(jié) 線粒體DNA的結(jié)構(gòu)與遺傳特征 第二節(jié) 線粒體基因突變與線粒體基因病,（mitochondrial diseases）,第四章 線粒體遺傳病,線粒體DNA,1、線粒體為真核細(xì)胞的能量代謝中心 2、1963年Nass發(fā)現(xiàn)線粒體中存在mtDNA 3、線粒體遺傳屬母系遺傳 4、1987年，Wallace提出線粒體DNA突變可引 起人類的疾病 5、目前已發(fā)現(xiàn)人類100余種疾病與線粒體DNA 突變有關(guān) 線粒體遺傳病是由于mtDNA的突變所導(dǎo)致線粒體疾病。,線粒體(mitochondria)的研究史,Leber遺傳性視神經(jīng)?。╨eber hereditary optic neuropathy,有許多

2、人類疾病的發(fā)生與線粒體功能缺陷相關(guān)，如線粒體肌病和腦肌病、線粒體眼病，老年性癡呆、帕金森病、型糖尿病、心肌病及衰老等，有人統(tǒng)稱為線粒體疾病。,復(fù)習(xí)思考題： 1、線粒體DNA的結(jié)構(gòu)特征如何？ 2、簡述線粒體遺傳的特點。 3、線粒體疾病主要受累的器官是哪些？ 4、常見的線粒體遺傳病有哪幾種？它們有什么共同特征？ 5、何謂多基因遺傳方式？ 6、何謂多基因??？與單基因遺傳病比較，它具有哪些特點？ 7、微效基因的累加效應(yīng)使患多基因遺傳病的家庭中會出現(xiàn)哪些不同的表現(xiàn)？ 8、一位臨醫(yī)生如何估計多基因病的再發(fā)風(fēng)險？ 9、遺傳度估計有哪兩種方法？熟悉其估計過程。 10、名詞解釋：雜質(zhì)性、閾值效應(yīng)、母系遺傳、遺傳

3、瓶頸、 遺傳率、發(fā)病閾值?；疾∫恢侣?第一節(jié) 線粒體DNA的 結(jié)構(gòu)特點與遺傳特征,一、線粒體DNA的 結(jié)構(gòu)特點 二、線粒體DNA的 遺傳特性,二、線粒體DNA的遺傳學(xué)特征,(一)mtDNA的復(fù)制具有半自主性,(二) mtDNA遺傳密碼與通用密碼不同,(三) mtDNA為母系遺傳（maternal inheritance ）,特點：母親將她的mtDNA傳給所有的兒女，但只有女兒能將其mtDNA傳遞給下一代。,即卵母細(xì)胞的遺傳瓶頸：卵母細(xì)胞約10萬個線粒體，卵子形成時只有10100個線粒體， 胚胎細(xì)胞早期分裂線粒體繁殖達(dá)1萬個。 這種線粒體數(shù)目從10萬個銳減到少于100個的過程稱為遺傳瓶頸。 如果

4、遺傳瓶頸保留下來的一個或幾個線粒體碰巧帶有致病基因就引起線粒體遺傳病。一些胚胎干細(xì)胞很可能接受大量的攜帶突變基因的線粒體。,(四) mtDNA在細(xì)胞分裂復(fù)制分離過程中存在遺傳瓶頸(genetic bottleneck)。,雜質(zhì)性細(xì)胞被認(rèn)為是以一種隨機(jī)的方式，將突變的mtDNA以不同比例傳遞給子細(xì)胞。,線粒體的復(fù)制分離,Replicative segregation,（五） mtDNA的雜質(zhì)性和閾值效應(yīng),“純質(zhì)性”（homoplasmy,“雜質(zhì)性”heteroplasmy,指一個細(xì)胞或組織中所有線粒體具有相同的線粒體基因組，全是野生型或者全是突變型。,表示一個細(xì)胞或組織既含有突變型，又含有野生型

