1、第十四章 線粒體遺傳病 （disease of mitochondrial inheritance)本章重點1掌握線粒體疾病、異質性、閾值效應、母系遺傳、遺傳 瓶頸等概念。2掌握線粒體DNA的結構與遺傳特點。3熟悉線粒體基因組與核基因組的關系。4掌握幾種常見的人類線粒體疾病。5. 了解線粒體DNA的復制、轉錄特點。power plant 1894年，德國Altmann首次發現線粒體，并命名為bioblast 1897年，Benda正式命名為mitochondrion(線粒體)1963年，Nass在雞胚中發現線粒體中存在DNA Schatz分離到完整的線粒體DNA1981年，劍橋大學Anders

2、on小組測定人mtDNA1987年，Wallace提出mtDNA突變可引起疾病的完整DNA序列，稱為“劍橋序列”第一節 線粒體DNA的結構特點與遺傳特征線粒體基因組線粒體是細胞質中獨立的細胞器，也是動物細胞核外唯一的含有DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)的細胞器。25號染色體每個正常人的細胞內約有幾百到幾千個線粒體每個線粒體內約有210 mtDNA拷貝人mtDNA是一個長為16,569 bp的雙鏈閉合環狀分子，外環含G較多，稱重鏈(H鏈)，內環含C較多，稱輕鏈(L鏈)。一、線粒體DNA的結構特點線粒體的H鏈是12種多肽鏈、12S rRNA、16S rRNA和14種tRNA

3、的轉錄模板，L鏈是1種多肽鏈和8種tRNA轉錄的模板。人類的mtDNA編碼13條多肽鏈、22種tRNA和2種rRNA。13種蛋白質均是呼吸鏈酶復合物的亞單位。D環復制（取代環復制）：不對稱復制。特點：兩條鏈的復制起點不在同一點上，一條鏈先復制，另一條鏈保持單鏈而被取代；當一條鏈復制到一定程度時才暴露出另一條鏈的復制起點，另一條鏈才開始復制。線粒體DNA的復制復制方式為半保留復制，由線粒體的 DNA聚合酶完成。 H鏈復制起始點(OH)與L鏈復制起始點(OL)相隔2/3個mtDNA。線粒體基因的轉錄特點：1. 兩條鏈均有編碼功能2. 兩條鏈從D-環區的啟動子處同時開始以相同的速 率轉錄，L鏈-順時

4、針，H鏈-逆時針3. mtDNA的基因之間無終止子4. tRNA基因通常位于mRNA基因和rRNA基因之間5. 線粒體中的tRNA兼用性較強，1個tRNA可以識別 幾個簡并密碼子 二、線粒體DNA的遺傳學特征mtDNA半自主性 mtDNA遺傳密碼與通用密碼不完全相同 mtDNA為母系遺傳 mtDNA在有絲分裂和減數分裂期間都要經過復制分離 mtDNA具有閾值效應的特征 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共同控制 。 mtDNA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

5、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的組裝和維護需要nDNA和mtDNA的協調，二者共同作用參與機體代謝調節。ComplexSubunitsNuclearmtDNA41347440111011310314122837013（二）線粒體基因組所用的遺傳密碼和通用密碼不完全等同多肽內部的甲硫氨酸由AUG和AUA兩個密碼子編碼，起始甲硫氨酸由AUG，AUA，AUU和AUC四個密碼子編碼 UGA不是終止信號，而是色氨酸的密碼 AGA，AGG不是精氨酸的密碼子，而是終止密碼子，線粒體密碼系統中有4個終止密碼子（UAA，UAG，A

6、GA，AGG）（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。mtDNA的母系遺傳 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生遺傳漂變，可導致子細胞出現三種基因型：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。（四）mtDNA在有絲分裂和減數分裂期間都要經過復制分離遺傳瓶頸效應：10萬2200 異質性(heteroplasmy):由于mtDNA突變率極高，使得一個細胞內同時存在突變型和野生型mtDNA，也叫雜質性。 同質性(homo

7、plasmy):同一組織或細胞中的mtDNA分子都是一致的，也稱做純質性。 機制：雜質性細胞經過有絲分裂和減數分裂，隨機分離到兩個子細胞中的突變型和野生型mtDNA的比例發生改變，分別向純合突變型和純合野生型漂變，經過無數次分裂后，細胞達到純合型。能引起特定組織器官功能障礙的突變mtDNA的最少數量稱閾值。線粒體病發病有一閾值，只有當異常mtDNA超過閾值時才發病。不同的組織器官對能量的依賴程度不同，腦、骨骼肌、心臟、胰腺、腎臟、肝臟對能量的依賴性依次降低。 ATP產生越少，病癥涉及的器官越多，癥狀越嚴重。最先受損的是中樞神經系統，其后為骨骼肌、心臟、胰腺、腎臟和肝臟。（五）mtDNA具有閾值

