醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)：線粒體與多基因遺傳病

確定某單基因遺傳病是由某基因造成的對(duì)于臨床治療有重大意義，可以對(duì)癥下藥。那么怎樣在實(shí)驗(yàn)室里準(zhǔn)確的確定某單基因遺傳病是由某基因的突變?cè)斐傻?？ControlsDNAsequencingMicroarrayorRNAseqBioinformaticsSelectmodelorganismGeneratetransgenicanimals,mutant?RNAioroverexpress.PhenotypicandbiochemistryanalysisRescue第五大節(jié)1.線粒體遺傳病2.多基因遺傳病

線粒體遺傳病

（diseaseofmitochondrialinheritance）要點(diǎn)線粒體DNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)mtDNA與nDNA的不同mtDNA突變遺傳特征mt遺傳病與衰老和癌癥關(guān)系研究方法

1894年,Altmann發(fā)現(xiàn)動(dòng)物細(xì)胞中線粒體。1963年，M.Nass和S.Nass首次在雞卵母細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)線

粒體中存在有DNA。1987年,Wallace等通過(guò)對(duì)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(lèi)的疾病。

目前已發(fā)現(xiàn)人類(lèi)100余種疾病與線粒體DNA突變有關(guān)。

發(fā)現(xiàn)歷史Cellstructureandmitochondrion

ComplexⅢComplexⅠComplexⅣATPase8/6mtDNA結(jié)構(gòu)16569bprRNAtRNA一、

線粒體DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)復(fù)合物I:NADH脫氫酶復(fù)合物,催化電子從NADH傳遞給輔酶Q.復(fù)合物II:琥珀酸脫氫酶復(fù)合物,催化電子從琥珀酸傳遞給輔酶Q.復(fù)合物Ⅲ:細(xì)胞色素c還原酶復(fù)合物,催化電子從輔酶Q向細(xì)胞色素c傳遞.復(fù)合物Ⅳ:細(xì)胞色素c氧化酶,將電子從細(xì)胞色素c傳遞給O2.

線粒體DNA特點(diǎn)

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: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(zhǎng)約5um、含16569個(gè)堿基對(duì)。

線粒體DNA組成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,acircularmoleculethathasbeenfirstcompletelysequenced,containing16,569basepairs.Howtoextractit?

mtDNA與nDNA不同:

①其分子上無(wú)核苷酸結(jié)合蛋白，缺少組蛋白的保護(hù)。②線粒體內(nèi)無(wú)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(gè)線粒體內(nèi)含有2～10個(gè)拷貝的mtDNA分子。④每個(gè)細(xì)胞可具有數(shù)千個(gè)mtDNA分子

。

mtDNA的半保留復(fù)制:H鏈復(fù)制的起始點(diǎn)（OH）與L鏈復(fù)制起始點(diǎn)（OL）相隔2/3個(gè)mtDNA。復(fù)制起始于L鏈的轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)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(bǔ)的H鏈，取代親代H鏈與L鏈互補(bǔ)。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(chēng)為置換環(huán)或D環(huán)。

隨著新H鏈的合成，D環(huán)延伸，輕鏈復(fù)制起始點(diǎn)OL暴露，L鏈開(kāi)始以被置換的親代H鏈為模板沿逆時(shí)針?lè)较驈?fù)制。兩條鏈的復(fù)制全部完成后，起始點(diǎn)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的遺傳學(xué)特征1.mtDNA半自主性，受核蛋白調(diào)控

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在有絲分裂和減數(shù)分裂期間都要經(jīng)過(guò)

復(fù)制分離,也有時(shí)不復(fù)制

5.mtDNA具有閾值效應(yīng)的特征

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(xì)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(lài)于nDNA編碼，在細(xì)胞質(zhì)中合成后，經(jīng)特定轉(zhuǎn)運(yùn)方式進(jìn)入線粒體

