老師新線粒體

1、Mitochondrial genic disorders1987年，Wallac提出mtDNA突變可引起疾病。1962年，Lufe 等發(fā)現(xiàn)一位年輕的瑞典婦女伴有異常增高的基礎(chǔ)代謝率，同時伴有線粒體結(jié)構(gòu)的異常和氧化磷酸化功能的異常。這是人類首次認(rèn)識線粒體與人類疾病的發(fā)生有關(guān)。線粒體病的研究史線粒體病的研究史 1981年，提出線粒體母系遺傳的概念,結(jié)束了人們長期對線粒體病是否存在的爭論。1988年，首次報道m(xù)tDNA突變在一個LeberLeber 遺傳性視神經(jīng)?。∣）家族發(fā)現(xiàn)mtDNA復(fù)合物編碼區(qū)的一個點突變，開創(chuàng)了研究mtDNA與人類疾病的新領(lǐng)域。到目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)線粒體病的線粒體基因存在100個

2、點突變和200個缺失，同時發(fā)現(xiàn)核基因的異常也和線粒體病有關(guān)。 推測發(fā)病率在6-17/100,000人，在線粒體基礎(chǔ)研究方面人們發(fā)現(xiàn)線粒體除產(chǎn)生ATP外，還產(chǎn)生體內(nèi)95%以上的活性氧、調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的氧化還原平衡和調(diào)控細(xì)胞凋亡。基于這些新的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識，目前線粒體醫(yī)學(xué)的概念已經(jīng)被提出。 80%的線粒體內(nèi)的蛋白由核DNA編碼合成，在胞漿內(nèi)合成而后轉(zhuǎn)移進(jìn)入線粒體。雖然不參加線粒體呼吸鏈的組成，但這些核編碼蛋白的異常均可以導(dǎo)致原發(fā)性或繼發(fā)性的線粒體酶呼吸鏈的缺陷. 定義：突變基因在線粒體定義：突變基因在線粒體DNADNA上，上，其傳遞和表達(dá)完全不同于由核其傳遞和表達(dá)完全不同于由核基因突變引起的遺傳病，而成基

3、因突變引起的遺傳病，而成為一組獨特的遺傳病。為一組獨特的遺傳病。一一、線粒體和氧化磷酸化線粒體和氧化磷酸化二、二、線粒體遺傳線粒體遺傳學(xué)學(xué)三、三、線粒體基因病線粒體基因病四、核基因突變所致的線粒體病四、核基因突變所致的線粒體病一、一、 線粒體線粒體DNA 的特征的特征（1 1）形態(tài)：）形態(tài)：線粒體是光鏡下可以看到的一種體積較大線粒體是光鏡下可以看到的一種體積較大的細(xì)胞器，呈粗的細(xì)胞器，呈粗線線狀或顆狀或顆粒粒狀。狀。（2 2）功能：）功能：線粒體是細(xì)胞能量儲存和供給的場所。線粒體是細(xì)胞能量儲存和供給的場所。細(xì)胞的細(xì)胞的“發(fā)電廠發(fā)電廠”。三磷酸腺苷。三磷酸腺苷(ATP)(ATP)的的90%90%

4、是由是由線粒體經(jīng)氧化磷酸化過程產(chǎn)生。線粒體經(jīng)氧化磷酸化過程產(chǎn)生。線粒體具有自身的DNA分子和完整的一套基因表達(dá)系統(tǒng)和表達(dá)體系，被稱為第25號染色體，M染色體，線粒體染色體（線粒體基因組）。線粒體是細(xì)胞質(zhì)中獨立的細(xì)胞器，也是細(xì)胞核外唯一含有DNA的細(xì)胞器。 含有含有16,569個堿基對的閉環(huán)雙鏈個堿基對的閉環(huán)雙鏈DNA分子。編碼分子。編碼37種基因：種基因：13種肽鏈亞單種肽鏈亞單位的編碼順序，與氧化磷酸化呼吸鏈位的編碼順序，與氧化磷酸化呼吸鏈有關(guān)；還編碼與線粒體蛋白質(zhì)合成有有關(guān)；還編碼與線粒體蛋白質(zhì)合成有關(guān)的關(guān)的22種種tRNA編碼順序和編碼順序和2種種rRNA編編碼順序。碼順序。Mitoch