8、效應的特性（六）mtDNA的突變率極高 原因： 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 mtDNA突變與人類疾病1987年發現第一個mtDNA突變以來，現已發現100多個與疾病相關的點突變、200多種缺失和重排。mtDNA突變類型主要包括點突變、片段缺失插入和mtDNA拷貝數目減少。一、線粒體遺傳病的突變類型 1.堿基突變錯義

9、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眼肌病，這種缺失導致的疾病一般無家族史。3.mtDNA拷貝數目突變 與核基因突變有關。線粒體病（mitochondrial disease, MD）: 以線粒體結構或功能異常為主要病因的一大類疾病。特點： 1.MD多數由于線粒體DNA改變而引起。 2.MD具有母系遺傳的特點。 3.MD多為神經、肌肉

10、系統疾病。二、人類線粒體遺傳病 線粒體病涉及組織病因：mtDNA發生突變（片段缺失或點突變） 無法編碼M在氧化代謝過程中必須的酶/載體 糖原/脂肪酸（底物）不能進入M或不能被充分利用 ATP產生不足 細胞功能減退甚至壞死mtDNA突變引起的疾病 中樞神經系統和骨骼肌對能量的依賴性最強，故臨床癥狀以中樞神經系統和骨骼肌病變為特征.線粒體腦病: 病變以中樞神經系統為主；線粒體肌病: 病變以骨骼肌為主；線粒體腦肌病: 病變同時侵犯中樞神經系統和骨骼肌。 （一）Leber遺傳性視神經病（OMIM # 535000）Leber遺傳性視神經病是以德國眼科醫生Theodor Leber的名字命名的，又稱Le

11、ber視神經萎縮，為一種急性或亞急性發作的母系遺傳病，男女病人比例5:1，至今尚未發現一個男性患者將此病傳給后代。Leber T 醫生視神經與視網膜神經元退化，發病較早，表現急性亞急性視力減退，中心視野喪失明顯，導致失明；可伴有神經、心血管、骨骼肌等系統異常。患者正常者11778GA導致編碼NADH脫氫酶亞單位4(ND4)中第340位的Arg精His組，改變ND4空間構型，NADH脫氫酶活性降低，線粒體產能效率下降，視神經細胞提供能量不能長期維持視神經完整結構，導致神經細胞退行性變、死亡。Leber遺傳性視神經病(LHON)11778 GA公認的致病性最強的三種原發性突變11778GA 90.

12、 9%3460GA 1. 8% 14484TC 7. 3% 其它致病基因位點突變Leber遺傳性視神經病家系患者多在1820歲發病，男性較多見，個體細胞中突變mtDNA超過96時發病，少于80時男性病人癥狀不明顯鏈霉素、慶大霉素、妥布霉素、新霉素、巴龍霉素等氨基糖甙類藥物進入耳蝸和前庭毛細胞的線粒體并蓄積，抑制線粒體蛋白質的合成并抑制耳蝸和前庭細胞氧化磷酸化，造成線粒體和細胞受損，啟動細胞調亡，最終造成患者聽力下降。 A1555G突變線粒體 12S rRNA（二）鏈霉素耳毒性耳聾（OMIM # 580000） mtDNA結構16569 bpDEAF1555位點AG 7445位點TG常規劑量的氨

13、基糖苷類抗生素致聾的分子機制線粒體12S rRNA的A1555G和C1494T突變二級結構圖 氨基糖甙類抗生素耳神經毒性以發育遲緩，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。（三）神經病伴運動性共濟失調和視網膜色素變性（ NARP ）mtDNA結構16569 bpNARP8993TG在線粒體ATPase6基因的第8993位點發生T至G的顛換，使ATPase第6亞單位的第156位上亮氨酸精氨酸，從而影響ATP合酶的質子通道。如果8993位置突變的異質性超過90%時，通常會發生一種致命的、發生在嬰兒期的疾病，稱Leigh綜合征（Leigh syndrome，LS，OMIM #

14、 256000）。主要病理學特征是基底神經節和腦干部位神經元細胞的退化 。Leigh綜合征患者（四）癲癇伴碎紅纖維病 （MERRF綜合征）多系統紊亂，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 8344A GmtDNA結構16569 bp病因：超過90%的突變率發生在tRNA lys上的A8344G突變（五）線粒體腦肌病伴乳酸血癥和卒中樣發作 （ MELAS綜合征）1020歲發病，40歲以前開始出現的復發性休克、肌病、共濟失調、肌陣攣、癡呆和耳

15、聾。少數患者出現反復嘔吐、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異常的聚集的線粒體。MELAS患者腦部病變mtDNA結構16569 bpMTTL1*MELAS3243G超過80%的突變率發生在tRNA leu(UUR)基因上的A3243G突變（六） KSS綜合征（慢性進行性外部眼肌麻痹，CPEO) 常見臨床表現：是進行性眼外肌麻痹（CPEO)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。發病年齡一般低于20歲，大多數患