5章线粒体

Mitochondrialinheritance&diseaseChapter5线粒体遗传病（mitochondrialdiseases）致病基因位于线粒体基因组上，由于受精卵的细胞质主要来自卵子，存在于细胞质中的线粒体也来自卵子，所以线粒体遗传病表现为母系遗传，即男女均可患病，但只有女性患者的子代患病，男性患者子代正常。母系遗传（maternalinheritance）是指核外染色体所控制的遗传现象。1894年，首次发现1894年，首次发现1897年，正式命名为mitochondrion(线粒体)1894年，首次发现1897年，正式命名为mitochondrion(线粒体)1963年，Nass在鸡胚中发现线粒体中存在DNASchatz分离到完整的线粒体DNA1981年，测定人mtDNA的DNA序列1987年，Wallac提出mtDNA突变可引起疾病1988年，首次报道mtDNA突变外膜内膜嵴间腔（内室）嵴内腔嵴基粒(ATP酶）mtDNA线粒体核糖体基质颗粒膜间隙（外室）mtDNA的结构特征线粒体是细胞质中独立的细胞器，也是动物细胞核外唯一的含有DNA(mitochondrialDNA，mtDNA)的细胞器。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”。人mtDNA是一个长为16,569bp的双链闭合环状分子，外环含G较多，称重链(H链)，内环含C较多，称轻链(L链)。mtDNA的结构特征mtDNA结构紧凑，没有内含子，唯一的非编码区是D环区，长约1,000bp左右。D环区包括mtDNA重链复制起始点，重轻链转录的启动子。mtDNA的结构特征HSPLSPOHOLHSP重链转录启动子LSP轻链转录启动子OH重链复制启动子OL轻链复制启动子线粒体的H链是12种多肽链、12SrRNA、16SrRNA和14种tRNA的转录模板，L链是1种多肽链和8种tRNA转录的模板。人类的mtDNA编码13条多肽链、22种tRNA和2种rRNA。13种蛋白质均是呼吸链酶复合物的亚单位。mtDNA的结构特征线粒体基因的转录两条链均有编码功能两条链从D-环区按不同方向进行转录两条链各自产生巨大的多顺反子转录本加工后的mRNA无5´帽结构，3´有约55个多聚A核苷酸MtDNA的遗传密码与nDNA不同线粒体中的tRNA兼用性很强线粒体基因组复制复制起始于H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。由于缺乏组蛋白的保护，线粒体亦缺乏DNA损伤修复系统，mtDNA的突变率较高。mtDNA的结构特征线粒体是细胞质中独立的细胞器，也是动物细胞核外唯一的含有DNA(mitochondrialDNA，mtDNA)的细胞器。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”。线粒体基因的突变mtDNA高突变原因mtDNA排列紧凑mtDNA裸露，缺乏组蛋白的保护mtDNA易受氧化损伤mtDNA复制频率高，不对称复制缺乏有效的DNA损伤修复能力mtDNA具有半自主性ComplexSubunitsNuclearmtDNAⅠ41347Ⅱ440Ⅲ11101Ⅳ13103Ⅴ14122837013mtDNA的遗传特征线粒体具有自身的遗传物质，被称为25号染色体、M染色体或mtDNA，能独立复制、转录和翻译。mtDNA的遗传密码与通用密码不同MetIleAUAMetMetAUGStopArgAGAStopArgAGGTrpStopUGATrpTrpUGGmtDNAUniversalcodeCodonmtDNA具有半自主性mtDNA的遗传特征mtDNA为母系遗传mtDNA的遗传密码与通用密码不同mtDNA具有半自主性mtDNA的遗传特征母系遗传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。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。mtDNA的母系遗传mtDNA在有丝分裂和减数分裂间都要经过复制分离遗传瓶颈100000mtDNA100mtDNA10000mtDNA卵母细胞成熟卵细胞DNA复制mtDNA为母系遗传mtDNA的遗传密码与通用密码不同mtDNA具有半自主性mtDNA的遗传特征mtDNA在有丝分裂和减数分裂间都要经过复制分离遗传瓶颈复制分离mtDNA为母系遗传mtDNA的遗传密码与通用密码不同mtDNA具有半自主性mtDNA的遗传特征mtDNA的复制分离mtDNA的杂质性与阈值效应mtDNA在有丝分裂和减数分裂间都要经过复制分离mtDNA为母系遗传mtDNA的遗传密码与通用密码不同mtDNA具有半自主性mtDNA的遗传特征体细胞突变生殖细胞突变型mtDNA野生型mtDNA＋杂质(heteroplasmy)是指一个细胞或组织中所含的线粒体既具有野生型又具有突变型。纯质(homoplasmy)是指一个细胞或组织中所有的线粒体具有相同的基因组，都是野生型序列或者都是突变型序列。异质性/杂质性HeteroplasmymtDNA进行不均等的有丝分裂，使子细胞拥有不同比例的突变型mtDNA，导致mtDNA异质性发生变化，向同质性方向发展。异质性与阈值效应mtDNA突变比例在不同细胞、不同组织中不同,称为细胞质异质性；突变所产生的效应取决于该细胞中野生型和突变型线粒体DNA的比例，只有突变型DNA达到一定数量（阈值）才足以引起细胞的功能障碍，这种现象称为阈值效应。阈值效应的一个表现就是在某些线粒体遗传病的家系中，有些个体起初并没有临床症状，但随年龄增加由于自发突变、环境选择等原因，突变型DNA逐渐积累，线粒体的能量代谢功能持续性下降，最终出现临床症状。