《课件：线粒体病》由会员分享，可在线阅读，更多相关《课件：线粒体病（97页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 线粒体遗传病 (genetic mitochondrial disease),1894年，Altmann发现动物细胞线粒。 1963年，M.Nass和S.Nass首次在鸡卵母细胞中发现线粒体中存在有DNA。 1987年，Wallace等通过对线粒体DNA突变和Leber病的关系的研究后，明确地提出线粒体DNA突变可引起人类的疾病。,人类每个细胞的线粒体内含有多拷贝小环状双链DNA，称为线粒体DNA（mitochondrial DNA ，mtDNA）。是独立于细胞核基因组外的又一个基因组。 线粒体DNA称为第25号染色体或染色体M。M。,到目前为止，已经发现100多种mtDNA重排和50
2、多种mtDNA点突变与人类疾病相关。,线粒体遗传病：遗传物质DNA异常导致线粒体功能异常而引起的疾病。包括mtDNA、核DNA(nDNA)异常以及mtDNA异常和nDNA异常共同作用导致的疾病。,第一节 人类线粒体基因组（mtgenome）,一、线粒体基因组的结构特征,线粒体基因组是人类基因组的重要组成部分，它主要编码与线粒体功能相关的tRNA，rRNA及蛋白质。,1981年，剑桥大学的Anderson小组测定了人mtDNA的完整DNA序列，称为“剑桥序列”。,总长度仅16569个碱基对 双链环状的DNA分子: 外环为重链（H） 内环为轻链（L） H链富含G ，L链多含C。重链和轻链上的编码物
3、各不相同。,2个rRNA基因，共编码2个rRNA分子，用于构成线粒体的核糖体； 22个tRNA基因，编码22种tRNA分子，用于线粒体mRNA的翻译； 13个蛋白质基因，编码13种蛋白质,都是呼吸链酶复合体的亚单位。,线粒体DNA含有37个基因,线粒体基因排列非常紧凑,不含内含子。 唯一的非编码区是D环,约1000bp。该区包括mtDNA重链复制的起始点和轻重链转录的启动子以及四个高度保守的序列。 因此，mtDNA的任何突变都会累及到基因组中的一个重要功能区域。,与核基因不同，mtDNA分子缺少组蛋白的保护，并且无DNA修复系统。这是mtDNA易于突变，而且突变难以修复并遗传到子代细胞的分子基
4、础。,二、线粒体基因组的遗传学特征 （一）线粒体基因组具半自主性,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。,mtDNA仅编码13种蛋白质，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nDNA编码，在细胞质合成后，经特定转运方式进入线粒体。 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，二则共同作用参与机体代谢调节。,线粒体DNA突变所产生的表型极为多态。在一个家系中，患病个体的表现可以完全不同；有的以血管病变为主，如中风、冠心病等；有的表现为不同程度的肌无力；有的以精神症状为主；有的以眼科
5、疾病为突出表现。发病的年龄差异也很大。,（二）表型的高度多态（polymorphism）,（三）纯质性与杂质性 纯质性（homoplasmy）：在一个细胞或组织中，所有的线粒体都具有相同的基因组，或者全都是野生型序列，或者都是携带有同样一个基因突变的序列 杂质性（heteroplasmy）：一个细胞或组织中同时具有突变型和野生型线粒体DNA，也称为异质。,异质性一般表现为： 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线粒体DNA拷贝； 同一个体在不同的发育时期产生不同的线粒体DNA分子。,人类受精卵中的线粒体绝大部分来自卵母细胞。母亲把线粒体DNA传递给所有的子女，但
