1、第五章 線粒體遺傳病,（ disease of mitochondrial inheritance）,1894年, Altmann發(fā)現(xiàn)動物細胞中線粒體。 1963年，M.Nass和S.Nass首次在雞卵母細胞中發(fā)現(xiàn)線粒體中存在有DNA。,1987年,Wallace等通過對線粒體DNA突變和Leber病的關系的研究后，明確地提出線粒體DNA突變可以引起人類的疾病。 目前已發(fā)現(xiàn)人類100余種疾病與線粒體DNA突變有關。,第一節(jié) 線粒體DNA的結構特點與遺傳特征,一、 線粒體DNA的結構特點,外環(huán)為重鏈（H）富含G 內環(huán)為輕鏈（L）富含C,12種多肽鏈 12S rRNA 16S rRNA 14種tR

2、NA,1種多肽鏈 8種tRNA,mtDNA: 雙鏈環(huán)狀的DNA分子、裸露不與組蛋白結合,分散在線粒體基質中，長約5um、含16569個堿基對。,mtDNA共有37個基因,2種 編碼 rRNA(12S和16S）基因 22種 編碼 tRNA基因 13種 編碼 蛋白質基因,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

3、in mitochondrial ribosomes and the 22 tRNAs used to translate mitochondrial mRNAs.,mtDNA與nDNA不同: 其分子上無核苷酸結合蛋白，缺少組蛋白的保護。 線粒體內無DNA損傷修復系統(tǒng)，mtDNA易發(fā)生突變 并容易得到保存。 每個線粒體內含有210個拷貝的mtDNA分子。 每個細胞可具有數(shù)千個mtDNA分子 。,mtDNA的半保留復制 : H鏈復制的起始點（OH）與L鏈復制起始點（OL）相隔2/3個mtDNA。復制起始于L鏈的轉錄啟動子，首先以L鏈為模板合成一段RNA作為H鏈復制的引物，在DNA聚合酶作用下，復

4、制一條互補的H鏈，取代親代H鏈與L鏈互補。被置換的親代H鏈保持單鏈狀態(tài)，這段發(fā)生置換的區(qū)域稱為置換環(huán)或D環(huán)。,D環(huán)復制,隨著新H鏈的合成，D環(huán)延伸，輕鏈復制起始點OL暴露，L鏈開始以被置換的親代H鏈為模板沿逆時針方向復制。兩條鏈的復制全部完成后，起始點的RNA引物被切除，缺口封閉，兩條子代DNA分子分離。 40分鐘后，新合成的松弛型線粒體DNA成為超螺旋狀態(tài)。,線粒體DNA復制,二、線粒體DNA的遺傳學特征 1. mtDNA半自主性 2. mtDNA遺傳密碼與通用密碼不完全相同 3. mtDNA為母系遺傳 4. mtDNA在有絲分裂和減數(shù)分裂期間都要經過復制分離 5. mtDNA具有閾值效應的

5、特征 6. mtDNA的突變率很高,（一）mtDNA具有半自主性 線粒體是一種半自主細胞器，受線粒體基因組和核基因組兩套遺傳系統(tǒng)共同控制 。,mtDNA僅編碼13種蛋白質，絕大部分蛋白質亞基和其他維持線粒體結構和功能的蛋白質都依賴于nDNA編碼，在細胞質中合成后，經特定轉運方式進入線粒體 。 mtDNA基因的表達受nDNA的制約，線粒體氧化磷酸酶化系統(tǒng)的組裝和維護需要nDNA和mtDNA的協(xié)調，二者共同作用參與機體代謝調節(jié)。,線粒體的半自主性,Complex Subunits Nuclear mtDNA 41 34 7 4 4 0 11 10 1 13 10 3 ATPase 14 12 2

6、合計 87 70 13,（二）線粒體基因組所用的遺傳密碼和通用密碼不完全等同,（三）mtDNA為母系遺傳,母親將她的mtDNA傳遞給兒子和女兒，但只有女兒能將其mtDNA傳遞給下一代。,線粒體的母系遺傳，O：卵子; S:精子; A、B、C子細胞; Z:受精卵,（四）mtDNA在有絲分裂和減數(shù)分裂期間都要經過復制分離 人的細胞里通常有上千個mtDNA拷貝，在突變體和正常mtDNA共存的細胞中，mtDNA在細胞的復制和分離過程中發(fā)生遺傳漂變，可導致子細胞出現(xiàn)三種基因型：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。,（五）mtDNA具有閾值效應的特性 線粒體病發(fā)病

7、有一閾值，只有當異常的mtDNA超過閾值時才發(fā)病。女性攜帶者的細胞內突變的mtDNA未達到閾值或在某種程度上受核影響而未發(fā)病，但仍可以通過mtDNA突變體向下代傳遞。,（六）mtDNA的突變率極高 mtDNA中基因排列緊湊，任何突變都可能會影響到其基因組內的某一重要功能區(qū)域。 mtDNA是裸露的分子，不與組蛋白結合。 mtDNA位于線粒體內膜附近，直接暴露于呼吸鏈代謝產生的超氧離子和電子傳遞產生的羥自由基中，極易受氧化損傷。 mtDNA復制頻率較高，復制時不對稱,缺乏有效的DNA損傷修復能力。,第二節(jié) mtDNA突變與人類疾病,線粒體突變導致的疾病主要累及肌肉、中樞和外周神經系統(tǒng)，與貧血和糖尿