人的细胞里通常有上千个mtDNA拷贝，在突变体和正常mtDNA共存的细胞中，mtDNA在细胞的复制和分离过程中发生遗传漂变，可导致子细胞出现三种基因型：纯合的突变体mtDNA、纯合的正常mtDNA、突变体和正常的mtDNA的杂合;线粒体病发病有一阈值，只有当异常的mtDNA超过阈值时才发病。女性携带者的细胞内突变的mtDNA未达到阈值或在某种程度上受核影响而未发病，但仍可以通过mtDNA突变体向下代传递。异质性与阈值效应阈值效应effectofthreshold低高5101520平均值T发病mtDNA突变率细胞携带突变型mtDNA少时，能量生成不会受到明显影响，大量突变型mtDNA存在时将会发生能量短缺，从而影响细胞正常功能。mtDNA的杂质性与阈值效应mtDNA的突变率极高mtDNA在有丝分裂和减数分裂间都要经过复制分离mtDNA为母系遗传mtDNA的遗传密码与通用密码不同mtDNA具有半自主性mtDNA的遗传特征线粒体基因突变与线粒体基因病对mtDNA分子病理学的研究证实mtDNA突变在许多疾病中存在，包括具有母系遗传特征的疾病，中老年时发病的一些退化性疾病，甚至衰老本身。mtDNA突变类型点突变缺失tRNArRNAmRNA导致呼吸链中多种酶的缺失导致错义突变,蛋白质功能改变氧化磷酸化蛋白功能下降ATP减少影响组织器官的功能线粒体DNA的突变类型碱基突变也称氨基酸替换突变，主要与脑脊髓性及神经性疾病有关，常见有Leber遗传性视神经病(LHON)(MIM535000)和神经肌病。错义突变线粒体基因突变与线粒体基因病点突变引起的疾病突变相关基因表型nt-3243tRNALeu(UUR)MELAS/PEOnt-3256tRNALeu(UUR)PEOnt-3271tRNALeu(UUR)MELASnt-3303tRNALeu(UUR)心肌病nt-3260tRNALeu(UUR)心肌病/肌病nt-4269tRNAIle心肌病nt-5730tRNAAsn肌病(PEO)nt-8344tRNALysMERRFnt-8356tRNALysMERRF/MELASnt-15990tRNAPro肌病nt-8993A6NARP/LEIGHnt-11778ND4LHONnt-4160ND1LHONnt-3460ND1LHONnt-7444COX1LHONnt-14484ND6LHONnt-15257Cyt6LHONLeber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遗传的疾病，至今尚未发现一个男性患者将此病传给后代。例Leber遗传型视神经病临床症状双侧视神经萎缩、坏死引起中央视力迅速丧失.主要症状伴随症状神经传导缺陷、震颤、肌张力降低.男性患者是女性患者的5倍,原因不明,但未发现一例男性患者将此病传给后代的.基因突变：遗传异质性涉及呼吸链复合物INADH-普醌氧化还原酶第1亚单位肽链的基因：MTND1*LHON4160T→C，约占50-75%（亮→脯）MTND1*LHON3460G→A，约占15-25%（丙→丝）MTND1*LHON3394T→C，约占15-25%（酪→组）LHON是以德国眼科医生TheodorLeber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。11778G→A导致编码NADH脱氢酶亚单位4(ND4)中第340位的Arg→His，从而影响线粒体能量的产生。11778G→ALeber遗传性视神经病(LHON)机理研究多种mtDNA突变都与Leber遗传性视神经萎缩的发生有关.11778bp位点突变GA高度保守精氨酸组氨酸还原型辅酶Ⅰ异常Firstdiscovery能量生成受阻又称Leber病。其主要病变为视神经退行性变，发病较早，表现为急性亚急性视力减退，中心视野丧失最明显。此病发病机制一般认为是由于mtDNA点突变导致其第11778位精氨酸→组氨酸（多见）及细胞色素b第15257位天冬氨酸→天冬酰胺。前者使编码呼吸链NADH脱氢酶mtDNA第340位精氨酸被组氨酸取代，改变了mtDNA空间构型，导致NADH脱氢酶活性降低，线粒体产能下降，因而对需能量多的视神经组织损害最大，久之导致视神经细胞退行性变，直至萎缩。Leber遗传性视神经病（Leber’shereditaryopticneuropathy,LHON）I12II123456III1234567Leber遗传性视神经病家系比错义突变的疾病表型更具有系统性特征，且所有生物合成基因突变都为tRNA突变，并与线粒体肌病相关。主要有MERRF综合征(癫痫伴碎红纤维病)(MIM545000)。蛋白质生物合成基因突变线粒体基因突变与线粒体基因病线粒体DNA的突变类型碱基突变错义突变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。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。MERRF综合征MERRF综合征是一种罕见的、杂质性的母系遗传病。典型为8344bp突变，即MTTK*MERRF8344G，导致tRNALys改变，使蛋白质合成受阻。8344bp线粒体脑肌病、乳酸酸中毒及卒中样发作综合征(mitochondrialencephalomyopathy,lacticacidosis,andstroke-likeepisodes,MELAS)临床症状：（1）粗糙红纤维（2）虚弱（3）乳酸酸中毒（4）感觉神经性听觉丧失（5）痴呆（6）反复发生卒中样发作，头痛、呕吐基因突变：遗传异质性线粒体tRNALeu基因突变：MTTL1*MELAS3243T→C或A→G呼吸链复合物INADH-普醌氧化还原酶第4亚单位肽链的基因突变：MTND4*MELAS11084A→GmtDNA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。缺失、插入突变线粒体