第十章 线粒体遗传病1 线粒体是人体细胞内除细胞核外唯一含有线粒体是人体细胞内除细胞核外唯一含有DNADNA的细胞器的细胞器 2(一)大小:为较大的细胞器,直径约0.5-1.0um(二)数目:数百至数千不等,代谢旺盛的细胞多,每个线粒体中含有每个线粒体中含有2～～10个个环状环状 DNA；一般随机分布， 可自由移动，需能部位比较集中 哺乳动物成熟红细胞: 无 精子细胞: 25个 肝细胞: 1300个 卵母细胞: 30万个(三)电镜下结构:双层膜套叠而成的封闭性膜囊结构,内外膜不相 连,与细胞质隔离内膜是线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的主要部位四)功能：氧化磷酸化，产生ATP，储积钙离子 31894年，德国学者Altman在动物细胞中现，并称之为:bioblast(生命小体)；1897年，正式命名为:mitochondrion；1963年，首次在鸡卵细胞中发现线粒体中存在DNA；同年，分离得到完整的线粒体DNA（mtDNA）；1981年发表了线粒体DNA测序结果；1987年Wallace提出mtDNA突变可能引起人类疾病；1988年首次报道线粒体突变。
线粒体历史 4第一节第一节 mtDNAmtDNA的结构与遗传特征的结构与遗传特征 线粒体内含有线粒体内含有DNA分子，是动物细胞核以外唯一含有遗传信息和分子，是动物细胞核以外唯一含有遗传信息和表达系统的细胞器，其遗传特点表现为表达系统的细胞器，其遗传特点表现为非孟德尔遗传方式非孟德尔遗传方式，又称，又称核外核外遗传遗传 一、线粒体基因组的结构 1981年，剑桥大学的Anderson小组测定了人mtDNA完整的序列，被命名为“剑桥序列”mtDNA是人类基因组的组成部分，被称为第25号染色体 5l线粒体基因组全长线粒体基因组全长16569bp；；l不与组蛋白结合，呈裸露闭不与组蛋白结合，呈裸露闭环双链状，根据其转录产物环双链状，根据其转录产物在在CsCl中密度的不同分为重中密度的不同分为重链和轻链；链和轻链；l重链（重链（H链）富含鸟嘌呤，轻链）富含鸟嘌呤，轻链（链（L链）富含胞嘧啶链）富含胞嘧啶 线粒体基因组特点： 6mtDNA分为编码区与非编码区分为编码区与非编码区l编码区：保守序列，包括编码区：保守序列，包括37个基因个基因线粒体基因组构成：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tRNA13个基因编码与线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）有关的蛋白质3个为构成细胞色素个为构成细胞色素c氧化酶（氧化酶（COX）复合体（复合体）复合体（复合体Ⅳ）催化活性）催化活性中心的亚单位（中心的亚单位（COXⅠ、、COXⅡ和和COXⅢ））2个为个为ATP合酶复合体（复合体合酶复合体（复合体Ⅴ））F0部分的部分的2个亚基（个亚基（A6和和A8））7个为个为NADH-CoQ还原酶复合体（复合体还原酶复合体（复合体Ⅰ）的亚基（）的亚基（ND1、、ND2、、ND3、、ND4L、、ND4、、ND5和和ND6））1个编码的结构蛋白质为个编码的结构蛋白质为CoQH2-细胞色素细胞色素c还原酶复合体（复合体还原酶复合体（复合体Ⅲ）中细胞色素）中细胞色素b的亚基的亚基 7mtDNA任何区域的突变都可能导致线粒体氧化磷酸化功能的病理性改变。
各基因之间排列极为紧凑，部分区域出现重叠，无启动子和内含子，缺少终止密码子，仅以U或UA结尾 7控制区：（D loop）1122bp，串联重复序列，H链复制起始点， H链和L链转录启动子，4个保守序列L链复制起始区非编码区：mtDNA突变率极高，多态现象比较普遍尤其D环区是线粒体基因组中进化速度最快的DNA序列，极少有同源性 8线粒体基因组复制特点线粒体基因组复制特点 mtDNA可进行半保留复制，其可进行半保留复制，其H链复制的起始点（链复制的起始点（OH）与）与L链链复制起始点（复制起始点（OL）相隔）相隔2/3个个mtDNA复制起始于复制起始于L链的链的转录启动转录启动子子，首先以，首先以L链为模板合成一段链为模板合成一段RNA作为作为H链复制的引物，在链复制的引物，在DNA聚合酶作用下，复制一条互补的聚合酶作用下，复制一条互补的H链，取代亲代链，取代亲代H链与链与L链互补被链互补被置换的亲代置换的亲代H链保持链保持单链状态单链状态，这段发生置换的区域称为置换环或，这段发生置换的区域称为置换环或D环，故此种环，故此种DNA复制方式称复制方式称D-环复制环复制。