5、線粒體基因組 mtDNA突變型+ mtDNA野生型,問題：什么叫線粒體遺傳屬母系遺傳？,閾值效應(yīng)threshold effect,當(dāng)突變的mtDNA達(dá)到一定的比例時，才有受損的表型出現(xiàn)。稱為閾值效應(yīng)。 線粒體病表型表達(dá)的閾值，明顯依賴于特定細(xì)胞或組織對能量的需求情況。腦、骨骼肌、心臟、肝臟對能量的需求依次降低。 線粒體病有累加效應(yīng)因此線粒體病有隨著年齡的增加病情會越來越嚴(yán)重的特征。 問題：什么叫閾值效應(yīng)？,（六）mtDNA的突變率極高,mtDNA的突變率比核DNA高1020倍。但因為都是中性和中度有害的mtDNA的突變，有害的突變會通過選擇(例如遺傳瓶頸) 而消除，故線粒體遺傳病并不常見。,線

6、粒體遺傳病的特點：,2、雜質(zhì)性細(xì)胞中mtDNA在細(xì)胞的復(fù)制和分離過程使子細(xì)胞的基因型有：純合的突變體mtDNA、純合的正常mtDNA、突變體和正常的mtDNA的雜合體。,3、線粒體病發(fā)病有一閾值，只有當(dāng)異常的mtDNA超過閾值時才發(fā)病。女性攜帶者可通過mtDNA突變體向下代傳遞。,1、母系遺傳，母親將她的mtDNA傳給兒和女，但只有女兒能將其mtDNA傳遞給下一代。,第二節(jié) 線粒體基因突變與線粒體基因病,線粒體的代謝障礙，則不能產(chǎn)生足夠的能量而導(dǎo)致細(xì)胞功能衰退，出現(xiàn)一系列臨床癥候。人群患病率約為1/8,500,線粒體基因突變 表現(xiàn)的臨床特征：,線粒體突變導(dǎo)致的疾病主要累及中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)，肌

7、病和腦病癥狀。與貧血和糖尿病等疾病也相關(guān)。,問題：線粒體疾病主要受累的器官是哪些,一、線粒體mtDNA的突變類型,（一）堿基突變,1、錯義突變：稱氨基酸替換突變。 Leber遺傳性視神經(jīng)萎縮. 2、蛋白質(zhì)生物合成基因突變：為tRNA基因突變， 例如，肌陣攣性癲癇 （MERRF綜合征）等,（二）缺失、插入突變：,例如，眼肌病，如KSS綜合征（無家族史、散發(fā)）,（三）mtDNA拷貝數(shù)目突變：,mtDNA拷貝數(shù)目低于正常。例如致死性嬰兒呼吸障礙等,mtDNA點突變引起的疾病,突變 相關(guān)基因表型 mt-3243 tRNALeu(UUR) MELAS/PEO/耳聾 mt-3256 tRNALeu(UUR

8、) PEO mt-3271 tRNALeu(UUR) MELAS mt-3303 tRNALeu(UUR) 心肌病 mt-3260 tRNALeu(UUR) 心肌病/肌病 nmt-4269 tRNAIle 心肌病 mt-5730 tRNAAsn 肌病(PEO) nmt-8344 tRNALys MERRF mt-8356 tRNALys MERRF/MELAS mt-15990 tRNAPro 肌病 mt-8993 A6 NARP/LEIGH mt-11778 ND4 LHON m mt-4160 ND1 LHON mt-3460 ND1 LHON mt-7444 COX1 LHON mt-1

9、4484 ND6 LHON mt-15257 Cyt6 LHON,二、常見線粒體基因病,（一）Leber遺傳性視神經(jīng)病（MIM535000） （二）MERRF綜合征（MIM545000） （三）MELAS綜合征（MIM540000） ） （四） KSS綜合征（MIM530000） （五）非胰島素依賴性糖尿病 （六）線粒體心肌病 （七）線粒體基因突變與衰老,（一）Leber遺傳性視神經(jīng)?。↙eber hereditary optic neuropathy，LHON）,本病1971年由Leber首先報告主要癥狀為視神經(jīng)退行性變，故又稱Leber視神經(jīng)萎縮?；颊叨嘣?820歲發(fā)病，視神經(jīng)與視網(wǎng)膜神經(jīng)

