第6章線粒體遺傳病

1894年,Altmann發(fā)現(xiàn)動物細胞中線粒體。1963年，和首次在雞卵母細胞中發(fā)現(xiàn)線粒體中存在有DNA。

1987年,Wallace等通過對線粒體DNA突變和Leber病的關(guān)系的研究后，明確地提出線粒體DNA突變可以引起人類的疾病。目前已發(fā)現(xiàn)人類100余種疾病與線粒體DNA突變有關(guān)。

第一節(jié)線粒體DNA的結(jié)構(gòu)特點與遺傳特征

一、線粒體DNA的結(jié)構(gòu)特點mtDNA結(jié)構(gòu)16569bpmtDNA:雙鏈環(huán)狀的DNA分子、裸露不與組蛋白結(jié)合,分散在線粒體基質(zhì)中，長約5um、含16569個堿基對。

外環(huán)為重鏈（H）富含G內(nèi)環(huán)為輕鏈（L）富含C12種多肽鏈12SrRNA16SrRNA14種tRNA1種多肽鏈8種tRNA

mtDNA共有37個基因2種編碼rRNA(12S和16S）基因22種編碼tRNA基因13種編碼蛋白質(zhì)基因HumanmtDNA,acircularmoleculethathasbeencompletelysequenced,isamongthesmallestknownmtDNAs,containing16,569basepairs.ItencodesthetworRNAsfoundinmitochondrialribosomesandthe22tRNAsusedtotranslatemitochondrialmRNAs.

mtDNA與nDNA不同:

①其分子上無核苷酸結(jié)合蛋白，缺少組蛋白的保護。②線粒體內(nèi)無DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)，mtDNA易發(fā)生突變并容易得到保存。

③每個線粒體內(nèi)含有2～10個拷貝的mtDNA分子。④每個細胞可具有數(shù)千個mtDNA分子。

mtDNA的半保留復(fù)制:H鏈復(fù)制的起始點（OH）與L鏈復(fù)制起始點（OL）相隔2/3個mtDNA。復(fù)制起始于L鏈的轉(zhuǎn)錄啟動子，首先以L鏈為模板合成一段RNA作為H鏈復(fù)制的引物，在DNA聚合酶作用下，復(fù)制一條互補的H鏈，取代親代H鏈與L鏈互補。被置換的親代H鏈保持單鏈狀態(tài)，這段發(fā)生置換的區(qū)域稱為置換環(huán)或D環(huán)。D環(huán)復(fù)制

隨著新H鏈的合成，D環(huán)延伸，輕鏈復(fù)制起始點OL暴露，L鏈開始以被置換的親代H鏈為模板沿逆時針方向復(fù)制。兩條鏈的復(fù)制全部完成后，起始點的RNA引物被切除，缺口封閉，兩條子代DNA分子分離。40分鐘后，新合成的松弛型線粒體DNA成為超螺旋狀態(tài)。線粒體DNA復(fù)制

二、線粒體DNA的遺傳特征1.mtDNA半自主性2.mtDNA遺傳密碼與通用密碼不完全相同3.mtDNA為母系遺傳4.mtDNA在細胞分裂復(fù)制分離過程中存在遺傳瓶頸5.mtDNA具有遺傳異致性和閾值效應(yīng)6.mtDNA的突變率很高（一）mtDNA具有半自主性

線粒體是一種半自主細胞器，受線粒體基因組和核基因組兩套遺傳系統(tǒng)共同控制。

mtDNA僅編碼13種蛋白質(zhì)，絕大部分蛋白質(zhì)亞基和其他維持線粒體結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)都依賴于nDNA編碼，在細胞質(zhì)中合成后，經(jīng)特定轉(zhuǎn)運方式進入線粒體。mtDNA基因的表達受nDNA的制約，線粒體氧化磷酸酶化系統(tǒng)的組裝和維護需要nDNA和mtDNA的協(xié)調(diào)，二者共同作用參與機體代謝調(diào)節(jié)。線粒體的半自主性Complex Subunits Nuclear mtDNAⅠ 41347Ⅱ 440Ⅲ11101Ⅳ 13 10 3ATPase1412 2合計877013（二）線粒體基因組所用的遺傳密碼和通用密碼不完全等同MetIleAUAMetMetAUGStopArgAGAStopArgAGGTrpStopUGATrpTrpUGGmtDNAUniversalcodeCodon（三）mtDNA為母系遺傳