D-环复制 mtDNAmtDNA具有自主的半保留复制能力具有自主的半保留复制能力 但是但是mtDNAmtDNA的复制、转录和翻译等都受的复制、转录和翻译等都受细胞核基因的控制细胞核基因的控制一）（一）mtDNAmtDNA复制具半自主性复制具半自主性9线粒体基因组遗传半自主性：线粒体基因组遗传半自主性：l mtDNA仅编码仅编码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功能的蛋白质都依赖于核DNA（（nuclear DNA，，nDNA）编码，在）编码，在细细胞质胞质中合成后，经特定转运方式进入线粒体；中合成后，经特定转运方式进入线粒体；lmtDNA基因的表达受基因的表达受nDNA的制约，线粒体氧化磷酸酶化系统的组装的制约，线粒体氧化磷酸酶化系统的组装和维护需要和维护需要nDNA和和mtDNA的协调，二者共同作用参与机体代谢调的协调，二者共同作用参与机体代谢调节 （二）（二）mtDNAmtDNA的密码子不同于通用密码子的密码子不同于通用密码子核核DNADNA与与mtDNAmtDNA密码子差异密码子差异密码子密码子 核核DNA mtDNA UGA 终止终止 色氨酸色氨酸 AGA, AGG 精氨酸精氨酸 终止终止 AUA 异亮氨酸异亮氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸 AAA 赖氨酸赖氨酸 天冬酰胺天冬酰胺CUU,CUC,CUA CUG 亮氨酸亮氨酸 苏氨酸苏氨酸tRNAtRNA兼用性也较强，仅用兼用性也较强，仅用2222个个tRNAtRNA来识别来识别多达多达4848个密码子。
个密码子10 nmtDNAmtDNA基因组是严格按照母系遗传方式，即基因组是严格按照母系遗传方式，即随细胞质遗传的，所以又称随细胞质遗传的，所以又称核外遗传核外遗传n因为在精卵结合形成受精卵时，几乎没有精子细胞质的参与，线粒体的因为在精卵结合形成受精卵时，几乎没有精子细胞质的参与，线粒体的这种传递方式称为这种传递方式称为母系遗传母系遗传n其特点其特点: :母亲把母亲把mtDNAmtDNA传递给儿子和女儿，但只有女儿能将传递给儿子和女儿，但只有女儿能将mtDNAmtDNA传递给传递给下一代因此，线粒体突变基因及其表型几乎全部由女性患者传递因此，线粒体突变基因及其表型几乎全部由女性患者传递 （三）（三）mtDNAmtDNA为母系遗传为母系遗传（（maternal inheritancematernal inheritance））11 （四）（四）mtDNAmtDNA在有丝分裂和减数分裂期间要经过复制分离在有丝分裂和减数分裂期间要经过复制分离且存在遗传瓶颈且存在遗传瓶颈n一一个个人人的的卵卵母母细细胞胞中中大大约约有有十十万万个个线线粒粒体体，，但但是是当当卵卵母母细细胞胞成成熟熟时时，，绝绝大大多多数数线线粒粒体体会会丧丧失失，，数数目目可可能能会会少少于于1010个个，，最最多多不不会会超超过过100100个个。
然然后后经经过过胚胚胎胎细胞早期分裂，繁殖的线粒体会达到每个细胞含有细胞早期分裂，繁殖的线粒体会达到每个细胞含有1 1万个或更多万个或更多n遗遗传传瓶瓶颈颈（（genetic genetic bottle bottle neckneck））：：线线粒粒体体的的数数目目从从十十万万个个锐锐减减到到少少于于100100个的过程个的过程12 （五（五）杂质性（）杂质性（heteroplasmyheteroplasmy）与）与阈值效应（阈值效应（threshold effectthreshold effect））如果一个细胞或组织中所有的线粒体具有相同的线粒如果一个细胞或组织中所有的线粒体具有相同的线粒体基因组，或者都是野生型，或者都是突变型，称为体基因组，或者都是野生型，或者都是突变型，称为纯质性纯质性（（homoplasmyhomoplasmy）突变型和野生型突变型和野生型线粒体线粒体共存共存于一种细胞或组织的现象，于一种细胞或组织的现象，称称异质性异质性（杂质性）杂质性） 突变的突变的mtDNAmtDNA的表达主要由特定组织中的表达主要由特定组织中突变型与野生型突变型与野生型mtDNAmtDNA 的相对的相对比例决定比例决定。
