1、医学遗传学 Medical Genetics 第七章第七章 线粒体病的遗传线粒体病的遗传l【目标要求】l 1掌握线粒体遗传、线粒体疾病、异质性、阈值效应等基本概念。l 2掌握线粒体DNA的结构与遗传特点。l 3熟悉线粒体基因组与核基因组的关系。l 4了解线粒体DNA的复制、转录特点。l【教学内容】l 1.人类线粒体基因组l 2.线粒体疾病的遗传l【重点难点】l 同质性，异质性，婚配类型和子代发病风险，阈值效应，复制分离,母系遗传，高突变率。线粒体病的遗传线粒体病的遗传Inheritance of Mitochondrial diseasesInheritance of Mitochondria
2、l diseasesl前言l人类线粒体基因组l线粒体基因突变与相关疾病l线粒体疾病的遗传特点前言前言l线粒体是真核细胞的能量代谢中心，其内膜上富含呼吸链-氧化磷酸化系统的酶复合体，可通过电子传递和氧化磷酸化生成ATP，为细胞提供进行各种生命活动所需要的能量。l大量研究表明，线粒体内含有DNA和转译系统，能够独立进行复制、转录和翻译，是许多人类疾病的重要病因。第一节第一节 人类线粒体基因组人类线粒体基因组一、线粒体基因组一、线粒体基因组 线粒体内含有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。19811981年
3、年AndersonAnderson等人完成了人类等人完成了人类线粒体基因组的线粒体基因组的全部核苷酸序列全部核苷酸序列的测定，的测定，认为有认为有16569个碱基。个碱基。研究线粒体研究线粒体DNA的意义的意义l线粒体线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）分子量小，结构简单，进化速度快，无组织特异性，具有特殊的结构特征、遗传特征和重要功能，而且在细胞中含量丰富（几乎每个人体细胞中都含有数以百计的线粒体，一个线粒体内有 210个拷贝的DNA），易于纯化。lmtDNA是研究基因结构和表达、调控的良好模型，在人类学、发育生物学、分子生物学、临床医学、法医学等领域受到广泛的重视
4、，并取得令人瞩目的成就。线粒体基因组线粒体基因组特点特点l线粒体基因组全长16568bp（原第3701的碱基不存在，以X表示）；l不与组蛋白结合，呈裸露闭环双链状，根据其转录产物在CsCl中密度的不同分为重链和轻链；l重链（H链）富含鸟嘌呤，轻链（L链）富含胞嘧啶。l无内含子、无终止子等调控序列。l一、线粒体基因组的结构一、线粒体基因组的结构l mtDNA分为编码区与非编码区l 1.编码区占mtDNA 全长的99%多，包含37个基因：l（1）2个基因编码线粒体核糖体rRNA（12SrRNA、16SrRNA）；l（2）22个基因编码线粒体中的tRNA；l（3）13个基因编码与线粒体氧化磷酸化有关
5、的蛋白质亚单位；l H链编码：12种多肽链、14种tRNA、12SrRNA、16SrRNAl L链编码：1种多肽链、8种tRNA线粒体基因编码蛋白线粒体基因编码蛋白(1313个个)l 7个为NADH-CoQ还原酶复合体（复合体）的亚基（ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6）l 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）中细胞色素b的亚基 l 3个为构成细胞色素c氧化酶（COX）复合体（复合体）催化活性中心的亚单位（COX、COX和COX）l 2个为ATP合酶复合体（复合体）F0部分的2个亚基（A6和A8）l 2.非编码区占mtDNA 全长不足1%，包
6、含2个片段：l（1）控制区（D-loop），又称D环区（displacement loop region，D-loop）：1122bp，包含H链复制的起始点（OH）、H链和L链转录的启动子（PH1、PH2、PL）以及4个保守序列（分别在213235、299315、346363bp和终止区1614716172bp）。l（2）L链复制起始区(OL)二、线粒体二、线粒体DNADNA的复制的复制 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，顺时针
7、方向复制一条互补的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。D-D-环复制环复制l随着新H链的合成，D环延伸，轻链复制起始点OL暴露，L链开始以被置换的亲代H链为模板沿逆时针方向复制。即半保留复制。l当H链合成结束时，L链只合成了1/3，此时mtDNA有两个环：一个是已完成复制的环状双链DNA，另一个是正在复制、有部分单链的DNA环。即不对称复制。l两条链的复制全部完成后，起始点的RNA引物被切除，缺口封闭，两条子代DNA分子分离。三、线粒体基因的转录三、线粒体基因的转录l 两条链均有编码功能：重链编码2个
8、rRNA、12个mRNA和14个tRNA；轻链编码1个mRNA和8个tRNA；l 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；l mtDNA的基因之间无终止子，因此两条链各自产生一个巨大的多顺反子初级转录产物。H链还产生一个较短的、合成活跃的RNA转录产物，其中包含2个tRNA和2个mRNA；l tRNA基因通常位于mRNA基因和rRNA基因之间，每个tRNA基因的5端与mRNA基因的3端紧密相连，核酸酶准确识别初级转录产物中tRNA序列，并在tRNA两端剪切转录本，形成单基因的mRNA、tRNA和rRNA，剪切下来的mRNA无5帽结构，在po