6、是只有她的女儿们将其线粒体DNA传给下一代。这种传递方式被称为母系遗传。,（四）线粒体DNA为母系遗传,精子、卵子中线粒体悬殊的数量对比 (卵子：精子100，000：100) 有性生殖中的受精方式：精卵结合时精子提供的只是核DNA，受精卵中的细胞质全部来自卵子。,线粒体基因组的遗传表现出典型的母系遗传的特点：只有女性患者可将致病基因传递给后代，而后代无论男女均可发病。精子的线粒体外膜上存在有泛素，当精子进入卵子后，受精卵以一种主动的方式降解了来自精子的线粒体及其中的DNA。,案例 患者，英国桑德兰人，女，45岁。其从母亲身上继承了一种疾病，她的母亲所生的孩子有3个夭折。她有6个孩子在出生数小时
7、后死亡；此外她还有3次流产，而唯一活下来的孩子现年20岁的爱德华4岁半时被确诊患有与母亲同样的疾病，只能在轮椅上艰难度日。,诊断：该女性家系中的疾病为线粒体遗传病,（五）阈值效应（threshold effects）,阈值效应：突变mtDNA的比例需达到一定程度才足以引起某种组织或器官功能异常。,mtDNA突变可以影响线粒体氧化磷酸化的功能，引起ATP合成障碍，导致疾病发生。,不同组织对氧化磷酸化代谢损伤的反应不同，引起细胞功能障碍所需的突变mtDNA数量也就不同。 疾病表型的出现与否以及严重程度，取决于两方面的因素： 突变型与野生型mtDNA 的相对比例； 组织细胞对能量的需求。,各种组织对
8、氧化磷酸化的依赖性有所不同，脑、骨骼肌、心脏、肾脏、肝脏，对能量的依赖性依次降低。,因此线粒体遗传病常以肌病和脑病为特征！,（六）线粒体DNA的突变率极高,线粒体DNA的突变率极高，约比核DNA高10-20倍。,线粒体DNA缺少组蛋白的保护； 线粒体中没有DNA损伤的修复系统； 细胞中的线粒体DNA拷贝数多，且每个线粒体基因 组中的任何碱基都可能发生突变。,线粒体DNA的高突变率造成群体中个体之间的线粒体DNA序列极大不同。任何两个人的线粒体DNA，平均每1000个碱基对中就有4个碱基不同。 尽管线粒体DNA突变非常普遍，但线粒体遗传病目前还不是想象中的那麽常见。,（七）随机分离：mtDNA自
9、主复制，不依赖核染色体而将复制后的DNA分配到子细胞中去。,（八）遗传密码不同于通用密码,遗传瓶颈（genetic bottleneck ）：线粒体在卵母细胞成熟时数目锐减的现象。 通过遗传瓶颈而保留下来的线粒体完全是随机的，因此不同的卵母细胞含有不同比例的突变型线粒体DNA。,（九）遗传瓶颈,如果卵母细胞保留下来较高比例的突变型线粒体DNA，由这个卵母细胞受精发育而来的后代就更易出现线粒体疾病。 相反，如果卵母细胞经过减数分裂的复制分离后，卵母细胞不含有线粒体DNA突变，或含有较低比例线粒体DNA突变，那么这种卵母细胞受精发育而来的后代则可能不会发病，或症状较轻。,第二节 线粒体基因突变 与
10、疾病,一、线粒体基因突变的类型 （一）碱基替换 1.mRNA基因的错义突变 当某一密码突变前编码的氨基酸与突变后编码的氨基酸不同时叫错义突变。 主要与脑、脊髓及神经性疾病有关，常见有Leber遗传性视神经病(LHON)和神经肌病。,2.tRNA基因突变 tRNA是蛋白质合成时氨基酸的“运输工具”，tRNA碱基置换导致其结构异常，必然影响线粒体的蛋白质生物合成，从而导致线粒体遗传病。与线粒体肌病相关，主要有癫痫伴碎红纤维病(MERRF综合征),3.rRNA基因突变 mtDNA有两个rRNA基因，分别编码12SrRNA和16SrRNA，它们是线粒体核糖体的重要组成部分。 与线粒体肌病、脑病相关，主
11、要有线粒体肌病脑病伴乳酸中毒及中风样发作综合征（MELAS综合征）。,发生在蛋白质编码基因的突变影响特定的呼吸链蛋白质。 发生在tRNA和rRNA编码基因的突变，影响整个线粒体蛋白质的合成。,（二）缺失、插入突变 缺失突变引起绝大多数眼肌病，这种缺失导致的疾病一般无家族史，且随年龄增长而病情严重，如慢性进行性眼外肌麻痹（KSS）。 （三）线粒体DNA拷贝数突变 主见于致死性婴儿呼吸障碍等。,二、常见线粒体遗传病（MID）,目前发现的线粒体疾病集中在神经和肌肉系统，内分泌系统等疾病也与线粒体的功能障碍有关。,(一)Leber遗传性视神经病(LHON),Leber遗传性视神经病是被证实的第一种母系
