1、第五章第五章 线粒体遗传病线粒体遗传病（disease of mitochondrial inheritance）18941894年年,Altmann,Altmann发现动物细胞中线粒体。发现动物细胞中线粒体。19631963年，年，M.NassM.Nass和和S.NassS.Nass首次在鸡卵母细胞中首次在鸡卵母细胞中发现线粒体中存在有发现线粒体中存在有DNADNA。线粒体一般呈粒状或杆状，一般直径0.51m，长1.53.0m，主要化学成分是蛋白质和脂类，其中蛋白质占线粒体干重的65-70%，脂类占25-30%。线粒体是真核细胞的重要细胞器，是动物细胞生成ATP的主要地点。它们内部基本上是空
2、的，但具有复杂的膜结构。通常结合在维管上，分布在细胞功能旺盛的区域。如在肝细胞中呈均匀分布，在肾细胞中靠近微血管，呈平行或栅状排列，肠表皮细胞中呈两极性分布，集中在顶端和基部，在精子中分布在鞭毛中区。线粒体在细胞质中可以向功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨，由马达蛋白提供动力。线粒体基质的三羧酸循环酶系通过底物脱氢氧化生成NADH。NADH通过线粒体内膜呼吸链氧化，与此同时合成ATP。合成的ATP进入细胞质后参与细胞的各种需能过程。19871987年年,Wallace,Wallace等通过对线粒体等通过对线粒体DNADNA突变突变和和LeberLeber病的关系的研究后，明确地提出线粒病的关系的
3、研究后，明确地提出线粒体体DNADNA突变可以引起人类的疾病。突变可以引起人类的疾病。目前已发现人类目前已发现人类100100余种疾病与线粒体余种疾病与线粒体DNADNA突变有关。突变有关。第一节第一节 线粒体线粒体DNADNA的结构特的结构特点与遗传特征点与遗传特征 一、一、线粒体线粒体DNADNA的结构特点的结构特点 外环为重链（外环为重链（H H）富含）富含G G 内环为轻链（内环为轻链（L L）富含）富含C C 1212种多肽链种多肽链12S rRNA12S rRNA16S rRNA16S rRNA1414种种tRNA tRNA 1 1种多肽链种多肽链8 8种种tRNA tRNA mt
4、DNA:mtDNA:双链环状的双链环状的DNADNA分子、裸露不与分子、裸露不与组蛋白结合组蛋白结合,分散在线粒体基质中，长约分散在线粒体基质中，长约5 5m m、含含1656916569个碱基对。个碱基对。mtDNAmtDNA共有共有3737个基因个基因2 2种种 编码编码 rRNA(12SrRNA(12S和和1616S S）基因基因2222种种 编码编码 tRNA tRNA基因基因1313种种 编码编码 蛋白蛋白质基因质基因 Human mtDNA,a circular molecule that has been completely sequenced,is among the sma
5、llest known mtDNAs,containing 16,569 base pairs.It encodes the two rRNAs found in mitochondrial ribosomes and the 22 tRNAs used to translate mitochondrial mRNAs.mtDNAmtDNA与与nDNAnDNA不同不同:(1)(1)其分子上无核苷酸结合蛋白，缺少组蛋白的保护。其分子上无核苷酸结合蛋白，缺少组蛋白的保护。(2)(2)线粒体内无线粒体内无DNADNA损伤修复系统，损伤修复系统，mtDNAmtDNA易发生突变易发生突变 并容易得到保存
