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第八章线粒体疾病的遗传InheritanceofMitochondraildiseases第一节人类线粒体基因组线粒体含有DNA分子，被称为人类第25号染色体，是细胞核以外含有遗传信息和表达系统的细胞器，其遗传特点表现为非孟德尔遗传方式，又称核外遗传。1981年Anderson等人完成了人类线粒体基因组的全部核苷酸序列的测定。第一节人类线粒体基因组线粒体基因组是人类基因组的重要组成部分全长16569bp不与组蛋白结合，呈裸露闭环双链状双链分重链和轻链重链（H链）富含鸟嘌呤，轻链（L链）富含胞嘧啶。第一节人类线粒体基因组mtDNA分为编码区与非编码区编码区为保守序列，不同种系间75%的核苷酸具同源性编码区包括37个基因：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）有关的蛋白质第一节人类线粒体基因组3个为构成细胞色素c氧化酶（COX）复合体（复合体Ⅳ）催化活性中心的亚单位（COXⅠ、COXⅡ和COXⅢ）2个为ATP合酶复合体（复合体Ⅴ）F0部分的2个亚基（A6和A8）7个为NADH-CoQ还原酶复合体（复合体Ⅰ）的亚基（ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6）1个编码的结构蛋白质为CoQH2-细胞色素c还原酶复合体（复合体Ⅲ）中细胞色素b的亚基第一节人类线粒体基因组mtDNA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功能的蛋白质都依赖于核DNA（nuclearDNA，nDNA）编码，在细胞质中合成后，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，二者共同作用参与机体代谢调节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有两段非编码区:1、控制区（D-环区或D-loop）是mtDNA基因组中进化速率最高、最具多态的区域，分为高变区Ⅰ和高变区Ⅱ；控制区是mtDNA变化最复杂,是其作为研究人类系统进化、人群迁移历史的一个很有用的遗传标记的内在原因。2、L链复制起始区第一节人类线粒体基因组mtDNA可进行半保留复制，其H链复制的起始点（OH）与L链复制起始点（OL）相隔2/3个mtDNA。复制起始于L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。被置换的亲代H链保持单链状态，这段发生置换的区域称为置换环或D环，故此种DNA复制方式称D-环复制。第一节人类线粒体基因组与核基因转录比较，mtDNA的转录有以下特点：①两条链均有编码功能②两条链从D-环区的启动子处同时开始以相同速率转录，L链按顺时针方向转录，H链按逆时针方向转录③mtDNA的基因之间无终止子④tRNA基因通常位于mRNA基因和rRNA基因之间⑤mtDNA的遗传密码与nDNA不完全相同⑥线粒体中的tRNA兼用性较强第二节线粒体基因的突变突变类型:一、点突变二、大片段重组三、mtDNA数量减少四、mtDNA突变的修复mtDNA突变率比nDNA高10～20倍①mtDNA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②mtDNA是裸露的分子，不与组蛋白结合③mtDNA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④mtDNA复制频率较高，复制时不对称⑤缺乏有效的DNA损伤修复能力第三节线粒体疾病的遗传特点一、母系遗传在精卵结合时，卵母细胞拥有上百万拷贝的mtDNA，而精子中只有很少的线粒体，受精时几乎不进入受精卵，因此，受精卵中的线粒体DNA几乎全都来自于卵子，来源于精子的mtDNA对表型无明显作用，这种双亲信息的不等量表现决定了线粒体遗传病的传递方式不符合孟德尔遗传，而是表现为母系遗传（maternalinheritance），即母亲将mtDNA传递给她的儿子和女儿，但只有女儿能将其mtDNA传递给下一代。二、遗传瓶颈（geneticbottleneck）线粒体遗传病mtDNA在有丝和减数分裂期间要经过复制分离，使数目从100000骤减到10～100个，如保留下来的线粒体碰巧携带某种突变基因，则在此后的线粒体扩增（10000左右个）中，得以放大，提高患病的风险。第三节线粒体疾病的遗传二、异质性同质性（homoplasmy）：同一组织或细胞中的mtDNA分子都是一致的。异质性（heteroplasmy）：由于mtDNA发生突变，导致一个细胞内同时存在野生型mtDNA和突变型mtDNA。野生型mtDNA对突变型mtDNA有保护和补偿作用，因此，mtDNA突变时并不立即产生严重后果。第三节线粒体疾病的遗传线粒体异质性可分为序列异质性（sequence-basedheteroplasmy）长度异质性（length-basedheteroplasmy）一般表现为：①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mtDNA拷贝；②同一个体在不同的发育时期产生不同的mtDNA。