8、病等疾病也相關。,一、線粒體遺傳病的突變類型 1.堿基突變 錯義突變: 也稱氨基酸替換突變，主要與腦脊髓性及神經性疾病有關，常見有Leber遺傳性視神經病和神經肌病。 蛋白質生物合成基因突變: 比錯義突變的疾病表型更具有系統(tǒng)性特征，且所有生物合成基因突變都為tRNA突變，并與線粒體肌病相關。主要有MERRF綜合征。,2.缺失、插入突變 mtDNA缺失突變引起絕大多數(shù)眼肌病，這種缺失導致的疾病一般無家族史。 3.mtDNA拷貝數(shù)目突變,二、人類線粒體遺傳病 目前發(fā)現(xiàn)的線粒體疾病集中在神經和肌肉系統(tǒng)，內分泌系統(tǒng)等疾病也與線粒體功能障礙有關。,線粒體病的常見臨床表現(xiàn),神經系統(tǒng)表現(xiàn) 腦血管意外樣癥狀

9、癲癇發(fā)作 眼肌麻痹 肌陣攣 眼神經病 肌病 抑制性精神病,感覺性神經耳聾 共濟失調 健忘 外周性神經病 血管性頭痛 脊髓病,其他系統(tǒng)疾病表現(xiàn),心臟傳導系統(tǒng)缺陷 范可尼近端神經元機能障礙 視網膜色素變性 腎小球病肝病 小腸假性梗阻,糖尿病 個體矮小 乳酸中毒 全血減少 心肌病,主要病變?yōu)橐暽窠浲诵行宰?，發(fā)病較早，表現(xiàn)為急性亞急性視力減退，中心視野喪失最明顯。,Leber T 醫(yī)生,（一）Leber遺傳性視神經?。∣MIM # 535000）,一般認為是由于mtDNA點突變導致其第11778位精氨酸組氨酸 ,使編碼呼吸鏈NADH脫氫酶mtDNA第340位精氨酸被組氨酸取代，改變了mtDNA閥間構型

10、，導致NADH脫氫酶活性降低，線粒體產能下降，對需能量多的視神經組織損害最大，久之導致視神經細胞退行性變，直至萎縮。,11778 GA,Leber遺傳性視神經病家系之一,Leber遺傳性視神經病家系之二,Leber遺傳性視神經病家系之三,Leber遺傳性視神經病家系之四,（二）神經病伴運動性共濟失調和視網膜色素變性（OMIM # 551500） 以發(fā)育遲緩，近端肢體肌無力，癡呆，抽搐，視網膜色素變性和感覺功能減退為特點。 在線粒體ATPase6基因的第8993位點發(fā)生T至G的顛換，使ATPase 第6亞單位的第156位上的亮氨酸改變?yōu)榫彼帷?如果8993位置突變的異質性超過90%時，通常會發(fā)

11、生一種致命的、發(fā)生在嬰兒期的疾病，稱Leigh綜合征（Leigh syndrome，LS，OMIM # 256000）。主要病理學特征是基底神經節(jié)和腦干部位神經元細胞的退化 。,Leigh綜合征患者,NARP和Leigh綜合征主要與ATP復合酶的功能受損有關，目前發(fā)現(xiàn)該病的致病突變主要是mtDNA第8993位點（ATPase6基因）TG或TC，將Pase 6亞基156位的亮氨酸改變?yōu)榫彼峄蚋彼?，從而影響ATP合酶的質子通道。,NARP8993TG,（三）MERRF綜合征（OMIM # 545000）,多系統(tǒng)紊亂，肌陣攣性癲癇，共濟失調，輕度癡呆，耳聾，脊髓退化。 大量團塊狀線粒體聚集于肌細

12、胞中（可被特異性染料染成紅色，破碎紅纖維）。大腦卵圓核與齒狀核有神經元的缺失。,MERRF綜合征患者,MTTK*MERRF 8344G,（四）MELAS綜合征（OMIM # 540000）,40歲以前開始出現(xiàn)的復發(fā)性休克、肌病、共濟失調、肌陣攣、癡呆和耳聾。少數(shù)患者出現(xiàn)反復嘔吐、周期性的偏頭痛、糖尿病。進行性眼外肌無力或麻痹使眼的水平運動受限，眼外肌麻痹，眼瞼下垂。肌無力，身材矮小等。,在MELAS患者中，異常的線粒體不能夠代謝丙酮酸，導致大量丙酮酸生成乳酸，而后者在血液和其他體液中累積。MELAS患者的特征性病理變化就是在腦和肌肉的小動脈和毛細血管管壁中有大量的形態(tài)異常的聚集的線粒體。 超過

13、80%的突變率發(fā)生在tRNA leu(UUR)基因上的A3243G突變。,MELAS患者腦部病變,MTTL1*MELAS3243G,（五）鏈霉素耳毒性耳聾（OMIM # 580000）,1993年，Prezant等通過3個母系遺傳的氨基糖甙類抗生素致聾（aminoglycoside antibiotics induced deafness,AAID）家系的研究，首次報道m(xù)tDNA編碼的12SrRNA基因1555位點AG的突變。 另一個導致聽力喪失的純質性突變是7445位點TG的突變 。,DEAF1555位點AG,7445位點TG,氨基糖甙類抗生素耳神經毒性,（六）KSS（OMIM # 530000）( CPEO),常見臨床表現(xiàn)是進行性眼外肌麻痹（PEO)和視網膜色素變性。還包括心肌電傳導異常，共濟失調，耳聾，癡呆和糖尿病。發(fā)病年齡一般低于20歲，大多數(shù)患者在確診后幾年內死亡。,KSS并不表現(xiàn)出特定的母系或核基因遺傳方式。然而癥狀表明是一種線粒體病。 KSS患者的線粒體分析表明有mtDNA結構的改變，包括大片段缺失(1000bp)和DNA復制。,CPEO患者眼外肌慢性進行性癱瘓,第8648位,第13460位,(七) 其他與線粒體有關的病變 帕金森病(Parkinson disease)