線粒體遺傳病培訓(xùn)課件

線粒體遺傳病線粒體是動物細(xì)胞核外惟一含DNA的細(xì)胞器。人類細(xì)胞線粒體DNA（mitochondrialDNA，mtDNA）是人類基因組的組成部分，被稱為“第25號染色體”。線粒體DNA突變引起線粒體遺傳病?，F(xiàn)已確認(rèn)100多種mtDNA致病點(diǎn)突變和200多種缺失、插入和重排。2線粒體遺傳病第一節(jié)線粒體基因組一、線粒體的結(jié)構(gòu)：3線粒體遺傳病二、線粒體基因組的結(jié)構(gòu)與功能

(一)線粒體與線粒體基因組

肝細(xì)胞內(nèi)含1000～2000個線粒體每個線粒體約內(nèi)含2～10個線粒體DNA分子4線粒體遺傳病(二)mtDNA的組成與結(jié)構(gòu)

環(huán)狀雙鏈：H鏈、L鏈16569bp；（5523個密碼子）H鏈、L鏈均有編碼功能；D環(huán)：非編碼區(qū)；共37個基因5線粒體遺傳病mtDNA的37個基因

H鏈：L鏈：

rRNA基因2tRNA基因148多肽鏈基因121

NADH脫氫酶亞單位(6)

NADH脫氫酶亞單位（1）（ND1、2、3、4、5，ND4L）

(ND6)ATP合成酶亞單位6、8（2）細(xì)胞色素C氧化酶亞單位Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（3）細(xì)胞色素b亞單位（1）6線粒體遺傳病(三)mtDNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.結(jié)構(gòu)緊湊：基因間無間隔區(qū)，無內(nèi)含子；基因的部分區(qū)段重疊,最大限度地利用有限的DNA；D環(huán)區(qū)不編碼，含重鏈復(fù)制的起始點(diǎn)、輕、重鏈轉(zhuǎn)錄的啟動子。2.密碼子--反密碼子配對不嚴(yán)格：tRNA共22種，少于線粒體外蛋白質(zhì)合成所需的tRNA(40～50種)，每種tRNA的反密碼子可讀出2-4個同義密碼子。3.遺傳密碼與核DNA遺傳密碼稍有不同7線粒體遺傳病

遺傳密碼與通用密碼的差異

密碼子通用密碼線粒體密碼

UGA終止密碼色氨酸

AUA異亮氨酸甲硫氨酸AGA精氨酸終止密碼

AGG精氨酸終止密碼8線粒體遺傳病(四)mtDNA的功能1.復(fù)制：半保留復(fù)制，不局限在S期，整個細(xì)胞周期都進(jìn)行復(fù)制，重鏈先于輕鏈復(fù)制，OH、OL為復(fù)制起點(diǎn)，mtDNA加倍后，線粒體進(jìn)行分裂。

9線粒體遺傳病(四)mtDNA的功能2.轉(zhuǎn)錄：兩條鏈都被完全轉(zhuǎn)錄，全長對稱轉(zhuǎn)錄；核DNA的轉(zhuǎn)錄是不對稱轉(zhuǎn)錄：以一條鏈中的特定部位為模板轉(zhuǎn)錄。

轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物：mRNA(13)、rRNA(2)、tRNA(22)mRNA:5端無帽、3端有約55個“A”構(gòu)成多聚“A”。

輕鏈轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的90%不含有用信息，很快被降解。3.翻譯：在線粒體基質(zhì)腔內(nèi)生成13種多肽鏈。

10線粒體遺傳病三、線粒體基因的遺傳特點(diǎn)

(一)半自主性

1.mtDNA能夠獨(dú)立地復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯，有獨(dú)立的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，合成的蛋白質(zhì)不運(yùn)到線粒體外；