10、元退化，導(dǎo)致失明。 遺傳方式：多數(shù)是純質(zhì)性的母系遺傳病，如是雜質(zhì)性的個體細(xì)胞中突變mtDNA超過96時發(fā)病，少于80時男性病人癥狀不明顯。受累器官主要有中樞神經(jīng)系統(tǒng)。 主要影響線粒體氧化磷酸化水平和產(chǎn)生ATP的能力。通過引物PCR擴(kuò)增后再酶切可診斷。 男性發(fā)病率為女性5倍，差異的原因還不清楚。,臨床表現(xiàn)：為雙側(cè)視神經(jīng)嚴(yán)重萎縮引起的急性或亞急性雙側(cè)中央視力喪失，可伴有神經(jīng)、心血管、骨骼肌等系統(tǒng)異常，如頭痛、癲癇及心律失常等。,9個線粒體基因突變與該病有關(guān)，突變種類達(dá)約18種。主要突變類型： MTND4*LHON11778A(50%-70%) MTND1*LHON3460A MTND6*LHON1

11、4484C (ND: 呼吸鏈復(fù)合物),遺傳學(xué)（病因） 1988年Wallace等經(jīng)LHON的家系研究，首先發(fā)現(xiàn)該病是由于mtDNA第11778核苷酸位點突變，并造成呼吸鏈上還原型輔酶(NADH)脫氫酶第四個亞單位(ND4)基因編碼的第340位G突變?yōu)锳，氨基酸由精氨酸變?yōu)榻M氨酸。,一個LHON的典型系譜,（二）MERRF綜合征（MIM545000）,此病又稱為肌陣攣性癲癇和破碎紅纖維?。∕ERRF）,2、臨床癥狀：擴(kuò)張性心肌病，陣攣性癲癇，共濟(jì)失調(diào)，輕度癡呆，耳聾，脊髓退化。 病理檢驗：大量團(tuán)塊狀線粒體聚集于肌細(xì)胞中（染復(fù)合物II的特異性染料染成紅色，稱破碎紅纖維）。大腦卵圓核與齒狀核有神經(jīng)元

12、的缺失。是線粒體腦肌病的一種。還可用CT檢出。,1、遺傳方式：,為罕見的雜質(zhì)性母系遺傳病。細(xì)胞中突變mtDNA超過90時發(fā)病。,破碎紅纖維,在大腦和肌肉的 小動脈和毛細(xì)血管管壁中有 大量形態(tài)異常的線粒體聚集。,被Gomori trichrome染料，染成紅色的大腦細(xì)胞。,問題：線粒體疾病主要受累的器官是哪些？,3、病因：是線粒體基因組的tRNA Lys （賴氨酸）基因點突變的結(jié)果（A8344G）即第8344位AG突變 。線粒體蛋白質(zhì)合成受阻。主要影響線粒體氧化磷酸化水平。,正式名稱為MTTK *MERRF8344G。,線粒體突變,tRNA基因,賴氨酸,MT T K *MERRF8344G,MT

13、 T K * MERRF 8344 G, ,疾病縮寫詞,突變的位點,該位點突變基因,8344表示在mtDNA基因8344位置的（A 突變?yōu)镚）,堿基替換的命名,神經(jīng)和肌細(xì)胞中90%線粒體存在這種突變，將出現(xiàn)典型癥狀，突變比例較少癥狀也變輕。,（三）MELAS綜合征（MIM 54000）,1、遺傳方式：,為最常見的母系遺傳線粒體疾病。,2、臨床特點：,身材矮小,40歲前出現(xiàn)乳酸中毒陣發(fā)性嘔吐,復(fù)發(fā)性休克、在肌組織中mtDNA突變達(dá)到90%這些肌病、共濟(jì)失調(diào)、肌陣攣、癡呆和耳聾等癥狀會增加。,4、病因：,mtDNA堿基突變發(fā)生在兩個亮氨酸t(yī)RNA Leu（UUR）基因中的一個上，A3243G突變是

14、雜質(zhì)性的達(dá)到40%50%就發(fā)病，突變超過80%時病情嚴(yán)重。 突變干擾了tRNA的合成,異常的線粒體不能代謝丙酮酸,生成大量的乳酸,在血液和體液中累積。,又稱線粒體腦病伴乳酸性酸中毒及中風(fēng)樣發(fā)作綜合征是線粒體腦肌病的一種（MELAS）,3、正式名稱MTTL1 *MELAS3243G是雜質(zhì)性的,病理檢驗：破碎紅纖維,在大腦和肌肉的 小動脈和毛細(xì)血管管壁中有大量 形態(tài)異常的線粒體聚集。還可用CT檢出。,線粒體腫脹(基質(zhì)型)變空泡(心肌缺氧),線粒體內(nèi)晶形包含體(進(jìn)行性肌營養(yǎng)不良).,MELAS綜合征的mtDNA點突變引起的疾病,突 變相關(guān)基因表型 mt-3243 tRNALeu(UUR) 糖尿病、耳