6、。并容易得到保存。(3)(3)每个线粒体内含有每个线粒体内含有2 21010个拷贝的个拷贝的mtDNAmtDNA分子。分子。(4)(4)每个细胞可具有数千个每个细胞可具有数千个mtDNAmtDNA分子分子 。mtDNAmtDNA的半保留复制的半保留复制 :H H链复制的起始点（链复制的起始点（O OH H）与）与L L链复制起始链复制起始点（点（O OL L）相隔）相隔2/32/3个个mtDNAmtDNA。复制起始于。复制起始于L L链链的转录启动子，首先以的转录启动子，首先以L L链为模板合成一段链为模板合成一段RNARNA作为作为H H链复制的引物，在链复制的引物，在DNADNA聚合酶作用
7、聚合酶作用下，复制一条互补的下，复制一条互补的H H链，取代亲代链，取代亲代H H链与链与L L链互补。被置换的亲代链互补。被置换的亲代H H链保持单链状态，链保持单链状态，这段发生置换的区域称为置换环或这段发生置换的区域称为置换环或D D环。环。D D环复制环复制 随着新随着新H H链的合成，链的合成，D D环延伸，轻链复制起环延伸，轻链复制起始点始点O OL L暴露，暴露，L L链开始以被置换的亲代链开始以被置换的亲代H H链为链为模板沿逆时针方向复制。两条链的复制全部模板沿逆时针方向复制。两条链的复制全部完成后，起始点的完成后，起始点的RNARNA引物被切除，缺口封引物被切除，缺口封闭，
8、两条子代闭，两条子代DNADNA分子分离。分子分离。4040分钟后，新合成的松弛型线粒体分钟后，新合成的松弛型线粒体DNADNA成为超螺旋状态。成为超螺旋状态。复制中的线粒体复制中的线粒体DNADNA与核基因转录比较，与核基因转录比较，mtDNA的转录有以下特点：的转录有以下特点：二、线粒体二、线粒体DNADNA的遗传学特征的遗传学特征1.mtDNA1.mtDNA半自主性半自主性 2.mtDNA2.mtDNA遗传密码与通用密码不完全相同遗传密码与通用密码不完全相同 3.mtDNA3.mtDNA为母系遗传为母系遗传 4.mtDNA4.mtDNA在有丝分裂和减数分裂期间都要经过复制分离在有丝分裂和
9、减数分裂期间都要经过复制分离 5.mtDNA5.mtDNA具有阈值效应的特征具有阈值效应的特征 6.mtDNA6.mtDNA的突变率很高的突变率很高 7.7.mtDNA的异质性的异质性8.8.mtDNA中普遍存在多态现象中普遍存在多态现象（一）（一）mtDNAmtDNA具有半自主性具有半自主性 线粒体是一种半自主细胞器，受线粒体基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因组和核基因组两套遗传系统共同控制 。mtDNAmtDNA仅编码仅编码1313种蛋白质，绝大部分蛋白种蛋白质，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质亚基和其他维持线粒体结构和功能的蛋
10、白质都依赖于都依赖于nDNAnDNA编码，在细胞质中合成后，经特编码，在细胞质中合成后，经特定转运方式进入线粒体定转运方式进入线粒体 。mtDNAmtDNA基因的表达受基因的表达受nDNAnDNA的制约，线粒体的制约，线粒体氧化磷酸酶化系统的组装和维护需要氧化磷酸酶化系统的组装和维护需要nDNAnDNA和和mtDNAmtDNA的协调，二者共同作用参与机体代谢调的协调，二者共同作用参与机体代谢调节。节。线粒体的半自主性线粒体的半自主性Complex Subunits Nuclear mtDNA 41 34 7 4 4 0 11 10 1 13 10 3ATPase 14 12 2 合计合计 87