母親將她的mtDNA傳遞給兒子和女兒，但只有女兒能將其mtDNA傳遞給下一代。線粒體的母系遺傳，O：卵子;S:精子;A、B、C子細胞;Z:受精卵（四）mtDNA在細胞分裂復(fù)制分離過程中存在遺傳瓶頸人的細胞里通常有上千個mtDNA拷貝，在突變體和正常mtDNA共存的細胞中，mtDNA在細胞的復(fù)制和分離過程中發(fā)生遺傳漂變，可導(dǎo)致子細胞出現(xiàn)三種基因型：純合的突變體mtDNA、純合的正常mtDNA、突變體和正常的mtDNA的雜合體。

（五）mtDNA具有遺傳異致性和閾值效應(yīng)線粒體病發(fā)病有一閾值，只有當異常的mtDNA超過閾值時才發(fā)病。女性攜帶者的細胞內(nèi)突變的mtDNA未達到閾值或在某種程度上受核影響而未發(fā)病，但仍可以通過mtDNA突變體向下代傳遞。

（六）mtDNA的突變率極高

mtDNA中基因排列緊湊，任何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。mtDNA是裸露的分子，不與組蛋白結(jié)合。mtDNA位于線粒體內(nèi)膜附近，直接暴露于呼吸鏈代謝產(chǎn)生的超氧離子和電子傳遞產(chǎn)生的羥自由基中，極易受氧化損傷。mtDNA復(fù)制頻率較高，復(fù)制時不對稱,缺乏有效的DNA損傷修復(fù)能力。

第二節(jié)mtDNA突變與人類疾病

線粒體突變導(dǎo)致的疾病主要累及肌肉、中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)，與貧血和糖尿病等疾病也相關(guān)。一、線粒體遺傳病的突變類型

1.堿基突變錯義突變:

也稱氨基酸替換突變，主要與腦脊髓性及神經(jīng)性疾病有關(guān)，常見有Leber遺傳性視神經(jīng)病和神經(jīng)肌病。蛋白質(zhì)生物合成基因突變:

比錯義突變的疾病表型更具有系統(tǒng)性特征，且所有生物合成基因突變都為tRNA突變，并與線粒體肌病相關(guān)。主要有MERRF綜合征。2.缺失、插入突變

mtDNA缺失突變引起絕大多數(shù)眼肌病，這種缺失導(dǎo)致的疾病一般無家族史。拷貝數(shù)目突變二、人類線粒體遺傳病目前發(fā)現(xiàn)的線粒體疾病集中在神經(jīng)和肌肉系統(tǒng)，內(nèi)分泌系統(tǒng)等疾病也與線粒體功能障礙有關(guān)。線粒體病的常見臨床表現(xiàn)

神經(jīng)系統(tǒng)表現(xiàn)

腦血管意外樣癥狀癲癇發(fā)作眼肌麻痹肌陣攣眼神經(jīng)病肌病抑制性精神病感覺性神經(jīng)耳聾共濟失調(diào)健忘外周性神經(jīng)病血管性頭痛脊髓病其他系統(tǒng)疾病表現(xiàn)

心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)缺陷范可尼近端神經(jīng)元機能障礙視網(wǎng)膜色素變性腎小球病肝病小腸假性梗阻糖尿病個體矮小乳酸中毒全血減少心肌病

主要病變?yōu)橐暽窠?jīng)退行性變，發(fā)病較早，表現(xiàn)為急性亞急性視力減退，中心視野喪失最明顯。LeberT醫(yī)生（一）Leber遺傳性視神經(jīng)?。∣MIM#535000）一般認為是由于mtDNA點突變導(dǎo)致其第11778位精氨酸→組氨酸,使編碼呼吸鏈NADH脫氫酶mtDNA第340位精氨酸被組氨酸取代，改變了mtDNA閥間構(gòu)型，導(dǎo)致NADH脫氫酶活性降低，線粒體產(chǎn)能下降，對需能量多的視神經(jīng)組織損害最大，久之導(dǎo)致視神經(jīng)細胞退行性變，直至萎縮。mtDNA結(jié)構(gòu)16569bp11778G→A