9、lyA聚合酶的作用下，在3端合成一段polyA，成为成熟的mRNA。初级转录产物中无信息的片段被很快降解；l mtDNA的遗传密码与nDNA不完全相同：lUGA编码色氨酸而非终止信号，lAGA、AGG是终止信号而非精氨酸，lAUA编码甲硫氨酸兼启动信号，而不是异亮氨酸的密码子；l 线粒体中tRNA的兼用性较强，其反密码子严格识别密码子的前两位碱基，但第3位碱基的识别有一定的自由度（称碱基摆动），可以识别4种碱基中的任何一种，因此，1个tRNA往往可识别几个简并密码子，22个tRNA便可识别线粒体mRNA的全部密码子（表表）。l与nDNA比较，线粒体密码子的第3位更常见的是A或C，这是线粒体密码
10、子简并性的主要来源。丙氨酸（Ala）的tRNA反密码子摆动密码子反密码子核tRNA线粒体tRNAGCU、GCCGCA、GCGGGCUGCUGCl四、线粒体遗传系统的特点四、线粒体遗传系统的特点l（一）半自主性（一）半自主性（self-independence）l mtDNA仅编码13种蛋白质亚基，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（nuclear DNA，nDNA）编码，在细胞质中合成后，经特定转运方式进入线粒体；l mtDNA基因的表达受nDNA的制约，线粒体氧化磷酸化酶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。l 因此线
11、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。l（二）多质性、同质性和异质性（二）多质性、同质性和异质性(polyplasmy、homoplasmy and heteroplasmy)l 一般每个细胞有数千个mtDNA,即多质性；l 如果所有mtDNA分子都是相同的，则为同质性；l 如果突变型mtDNA与野生型共存，即异质性。l（三）不同的遗传密码（三）不同的遗传密码（different genetic code）l 有4个密码子的含义与通用密码不同，线粒体的tRNA兼用性较强。l（四）母系遗传（四）母系遗传（maternal inheritance）l 受精卵中线粒体
12、几乎全部来自母亲的卵子细胞质，即母亲将mtDNA传递给她的子女，且只有母亲能将其mtDNA传递给下一代。l（五）复制分离（五）复制分离（replicative segregation）l 细胞分裂时，突变型和野生型mtDNA发生分离，随机地分配到子细胞中，使子细胞拥有不同比例的突变型mtDNA分子。l（六）高突变率（六）高突变率(high mutation rate)l mtDNA中基因排列非常紧凑，任何mtDNA的突变都可能会影响到其基因组内的某一重要功能区域；l mtDNA是裸露的分子，不与组蛋白结合，缺乏组蛋白的保护；l mtDNA位于线粒体内膜附近，直接暴露于呼吸链代谢产生的超氧粒子和
13、电子传递产生的羟自由基中，极易受氧化损伤。如：mtDNA链上的脱氧鸟苷（dG）可转化成羟基脱氧鸟苷（8-OH-dG），导致mtDNA点突变或缺失；l mtDNA复制频率较高，复制时不对称。亲代H链被替换下来后，长时间处于单链状态，直至子代L链合成，而单链DNA可自发脱氨基，导致点突变；l 缺乏有效的DNA损伤修复能力。第二节第二节 线粒体基因突变线粒体基因突变与相关疾病与相关疾病l自从1988年发现第一个mtDNA突变以来，已发现100多个与疾病相关的点突变、200多种缺失和重排，大约60%的点突变影响tRNA，35%影响多肽链的亚单位，5%影响rRNA。lmtDNA基因突变可影响OXPHOS
14、功能，使ATP合成减少，一旦线粒体不能提供足够的能量则可引起细胞发生退变甚至坏死，导致一些组织和器官功能的减退，出现相应的临床症状。l一、线粒体基因组突变类型一、线粒体基因组突变类型l（一）点突变l 主要为mtDNA序列上碱基替换导致的错义突变。l（二）大片段重组（二）大片段重组l指缺失了一个或多个以上基因的片段。可导致氧化磷酸化功能下降，ATP合成减少，从而影响组织器官功能。l常见的缺失片段：l8483 13459bpl8637 16073bpl4389 14812bpl（三）（三）mtDNA数量减少数量减少lmtDNA数量的减少是指mtDNA拷贝数大大低于正常细胞。这种突变较少见，且病重致
15、死。可为常染色体显性或隐性遗传，即提示该病由核基因缺陷所致线粒体功能障碍。l二、突变导致的功能缺陷二、突变导致的功能缺陷l（一）点突变导致的功能缺陷：（一）点突变导致的功能缺陷：l 如果突变发生于tRNA基因，可使tRNA和rRNA的结构异常，影响mtDNA编码的全部多肽链的翻译过程，导致呼吸链中多种酶合成障碍；如果突变发生于mRNA基因，可导致多肽链发生错义突变，进而影响氧化磷酸化相关酶的结构及活性，使细胞氧化磷酸化功能下降。典型疾病：l MERRF：最常见突变是tRNALys基因存在8344位点 AG突变，使tRNALys结构中TC环改变。l LHON：病人ND4基因中存在11778位点上
