7.线粒体疾病

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章,线粒体疾病的遗传,线粒体就像是共生在细胞中的小细菌，其中也含有自己的遗传物质,DNA,线粒体电镜照片,线粒体遗传病是由于,mtDNA,的突变所导致。,有性生殖的方式决定了线粒体遗传属于母系遗传。（细胞质遗传）,1987年首次提出线粒体病概念，目前已经发现100多种疾病与线粒体,DNA,突变有关。,线粒体遗传病,第一节 人类线粒体基因组,线粒体内还含有,DNA,分子，被称为人类第25号染色体，是细胞核以外含有遗传信息和表达系统的细胞器，其遗传特点表现为非孟德尔遗传方式，又称核外遗传。1981年,Anderson,等人完成了人类线粒体基因组的全部核苷酸序列的测定。,线粒体基因组是人类基因组的重要组成部分，全长16569,bp，,不与组蛋白结合，呈裸露闭环双链状，根据其转录产物在,CsCl,中密度的不同分为重链和轻链，重链（,H,链）富含鸟嘌呤，轻链（,L,链）富含胞嘧啶。,mtDNA,分为编码区与非编码区，编码区为保守序列，不同种系间75%的核苷酸具同源性，此区包括37个基因：2个基因编码线粒体核糖体的,rRNA（16S、12S），22,个基因编码线粒体中的,tRNA，13,个基因编码与线粒体氧化磷酸化（,OXPHOS）,有关的蛋白质。,3个为构成细胞色素,c,氧化酶（,COX）,复合体（复合体）催化活性中心的亚单位（,COX、COX,和,COX）,2,个为,ATP,合酶复合体（复合体）,F0,部分的2个亚基（,A6,和,A8）,7,个为,NADH-CoQ,还原酶复合体（复合体）的亚基（,ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5,和,ND6）,1,个编码的结构蛋白质为,CoQH2-,细胞色素,c,还原酶复合体（复合体）中细胞色素,b,的亚基,线粒体基因组,1981年，,Anderson,完成了人线粒体基因组全序列的测定。,双链16569,bp，,其中一条为重链，一条为轻链。基因编码物各不相同。,2种,rRNA；22,种,tRNA；13,种蛋白质。,基因中多数情况下，几乎不含终止密码，,mRNA,在特定区域加,PolyA。,转录与翻译均在线粒体中进行。,DNA,不与组蛋白结合。,mtDNA,仅编码13种，绝大部分蛋白质亚基和其他维持线粒体结构和功能的蛋白质都依赖于核,DNA（nuclear DNA，nDNA）,编码，在细胞质中合成后，经特定转运方式进入线粒体。此外，,mtDNA,基因的表达受,nDNA,的制约，线粒体氧化磷酸酶化系统的组装和维护需要,nDNA,和,mtDNA,的协调，二者共同作用参与机体代谢调节，因此,线粒体是一种半自主细胞器，受线粒体基因组和核基因组两套遗传系统共同控制,。,与核基因转录比较，,mtDNA,的转录有以下特点：,两条链均有编码功能,两条链从,D-,环区的启动子处同时开始以相同速率转录，,L,链按顺时针方向转录，,H,链按逆时针方向转录,mtDNA,的基因之间无终止子,tRNA,基因通常位于,mRNA,基因和,rRNA,基因之间,mtDNA,的遗传密码与,nDNA,不完全相同,线粒体中的,tRNA,兼用性较强,mtDNA,可进行半保留复制，其,H,链复制的起始点（,OH）,与,L,链复制起始点（,OL）,相隔2/3个,mtDNA。,复制起始于,L,链的转录启动子，首先以,L,链为模板合成一段,RNA,作为,H,链复制的引物，在,DNA,聚合酶作用下，复制一条互补的,H,链，取代亲代,H,链与,L,链互补。被置换的亲代,H,链保持单链状态，这段发生置换的区域称为置换环或,D,环，故此种,DNA,复制方式称,D-,环复制,。