線粒體疾病的學習材料第1頁/共33頁染色體外遺傳最初由Correns（1909）在紫茉莉中發現，之后在其它高等生物、微生物中都有發現，包括動物細胞中的線粒體、植物中的葉綠體、細菌的質粒等。核外遺傳的共同特點：（1）無有絲分裂和減數分裂的周期變化，遺傳上不符合孟德爾定律；（2）雜交或正反交后，子代僅表現母方特性細胞質遺傳（3）遺傳物質是DNA第2頁/共33頁線粒體（mitochondria）1894年發現線粒體。細胞呼吸中氧化還原反應在線粒體中進行，并在此過程中產生大量的能量供生命活動細胞能量代謝中心。1963年Nass首次在雞卵細胞發現線粒體中存在DNA，Schatz于同年分離到完整的線粒體DNA（mitochondrialDNA,mtDNA）。1988年Wallace等通過對線粒體DNA突變和Leber?。ㄟz傳性視神經病之間關系的研究后，明確提出線粒體DNA突變可引起人類疾病。第3頁/共33頁人線粒體的結構每個線粒體可含2－10條DNA鏈，單個細胞內可存在多個線粒體。線粒體的核糖體與原核生物相似，對一些抗生素敏感，線粒體可能是細胞內處于共生狀態的微生物獨立進化而來LynnMargulis線粒體的復制、轉錄、翻譯都不依賴于細胞核DNA,但是細胞核和線粒體在功能上相互依賴。第4頁/共33頁人線粒體DNA的結構人類mtDNA—一種較小閉環雙鏈DNA,含16,569個核苷酸，編碼37個基因,包括不同氧化磷酸化復合物的蛋白亞基（13個），rRNA(2個）、tRNA（22個）基因等。mtDNA的突變可見于各種編碼基因。第5頁/共33頁mtDNA的幾個特點有助于解釋其致病機理：mtDNA半自主復制，沒有內含子；mtDNA所用的遺傳密碼與核基因通用密碼存在差異。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；暴露于氧化磷酸化所產生的氧自由基中,突變發生風險較核DNA大10－20倍。第6頁/共33頁PossiblephylogenetictreeofhumanmitochondriabasedonanalysisofpresenceorabsenceofrestrictionenzymesinmitochondrialDNAfrom147persons.TheEveHypothesis第7頁/共33頁基因多態性—基因突變在人群中的一種表現形式多態性（polymorphism）:群體中同一基因座上有兩個或兩個以上的等位基因同時存在。單核苷酸多態性（singlenucleotidepolymorphism,SNP）:人類基因組序列中最常見的變異形式是SNP，這種多態包括單個堿基的替換、單個堿基的插入和缺失（后兩者主要在非表達序列）。GAGCTCGAACTTGAG,GAGGAG,GAAGAA,GAA人群中出現三種基因型第8頁/共33頁RFLP分析DNA

限制性內切酶MstII

的識別序列CCTNAGG

ACTCCTGAGGAG（可酶切）ACTCCTGTGGAG（不能切）N代表任一核苷酸ACTCCTGAGGAG1350bp1150b/p>

AAATTT第9頁/共33頁分析mtDNA取自5個地理區域（Africa、Asia、Australia、NewGuinea、Europe）的147人；使用12種不同的限制性內切酶消化；通過RFLP分析mtDNA的限制性酶譜；共獲得133種限制性酶譜型；通過mtDNA的演化，分析人類的起源。第10頁/共33頁ThecommonancestorofallhumanmitochondrialDNAwholivedinAfricabetween14,000-28,000yearsago.第11頁/共33頁（1）線粒體遺傳?。?）核基因突變引起的線粒體疾病線粒體疾病分類第12頁/共33頁Leber遺傳性視神經?。↙eberhereditaryopticneuropathy,LHON）LHON是人類母系遺傳病的代表。以急性或亞急性眼球后神經炎，導致雙側視神經萎縮和大片中心暗點而突然喪失視力為特征，同時伴色覺障礙。發病高峰年齡20－30歲，但任何年齡均可發病。急性發作后視力可進一步衰退，但通?？删S持0.02－0.5。無特殊并發癥，有些家系出現其它神經異常，如智力障礙。1988年Wallace等確認線粒體呼吸鏈復合物遺傳性異常是LHON的病因。第13頁/共33頁Leber遺傳性視神經?。↙HON）的遺傳異質性在編碼線粒體呼吸鏈蛋白（多肽）的線粒體基因中，至少有18種錯義突變直接和間接地導致LHON表型出現。LHON分為兩種類型：（1）單一突變導致LHON表型（2）需要2次突變或其它變異才能產生臨床表型第一種類型中，90％以上病例存在有下列突變之一：MTND1*LHON3460A、MTND4*LHON11778A、MTND6*LHON14484C，LHON家族中存在同質性和異質性，而異質性LHON中突變線粒體DNA的閾值水平

70%。第14頁/共33頁Leber遺傳性視神經病（LHON）第15頁/共33頁Kearns-Sayre

Syndrome，KSS特征性癥狀：眼外肌麻痹、視網膜變性、心傳導阻滯、腦脊液蛋白含量增高。患者臨床表現可有：虛弱、乳酸酸中度、聽力喪失、癡呆、個頭矮小等發病年齡一般<20歲，大多數病人在確診幾年后死亡。病因學基礎：線粒體DNA大片段缺失和復制（重復），缺失多大于1000bp。約1/3的Kearns-Sayre病例與線粒體存在4977bp大小的DNA缺失有關第16頁/共33頁第17頁/共33頁Kearns-Sayre