5、ondria, minute sausage-shaped structures found in the cytoplasm of the cell, are responsible for energy production. Mitochondria contain enzymes that help to convert food material into adenosine triphosphate (ATP), which can be used directly by the cell as an energy source. 人mtDNA是一個長為16.5kb的雙鏈閉合環(huán)狀分

6、子，外環(huán)稱重鏈(H鏈)，內(nèi)環(huán)稱輕鏈(L鏈)線粒體的H鏈?zhǔn)?2種多肽鏈、12S rRNA、16S rRNA和14種tRNA的轉(zhuǎn)錄模板，L鏈?zhǔn)?種多肽鏈和8種tRNA轉(zhuǎn)錄的模板。 mtDNA的突變率較高, 大約為核DNA高1020倍。缺乏組蛋白的保護(hù)，而且沒有DNA損傷的修復(fù)系統(tǒng)。 mtDNA的突變可以發(fā)生在所有組織細(xì)胞中，包括體細(xì)胞和生殖細(xì)胞。 每個細(xì)胞含2-100個線粒體，每個線粒體中含有數(shù)個環(huán)狀DNA。4、 nDNA和和mtDNA的比較的比較 核核 DNAmt DNA存存在在部部位位細(xì)細(xì)胞胞核核細(xì)細(xì)胞胞質(zhì)質(zhì)形形態(tài)態(tài)雙雙螺螺旋旋閉閉環(huán)環(huán)雙雙鏈鏈堿堿基基數(shù)數(shù)(bp)3.1 x 10916 569

7、編編碼碼基基因因數(shù)數(shù)3-3.5 萬萬個個37 個個基基因因拷拷貝貝數(shù)數(shù)單單拷拷貝貝成成千千上上萬萬間間隔隔順順序序有有無無突突變變頻頻率率低低高高（自自身身無無修修復(fù)復(fù)機(jī)機(jī)制制）線粒體和氧化磷酸化 參與線粒體OXPHOS過程的蛋白復(fù)合體 復(fù)合物 I：41種蛋白質(zhì)組成（7） 復(fù)合物 II：4種蛋白質(zhì)組成 復(fù)合物 III：11種蛋白質(zhì)組成（1） 復(fù)合物 IV：13種蛋白質(zhì)組成（3） 復(fù)合物 V ：12種蛋白質(zhì)組成（2） 細(xì)胞核基因編碼約70種參與OXPHOS系統(tǒng)的蛋白質(zhì)，1000種參與線粒體基因復(fù)制、 轉(zhuǎn)錄、翻譯的調(diào)控；促進(jìn)各種化合物跨線粒體膜的轉(zhuǎn)運。mtDNA組上呼吸鏈有67個核編碼蛋白，還有約

8、1000個核編碼的線粒體肽，若核編碼蛋白的異常則可以導(dǎo)致原發(fā)性或繼發(fā)性的線粒體酶呼吸鏈的缺陷，導(dǎo)致多發(fā)性mtDNA缺失和mtDNA量減少。 線粒體基因表達(dá)所必需的一些蛋白質(zhì)，如RNA聚合酶、核糖體以及許多調(diào)控因子都是由核基因編碼，在細(xì)胞質(zhì)的核糖體上合成后，運輸進(jìn)線粒體后再起作用。組成呼吸鏈的一系列結(jié)構(gòu)蛋白是線粒體和細(xì)胞核共同編碼的，這些蛋白質(zhì)的正確組裝，受核基因控制。同時，研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞質(zhì)的線粒體也可以以不同的方式影響核基因的表達(dá)。線粒體基因組和核基因組交互作用。線粒體基因組和核基因組交互作用。一、母系遺傳 mtDNA不以孟德爾方式遺傳而表現(xiàn)為母系遺傳。胚胎形成中精子的mtDNA被降解，只保留