,线粒体基因的突变,一、点突变,二、大片段重组,三、,mtDNA,数量减少,四、,mtDNA,突变的修复,mtDNA,突变率比,nDNA,高1020倍，,其原因有以下几点：,mtDNA,中基因排列紧凑，任何突变都可能会影响到其基因组内的某一重要功能区域,mtDNA,是裸露的分子，不与组蛋白结合,mtDNA,位于线粒体内膜附近，直接暴露于呼吸链代谢产生的超氧离子和电子传递产生的羟自由基中，极易受氧化损伤,mtDNA,复制频率较高，复制时不对称,缺乏有效的,DNA,损伤修复能力,线粒体研究的几个方面,1.核编码蛋白进入线粒体的机制2.线粒体与细胞死亡3.线粒体医学 线粒体疾病 线粒体治疗4.线粒体的起源,应用：人类寻根或起源研究,对衰老和肿瘤的研究,第二节,mtDNA,遗传系统特点：,mtDNA,高的自发突变率和比较差的修复系统,特点：,1、多质性,2、异质性,3、阈值效应,4、不均等的有丝分裂分离 在细胞分裂间经过复制和分离,5、母系遗传。不符合经典遗传定律，具有半自主性。,M,染色体，25号染色体）,6、部分遗传密码与核不同。,7、突变率极高（比核基因大10-20倍）,8、主要编码与氧化磷酸化过程相关的酶系,核,DNA,与,mtDNA,密码子差异,密码子 核,DNA mtDNA,UGA,终止 色氨酸,AGA,AGG,精氨酸 终止,AUA,异亮氨酸 甲硫氨酸,AAA,赖氨酸 天冬酰胺,CUU,CUC,CUA CUG,亮氨酸 苏氨酸,一、母系遗传,在精卵结合时，卵母细胞拥有上百万拷贝的,mtDNA，,而精子中只有很少的线粒体，受精时几乎不进入受精卵，因此，受精卵中的线粒体,DNA,几乎全都来自于卵子，来源于精子的,mtDNA,对表型无明显作用，这种双亲信息的不等量表现决定了线粒体遗传病的传递方式不符合孟德尔遗传，而是表现为母系遗传（,maternal inheritance），,即母亲将,mtDNA,传递给她的儿子和女儿，但只有女儿能将其,mtDNA,传递给下一代。,二、多质性,人体不同类型的细胞含线粒体数目不同，通常有成百上千个，而每个线粒体中有210个,mtDNA,分子，由于线粒体的大量中性突变，因此，绝大多数细胞中有多种,mtDNA,拷贝，其拷贝数存在器官组织的差异性。,三、异质性,如果同一组织或细胞中的,mtDNA,分子都是一致的，称为同质性（,homoplasmy）。,在克隆和测序的研究中发现一些个体同时存在两种或两种以上类型的,mtDNA，,这是由于,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，,称为异质性（,heteroplasmy）。,野生型,mtDNA,对突变型,mtDNA,有保护和补偿作用，因此，,mtDNA,突变时并不立即产生严重后果。,线粒体异质性可分为序列异质性（,sequence-based heteroplasmy）,和长度异质性（,length-based heteroplasmy），,一般表现为：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；同一个体在不同的发育时期产生不同的,mtDNA。,四、阈值效应,mtDNA,突变可以影响线粒体,OXPHOS,的功能，引起,ATP,合成障碍，导致疾病发生，但实际上基因型和表现型的关系并非如此简单。突变型,mtDNA,的表达受细胞中线粒体的异质性水平以及组织器官维持正常功能所需的最低能量影响，可产生不同的外显率和表现度。,五、不均等的有丝分裂分离,在连续的细胞分裂过程中，异质性细胞中突变型,mtDNA,和野生型,mtDNA,的比例会发生漂变，向同质性的方向发展。分裂旺盛的细胞（如血细胞）往往有排斥突变,mtDNA,的趋势，经无数次分裂后，细胞逐渐成为只有野生型,mtDNA,的同质性细胞。突变,mtDNA,具有复制优势，在分裂不旺盛的细胞（如肌细胞）中逐渐积累，形成只有突变型,mtDNA,的同质性细胞。漂变的结果，表型也随之发生改变。,阈值是一个相对概念，易受突变类型、组织、老化程度变化的影响，个体差异很大。例如，缺失5,kb,的变异的,mtDNA,比率达60%，就急剧地丧失产生能量的能力。