16、GA突变，使NADH脱氢酶亚单位4（ND4）第340位精氨酸变成了组氨酸，从而影响了线粒体能量的产生，引进视神经和视网膜神经元退化。l（二）大片段重组导致的功能缺陷：（二）大片段重组导致的功能缺陷：l 大片段的缺失往往涉及多个基因，可导致线粒体氧化磷酸化功能下降，产生的ATP减少，从而影响组织器官的功能。如最常见的848313459位碱基之间5.0kb的片段缺失，该片段缺失意味着其中A8、A6、COX、ND3、ND4L、ND4、ND5及部分tRNA基因的丢失，造成氧化磷酸化系统中多肽不能生成，ATP生成减少。该缺失多见于Kearns-Sayre综合征（KSS）等。l KSS：最常见的是8468
17、位点和13446位点之间的4977bp缺失，约1/3患者的缺失断裂点位于ATP酶亚单位8基因和ND5基因内；最大片段的缺失为5786位点和15944位点之间大于10kb的缺失。由于缺失丢掉了许多基因，尤其是tRNA基因，导致线粒体蛋白合成缺陷，大多数患者确诊后几年内死亡。第三节第三节 线粒体疾病的遗传特点线粒体疾病的遗传特点l由于每个细胞中线粒体DNA拷贝数目可多达数千，每个线粒体中有若干个DNA分子。l因此，由线粒体DNA突变所引起的细胞病变就不可能像核DNA突变引起的细胞病变那么简单。l缺失多发生于体细胞中，引起的疾病常为散发，无家族史，突变mtDNA随年龄增长在组织细胞中逐渐积累，故诱发
18、的疾病在一定的年龄阶段表现并进行性加重。l缺失的大小、位置与疾病的生化表现和严重程度是否相关尚无定论；是发生在生殖细胞中的mtDNA突变引起母系家族性疾病。一、母系遗传一、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。这种在精卵结合时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（maternal inheritance），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。l
19、注：并非女性患者的后代全部发病，而且发病年龄也不一致，甚至一些女性患者本身表型正常，但可将本病传给下一代。由于l 遗传瓶颈效应l 复制分离和遗传漂变现象l 阈值效应lmtDNA在亲子代之间的传递非常复杂，人类的每个卵细胞中大约有10万个mtDNA，但只有随机的一小部分（2200个）可以进入成熟的卵细胞传给子代，这种卵细胞形成期mtDNA数量剧减的过程称“遗传瓶颈效应”。l 卵母细胞形成卵子时的遗传瓶颈效应l三、阈值效应三、阈值效应l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，能引起特定组织器官功能障碍的突变mtDNA的最少数量称阈值。l在特定组织中，突变型mtDNA积累到
20、一定程度，超过阈值时，能量的产生就会急剧地降到正常的细胞、组织和器官的功能最低需求量以下，引起某些器官或组织功能异常，其能量缺损程度与突变型mtDNA所占的比例大致相当。l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。l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。阈值效应表现在以下方面：阈值效应表现在以下方面：l1.由于阈值效应，子女中得到较多突变mtDNA者将发病，得到较少突变mtDNA者不发病或病情较轻。l2.不同的组
21、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他组织更易受到OXPHOS损伤的影响，较低的突变型mtDNA水平就会引起临床症状。l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。其他依次为骨骼肌、心脏、胰腺、肾脏、肝脏。l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。l3.同一组织在不同功能状态对OXPHOS损伤的敏感性也不同。l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。l 4.线粒体疾
22、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。l 散发性散发性KSS和进行性眼外肌瘫痪（进行性眼外肌瘫痪（PEO）患者均携带大量同源的缺失型mtDNA，但却有不同的临床表现：KSS为多系统紊乱，PEO主要局限于骨骼肌，可能是由于mtDNA缺失发生在囊胚期之前或之中，在胚层分化时，如果缺失mtDNA相对均一地进入所有胚层，将导致KSS；仅分布在肌肉内将导致PEO。l5.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。l在一个伴有破
23、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。l三、核质协同性三、核质协同性l 1.线粒体有相对独立的遗传系统，mtDNA突变可导致线粒体疾病发生。l 2.线粒体遗传系统受核基因制约，如tRNA合成酶、mtDNA聚合酶等由nDNA控制合成，nDNA突变也可导致线粒体疾病。l 3.mtDNA突变的症状表现度与其核基因背景有关。l 4.有些线粒体疾病如KSS，即有nDNA突变，也有mtDNA突变。l请预习请预习l第十二章 线粒体疾病l思考：思考：l1如何判断mtDNA是病理性变异还是多态?l2根据对线粒体功能的影响可将nDNA突变分为哪几类?Thanks