9、卵子的線粒體，所以線粒體基因來自母親。 mtDNA僅通過卵細(xì)胞表達(dá)，由母親垂直傳給男女后代，只有女兒可繼續(xù)下傳. 二二. 線粒體遺傳線粒體遺傳學(xué)學(xué)點點 人的卵母細(xì)胞約10萬個線粒體，成熟后，絕大多數(shù)線粒體數(shù)目少于100個以下。這種線粒體數(shù)目從10萬個銳減到100個的過程稱為“遺傳瓶頸” 。此后，經(jīng)過胚胎前期細(xì)胞分裂，mtDNA會達(dá)到每個細(xì)胞大于1萬個。 mtDNA的突變率極高，如果通過遺傳瓶頸保留下來的一個線粒體碰巧攜帶突變基因，在隨后形成的組織細(xì)胞會具有高比例的攜帶突變基因的線粒體。二、二、遺傳瓶頸作用線粒體幾乎存在于人體的所有細(xì)胞中，且每個細(xì)胞中含有成百上千個線粒體，有害的突變基因常常僅影

10、響部分，這就使細(xì)胞、組織中同時存在野生型和突變型，這種野生型和突變型同時存在的現(xiàn)象稱為異質(zhì)性。當(dāng)突變數(shù)目達(dá)到某一數(shù)量時，可引起某組織或器官的功能異常而出現(xiàn)臨床癥狀，這就是閾值效應(yīng)。 三、閾值效應(yīng)三、閾值效應(yīng)純質(zhì)：一種組織或細(xì)胞中的線粒體可以全純質(zhì)：一種組織或細(xì)胞中的線粒體可以全部是帶有相同突變基因的線粒體，或全部是帶有相同突變基因的線粒體，或全部是野生型的線粒體。部是野生型的線粒體。 一個細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中可有幾千個線粒體一個細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中可有幾千個線粒體DNA（mtDNA)分子。如果在某個特定位點上所有分子。如果在某個特定位點上所有這幾個這幾個mtDNA分子都為同一基因，此細(xì)胞可分子都為同一基因

11、，此細(xì)胞可稱之為稱之為純質(zhì)純質(zhì)(homoplasmy)。雜質(zhì)雜質(zhì) ：突變型和野生型線粒體共存于一突變型和野生型線粒體共存于一種細(xì)胞或組織的現(xiàn)象。種細(xì)胞或組織的現(xiàn)象。 一個細(xì)胞的數(shù)千個一個細(xì)胞的數(shù)千個mtDNA分子在這個位分子在這個位點上同時存在正常基因和突變基因，這點上同時存在正?；蚝屯蛔兓?，這就成為雜質(zhì)。就成為雜質(zhì)。 傳遞突變的母親可為患者，也可是表現(xiàn)傳遞突變的母親可為患者，也可是表現(xiàn)正常的雜質(zhì)攜帶者。正常的雜質(zhì)攜帶者。（1）一般說，突變的）一般說，突變的mtDNA的數(shù)的數(shù)量超過一定限度（閾值）時，會量超過一定限度（閾值）時，會出現(xiàn)臨床癥狀。閾值的高低與組出現(xiàn)臨床癥狀。閾值的高低與組織細(xì)

12、胞能量代謝的活躍程度有關(guān)。織細(xì)胞能量代謝的活躍程度有關(guān)。（2）突變型線粒體與野生型線粒）突變型線粒體與野生型線粒體的比值與臨床癥狀的表現(xiàn)程度體的比值與臨床癥狀的表現(xiàn)程度相關(guān)。相關(guān)。 線粒體基因病的特點： 母系遺傳 癥狀表現(xiàn)程度有閾值效應(yīng)：純質(zhì)或雜質(zhì) 組織特異性：能量需求越高的細(xì)胞，影響就越大 多系統(tǒng)受累三、線粒體基因病三、線粒體基因病1、母系遺傳、母系遺傳(matrilinear inheritance) 卵子與精子細(xì)胞核的結(jié)合是對等的，卵子與精子細(xì)胞核的結(jié)合是對等的，但細(xì)胞質(zhì)的結(jié)合是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不對等的。但細(xì)胞質(zhì)的結(jié)合是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不對等的。在絕大多數(shù)情況下，突變的線粒體在絕大多數(shù)情況下，突變的線粒體DNA