I12II123456III1234567Leber遺傳性視神經(jīng)病家系之一Leber遺傳性視神經(jīng)病家系之二Leber遺傳性視神經(jīng)病家系之三Leber遺傳性視神經(jīng)病家系之四（二）神經(jīng)病伴運動性共濟失調(diào)和視網(wǎng)膜色素變性（OMIM#551500）以發(fā)育遲緩，近端肢體肌無力，癡呆，抽搐，視網(wǎng)膜色素變性和感覺功能減退為特點。在線粒體ATPase6基因的第8993位點發(fā)生T至G的顛換，使ATPase第6亞單位的第156位上的亮氨酸改變?yōu)榫彼帷Ｈ绻?993位置突變的異質(zhì)性超過90%時，通常會發(fā)生一種致命的、發(fā)生在嬰兒期的疾病，稱Leigh綜合征（Leighsyndrome，LS，OMIM#256000）。主要病理學(xué)特征是基底神經(jīng)節(jié)和腦干部位神經(jīng)元細胞的退化。Leigh綜合征患者

NARP和Leigh綜合征主要與ATP復(fù)合酶的功能受損有關(guān)，目前發(fā)現(xiàn)該病的致病突變主要是mtDNA第8993位點（ATPase6基因）T→G或T→C，將Pase6亞基156位的亮氨酸改變?yōu)榫彼峄蚋彼?，從而影響ATP合酶的質(zhì)子通道。mtDNA結(jié)構(gòu)16569bpNARP8993T→G（三）MERRF綜合征（OMIM#545000）

多系統(tǒng)紊亂，肌陣攣性癲癇，共濟失調(diào)，輕度癡呆，耳聾，脊髓退化。大量團塊狀線粒體聚集于肌細胞中（可被特異性染料染成紅色，—破碎紅纖維）。大腦卵圓核與齒狀核有神經(jīng)元的缺失。MERRF綜合征患者MTTK*MERRF8344GmtDNA結(jié)構(gòu)16569bp（四）MELAS綜合征（OMIM#540000）

40歲以前開始出現(xiàn)的復(fù)發(fā)性休克、肌病、共濟失調(diào)、肌陣攣、癡呆和耳聾。少數(shù)患者出現(xiàn)反復(fù)嘔吐、周期性的偏頭痛、糖尿病。進行性眼外肌無力或麻痹使眼的水平運動受限，眼外肌麻痹，眼瞼下垂。肌無力，身材矮小等。

在MELAS患者中，異常的線粒體不能夠代謝丙酮酸，導(dǎo)致大量丙酮酸生成乳酸，而后者在血液和其他體液中累積。MELAS患者的特征性病理變化就是在腦和肌肉的小動脈和毛細血管管壁中有大量的形態(tài)異常的聚集的線粒體。超過80%的突變率發(fā)生在tRNAleu(UUR)基因上的A3243G突變。MELAS患者腦部病變mtDNA結(jié)構(gòu)16569bpMTTL1*MELAS3243G

（五）鏈霉素耳毒性耳聾（OMIM#580000）

1993年，Prezant等通過3個母系遺傳的氨基糖甙類抗生素致聾（aminoglycosideantibioticsinduceddeafness,AAID）家系的研究，首次報道m(xù)tDNA編碼的12SrRNA基因1555位點A→G的突變。另一個導(dǎo)致聽力喪失的純質(zhì)性突變是7445位點T→G的突變。

mtDNA結(jié)構(gòu)16569bpDEAF1555位點A→G

7445位點T→G氨基糖甙類抗生素耳神經(jīng)毒性（六）KSS（OMIM#530000）(CPEO)常見臨床表現(xiàn)是進行性眼外肌麻痹（PEO)和視網(wǎng)膜色素變性。還包括心肌電傳導(dǎo)異常，共濟失調(diào)，耳聾，癡呆和糖尿病。發(fā)病年齡一般低于20歲，大多數(shù)患者在確診后幾年內(nèi)死亡。

KSS并不表現(xiàn)出特定的母系或核基因遺傳方式。然而癥狀表明是一種線粒體病。

KSS患者的線粒體分析表明有mtDNA結(jié)構(gòu)的改變，包括大片段缺失(＞1000bp)和D