。mtDNA基因的表達(dá)受nDNA的制約，線粒體氧化磷酸酶化系統(tǒng)的組裝和維護(hù)需要nDNA和mtDNA的協(xié)調(diào)，二者共同作用參與機(jī)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(jì)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(xì)胞;Z:受精卵突變檢測(cè)與遺傳特點(diǎn)有些可通過(guò)southern檢測(cè)，常規(guī)檢測(cè)呢？母系遺傳（四）mtDNA在有絲分裂和減數(shù)分裂期間都要經(jīng)過(guò)復(fù)制分離

人的細(xì)胞里通常有上千個(gè)mtDNA拷貝，在突變體和正常mtDNA共存的細(xì)胞中，mtDNA在細(xì)胞的復(fù)制和分離過(guò)程中發(fā)生遺傳漂變，可導(dǎo)致子細(xì)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具有閾值效應(yīng)的特性

線粒體病發(fā)病有一閾值，只有當(dāng)異常的mtDNA超過(guò)閾值時(shí)才發(fā)病。女性攜帶者的細(xì)胞內(nèi)突變的mtDNA未達(dá)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(guò)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(huì)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(shí)不對(duì)稱(chēng),缺乏有效的DNA損傷修復(fù)能力。

第二節(jié)mtDNA突變與人類(lèi)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(lèi)型

1.堿基突變蛋白質(zhì)錯(cuò)義突變:

也稱(chēng)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(jiàn)有Leber遺傳性視神經(jīng)病和神經(jīng)肌病。蛋白質(zhì)合成基因突變:

tRNA

突變，比錯(cuò)義突變的疾病表型更具有系統(tǒng)性特征，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(wú)家族史。3.mtDNA拷貝數(shù)目突變

此型較少，如嬰兒致死性呼吸障礙。二、人類(lèi)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(jiàn)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(jué)性神經(jīng)耳聾共濟(jì)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(jī)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(gè)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(rèn)為是由于mtDNA點(diǎn)突變導(dǎo)致其第11778位堿基突變，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(duì)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(xì)胞退行性變，直至萎縮。mtDNA結(jié)構(gòu)16569bp11778G→A

假如幾十個(gè)線粒體中有數(shù)個(gè)線粒體的堿基突變，如何鑒定？I12II123456III1234567Leber遺傳性視神經(jīng)病家系之一母系遺傳，女病人的后代都可患病，壽命短Leber遺傳性視神經(jīng)病家系之二女病人的后代不一定患病，正常女人（攜帶者）的后代也可能是患者Leber遺傳性視神經(jīng)病家系之三有的患病，有的正常Leber遺傳性視神經(jīng)病家系之四（二）神經(jīng)病伴運(yùn)動(dòng)性共濟(jì)失調(diào)和視網(wǎng)膜色素變性（Neuropathy,ataxia,andretinitispigmentosa）

以發(fā)育遲緩，近端肢體肌無(wú)力，癡呆，抽搐，視網(wǎng)膜色素變性和感覺(jué)功能減退為特點(diǎn)。

在線粒體ATPase6基因的第8993位點(diǎn)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?/p>

如果8993位置突變的異質(zhì)性超過(guò)90%時(shí)，通常會(huì)發(fā)生一種致命的、發(fā)生在嬰兒期的疾病，稱(chēng)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(xì)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(diǎn)（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

多系統(tǒng)紊亂，肌陣攣性癲癇，共濟(jì)失調(diào)，輕度癡呆，耳聾，脊髓退化。

大量團(tuán)塊狀線粒體聚集于肌細(xì)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M(jìn)TTK*MERRF8344GmtDNA結(jié)構(gòu)16569bp（四）MELAS綜合征

40歲以前開(kāi)始出現(xiàn)的復(fù)發(fā)性休克、肌病、共濟(jì)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(jìn)行性眼外肌無(wú)力或麻痹使眼的水平運(yùn)動(dòng)受限，眼外肌麻痹，眼瞼下垂。肌無(wú)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(dòng)脈和毛細(xì)血管管壁中有大量的形態(tài)異常的聚集的線粒體。