13、通過母親卵子細(xì)胞質(zhì)的線粒體通過母親卵子細(xì)胞質(zhì)的線粒體傳給子代，通過父親傳遞的極為罕傳給子代，通過父親傳遞的極為罕見。見。線粒體基因線粒體基因病病系譜系譜2、癥狀表現(xiàn)程度、癥狀表現(xiàn)程度-閾值效應(yīng)閾值效應(yīng) 閾值效應(yīng)：純質(zhì)(homoplasmy)與雜質(zhì)(heteroplasmy) 突變mtDNA雜質(zhì)個體是否受累，決定于突變mtDNA所占比例是否超過野生型mtDNA，癥狀的表現(xiàn)程度與受累組織中突變mtDNA的含量有關(guān)。3 3、組織特異性、組織特異性 能量需求大的組織細(xì)胞對能量需求大的組織細(xì)胞對ATPATP缺缺乏敏感，常表現(xiàn)為肌病、心肌病、乏敏感，常表現(xiàn)為肌病、心肌病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等。神經(jīng)系統(tǒng)疾病等。4

14、 4、多系統(tǒng)受累、多系統(tǒng)受累1、Leber遺傳性視神經(jīng)病遺傳性視神經(jīng)病(Leber hereditary optic neuropathy,LHON)Leber遺傳性視神經(jīng)萎縮是一種罕見的眼部線粒體疾病。臨床癥狀：通常在成年期發(fā)?。ㄅR床癥狀：通常在成年期發(fā)病（20-25歲）歲） （1）急性或亞急性眼球后神經(jīng)炎）急性或亞急性眼球后神經(jīng)炎 （2）急性發(fā)作后，視覺逐步衰退）急性發(fā)作后，視覺逐步衰退 （3）色覺障礙）色覺障礙 （4）其他神經(jīng)異常，如神經(jīng)病變、肌張力障）其他神經(jīng)異常，如神經(jīng)病變、肌張力障礙、震顫、心臟傳導(dǎo)障礙等。礙、震顫、心臟傳導(dǎo)障礙等。 三、線粒體基因病三、線粒體基因病LHON是以德國

15、眼科醫(yī)生Theodor Leber的名字命名的，男女病人比例 5:1。11778bp GA 導(dǎo)致編碼NADH 脫氫酶亞單位4 (ND4)中第340 位的ArgHis，從而影響線粒體能量的產(chǎn)生?；蛲蛔儯哼z傳異質(zhì)性基因突變：遺傳異質(zhì)性編碼線粒體蛋白質(zhì)的種基因突變。編碼線粒體蛋白質(zhì)的種基因突變。原發(fā)性：線粒體的單一突變原發(fā)性：線粒體的單一突變（MTND1、MTND4、MTND6）。）。繼發(fā)性：需要其他因素參與。繼發(fā)性：需要其他因素參與?；蛲蛔儯哼z傳異質(zhì)性基因突變：遺傳異質(zhì)性90以上的病例中都存在以下以上的病例中都存在以下3種突變：種突變：MTND4*LHON11778GA，約占約占50-70%（

16、精精組組），降低了復(fù)合物，降低了復(fù)合物I關(guān)聯(lián)關(guān)聯(lián)底物的氧化作用效率底物的氧化作用效率;MTND1*LHON3460GA，約占約占15-25%,減少了復(fù)合物減少了復(fù)合物I大約大約80的活性；的活性；MTND6*LHON14484TC，也降低復(fù)，也降低復(fù)合物合物I的活性的活性.線粒體腦肌病、乳酸酸中毒及卒中樣發(fā)作綜合征線粒體腦肌病、乳酸酸中毒及卒中樣發(fā)作綜合征(mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis,and stroke-like episodes,MELAS)臨床癥狀：臨床癥狀： （1）粗糙紅纖維）粗糙紅纖維 （2）虛弱）虛弱 （3）乳酸