15、聾 mt-3256 tRNALeu(UUR) MERRF/MELAS mt-3250、3251、 3302、3303 tRNALeu(UUR) 肌病 mt-3260 、3303 tRNALeu(UUR) 心肌病/肌病,（四）KSS（Kearns-Sayre Syadrome）病,KSS病又稱為慢性進(jìn)行性眼外肌麻痹,2、臨床特征：,進(jìn)行性外眼肌麻痹和視網(wǎng)膜色素變性以及心肌電傳導(dǎo)異常，共濟(jì)失調(diào)，耳聾、癡呆和糖尿病。,3、病因：,1/3的KSS疾病與4977bp缺失有關(guān)，斷裂點在ATP8和ND5基因內(nèi)或tRNA基因缺失。線粒體DNA大片段缺失和復(fù)制。使能量產(chǎn)生急劇下降或者影響呼吸鏈中蛋白質(zhì)復(fù)合物的組

16、裝。,1、遺傳方式：,多數(shù)病例是散發(fā)的,從成年期開始的非胰島素依賴性糖尿病現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)與8個基因有關(guān)其中與線粒體DNA突變有關(guān)。,（五）非胰島素依賴性糖尿病,1、臨床特征：,2、病因：,從成年期開始的非胰島素依賴性糖尿病現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)與8個基因有關(guān)，其中與線粒體DNA的tRNA基因3234A G點突變是糖尿病的致病基因. 患病率達(dá)82%。 母系遺傳的糖尿病另外還有長達(dá)10432bp 的DNA片段缺失造成嚴(yán)重的的線粒體蛋白質(zhì)合成缺陷。導(dǎo)致機(jī)體多個器官損害。,（六）線粒體心肌病(mitochondrial cardiomyopathy),1、臨床特征：,有嚴(yán)重的心力衰竭，活動性呼吸困難、心動過速、全身肌無力

17、、全身水腫、以及心臟、肝臟增大等癥狀。,2、遺傳方式：,常見的母系遺傳線粒體疾病,3、病因：,患者的心肌mtDNA均有mtDNA 7436bp缺失。含有8個編碼基因。缺失位于863716037位。造成氧化磷酸化障礙生成ATP減少。,（七）線粒體基因突變與衰老（aging）,在老年人組織器官中已發(fā)現(xiàn)10多種mtDNA 缺失突變，其中4977bp缺失最為常見。 從死于各種疾病的患者心肌發(fā)現(xiàn)，mtDNA7438缺失突變風(fēng)險隨年齡的增長而提高，說明人的衰老與mtDNA突變的積累呈正相關(guān)。 由始可見mtDNA異常所導(dǎo)致的疾病也可以是后天獲得并隨著年齡的增長而顯現(xiàn)和加重。,小結(jié) 1、線粒體疾病主要受累的器

18、官是哪些？ 2、簡述線粒體遺傳的特點。 3、常見的線粒體遺傳病有哪幾種？ 它們有什么共同特征？ 4、名詞解釋：純質(zhì)性、雜質(zhì)性、閾值效應(yīng)、 母系遺傳、遺傳瓶頸、發(fā)病閾值。,三、核DNA編碼的線粒體疾病,導(dǎo)肽或稱靶系列：每一個核DNA編碼的線粒體蛋白在其N-末端通常有一個2080個氨基酸組成的序列，稱為導(dǎo)肽 導(dǎo)肽的功能：導(dǎo)肽通過與線粒體外膜受體結(jié)合后進(jìn)入線粒體內(nèi)，行使許多功能，包括轉(zhuǎn)運(yùn)分子、代謝底物、產(chǎn)生ATP、調(diào)節(jié)對鐵的攝入、控制線粒體DNA復(fù)制、維持線粒體DNA結(jié)構(gòu)的完整性等等,（四）神經(jīng)病伴運(yùn)動性共濟(jì)失調(diào)和視網(wǎng)膜色素變性(NARP) 1、病因：ATP6基因8993位置發(fā)生突變 2、臨床特征：

