醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)：第8章 線粒體遺傳病

1、WZMCBiology Department第8章線粒體遺傳病線粒體研究歷史線粒體研究歷史1850年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)1898年命名線粒體年命名線粒體1981年完成人類線粒年完成人類線粒體的全部測序體的全部測序1988年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)Lebers視視神經(jīng)病的發(fā)生與線粒神經(jīng)病的發(fā)生與線粒體突變有關(guān)。體突變有關(guān)。線粒體功能線粒體功能產(chǎn)生產(chǎn)生ATP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞分化細(xì)胞分化細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡目錄 Contents線粒體基因組的分子結(jié)構(gòu)和遺傳學(xué)特征線粒體疾病線粒體基因組的分子結(jié)構(gòu)和遺傳學(xué)特征 線粒體基因組的分子結(jié)構(gòu)線粒體基因組的分子結(jié)構(gòu) 線粒體基因組遺傳學(xué)特征線粒體基因組遺傳學(xué)特征線粒體基因組的分子結(jié)構(gòu) 環(huán)狀

2、結(jié)構(gòu)環(huán)狀結(jié)構(gòu)包括包括37個基因：個基因： 2個個rRNA（12S、16S） 22個個tRNA 13個與（個與（OXPHOS） 有關(guān)的蛋白質(zhì)有關(guān)的蛋白質(zhì)線粒體的起源 內(nèi)共生假說認(rèn)內(nèi)共生假說認(rèn)為線粒體來源于被原始的為線粒體來源于被原始的前真核生物吞噬的好氧性細(xì)菌，這種細(xì)前真核生物吞噬的好氧性細(xì)菌，這種細(xì)菌和前真核生物共生，在長期的共生過菌和前真核生物共生，在長期的共生過程中演化成了線粒體。程中演化成了線粒體。 線粒體中的其他線粒體中的其他1500余個蛋白是由分余個蛋白是由分散在染色體中的核散在染色體中的核DNA編碼，這些基編碼，這些基因編碼的線粒體蛋白在細(xì)胞質(zhì)核糖體中因編碼的線粒體蛋白在細(xì)胞質(zhì)核糖

3、體中合成，通過線粒體蛋白轉(zhuǎn)入系統(tǒng)有選擇合成，通過線粒體蛋白轉(zhuǎn)入系統(tǒng)有選擇地運(yùn)輸?shù)骄€粒體內(nèi)。地運(yùn)輸?shù)骄€粒體內(nèi)。 線粒體基因組編碼蛋白質(zhì)的基因線粒體基因組編碼蛋白質(zhì)的基因線粒體基因組編碼線粒體基因組編碼tRNA的基因的基因 線粒體基因組編碼線粒體基因組編碼rRNA的基因的基因 線粒體基因組的非編碼區(qū)線粒體基因組的非編碼區(qū) 潛在的開放閱讀框潛在的開放閱讀框 mt DNA線粒體基因組 線粒體密碼子系統(tǒng)的特性線粒體密碼子系統(tǒng)的特性 線粒體基因組編碼蛋白質(zhì)的基因細(xì)胞色素細(xì)胞色素b基因基因細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶3個個亞基基因亞基基因NADH氧化還原酶氧化還原酶7個個亞基基因亞基基因ATP酶酶2個亞基基

4、因個亞基基因這些都是線粒體內(nèi)膜呼吸鏈的組成成分。這些都是線粒體內(nèi)膜呼吸鏈的組成成分。線粒體基因組編碼tRNA的基因H鏈：鏈：tRNA-Glu，A1a，Asn，Cys，Tyr，Ser(UCN)，Gln和和ProL鏈：鏈：tRNA-Phe，Val，Leu(UUR), Leu(CUN)，Ile，Met，Ser(AGY)，Trp，Asp，Lys，Gly，Arg，His和和Thr線粒體基因組編碼rRNA的基因線粒體的線粒體的12S rRNA和和16S rRNA基因位基因位于于H鏈的鏈的tRNAPhe和和tRNALeu(UUR) 基因之基因之間，以間，以tRNAVal基因為間隔?；驗殚g隔。rRNA基因的