11、 70 13（二）线粒体基因组所用的遗传密码（二）线粒体基因组所用的遗传密码和通用密码不完全等同和通用密码不完全等同 MetIleAUAMetMetAUGStopArgAGAStopArgAGGTrpStopUGATrpTrpUGGmtDNAnDNACodon（三）（三）mtDNAmtDNA为母系遗传为母系遗传 母亲将她的母亲将她的mtDNAmtDNA传递给儿子和女儿，传递给儿子和女儿，但只有女儿能将其但只有女儿能将其mtDNAmtDNA传递给下一代。传递给下一代。线粒体的母系遗传，线粒体的母系遗传，O O：卵子：卵子;S:;S:精子精子;A;A、B B、C C子细胞子细胞;Z:;Z:受精卵受
12、精卵（四）（四）mtDNAmtDNA在有丝分裂和减数分裂期间都在有丝分裂和减数分裂期间都要经过复制分离要经过复制分离 人的细胞里通常有上千个人的细胞里通常有上千个mtDNAmtDNA拷贝，在拷贝，在突变体和正常突变体和正常mtDNAmtDNA共存的细胞中，共存的细胞中，mtDNAmtDNA在细在细胞的复制和分离过程中发生遗传漂变，可导致胞的复制和分离过程中发生遗传漂变，可导致子细胞出现三种基因型：纯合的突变体子细胞出现三种基因型：纯合的突变体mtDNAmtDNA、纯合的正常纯合的正常mtDNAmtDNA、突变体和正常的、突变体和正常的mtDNAmtDNA的杂的杂合体。合体。（五）（五）mtDN
13、AmtDNA具有阈值效应的特性具有阈值效应的特性 线粒体病发病有一阈值，只有当异常的线粒体病发病有一阈值，只有当异常的mtDNAmtDNA超过阈值时才发病。女性携带者的细胞超过阈值时才发病。女性携带者的细胞内突变的内突变的mtDNAmtDNA未达到阈值或在某种程度上受未达到阈值或在某种程度上受核影响而未发病，但仍可以通过核影响而未发病，但仍可以通过mtDNAmtDNA突变体突变体向下代传递。向下代传递。（六）（六）mtDNAmtDNA的突变率极高的突变率极高 mtDNAmtDNA中基因排列紧凑，任何突变都可能会影响到其基因中基因排列紧凑，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。组内
14、的某一重要功能区域。mtDNAmtDNA是裸露的分子，不与组蛋白结合。是裸露的分子，不与组蛋白结合。mtDNAmtDNA位于线粒体内膜附近，直接暴露于呼吸链代谢产生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。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。mtDNAmtDNA复制频率较高，复制时不对称复制频率较高，复制时不对称,缺乏有效的缺乏有效的DNADNA损伤损伤修复能力。修复能力。（七）（七）mtDNA的异质性的异质性（八）（八）mtDNA中普遍存在多中普遍存在多态现象态现象第二节第二节 mtDNAmtDNA突变与人类疾病突变与
15、人类疾病 线粒体突变导致的疾病主要累及肌肉、中线粒体突变导致的疾病主要累及肌肉、中枢和外周神经系统，与贫血和糖尿病等疾病也枢和外周神经系统，与贫血和糖尿病等疾病也相关。相关。一、线粒体遗传病的突变类型一、线粒体遗传病的突变类型 1.1.碱基突变碱基突变2.2.缺失、插入突变缺失、插入突变 3.mtDNA3.mtDNA拷贝数目突变拷贝数目突变 2.核基因突变导致线粒体功能异常核基因突变导致线粒体功能异常3.基因转录调节异常导致线粒体功能异常基因转录调节异常导致线粒体功能异常二、人类线粒体遗传病、人类线粒体遗传病 目前发现的线粒体疾病集中在神经和肌目前发现的线粒体疾病集中在神经和肌肉系统，内分泌系