19、為一種罕見的異質(zhì)性線粒體病，發(fā)育遲緩、肌無力、癡呆、抽搐，視網(wǎng)膜色素變性和感覺功能衰退為特點,核基因突變引起線粒體疾病的類型,（一）線粒體蛋白輸入缺陷 病例一：丙酮酸脫羧酶轉(zhuǎn)入障礙 1、病因：由于基因突變，使核蛋白轉(zhuǎn)入線粒體基質(zhì)出現(xiàn)障礙，丙酮酸脫氫酶復(fù)合體（PDHC）的活性降低而致病 2、臨床表現(xiàn)：患者眼部異常，中樞神經(jīng)系統(tǒng)退變 3、遺傳方式：XR（致死性）,病例二：鳥氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（OAT）活性缺陷,（二）底物運(yùn)輸缺陷,病例一 ：脂酰肉堿轉(zhuǎn)移酶（CACT蛋白）缺陷 1、病因：由于編碼線粒體脂肪酸氧化酶-CACT酶的基因突變，使心肌和骨骼肌細(xì)胞中的CACT酶發(fā)生缺陷，導(dǎo)致長鏈脂肪酸不能通過線粒

20、體內(nèi)膜，就會多種系統(tǒng)異常 2、臨床特征：肝臟、心肌和骨骼肌異常，使嬰兒出生后數(shù)日或數(shù)月內(nèi)死亡。,（三）底物利用缺陷,病例一 ：肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶（CPR）缺陷 1、病因：由于位于染色體1p32上編碼肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶的CPT基因突變，使線粒體內(nèi)膜上CPT催化的長鏈脂肪酸氧化過程出現(xiàn)異常2、臨床特征：劇烈運(yùn)動或饑餓后肌肉疼痛無力，幼兒期發(fā)作型病情嚴(yán)重通常是致死的，可累及肝臟、心肌和骨骼肌,病例二：參與脂肪酸氧化的多酶復(fù)合體（TP）缺陷,1、病因：位于2p23的HADHA和HADHB基因突變導(dǎo)致TP復(fù)合體功能喪失 2、臨床特征：突發(fā)的幼兒期死亡，包括昏迷、低血糖、肝功能衰竭、骨骼肌變性和心肌病,（四）

21、鏈霉素耳毒性耳聾（streptomycin ototoxicity）（MIM 580000）,鏈霉素導(dǎo)致的聽力喪失有家族性傾向， 與中等劑量的抗生素相關(guān)稱之。,機(jī)理：,氨基糖苷耳毒性耳聾的致病機(jī)理：為氨基糖苷干擾了耳蝸內(nèi)毛細(xì)胞線粒體ATP的產(chǎn)生。發(fā)病的分子基礎(chǔ)：12SrRNA基因核苷酸1555 A G突變，是氨基糖苷耳毒性耳聾的分子基礎(chǔ)。,病例三：延胡索酸水合酶（FH）缺陷,1、病因：F H基因突變使F H缺陷，導(dǎo)致線粒體腦肌病 2、臨床特征：腦肌病導(dǎo)致幼兒死亡 3、遺傳方式：AR 4、基因定位：1q42.1,（四）鐵運(yùn)輸缺陷,病例一：Friedreich共濟(jì)失調(diào)(FRDA) 病因：是由三核苷酸重復(fù)增多導(dǎo)致鐵運(yùn)輸缺陷所引起的致死性疾病 臨床表現(xiàn)：進(jìn)行性肢體活動障礙，輕度失明、耳聾、糖尿病、肥厚性心肌病可致死（成人前發(fā)?。?遺傳方式：AR FRDA基因產(chǎn)物FRDA蛋白存在于線粒體內(nèi)膜與基質(zhì)中,（五）電子傳遞鏈缺陷,病例一 ：復(fù)合體活性缺陷 1、病因：編碼復(fù)合體蛋白的一個單位（AQPQ）的NDUFS4基因突變 2、臨床表現(xiàn)：患兒嚴(yán)重嘔吐、肌張力減退、死于心衰和呼吸衰竭。,病例二：遺傳