12、遗传的疾病，至今尚未发现一个男性患者将此病传给后代。 LHON是以德国眼科医生Theodor Leber的名字命名的，为一种急性或亚急性发作的母系遗传病。男女病人比例5:1。,Leber T 医生,1.临床症状,是典型的人类母系遗传病。 本病起病为急性或亚急性球后视神经炎，导致严重双侧视神经萎缩，丧失中心视野，视力急剧减退，但周围视力仍存在。 任何年龄均可发病，但发病高峰年龄是2025岁。 男性患者明显多于女性，约5：1，性别差异原因不清。,视网膜神经元和视神经的退化是它的主要病理特征。,2.病理特征,Leber遗传性视神经病是第一种被证实由线粒体DNA突变导致的母系遗传疾病。 目前已经发现了
13、至少有18种错义突变可直接或间接地导致这种疾病的出现。这些突变分别位于线粒体基因组编码9种呼吸链蛋白质的基因中,涉及呼吸链复合体、和。,3.遗传学基础,MTND4 * LHON （G)11778 A,mt,突变 gene,疾病临床字母的缩略词,mtDNA突变位点,突变后的 核苷酸种类,线粒体碱基置换疾病的名称,NADH脱氢酶亚单位,Leber遗传性视神经病,Leber遗传性视神经病可分为两种类型： 第一种类型：单个线粒体突变就足以导致出现临床症状。在第一种类型的病例中，96的患者由以下三种错义突变引起(原发型） MTND1*LHON3460A 13% MTND4*LHON11778A 69%
14、MTND6*LHON14484C 14% 第二种类型：需要二次突变或其他变异才能出现临床症状。（继发型）,该碱基替换使酶复合体ND4亚单位中的第340位高度保守的精氨酸变成了组氨酸，从而影响了线粒体能量的产生。 该突变可以对大约50的LHON家系用限制性酶切片段分析技术进行基因诊断。,MTND4*LHON11778A 69%,11778 G,MTND4*LHON11778A,SfaN,Mae,normal,abnormal,normal,abnormal,原理：,normal,abnormal,PCR，酶切,SfaN,Mae,（二）伴有破碎红纤维的肌肉阵挛性癫痫 （myoclonnus epi
15、lepsy and ragged-red fibers , MERRF）,1.临床症状,通常在儿童期发病，病程可持续很多年。 脑和肌肉组织受累，常常出现多系统紊乱症状 ： 肌阵挛性癫痫的短暂发作 共济失调 痴呆 感觉神经性听力丧失 呼吸异常 心肌病 肌肉组织的组化检查可观察到特征性的破碎红纤维。,2.遗传学基础,绝大部分病例是一种tRNA基因发生点突变的结果： MTTK*MERRF（A）8344G MT表示线粒体基因突变， T代表转运RNA， K表示赖氨酸， A8344G表示该基因8344碱基位置的鸟嘌呤变异,发生在转运RNA基因的这种突变影响了整个线粒体蛋白的合成，除了复合体，所有氧化磷酸化
16、成分的含量降低。 MERRF综合征家系中的线粒体DNA通常为异质性，当突变的线粒体DNA达到或超过90时，个体将会出现典型的临床症状,（三）线粒体肌病脑病伴乳酸中毒及中风样发作综合征（MELAS） 1.临床症状 40岁以前开始出现的复发性休克、肌病、共济失调、肌阵挛、痴呆和耳聋。 少数患者出现反复呕吐、周期性的偏头疼、糖尿病。 进行性眼外肌无力或麻痹使眼的水平运动受限，眼外肌麻痹，眼脸下垂。肌无力，身材矮小等。,在MELAS患者中，异常的线粒体不能够代谢丙酮酸，导致大量的丙酮酸生成乳酸，而后者在血液和其他体液中累积。 MELAS患者的特征性病理变化是在脑和肌肉的小动脉和血管壁中有大量的形态异常的聚集的线粒体。,2.发病机理 MTTL1*MELAS3243G(AG ) ,使tRNALeu(UUR) 基因发生突变（80%） tRNALeu基因内的其它位点（3252，3256，3271，3291）突变 tRNAV