11線粒體遺傳病

(一)半自主性

2.mtDNA編碼、線粒體內(nèi)合成的蛋白質(zhì)數(shù)量有限(13種)，維持線粒體結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)絕大多數(shù)是細(xì)胞核DNA編碼，細(xì)胞質(zhì)中合成后運(yùn)輸?shù)骄€粒體內(nèi)的：(1)線粒體結(jié)構(gòu)蛋白；(2)線粒體內(nèi)構(gòu)成核糖體的蛋白質(zhì)；(3)呼吸鏈5種酶復(fù)合物的大部分多肽鏈亞單位(56/69)；(4)mtDNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯所需的DNA聚合酶、

RNA聚合酶、蛋白質(zhì)合成的各種因子等。

因此，線粒體功能受核基因影響，自主性是有限的。

12線粒體遺傳病（三）不均衡性正常細(xì)胞中線粒體數(shù)隨代謝狀態(tài)而異，不同細(xì)胞中mtDNA數(shù)目差別大，多者可達(dá)上萬個。細(xì)胞分裂時，線粒體隨機(jī)進(jìn)入不同的細(xì)胞，可致分裂后的細(xì)胞中mtDNA數(shù)目不同。核基因在任何細(xì)胞中都是均衡的：二倍體，46條染色體，等位基因。14線粒體遺傳病

（四）分布的隨機(jī)性(遺傳瓶頸)減數(shù)分裂：卵母細(xì)胞成熟卵細(xì)胞線粒體數(shù)：10000010～100有絲分裂：受精卵胚胎細(xì)胞線粒體數(shù)：10～10010000遺傳瓶頸：在卵母細(xì)胞成熟過程中，線粒體數(shù)目從100000個銳減到少于100個的過程。若某個帶有mtDNA突變的線粒體通過了遺傳瓶頸，在胚胎發(fā)育過程中，隨著細(xì)胞的有絲分裂，成體組織細(xì)胞中帶有mtDNA突變的線粒體可達(dá)到很高的比例，并影響細(xì)胞的供氧功能。15線粒體遺傳?。ㄎ澹┩|(zhì)性與異質(zhì)性

異質(zhì)性（heteroplasmy）：同一細(xì)胞或同一組織中mtDNA分子上某一基因既有野生型，又有突變型，稱為異質(zhì)性。此細(xì)胞或組織稱為異質(zhì)(野生型/突變型)。同質(zhì)性（homoplasmy）：一個細(xì)胞或一種組織的所有mtDNA分子上的某一基因都是相同的，稱為同質(zhì)性?；蚓鶠橐吧?，或均為突變型。此細(xì)胞或組織稱為同質(zhì)。個體是否體現(xiàn)突變基因的表型，取決于突變基因的比例、突變基因所在細(xì)胞的類型。16線粒體遺傳?。╅撝敌?yīng)

突變mtDNA達(dá)到一定數(shù)量才引起某種組織或器官的功能異常。能影響能量代謝、引起特定組織或器官功能障礙的最小量的mtDNA突變稱為閾值。mtDNA突變所致的特定組織或器官功能障礙表型的出現(xiàn)，與某種組織野生型與突變型mtDNA的相對比例有關(guān)。17線粒體遺傳病影響閾值的因素：1.組織對能量的依賴程度

不同組織和器官對能量的依賴程度不同，腦、骨骼肌、心臟、腎臟、肝臟依次降低，說明腦組織閾值最低。2.mtDNA突變的類型

不同的mtDNA基因突變，其閾值大小不同，tRNA基因點(diǎn)突變：閾值為90%；大片段缺失閾值為60%。3.個體發(fā)育的階段

同一器官，不同發(fā)育階段，對能量依賴程度不同，因而，閾值不同。4.細(xì)胞核的遺傳背景

18線粒體遺傳病(七)母系遺傳（maternalinheritance）

母親將她的mtDNA傳給她的所有子女，她的女兒又將其mtDNA傳給下一代的傳遞方式。精卵結(jié)合時，精子提供的主要是核DNA，精子細(xì)胞變態(tài)為精子時，大部分細(xì)胞質(zhì)丟失，精子中段雖然含線粒體，但幾乎不可能進(jìn)入卵細(xì)胞中，因此，受精卵的胞質(zhì)絕大部分來自卵子，即受精卵中的mtDNA幾乎都是母親提供的。