5、二級結(jié)構(gòu)很保守，形成多基因的二級結(jié)構(gòu)很保守，形成多個大小不一的莖環(huán)結(jié)構(gòu)。環(huán)的核苷酸代個大小不一的莖環(huán)結(jié)構(gòu)。環(huán)的核苷酸代替率高于莖，并且替率高于莖，并且CT轉(zhuǎn)換是一種常見轉(zhuǎn)換是一種常見的形式。的形式。線粒體基因組的非編碼區(qū) 控制區(qū)（控制區(qū)（control region），又稱），又稱D環(huán)區(qū)環(huán)區(qū)（displacement 1oop region，D-Loop）另一段是另一段是L鏈復(fù)制起始區(qū)鏈復(fù)制起始區(qū)D-loop and OL潛在的開放閱讀框 人的人的Hela細(xì)胞線粒體中也發(fā)現(xiàn)了相似細(xì)胞線粒體中也發(fā)現(xiàn)了相似的的RNA（7S RNA），也含有一個線），也含有一個線粒體通用的終止密碼子及粒體通用的終止

6、密碼子及PolyA尾，尾，是是Hela細(xì)胞中含有細(xì)胞中含有PolyA尾最多的尾最多的mtRNA，其間也有一個潛在的，其間也有一個潛在的ORF，編碼，編碼23或或24個氨基酸的多肽。個氨基酸的多肽。 AUA成為起始密碼子，而不是通用的成為起始密碼子，而不是通用的Ile密碼子密碼子 UGA編碼編碼Trp密碼子，而不是終止密碼子密碼子，而不是終止密碼子文內(nèi)容文內(nèi)容AGA、AGG編碼終止密碼子，而不是編碼終止密碼子，而不是Arg密碼子密碼子 tRNA兼用性較強(qiáng)，僅用兼用性較強(qiáng)，僅用22個個tRNA來識別多達(dá)來識別多達(dá)48個密碼子個密碼子 1 12 23 34 4線粒體密碼子系統(tǒng)特性 線粒體基因突變類型

7、堿基突變堿基突變?nèi)笔А⒉迦胪蛔內(nèi)笔?、插入突?拷貝數(shù)變異拷貝數(shù)變異錯義突變錯義突變 蛋白質(zhì)生物合成基因突變蛋白質(zhì)生物合成基因突變 通常為通常為mtDNA拷貝數(shù)大大低于正常，分為常染色體顯性或隱拷貝數(shù)大大低于正常，分為常染色體顯性或隱性遺傳，提示該病是由核基因缺陷所致線粒體功能障礙。性遺傳，提示該病是由核基因缺陷所致線粒體功能障礙。 mtDNA缺失發(fā)生的原因往往是由于缺失發(fā)生的原因往往是由于mtDNA的異常重組或在的異常重組或在復(fù)制過程中異?；瑒铀?。復(fù)制過程中異常滑動所致。線粒體的遺傳學(xué)特征線粒體的遺傳學(xué)特征母系遺傳母系遺傳線粒體線粒體DNA的半自主復(fù)制的半自主復(fù)制 線粒體線粒體DNA的轉(zhuǎn)錄的

8、轉(zhuǎn)錄 線粒體線粒體DNA的遺傳瓶頸的遺傳瓶頸 線粒體線粒體DNA的閾值效應(yīng)的閾值效應(yīng) 1 12 23 34 45 5母系遺傳受精卵中的受精卵中的mtDNA幾乎全都來自于卵幾乎全都來自于卵子，來源于精子的子，來源于精子的mtDNA對表型無明對表型無明顯作用，這種雙親信息的不等量傳遞決顯作用，這種雙親信息的不等量傳遞決定了線粒體遺傳病的傳遞方式不符合孟定了線粒體遺傳病的傳遞方式不符合孟德爾遺傳，而是表現(xiàn)為母系遺傳。德爾遺傳，而是表現(xiàn)為母系遺傳。 母系遺傳家系圖線粒體DNA的半自主復(fù)制 線粒體DNA的轉(zhuǎn)錄 人類人類mtDNA有三個啟動子，分別是有三個啟動子，分別是H1，H2和和L。H2啟動除啟動除2