超過(guò)80%的突變率發(fā)生在tRNAleu(UUR)基因上的A3243G突變。（五）鏈霉素耳毒性耳聾

1993年，Prezant等通過(guò)3個(gè)母系遺傳的氨基糖甙類(lèi)抗生素致聾（aminoglycosideantibioticsinduceddeafness,AAID）家系的研究，首次報(bào)道m(xù)tDNA編碼的12SrRNA基因1555位點(diǎn)A→G的突變。

另一個(gè)導(dǎo)致聽(tīng)力喪失的純質(zhì)性突變是7445位點(diǎn)T→G的突變

。

mtDNA結(jié)構(gòu)16569bpDEAF1555位點(diǎn)A→G

7445位點(diǎn)T→G氨基糖甙類(lèi)抗生素耳神經(jīng)毒性（六）KSS

常見(jiàn)臨床表現(xiàn)是進(jìn)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(jì)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DNA復(fù)制。

mtDNA結(jié)構(gòu)16569bp第8648位

第13460位

(七)其他與線粒體有關(guān)的病變帕金森病(Parkinsondisease)腫瘤糖尿病冠心病衰老

巴金和陳景潤(rùn)都是帕金森病患者帕金森病患者腦和脊髓發(fā)生神經(jīng)元退性變性,丟失。一個(gè)母系遺傳的非綜合征耳聾家系衰

老

三、核DNA編碼的線粒體遺傳病

由核基因突變導(dǎo)致的線粒體功能損害比較少見(jiàn)，但是目前這種缺陷的發(fā)生率在逐漸增加。nDNA改變引起的遺傳疾病主要表現(xiàn)為線粒體功能障礙，呈孟德?tīng)栠z傳方式。（一）線粒體蛋白輸入缺陷（二）底物運(yùn)輸缺陷（三）底物利用缺陷（四）鐵運(yùn)輸缺陷（五）電子傳遞鏈缺陷第六章

多基因遺傳病(diseaseofpolygenicinheritance)多基因病的定義與特點(diǎn)遺傳率的計(jì)算Falconer公式

Holgiger公式發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估

要點(diǎn)第一節(jié)

多基因遺傳的定義和特點(diǎn)

一種遺傳性狀或遺傳病受兩對(duì)或兩對(duì)以上基因的控制，每對(duì)基因彼此間沒(méi)有顯性和隱性的關(guān)系，每對(duì)基因?qū)Ρ硇偷男?yīng)都很小，但是各對(duì)基因的作用有積累效應(yīng)，這種遺傳方式稱(chēng)為多基因遺傳（poly-genicinheritance）。

質(zhì)量性狀(qualitativetrait)

單基因遺傳的性狀或疾病的變異在一個(gè)群體中的分布是不連續(xù)的，可以明顯地將變異個(gè)體分為2～3群，2～3群個(gè)體間差異顯著。120cm165cmaaAA或Aa垂體性侏儒和正常人的身高0~5%45~50%100%

aaAaAAPKU患者、攜帶者和正常人PAH的活性

數(shù)量性狀(quantitativetrait)

多基因遺傳的性狀或疾病的變異在一個(gè)群體中的分布是連續(xù)的，不同個(gè)體之間的差異只有數(shù)量上的差異，沒(méi)有質(zhì)的不同。130140150160170180190200身高(cm)8070605040302010變異數(shù)數(shù)

量

性

狀親代

極高個(gè)體

極矮個(gè)體

AABBCCA’A’B’B’C’C’子1代

中等身高

AA’BB’CC’子2代總計(jì)0’1’2’3’4’5’6’16152015611.兩個(gè)極端變異(純種)的個(gè)體雜交2.兩個(gè)中間類(lèi)型的子1代個(gè)體之間雜交3.子一代隨機(jī)雜交后的群體20151566110’1’2’3’4’5’6’高矮第二節(jié)

多基因遺傳病一、易患性與閾值閾值(threshold)