19線粒體遺傳病一、線粒體基因突變的類型

（一）點(diǎn)突變

1.錯義突變

指mtDNA分子編碼13種多肽鏈的基因突變，又稱氨基酸替代突變。

2.蛋白質(zhì)生物合成基因突變

指mtDNA分子中tRNA基因突變。直接影響tRNA攜帶氨基酸的功能，間接影響線粒體蛋白質(zhì)的合成。這類突變所致疾病的表現(xiàn)更具有系統(tǒng)性特征。第二節(jié)線粒體基因突變20線粒體遺傳?。ǘ┲亟M突變

包括缺失和重復(fù)，缺失多見，由于mtDNA的異常重組或復(fù)制過程中異?；瑒铀?。

二、線粒體遺傳病的臨床特征：

肌病、心肌病、癡呆、突發(fā)性肌痙攣、耳聾、失明、貧血、糖尿病、大腦供血異常三、線粒體遺傳病的影響因素：

1.胚胎發(fā)育早期線粒體突變基因組的復(fù)制分離程度2.突變的線粒體基因在某一特定組織中存在的數(shù)量3.閾值大小21線粒體遺傳病第三節(jié)常見線粒體遺傳病一、Leber遺傳性視神經(jīng)病

（Leberhereditaryopticneuropathy，LHON）

人類母系遺傳的典型病例。起病為急性或亞急性眼球后神經(jīng)炎，導(dǎo)致雙側(cè)視神經(jīng)萎縮。視物模糊，繼而失明兩眼先后受累，男女發(fā)病比例為4:1。50%的LHON病例由第11778位點(diǎn)G→A突變引起，即：MTND4*LHON11778A突變使NADH脫氫酶亞單位4（ND4）第340位精氨酸變成組氨酸，影響線粒體能量的產(chǎn)生。

22線粒體遺傳病二、肌陣攣性癲癇伴破碎紅纖維病(myoclonusepilepsyandraggedredfibers,MERRF)

有多系統(tǒng)紊亂的表現(xiàn)，包括肌陣攣性癲癇的短暫發(fā)作、不協(xié)調(diào)肌肉運(yùn)動（共濟(jì)失調(diào)）等。破碎的紅纖維是大量異常線粒體集中在肌細(xì)胞中被染成紅色所致。80%～90%的MERRF患者mtDNA的tRNALys(賴氨酸)基因存在8344位點(diǎn)A→G點(diǎn)突變，即：MTTK*MERRF8344G少數(shù)患者是該基因8356位點(diǎn)T→C點(diǎn)突變。23線粒體遺傳病三、線粒體腦肌病伴乳酸中毒及中風(fēng)樣發(fā)作（mitochondrialencephalomyopathywithlacticacidosisandstroke-likeepisodes,MELAS）

臨床特點(diǎn)：

復(fù)發(fā)性休克、肌病、共濟(jì)失調(diào)、肌陣攣、癡呆和耳聾

乳酸性酸中毒：

線粒體功能障礙，影響丙酮酸的代謝，大量丙酮酸生成乳酸并積聚在血液和體液中

MELAS患者的特征性病理變化是在腦和肌肉的小動脈和毛細(xì)血管管壁中有大量形態(tài)異常的線粒體集聚約80%MELAS病例mtDNA編碼的tRNA基因3243位點(diǎn)A→G，即：MTTL1*MELAS3243G24線粒體遺傳病四、慢性進(jìn)行性眼外肌麻痹

（Kearns-Sayresyndrome，KSS)

常見臨床表現(xiàn)：

進(jìn)行性眼外肌麻痹和視網(wǎng)膜色素變性。

mtDNA結(jié)構(gòu)改變：

主要是大片段缺失，約三分之一KSS病例與4977bp缺失有關(guān)，該缺失的斷裂點(diǎn)分別位于ATP酶亞單位8基因的8468位和ND5基因的13446位。25線粒體遺傳病五、糖尿病

已發(fā)現(xiàn)20