9、個個rRNA外的整外的整個重鏈的轉(zhuǎn)錄，個重鏈的轉(zhuǎn)錄，L啟動整個輕鏈的轉(zhuǎn)錄啟動整個輕鏈的轉(zhuǎn)錄。H1啟動啟動2個個rRNA的轉(zhuǎn)錄。的轉(zhuǎn)錄。 線粒體DNA的遺傳瓶頸 卵母細(xì)胞中大約有卵母細(xì)胞中大約有10萬個線粒體，當(dāng)卵萬個線粒體，當(dāng)卵母細(xì)胞成熟后，線粒體的數(shù)目會減少，母細(xì)胞成熟后，線粒體的數(shù)目會減少，可能少于可能少于10個，但不會超過個，但不會超過100個，這個，這個過程被稱之為遺傳瓶頸效應(yīng)（個過程被稱之為遺傳瓶頸效應(yīng)（genetic bottle neck effects） 復(fù)制分離如果通過遺傳瓶頸攜帶某種突變的一個如果通過遺傳瓶頸攜帶某種突變的一個線粒體被保留下來，細(xì)胞分裂時，突變線粒體被保留下

10、來，細(xì)胞分裂時，突變型和野生型型和野生型mtDNA發(fā)生分離，隨機(jī)地發(fā)生分離，隨機(jī)地分配到子細(xì)胞中，使子細(xì)胞擁有不同比分配到子細(xì)胞中，使子細(xì)胞擁有不同比例的突變型例的突變型mtDNA分子，這種隨機(jī)分分子，這種隨機(jī)分配導(dǎo)致配導(dǎo)致mtDNA異質(zhì)性變化的過程稱為異質(zhì)性變化的過程稱為復(fù)制分離復(fù)制分離 線粒體DNA的閾值效應(yīng) 同質(zhì)性（同質(zhì)性（homoplasmy）：）：每個細(xì)胞內(nèi)的所每個細(xì)胞內(nèi)的所有有mtDNA都相同，全部突變或者全部正常都相同，全部突變或者全部正常，稱之為同質(zhì)性。，稱之為同質(zhì)性。異質(zhì)性（異質(zhì)性（heteroplasmy）：）：在同一細(xì)胞里在同一細(xì)胞里的的mtDNA同時存在野生型同時存在野

11、生型mtDNA和突變和突變型型mtDNA，稱之為異質(zhì)性。，稱之為異質(zhì)性。 閾值在異質(zhì)性細(xì)胞中，異質(zhì)性細(xì)胞的表現(xiàn)型在異質(zhì)性細(xì)胞中，異質(zhì)性細(xì)胞的表現(xiàn)型依賴于細(xì)胞內(nèi)突變型和野生型依賴于細(xì)胞內(nèi)突變型和野生型mtDNA的相對比例，能引起特定組織器官功能的相對比例，能引起特定組織器官功能障礙的突變障礙的突變mtDNA的最少數(shù)量稱閾值的最少數(shù)量稱閾值。 線粒體DNA的高突變率 mtDNA突變率明顯高于核突變率明顯高于核DNA，大約，大約1020倍倍 mtDNA處于高超氧化物的環(huán)境下，處于高超氧化物的環(huán)境下，mtDNA更易受到損傷更易受到損傷線粒體中的線粒體中的mtDNA損傷后，修復(fù)能力非常有限損傷后，修復(fù)能

12、力非常有限mtDNA復(fù)制頻率較高，復(fù)制時不對稱復(fù)制頻率較高，復(fù)制時不對稱由于線粒體中的由于線粒體中的mtDNA缺乏組蛋白保護(hù)而呈現(xiàn)裸露的閉缺乏組蛋白保護(hù)而呈現(xiàn)裸露的閉 合雙環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使其更易被損傷合雙環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使其更易被損傷mtDNA中基因排列非常緊湊，任何中基因排列非常緊湊，任何mtDNA的突變都可能的突變都可能會影響到其基因組內(nèi)的某一重要功能區(qū)域會影響到其基因組內(nèi)的某一重要功能區(qū)域綜 述線粒體疾病由于線粒體呼吸鏈機(jī)能失調(diào)導(dǎo)致的一組由于線粒體呼吸鏈機(jī)能失調(diào)導(dǎo)致的一組異質(zhì)性疾病。這些疾病可由核基因或異質(zhì)性疾病。這些疾病可由核基因或mtDNA突變引起。突變引起。 線粒體疾病的特征性表現(xiàn)遺傳方式復(fù)