SyndromeKSS的病情嚴重程度依賴于異質性的程度和突變線粒體的組織分布。當肌細胞中有缺失的線粒體基因組大于85%時，可發生所有KSS的臨床特征。在異質性處于較低水平時，進行性眼外肌麻痹是主要癥狀。當突變線粒體基因組在造血干細胞中大量存在時就會出現造血功能障礙，血細胞不能利用鐵進行血紅蛋白的合成，引起致命性的貧血—缺鐵性貧血。機制：突變線粒體DNA在某組織中高比例出現時，部分基因，包括tRNA的喪失，能量產生急劇下降，使組織功能出現障礙。第18頁/共33頁MERRFSyndrom（myoclonnusepilepsyandragged-redfibers)—肌陣攣性癲癇和破碎性紅纖維病

具有多系統紊亂的癥狀：短暫發作的癲癇，共濟失調癥狀，肌細胞減少，輕度癡呆，耳聾，脊髓神經退化等；大量團塊狀異常線粒體聚集在肌細胞；在嚴重MERRF患者在大腦、小腦、腦干和脊髓等部位發現神經元的缺失。大部分MERRF病例是由于tRNA基因點突變的結果（A8344G)—MTTK

*MERRF8344G神經、肌肉細胞中90%的線粒體存在MTTK

*MERRF8344G，便會出現典型的MERRF癥狀；若突變線粒體所占比例較小時，MERRF癥狀將較輕，并可能不典型。第19頁/共33頁線粒體堿基替換疾病的命名例：MTTK

*MERRF8344G

包含三個部分：

1.MTTK:MT，指線粒體；T,代表轉運RNA;

K，表示賴氨酸

2.MERRF：描述疾病臨床特征的字母縮略詞

3.8344G：表示堿基改變的位置疾病編號MIM----：MendelianInheritanceinMan第20頁/共33頁MERRF8344G第21頁/共33頁MELASSyndrom（mitochondrialencephalomyopathywithlacticacidosisandstroke-likeepisodes）—線粒體肌病腦病伴乳酸中毒及中風樣發作綜合癥

臨床特征：復發性休克，肌病，共濟失調，肌陣發性痙攣，癡呆，耳聾等。乳酸酸中毒：由于異常線粒體不能代謝丙酮酸，導致大量丙酮酸生成乳酸，使后者在血液和體液中積累。

特征性的病理變化：腦和肌肉的小動脈和毛細血管管壁中有大量形態異常的線粒體聚集第22頁/共33頁MELASSyndrom

在MELAS病例中，MTTL1*MELAS3243G（A3243G)突變的發生率超過80％。突變發生在兩個tRNALeu之一上。一般情況下，MTTL1*MELAS3243G是異質性的，當突變線粒體DNA90％，出現休克，共濟失調，肌陣發性痙攣，癡呆等癥狀；當MTTL1*MELAS3243G線粒體達40－50％，就可能出現慢性進行性眼外肌麻痹、肌病、耳聾等癥狀。

MELAS癥的基因突變還可能發生在tRNALeu的其它位點，如3250，3252，3271，3291上。不同的單核苷酸突變可能產生線粒體遺傳病復雜多變的表型，如類似于MERRF的表型。第23頁/共33頁MELAS3243G第24頁/共33頁mtDNA突變與非綜合征型耳聾GeneMutationReference12SrRNA1555A>GJaberetal,199312SrRNA1494C>TZhaoetal,200412SrRNA961(differentM)Bacinoetal,1995tRNASer7445A>GReidetal,1994tRNASer7510T>CTirantietal,1995第25頁/共33頁核基因突變引起的線粒體疾病大量的參與線粒體功能活動的蛋白質是由核基因編碼。如，氧化磷酸化過程：≧69基因；線粒體編碼其中13個。每一個核DNA編碼的線粒體蛋白在其N－末端通常有數十個氨基酸組成的序列—靶序列。后者結合在線粒體外膜的受體上，后者促使蛋白質從外膜進入膜間隙或進入基質，行使諸多的功能：分子轉運，底物代謝，氧化磷酸化，線粒體DNA復制，維持DNA結構的穩定。參與線粒體功能活動的細胞核基因突變可導致相應線粒體功能的異常第26頁/共33頁線粒體蛋白輸入缺陷：突變發生在線粒體輸入蛋白的信號序列。如位于染色體Xp22.1的PHDA1基因，編碼蛋白參與丙酮酸的代謝，已發現其靶序列的突變導致的疾病。信號序列長度可達85個氨基酸殘基，序列不完全一致，但有相似的構象。2.底物運輸缺陷：如與脂肪酸轉運有關蛋白的缺陷，可導致多系統異常；模式動物人工致腺苷酸轉運蛋白的異常，出現線粒體肌病類似癥狀。第27頁/共33頁3.底物利用缺陷：線粒體參與物質代謝的多種酶類由核基因編碼，突變失活將影響相應功能。4.鐵運輸缺陷：Friedreich共濟失調是由三核苷酸重復序列的拷貝數增多導致鐵運輸缺陷所引起的致死性疾病，呈常染色體隱性遺傳，基因產物定位于線粒體內膜和基質。5.電子傳遞鏈缺陷第28頁/共33頁線粒體遺傳病的傳遞和發病規律mtDNA具半自主性：能獨立地復制、轉錄、翻譯，但核基因編碼大量維持線粒體結構和功能的蛋白質，以及編碼大多數氧化磷酸化酶的蛋白亞單位，因此mtDNA功能又受核DNA影響。密碼子與核基因有差異：mtDNA中，UGA色氨酸。而非stop.第29頁/共