16、统等疾病也与线粒体功能肉系统，内分泌系统等疾病也与线粒体功能障碍有关。障碍有关。又称线粒体细胞病，是指线粒体又称线粒体细胞病，是指线粒体DNADNA的缺陷的缺陷所造成细胞不能产生足够的所造成细胞不能产生足够的ATP,ATP,而导致细胞功而导致细胞功能减退甚至坏死，从而在临床上表现为复杂多能减退甚至坏死，从而在临床上表现为复杂多样的症状。样的症状。线粒体线粒体DNADNA的缺陷包括线粒体的缺陷包括线粒体DNADNA重复、缺失重复、缺失及点突变。及点突变。线粒体病线粒体病 人体内能量代谢最旺盛的器官最易受累，线人体内能量代谢最旺盛的器官最易受累，线粒体突变导致的疾病主要累及粒体突变导致的疾病主要累
17、及中枢神经系统、中枢神经系统、骨骼肌和心肌骨骼肌和心肌等能量需求较高的组织损害为等能量需求较高的组织损害为主。主。如病变易侵犯骨骼肌，提示线粒体肌病，如病变易侵犯骨骼肌，提示线粒体肌病，如病变同时累及中枢神经系统，则称线粒体如病变同时累及中枢神经系统，则称线粒体脑肌病。脑肌病。与贫血和糖尿病等疾病也相关。与贫血和糖尿病等疾病也相关。线粒体病病人可表现出极为广泛的临床特征。线粒体病病人可表现出极为广泛的临床特征。其中，常见的神经系统临床特征包括眼外肌其中，常见的神经系统临床特征包括眼外肌瘫痪、视网膜色素变性、耳聋、癫痫、共济瘫痪、视网膜色素变性、耳聋、癫痫、共济失调、中风样发作、痴呆、肌病和外周
18、性神失调、中风样发作、痴呆、肌病和外周性神经综合征。另外，病人也可以表现为非神经经综合征。另外，病人也可以表现为非神经系统综合征，如糖尿病、内分泌紊乱性疾病、系统综合征，如糖尿病、内分泌紊乱性疾病、心肌病、肾功能低下、肝功能低下或血液系心肌病、肾功能低下、肝功能低下或血液系统功能紊乱及皮肤病。统功能紊乱及皮肤病。线粒体病的常见临床表现线粒体病的常见临床表现神经系统表现神经系统表现 脑血管意外样症状脑血管意外样症状癫痫发作癫痫发作眼肌麻痹眼肌麻痹肌阵挛肌阵挛眼神经病眼神经病肌病肌病抑制性精神病抑制性精神病感觉性神经耳聋感觉性神经耳聋共济失调共济失调 健忘健忘外周性神经病外周性神经病 血管性头痛血
19、管性头痛 脊髓病脊髓病 其他系统疾病表现其他系统疾病表现 心脏传导系统缺陷心脏传导系统缺陷 范可尼近端神经元机能障碍范可尼近端神经元机能障碍视网膜色素变性视网膜色素变性肾小球病肝病肾小球病肝病小肠假性梗阻小肠假性梗阻糖尿病糖尿病 个体矮小个体矮小 乳酸中毒乳酸中毒 全血减少全血减少 心肌病心肌病 在许多在许多mtDNAmtDNA病人中常见的病理特征为骨骼病人中常见的病理特征为骨骼肌活检可见破碎的红色纤维。这些破碎的红色纤肌活检可见破碎的红色纤维。这些破碎的红色纤维是肌肉纤维，其中含有大量异常的线粒体堆积维是肌肉纤维，其中含有大量异常的线粒体堆积物，这些堆积物可被一种特殊的染料染成红色。物，这些
20、堆积物可被一种特殊的染料染成红色。左图：肌纤维出现中度线粒体增殖；右图：线粒体已经占据了左图：肌纤维出现中度线粒体增殖；右图：线粒体已经占据了半个肌纤维；半个肌纤维；Gomori trichrome线粒体红染线粒体红染 线粒体基因病系谱 确定一个mtDNA是否为致病性突变，有以下几个标准：突变发生于高度保守的序列或发生突变的位点有明显的功能重要性；该突变可引起呼吸链缺损；正常人群中未发现该mtDNA突变类型，在来自不同家系但有类似表型的患者中发现相同的突变；有异质性存在，而且异质性程度与疾病严重程度正相关。mtDNA突变类型主要包括点突变、大片段重组和mtDNA数量减少。主要病变为视神经退主要
21、病变为视神经退行性变，发病较早，表现行性变，发病较早，表现为急性亚急性视力减退，为急性亚急性视力减退，中心视野丧失最明显。中心视野丧失最明显。Leber T Leber T 医生医生（一）（一）LeberLeber遗传性视神经病遗传性视神经病（OMIM#535000OMIM#535000）一般认为是由于一般认为是由于mtDNAmtDNA点突变导致其第点突变导致其第1177811778位精氨酸位精氨酸组氨酸组氨酸 ,使编码呼吸链使编码呼吸链NADHNADH脱氢酶脱氢酶mtDNAmtDNA第第340340位精氨酸被组氨酸取代，改位精氨酸被组氨酸取代，改变了变了mtDNAmtDNA阀间构型，导致阀间