13 14把能破坏能量代谢，引起特定组织或器官功能障碍的把能破坏能量代谢，引起特定组织或器官功能障碍的最少的突变最少的突变mtDNAmtDNA分子称为分子称为阈值效应阈值效应mtDNA的阈值效应的阈值效应 （六）（六）mtDNAmtDNA具有高突变率具有高突变率15比nDNA高10－20倍其原因有以下几点：1、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2、mtDNA是裸露的分子，不与组蛋白结合3、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4、缺乏有效的DNA损伤修复能力 第二节 线粒体基因突变与疾病⒈碱基突变 ①①错义突变错义突变 通常发生在通常发生在mtDNAmtDNA中的蛋白质编码中的蛋白质编码序列上，主要与脑脊髓性及神经性疾病有关，序列上，主要与脑脊髓性及神经性疾病有关，如如LeberLeber遗传性视神经病遗传性视神经病 占比占比1/3 ②②蛋白质生物合成基因突变，多为蛋白质生物合成基因突变，多为tRNAtRNA基因突基因突变。
与线粒体肌病有关变与线粒体肌病有关 占比占比2/3 16 17 大片段重组包括缺失和重复，以缺失较为常见大片段重组包括缺失和重复，以缺失较为常见 大片段的缺失往往涉及多个基因，可导致线粒体大片段的缺失往往涉及多个基因，可导致线粒体OXPHOS功能下功能下降，产生的降，产生的ATP减少，从而影响组织器官的功能减少，从而影响组织器官的功能 常见缺失：常见缺失： 8483～～13459：：Kearns-Sayre综合症（综合症（KSS）、缺血性心脏病）、缺血性心脏病 ；； 8637～～16073：与衰老有关的退行性疾病：与衰老有关的退行性疾病； 4389～～14812：能量代谢受到严重破坏：能量代谢受到严重破坏 2、大片段重组拷贝数目突变指mtDNA拷贝数大大低于正常，这种突变较少，仅见于一些致死性婴儿呼吸障碍、乳酸中毒或肌肉、肝、肾衰竭的病例3、mtDNA拷贝数目突变 1 1、、LeberLeber遗传性视神经病遗传性视神经病（（Leber hereditary opticneuropathyLeber hereditary opticneuropathy LHON LHON）） 18线粒体疾病线粒体疾病 是典型的人类母系遗传病。
是典型的人类母系遗传病 本本病病起起病病为为急急性性或或亚亚急急性性球球后后视视神神经经炎炎，，导导致致严严重重双双侧侧视视神神经经萎萎缩缩，，丧失中心视野，视力急剧减退，但周围视力仍存在丧失中心视野，视力急剧减退，但周围视力仍存在 任何年龄均可发病，但发病高峰年龄是任何年龄均可发病，但发病高峰年龄是2020～～2525岁 男性患者明显多于女性，约男性患者明显多于女性，约5 5：：1 1，性别差异原因不清性别差异原因不清 编码线粒体蛋白质的编码线粒体蛋白质的1313个基因中，有个基因中，有9 9种基因种基因ND1ND1、、ND2ND2、、COXⅠCOXⅠ、、ATP6ATP6、、 COXⅢCOXⅢ、、ND4ND4、、ND5ND5、、ND6ND6、、CytBCytB 的的1818种种不同类型的突变与不同类型的突变与LeberLeber 病有关19 原发性原发性 LeberLeber 病中约病中约90%90%的患者由三种主要的患者由三种主要的突变所致：的突变所致： MTND1*LHON3460A MTND1*LHON3460A 占占15%-25% （原发性（原发性突变）突变） MTND4*LHON11778A MTND4*LHON11778A 占占50%-70%（原发（原发性突变）性突变） MTND6*LHON14484C MTND6*LHON14484C 其中以其中以11778A11778A（（G→AG→A）突变最为常见，占）突变最为常见，占50%50%～～70%70%。
20 21 2、肌阵挛性癫痫伴破碎红纤维病、肌阵挛性癫痫伴破碎红纤维病（（myoclonusmyoclonus epilepsy and ragged red fibers epilepsy and ragged red fibers ，，MERRFMERRF）） 是是一一种种罕罕见见的的杂杂质质性性母母系系遗遗传传病病，，是是线线粒粒体体脑脑病的一种病的一种 主主要要症症状状：：多多系系统统紊紊乱乱，，肌肌阵阵挛挛性性癫癫痫痫，，共共济济失调失调 肌病（肌细胞减少）肌病（肌细胞减少） 轻度痴呆轻度痴呆 耳聋耳聋 伴伴RRFRRF：：大大量量的的团团块块状状异异常常线线粒粒体体，，主主要要聚聚集集在在肌肌细细胞胞中中，，能能被被特特异异性性染染料料染染成成红红色23 一般为童年发病最常见的突变是一般为童年发病最常见的突变是mtDNA mtDNA tRNAlystRNAlys基因上第基因上第83448344位由位由A→GA→G的转换。