17、酸中毒）乳酸酸中毒 （4）感覺神經(jīng)性聽覺喪失）感覺神經(jīng)性聽覺喪失 （5）癡呆）癡呆 （6）反復(fù)發(fā)生卒中樣發(fā)作，頭痛、嘔吐）反復(fù)發(fā)生卒中樣發(fā)作，頭痛、嘔吐2、Melas綜合癥（線粒體腦肌病伴乳酸中毒及中風(fēng)樣發(fā)作綜合征） mtDNA3243bp 的雜質(zhì)性突變引起的。該突變的雜質(zhì)性突變引起的。該突變改變了改變了tRNALeu的結(jié)構(gòu)，并使的結(jié)構(gòu)，并使 tRNALeu 基因和基因和rRNA基因下游緊密結(jié)合的轉(zhuǎn)錄終止子失活基因下游緊密結(jié)合的轉(zhuǎn)錄終止子失活, ,因此突變可能因此突變可能降低轉(zhuǎn)錄活性并改變線粒體降低轉(zhuǎn)錄活性并改變線粒體rRNA和和mRNA轉(zhuǎn)錄的比轉(zhuǎn)錄的比例。例?；蛲蛔儯哼z傳異質(zhì)性基因突變：遺

18、傳異質(zhì)性線粒體線粒體tRNALeu基因突變：基因突變：MTTL1*MELAS 3243 T C或或A G，RNALeu3271 or 3251.線粒體肌病、粗糙紅纖維和乳酸酸中毒綜合征：線粒體肌病、粗糙紅纖維和乳酸酸中毒綜合征：MERRF肌陣攣性癲癇伴粗糙紅纖維綜合征肌陣攣性癲癇伴粗糙紅纖維綜合征(myoclonus epilepsy with ragged-red fibers, MERRF)MELAS線粒體腦肌病、乳酸酸中毒及卒中樣線粒體腦肌病、乳酸酸中毒及卒中樣 發(fā)作綜合征發(fā)作綜合征(mitochondrial encephalo- myopathy, lactic acidosis,a

19、nd stroke-like episodes,MELAS)KSS 眼肌麻痹、視網(wǎng)膜色素變性及心肌病綜合征眼肌麻痹、視網(wǎng)膜色素變性及心肌病綜合征 (Kearns-Sayre syndrome)MERRF:肌陣攣肌陣攣MELAS：反復(fù)卒中樣發(fā)作，輕偏癱、偏盲：反復(fù)卒中樣發(fā)作，輕偏癱、偏盲或皮質(zhì)性盲伴有頭痛、嘔吐或皮質(zhì)性盲伴有頭痛、嘔吐KSS：進(jìn)行性眼外肌麻痹、：進(jìn)行性眼外肌麻痹、 視網(wǎng)膜色素層視網(wǎng)膜色素層 變性、變性、 心臟傳導(dǎo)阻滯心臟傳導(dǎo)阻滯3、Kearns-Sayre綜合征綜合征臨床癥狀：臨床癥狀：（1）進(jìn)行性外眼肌麻痹）進(jìn)行性外眼肌麻痹（2）視網(wǎng)膜色素變性）視網(wǎng)膜色素變性（3）耳聾、癡呆、糖尿?。┒@、癡呆、糖尿病右眼右眼 左眼左眼MERRF綜合征是一綜合征是一種罕見的、雜質(zhì)性的母種罕見的、雜質(zhì)性的母系遺傳病。系遺傳病。MERRF:肌陣攣典型為典型為8344 bp突變，突變，導(dǎo)致導(dǎo)致tRNALys改變，使蛋改變，使蛋白質(zhì)合成受阻