22、构型，导致NADHNADH脱氢酶活性降脱氢酶活性降低，线粒体产能下降，对需能量多的视神经组低，线粒体产能下降，对需能量多的视神经组织损害最大，久之导致视神经细胞退行性变，织损害最大，久之导致视神经细胞退行性变，直至萎缩。直至萎缩。11778 GA I 1 2 II 1 2 3 4 5 6III 1 2 3 4 5 6 7LeberLeber遗传性视神经病家系之一遗传性视神经病家系之一LeberLeber遗传性视神经病家系之二遗传性视神经病家系之二LeberLeber遗传性视神经病家系之三遗传性视神经病家系之三LeberLeber遗传性视神经病家系之四遗传性视神经病家系之四（二）神经病伴运动性共
23、济失调和视网膜二）神经病伴运动性共济失调和视网膜色素变性（色素变性（OMIM#551500OMIM#551500）以发育迟缓，近端肢体肌无力，痴呆，以发育迟缓，近端肢体肌无力，痴呆，抽搐，视网膜色素变性和感觉功能减退为特抽搐，视网膜色素变性和感觉功能减退为特点。点。在线粒体在线粒体ATPase6ATPase6基因的第基因的第89938993位点发位点发生生T T至至G G的颠换，使的颠换，使ATPase ATPase 第第6 6亚单位的第亚单位的第156156位上的亮氨酸改变为精氨酸。位上的亮氨酸改变为精氨酸。如果如果89938993位置突变的位置突变的异质性超过异质性超过90%90%时，通常
24、会时，通常会发生一种致命的、发生在发生一种致命的、发生在婴儿期的疾病，称婴儿期的疾病，称LeighLeigh综综合征（合征（Leigh syndromeLeigh syndrome，LSLS，OMIM#256000OMIM#256000）。主）。主要病理学特征是基底神经要病理学特征是基底神经节和脑干部位神经元细胞节和脑干部位神经元细胞的退化的退化 。LeighLeigh综合征患者综合征患者 NARPNARP和和LeighLeigh综合综合征主要与征主要与ATPATP复合酶的功复合酶的功能受损有关，目前发现能受损有关，目前发现该病的致病突变主要是该病的致病突变主要是mtDNAmtDNA第第899
25、38993位点位点（ATPase6ATPase6基因）基因）TGTG或或TCTC，将，将ATPase 6ATPase 6亚基亚基156156位的亮氨酸改变为精位的亮氨酸改变为精氨酸或脯氨酸，从而影氨酸或脯氨酸，从而影响响ATPATP合酶的质子通道。合酶的质子通道。NARP8993TG（三）（三）MERRFMERRF综合征（综合征（OMIM#545000OMIM#545000）多系统紊乱，肌阵挛性癫痫，多系统紊乱，肌阵挛性癫痫，共济失调，轻度痴呆，耳聋，共济失调，轻度痴呆，耳聋，脊髓退化。脊髓退化。大量团块状线粒体聚集大量团块状线粒体聚集于肌细胞中（可被特异性染于肌细胞中（可被特异性染料染成红色
26、，料染成红色，破碎红纤破碎红纤维）。大脑卵圆核与齿状核维）。大脑卵圆核与齿状核有神经元的缺失。有神经元的缺失。MERRFMERRF综合征患者综合征患者（四）（四）MELASMELAS综合征（综合征（OMIM#540000OMIM#540000）4040岁以前开始出现的复发性休克、肌病、岁以前开始出现的复发性休克、肌病、共济失调、肌阵挛、痴呆和耳聋。少数患者共济失调、肌阵挛、痴呆和耳聋。少数患者出现反复呕吐、周期性的偏头痛、糖尿病。出现反复呕吐、周期性的偏头痛、糖尿病。进行性眼外肌无力或麻痹使眼的水平运动受进行性眼外肌无力或麻痹使眼的水平运动受限，眼外肌麻痹，眼睑下垂。肌无力，身材限，眼外肌麻痹