线粒体脑肌病合并乳酸血症及卒中样发作（,MELAS）,患者,tRNA,点突变的,mtDNA,达到90%以上，能量代谢急剧下降。,不同的组织器官对能量的依赖程度不同，对能量依赖程度较高的组织比其它组织更易受到,OXPHOS,损伤的影响，较低的突变型,mtDNA,水平就会引起临床症状。中枢神经系统对,ATP,依赖程度最高，对,OXPHOS,缺陷敏感，易受阈值效应的影响而受累。其它依次为骨骼肌、心脏、胰腺、肾脏、肝脏。如肝脏中突变,mtDNA,达80时，尚不表现出病理症状，而肌组织或脑组织中突变,mtDNA,达同样比例时就表现为疾病。,同一组织在不同功能状态对,OXPHOS,损伤的敏感性也不同。如线粒体脑疾病患者在癫痫突然发作时，对,ATP,的需求骤然增高，脑细胞中高水平的突变型,mtDNA,无法满足这一需要，导致细胞死亡，表现为梗塞或梗死。,线粒体疾病的临床多样性也与发育阶段有关。例如肌组织中,mtDNA,的部分耗损或耗竭在新生儿中不引起症状，但受损的,OXPHOS,系统不能满足机体生长对能量代谢日益增长的需求，就会表现为肌病。散发性,KSS,和进行性眼外肌瘫痪（,PEO）,患者均携带大量同源的缺失型,mtDNA，,但却有不同的临床表现：,KSS,为多系统紊乱，,PEO,主要局限于骨骼肌，可能是由于,mtDNA,缺失发生在囊胚期之前或之中，在胚层分化时，如果缺失,mtDNA,相对均一地进入所有胚层，将导致,KSS；,仅分布在肌肉内将导致,PEO。,突变,mtDNA,随年龄增加在细胞中逐渐积累，因而线粒体疾病常表现为与年龄相关的渐进性加重。在一个伴有破碎红纤维的肌阵挛癫痫（,MERRF）,家系中，有85%突变,mtDNA,的个体在20岁时症状很轻微，但在60岁时临床症状却相当严重。,第三节 线粒体基因突变与疾病,线粒体突变导致的疾病主要累及肌肉、中枢和外周神经系统，与贫血和糖尿病等疾病也相关。,一、,MERRF,综合症肌阵挛性癫痫和破碎红纤维病,多系统紊乱，肌阵挛性癫痫，共济失调，轻度痴呆，耳聋，脊髓退化。,大量团块状线粒体聚集于肌细胞中（可被特异性染料染成红色，,破碎红纤维）。大脑卵圆核与齿状核有神经元的缺失。,突变名称：,MTTK*MERRF8344G,线粒体突变,转运,RNA,基因,赖氨酸,疾病缩写,突变位置,该位原碱基,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。,二、,Leber,遗传性视神经病（,LHON）,视神经与视网膜神经元退化，导致失明。男性发病率为女性5倍，原因不明。,9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：,MTND1*LHON3460A(50%-70%),MTND4*LHON11778A,MTND6*LHON14484G,(ND:,呼吸链复合物),Leber,遗传性视神经病,Leber,遗传性视神经病（,Leber hereditary optic neuropathy，LHON）,于1871年由,Leber,医生首次报道，因主要症状为视神经退行性变，故又称,Leber,视神经萎缩。患者多在1820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。,Leber T,医生,诱发,LHON,的,mtDNA,突变均为点突变。近年来，已相继报道有更多,mtDNA,点突变与,LHON,相关，均可引起基因产物的氨基酸替换，包括,G11778A、G14459A（ND6）、G3460A（ND1）、T14484C（ND6）、G15257A（cyt b）。,Leigh,综合征（,Leigh sysdrom）,慢性进行性眼外肌瘫痪（,chronic progressive external ophthalmoplegia，CPEO）,线粒体与细胞死亡,细胞凋亡的研究已经从细胞核控制凋亡过程的研究部分地转移到线粒