第三节线粒体疾病的遗传三、阈值效应mtDNA突变可以影响线粒体OXPHOS的功能，引起ATP合成障碍，导致疾病发生。异质性细胞的表现型依赖于细胞内突变型和野生型mtDNA的相对比例。突变型mtDNA的表达受细胞中线粒体的异质性水平以及组织器官维持正常功能所需的最低能量影响，可产生不同的外显率和表现度。第三节线粒体疾病的遗传阈值是一个相对概念，易受突变类型、组织、老化程度变化的影响，个体差异很大。例如，缺失5kb的变异的mtDNA比率达60%，就急剧地丧失产生能量的能力。线粒体脑肌病合并乳酸血症及卒中样发作（MELAS）患者tRNA点突变的mtDNA达到90%以上，能量代谢急剧下降。第三节线粒体疾病的遗传不同的组织器官对能量的依赖程度不同，对能量依赖程度较高的组织比其它组织更易受到OXPHOS损伤的影响，较低的突变型mtDNA水平就会引起临床症状。中枢神经系统对ATP依赖程度最高，对OXPHOS缺陷敏感，易受阈值效应的影响而受累。其它依次为骨骼肌、心脏、胰腺、肾脏、肝脏。如肝脏中突变mtDNA达80％时，尚不表现出病理症状，而肌组织或脑组织中突变mtDNA达同样比例时就表现为疾病。第三节线粒体疾病的遗传同一组织在不同功能状态对OXPHOS损伤的敏感性也不同。如线粒体脑疾病患者在癫痫突然发作时，对ATP的需求骤然增高，脑细胞中高水平的突变型mtDNA无法满足这一需要，导致细胞死亡，表现为梗塞或梗死。第三节线粒体疾病的遗传线粒体疾病的临床多样性也与发育阶段有关。例如肌组织中mtDNA的部分耗损或耗竭在新生儿中不引起症状，但受损的OXPHOS系统不能满足机体生长对能量代谢日益增长的需求，就会表现为肌病。第三节线粒体疾病的遗传突变mtDNA随年龄增加在细胞中逐渐积累，因而线粒体疾病常表现为与年龄相关的渐进性加重。在一个伴有破碎红纤维的肌阵挛癫痫（MERRF）家系中，有85%突变mtDNA的个体在20岁时症状很轻微，但在60岁时临床症状却相当严重。第三节线粒体疾病的遗传不均等的有丝分裂分离在连续的细胞分裂过程中，异质性细胞中突变型mtDNA和野生型mtDNA的比例会发生漂变，向同质性的方向发展。杂质性细胞随机分离，杂质性漂变→纯质性。分裂旺盛的细胞（如血细胞）往往有排斥突变mtDNA的趋势，经无数次分裂后，细胞逐渐成为只有野生型mtDNA的同质性细胞。突变mtDNA具有复制优势，在分裂不旺盛的细胞（如肌细胞）中逐渐积累，形成只有突变型mtDNA的同质性细胞。漂变的结果，表型也随之发生改变。mtDNA的复制分离第四节线粒体DNA突变与疾病一、Leber遗传性视神经病图5-2、图5-3二、MERRF综合征三、Melas综合征四、慢性进行性外眼肌麻痹五、线粒体心肌病六、帕金森病七、非胰岛素依赖型糖尿病图5-4八、氨基糖甙诱发的聋九、衰老Leber遗传性视神经病Leber遗传性视神经病（Leberhereditaryopticneuropathy，LHON）于1871年由Leber医生首次报道，因主要症状为视神经退行性变，故又称Leber视神经萎缩。患者多在18～20岁发病，男性较多见，男女病人比例5:1，个体细胞中突变mtDNA超过96％时发病，少于80％时男性病人症状不明显。临床表现为为一种急性或亚急性发作的母系遗传病，双侧视神经严重萎缩引起的急性或亚急性双侧中央视力丧失，可伴有神经、心血管、骨骼肌等系统异常，如头痛、癫痫及心律失常等。LeberT医生诱发LHON的mtDNA突变均为点突变。近年来，已相继报道有更多mtDNA点突变与LHON相关，均可引起基因产物的氨基酸替换包括G11778A、G14459A（ND6）、G3460A（ND1）、T14484C（ND6）、G15257A（cytb）。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→ALeigh综合征（Leighsysdrom）慢性进行性眼外肌瘫痪（chronicprogressiveexternalophthalmoplegia，CPEO）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肌阵挛性癫痫伴碎红纤维病(MERRF综合征)MT：MT-线粒体基因突变TK：T-tRNA基因，K-赖氨酸MERRF：疾病字母的缩略词8344G：核苷酸8344位置出现G变异临床特征一种罕见的、异质性母系遗传病，具有多系统紊乱的症状，包括肌阵挛性癫痫的短暂发作，不能够协调肌肉运动（共济失调），肌细胞减少（肌病），轻度痴呆，耳聋，脊髓神经的退化等。重患的大脑卵圆核和齿状核出现神经元的缺失，小脑和脊髓也可受累。线粒体遗传病MTTL1*MELAS3243G的突变率超过了80%。碱基突变发生在两个tRNAleu基因中的一个上。MELAS综合征病因线粒体遗传病病因最常见的母系遗传线粒体疾病。40岁以前就开始的复发性休克、肌病、共济失调、肌阵挛、痴呆和耳聋。因丙酮酸代谢障碍导致乳酸在血液和体液中累积。临床特征MELAS综合征线粒体遗传病线粒体DNA存在结构上的改变，包括大片段缺失(1000bp)和DNA复制。KSS病病因线粒体遗传病病因进行性外部眼肌麻痹和视网膜色素变性以及心肌电传导异常、共济失调、耳聋、痴呆和糖尿病。20岁前发病，大多在确诊后几年内死亡。临床特征KSS病