13、雜。遺傳方式復(fù)雜。疾病的表現(xiàn)非常復(fù)雜。疾病的表現(xiàn)非常復(fù)雜。環(huán)境因素和遺傳背景在疾病的發(fā)生發(fā)展環(huán)境因素和遺傳背景在疾病的發(fā)生發(fā)展與表現(xiàn)上有著復(fù)雜的影響。與表現(xiàn)上有著復(fù)雜的影響。Leber遺傳性視神經(jīng)病遺傳性視神經(jīng)病 （LHON）Leber遺傳性視神經(jīng)?。ㄟz傳性視神經(jīng)?。↙eber hereditary optic neuropathy，LHON）于于1871年由年由Leber醫(yī)生首醫(yī)生首次報道。次報道。主要癥狀主要癥狀為視神經(jīng)退行性變，故又稱為視神經(jīng)退行性變，故又稱Leber視神視神經(jīng)萎縮。臨床表現(xiàn)為雙側(cè)視神經(jīng)嚴(yán)重萎縮引起的經(jīng)萎縮。臨床表現(xiàn)為雙側(cè)視神經(jīng)嚴(yán)重萎縮引起的急性或亞急性雙側(cè)中央視力喪失，

14、可伴有神經(jīng)、急性或亞急性雙側(cè)中央視力喪失，可伴有神經(jīng)、心血管、骨骼肌等系統(tǒng)異常。心血管、骨骼肌等系統(tǒng)異常?；颊叨嘣诨颊叨嘣?820歲發(fā)病，歲發(fā)病，男性男性較多見，個體細(xì)胞較多見，個體細(xì)胞中突變中突變mtDNA超過超過96時發(fā)病，少于時發(fā)病，少于80時男時男性病人癥狀不明顯。性病人癥狀不明顯。Leber T 醫(yī)生醫(yī)生一個一個LHON的典型系譜的典型系譜誘發(fā)誘發(fā)LHON的的mtDNA突變均為突變均為點(diǎn)突變點(diǎn)突變G11778A（1988，Wallace,ND4 精精 組組)、G14459A（ND6）、）、G3460A（ND1）、）、T14484C（ND6）、）、G15257A（cyto b）等）等5

15、個位點(diǎn)對個位點(diǎn)對LHON也有重要作也有重要作用。用。LHON致病突變LHON檢查眼科相關(guān)檢查：眼科相關(guān)檢查：視野改變視野改變眼電生理改變眼電生理改變光學(xué)相干斷層掃描光學(xué)相干斷層掃描(OCT) 視網(wǎng)膜地形圖視網(wǎng)膜地形圖(HRT) 生化檢查：生化檢查： 分子遺傳學(xué)檢查：此項結(jié)果是本病的最分子遺傳學(xué)檢查：此項結(jié)果是本病的最終診斷。終診斷。 LHON治療迄今為止，尚無有效的迄今為止，尚無有效的LHON治療方案治療方案。 氨基糖苷類藥物性耳聾 氨基糖苷類藥物性耳聾是指由于使用氨氨基糖苷類藥物性耳聾是指由于使用氨基糖甙類抗生素基糖甙類抗生素(aminoglycoside antibiotics，AmAn)而導(dǎo)致的耳聾。而導(dǎo)致的耳聾。主要表現(xiàn)為雙耳對稱性高頻聽力損害。主要表現(xiàn)為雙耳對稱性高頻聽力損害。 氨基糖苷類藥物性耳聾的發(fā)病機(jī)制 常規(guī)劑量的氨基糖甙類抗生素致聾的分子機(jī)理線粒體線粒體12S rRNA的的A1555G和和C1494T突變二級結(jié)構(gòu)圖突變二級結(jié)構(gòu)圖 實驗室診斷 臨床上線粒體臨床上