的转换 突变名称：突变名称：MTTK*MERRF8344G线粒体突变线粒体突变转运转运RNARNA基因基因赖氨酸赖氨酸 疾病缩写疾病缩写突变位置突变位置该位原碱基该位原碱基 当线粒体中当线粒体中90%90%90%90%存在这种突变，将出现典型症状，当突存在这种突变，将出现典型症状，当突变比例下降时，症状也随之变轻变比例下降时，症状也随之变轻24 3 3、链霉素耳毒性耳聋、链霉素耳毒性耳聋（（streptomycin ototoxicitystreptomycin ototoxicity））链链霉霉素素导导致致听听力力丧丧失失具具有有家家族族倾倾向向，，与与中中等等剂剂量量的的抗抗生生素素相相关关，，称称为为链链霉霉素素耳毒性耳聋，或氨基糖苷耳毒性耳聋耳毒性耳聋，或氨基糖苷耳毒性耳聋除链霉素外，氨基糖苷还包括卡那霉素、庆大霉素、托普酶素和新霉素除链霉素外，氨基糖苷还包括卡那霉素、庆大霉素、托普酶素和新霉素 耳蜗核糖体是氨基糖苷耳毒性的靶目标因为氨基糖苷的耳蜗核糖体是氨基糖苷耳毒性的靶目标因为氨基糖苷的““天然靶目标天然靶目标””是进是进化上的相关的细菌核糖体。
化上的相关的细菌核糖体 12SrRNA12SrRNA基因核苷酸基因核苷酸1555A→G1555A→G突变是氨基糖苷耳聋发病的分子基础突变是氨基糖苷耳聋发病的分子基础25 4 4、非胰岛素依赖性糖尿病（、非胰岛素依赖性糖尿病（NIDDMNIDDM））NIDDMNIDDM占所有糖尿病患者的占所有糖尿病患者的90%90%以上，因此是研究的重点以上，因此是研究的重点糖尿病属于多基因遗传，已经发现有糖尿病属于多基因遗传，已经发现有8 8个以上与糖尿病发病相关的候选基因，个以上与糖尿病发病相关的候选基因，但是主基因尚未肯定其中线粒体但是主基因尚未肯定其中线粒体 DNADNA的的tRNAtRNA基因基因3243A→G3243A→G点突变是糖尿病点突变是糖尿病的主要致病因素的主要致病因素近几年近几年32433243的突变一直是研究热点，迄今已报道的突变一直是研究热点，迄今已报道4545个家系个家系199199位位NIDDMNIDDM患者带患者带有此位点突变，患病率为有此位点突变，患病率为82%82%，说明该位点的突变和，说明该位点的突变和NIDDMNIDDM相关 26 27 表现为进行性外部眼肌麻痹和视网膜色素变性。
表现为进行性外部眼肌麻痹和视网膜色素变性KSS并不表现出特定的母系或核基因遗传方式患并不表现出特定的母系或核基因遗传方式患者的线粒体者的线粒体DNA存在结构上的改变，包括大片段缺存在结构上的改变，包括大片段缺失（失（>1 000 bp）和）和DNA复制异常大约三分之一复制异常大约三分之一的的KSS病例与病例与4 977 bp缺失有关，并伴随间隔结构缺失有关，并伴随间隔结构和和tRNA基因的缺失基因的缺失5 5、、慢性进行性外眼肌麻痹（慢性进行性外眼肌麻痹（KSSKSS病）病） 6 6、衰老（、衰老（agingaging））n是机体在退化时期生理功能下降和紊乱的综合表现，是机体在退化时期生理功能下降和紊乱的综合表现，是不可逆的生命过程，受各种内外因素的影响是不可逆的生命过程，受各种内外因素的影响 mtDNAmtDNA突变随年龄增加而增加突变随年龄增加而增加人的衰老与人的衰老与mtDNAmtDNA突变的积累呈正相关性突变的积累呈正相关性mtDNAmtDNA突变的累积可以诱发多种老年性疾病突变的累积可以诱发多种老年性疾病28 29 中枢神经系统、肌肉中枢神经系统、肌肉异质性的发生率较高，异质性的发生率较高，血液血液中异质性的中异质性的发生率较低；在发生率较低；在成人成人中的发生率远远高于中的发生率远远高于儿童儿童中的发生率，中的发生率，而且随着年龄的增长，异质性的发生率增高。
而且随着年龄的增长，异质性的发生率增高l不同组织中异质性水平的比率和发生率各不相同：为什么会有上述现象？思考题思考题 1：： 30mtDNA、异质性、阈值效应、遗传瓶颈、线粒体、异质性、阈值效应、遗传瓶颈、线粒体病、母系遗传、病、母系遗传、LHON线粒体线粒体DNA结构特点结构特点线粒体的纯质和异质概念线粒体的纯质和异质概念熟悉与线粒体相关的常见疾病熟悉与线粒体相关的常见疾病思考题思考题 2 ：： 。