低

高

易患性605040302010變異數(shù)平均值μ68.28%95.46%99.74%σ其估量的尺度以正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差為單位，就是在正態(tài)分布中，以平均值為0，在±1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（0）范圍內(nèi)的面積占曲線內(nèi)總面積的68%，以外的面積的占32%，兩邊各占16%。如此類(lèi)推，在±2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以?xún)?nèi)面積占總面積的95.4%，標(biāo)準(zhǔn)差以外的面積占4.6%，兩邊各占2.3%；在±3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差以?xún)?nèi)面積占總面積的99.74%,以外面積占0.26%，兩邊各占0.13%。多基因病的易患性閾值與平均值距離越近，其群體易患性的平均值越高，閾值越低，則群體發(fā)病率也越高。反之，兩者距離越遠(yuǎn)，其群體易患性平均值越低；閾值越高，則群體發(fā)病率越低。因此，可從群體發(fā)病率的高低計(jì)算出閾值與平均值之間的距離。下圖表示易患性閾值和平均值距離與發(fā)病率的關(guān)系。σμ均數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差二、遺傳率(h2)

多基因病中，易患性的高低受遺傳基礎(chǔ)和環(huán)境因素的雙重影響，其中遺傳基礎(chǔ)所起作用的大小稱(chēng)為遺傳率(heritability)。一般用百分率(%)來(lái)表示。

遺傳率高：表明遺傳基礎(chǔ)在決定易患性變異和發(fā)病上起重要作用，環(huán)境因素的作用較小.

遺傳率低：表明在決定易患性變異和發(fā)病上，環(huán)境因素起重要作用，遺傳基礎(chǔ)的作用較小.1.從一般群體G和患者親屬R易患性的對(duì)比計(jì)算遺傳率2.從患者和對(duì)照組的一級(jí)親屬易患性的對(duì)比計(jì)算遺傳率h2＝brb：患者親屬對(duì)患者的回歸系數(shù)r：親緣系數(shù)b＝Xg—Xragb＝Pc(Xc—Xr)acagXrTGR遺傳率(h2)——Falconer公式Xgar從一般群體和患者親屬易患性的對(duì)比計(jì)算遺傳率b＝Xg—Xragb＝3.090－1.8383.367＝0.372h2＝brh2＝0.3721/2＝0.744b＝0.996(2.652－1.960)2.962＝0.233h2＝brh2＝0.2331/2＝0.466b＝Pc(Xc—Xr)ac二、遺傳率(h2)——

Holgiger公式h2

＝CMZ—CDZ100—CDZ根據(jù)遺傳率越高的疾病，MZ的發(fā)病一致率與DZ的發(fā)病一致率相差越大。發(fā)病一致率(concordance)：指雙生子中一個(gè)患某種病，另一個(gè)也患同樣疾病的概念。三、多基因病的遺傳特點(diǎn)包括一些常見(jiàn)病和常見(jiàn)的畸形，發(fā)病率大多超過(guò)1/1000。發(fā)病有家族傾向。發(fā)病率有種族(或民族)差異近親婚配，子女發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)增高，但不如AR顯著?；颊唠p親、同胞、子女親緣系數(shù)相同，發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)相同。隨著親屬級(jí)別降低，發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)迅速下降。1、發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)與遺傳率和群體發(fā)病率的關(guān)系相當(dāng)多的多基因病的群體發(fā)病率為0.1%～1%，遺傳率為70％～80％。這時(shí)可用Edward公式估計(jì)發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)，即f＝

P，f為患者一級(jí)親屬發(fā)病率，P為群體發(fā)病率。四、多基因病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的估計(jì)0.10.20.40.60.81246810一般群體發(fā)病率(%)402010864210.80.60.40.2患者一級(jí)親屬發(fā)病率(%)10090807060504030201003、發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)與患病人數(shù)的關(guān)系雙親患病數(shù)012群

體遺傳率患病同胞數(shù)患病同胞數(shù)患病同胞數(shù)發(fā)病率(％)01201201210017141124346365671.0801614818284147525014849151521261000.1411516266263640.1800.131041423606162500.113139711152、多基因病有家族聚集傾向

閾值♀♂先天性幽門(mén)狹窄4、發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)與病情嚴(yán)重程度的關(guān)系5、發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)與發(fā)病率的性別差異

C