27、，眼睑下垂。肌无力，身材矮小等。矮小等。在在MELASMELAS患者中，异常的线粒体不能够代谢患者中，异常的线粒体不能够代谢丙酮酸，导致大量丙酮酸生成乳酸，而后者在丙酮酸，导致大量丙酮酸生成乳酸，而后者在血液和其他体液中累积。血液和其他体液中累积。MELASMELAS患者的特征性患者的特征性病理变化就是在脑和肌肉的小动脉和毛细血管病理变化就是在脑和肌肉的小动脉和毛细血管管壁中有大量的形态异常的聚集的线粒体。管壁中有大量的形态异常的聚集的线粒体。超过超过80%80%的突变率发生在的突变率发生在tRNAtRNAleu(UUR)leu(UUR)基因上基因上的的A3243GA3243G突变。突变。ME
28、LASMELAS患者脑部病变患者脑部病变（五）链霉素耳毒性耳聋（五）链霉素耳毒性耳聋（OMIM#580000OMIM#580000）19931993年，年，PrezantPrezant等通过等通过3 3个母系遗传的个母系遗传的氨基糖甙类抗生素致聋（氨基糖甙类抗生素致聋（aminoglycoside aminoglycoside antibiotics induced deafness,AAIDantibiotics induced deafness,AAID）家系）家系的研究，首次报道的研究，首次报道mtDNAmtDNA编码的编码的12SrRNA12SrRNA基因基因15551555位点位点A
29、GAG的突变。的突变。另一个导致听力丧失的纯质性突变是另一个导致听力丧失的纯质性突变是74457445位点位点TGTG的突变的突变 。DEAF1555DEAF1555位点位点AGAG 74457445位点位点TGTG氨基糖甙类抗生素耳神经毒性氨基糖甙类抗生素耳神经毒性（六）（六）KSSKSS（OMIM#530000OMIM#530000）(CPEO)(CPEO)常见临床表现是进行性眼外肌麻痹常见临床表现是进行性眼外肌麻痹（PEO)PEO)和视网膜色素变性。还包括心肌电传和视网膜色素变性。还包括心肌电传导异常，共济失调，耳聋，痴呆和糖尿病。导异常，共济失调，耳聋，痴呆和糖尿病。发病年龄一般低于发
30、病年龄一般低于2020岁，大多数患者在确诊岁，大多数患者在确诊后几年内死亡。后几年内死亡。KSSKSS并不表现出特定的母系或核基因遗并不表现出特定的母系或核基因遗传方式。然而症状表明是一种线粒体病。传方式。然而症状表明是一种线粒体病。KSSKSS患者的线粒体分析表明有患者的线粒体分析表明有mtDNAmtDNA结构结构的改变，包括大片段缺失的改变，包括大片段缺失(1000bp)1000bp)和和DNADNA复制。复制。CPEOCPEO患者患者眼外肌慢性眼外肌慢性进行性瘫痪进行性瘫痪第8648位 第13460位 (七七)其他与线粒体有关的病变其他与线粒体有关的病变 帕金森病帕金森病(Parkins
31、on disease)(Parkinson disease)肿瘤肿瘤 糖尿病糖尿病 冠心病冠心病 衰老衰老 巴金和陈景润都巴金和陈景润都是帕金森病患者是帕金森病患者帕金森病患者脑和脊髓发生帕金森病患者脑和脊髓发生神经元退性变性神经元退性变性,丢失。丢失。一个母系遗传的非综合征耳聋家系一个母系遗传的非综合征耳聋家系衰衰 老老 三、核三、核DNADNA编码的线粒体遗传病编码的线粒体遗传病 由核基因突变导致的由核基因突变导致的线粒体功能损害比较少见，线粒体功能损害比较少见，但是目前这种缺陷的发生但是目前这种缺陷的发生率在逐渐增加。率在逐渐增加。nDNAnDNA改变改变引起的遗传疾病主要表现引起的遗传疾病主要表现为线粒体功能障碍，呈孟为线粒体功能障碍，呈孟德尔遗传方式。德尔遗传方式。（1）线粒体蛋白输入缺陷）线粒体蛋白输入缺陷（2）底物运输缺陷）底物运输缺陷（3）底物利用缺陷）底物利用缺陷（4）铁运输缺陷）铁运输缺陷（5）电子传递链缺陷）电子传递链缺陷
