線粒體疾病的遺傳

1、醫(yī)學(xué)遺傳學(xué),線粒體疾病的遺傳,Inheritance of Mitochondrail diseases,線粒體電鏡圖,線粒體模式圖,第一節(jié) 人類線粒體基因組,一、線粒體基因組 線粒體內(nèi)含有DNA分子，被稱為人類第25號(hào)染色體，是細(xì)胞核以外含有遺傳信息和表達(dá)系統(tǒng)的細(xì)胞器，其遺傳特點(diǎn)表現(xiàn)為非孟德爾遺傳方式，又稱核外遺傳。,1981年Anderson等人完成了人類線粒體基因組的全部核苷酸序列的測(cè)定。,線粒體基因組的特點(diǎn)線粒體基因

2、組全長(zhǎng)16569bp；不與組蛋白結(jié)合，呈裸露閉環(huán)雙鏈狀，根據(jù)其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在CsCl中密度的不同分為重鏈和輕鏈；重鏈（H鏈）富含鳥嘌呤，輕鏈（L鏈）富含胞嘧啶。,線粒體基因組的構(gòu)成mtDNA分為編碼區(qū)與非編碼區(qū)編碼區(qū)各基因之間排列極為緊湊，部分區(qū)域出現(xiàn)重疊，無(wú)啟動(dòng)子和內(nèi)含子，缺少終止密碼子，僅以U或UA結(jié)尾。 非編碼區(qū)（D loop），1122bp，H鏈復(fù)制起始點(diǎn)，H鏈和L鏈的啟動(dòng)子，保守序列。,編碼區(qū)為保守序列，不同種系間75%

3、的核苷酸具同源性，包括37個(gè)基因：2個(gè)基因編碼線粒體核糖體的rRNA（16S、2S）22個(gè)基因編碼線粒體中的tRNA13個(gè)基因編碼與線粒體氧化磷酸（OXPHOS）有關(guān)的蛋白質(zhì)。,線粒體基因編碼蛋白3個(gè)為構(gòu)成細(xì)胞色素c氧化酶（COX）復(fù)合體（復(fù)合體Ⅳ）催化活性中心的亞單位（COXⅠ、COXⅡ和COXⅢ）2個(gè)為ATP合酶復(fù)合體（復(fù)合體Ⅴ）F0部分的2個(gè)亞基（A6和A8）7個(gè)為NADH-CoQ還原酶復(fù)合體（復(fù)合體Ⅰ）的亞基（ND1

4、、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6）1個(gè)編碼的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)為CoQH2-細(xì)胞色素c還原酶復(fù)合體（復(fù)合體Ⅲ）中細(xì)胞色素b的亞基,.,線粒體基因組遺傳半自主性 mtDNA僅編碼13種，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)都依賴于核DNA（nuclear DNA，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

5、mtDNA的協(xié)調(diào)，二者共同作用參與機(jī)體代謝調(diào)節(jié)。 因此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 。,二、線粒體DNA的復(fù)制mtDNA可進(jìn)行半保留復(fù)制，其H鏈復(fù)制的起始點(diǎn)（OH）與L鏈復(fù)制起始點(diǎn)（OL）相隔約2/3個(gè)mtDNA。復(fù)制起始于控制區(qū)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，合成一條互補(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

6、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)，故此種DNA復(fù)制方式稱D-環(huán)復(fù)制。,D-環(huán)復(fù)制,三、線粒體基因的轉(zhuǎn)錄 與核基因轉(zhuǎn)錄比較，mtDNA的轉(zhuǎn)錄有以下特點(diǎn)：兩條鏈均有編碼功能兩條鏈從D-環(huán)區(qū)的啟動(dòng)子處同時(shí)開始以相同速率轉(zhuǎn)錄，L鏈按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)錄，H鏈按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)錄 mtDNA的基因之間無(wú)終止子tRNA基因通常位于mRNA基因和rRNA基因之間mtDNA的遺傳密碼與nDNA不完全相同線粒體中的tRNA兼用性較

7、強(qiáng),丙氨酸（Ala）的tRNA反密碼子擺動(dòng),,第二節(jié) 線粒體基因的突變,點(diǎn)突變大片段重組mtDNA數(shù)量減少mtDNA突變的修復(fù),第二節(jié) 線粒體基因的突變,自從1988年發(fā)現(xiàn)第一個(gè)mtDNA突變以來(lái)，已發(fā)現(xiàn)100多個(gè)與疾病相關(guān)的點(diǎn)突變、200多種缺失和重排，大約60%的點(diǎn)突變影響tRNA，35%影響多肽鏈的亞單位，5%影響rRNA。mtDNA基因突變可影響OXPHOS功能，使ATP合成減少，一旦線粒體不能提供足夠的能量則可引起細(xì)胞退

8、變甚至壞死，導(dǎo)致一些組織和器官功能的減退，出現(xiàn)相應(yīng)的臨床癥狀。,一、突變率mtDNA突變率比nDNA高10～20倍，其原因有以下幾點(diǎn)：①mtDNA中基因排列非常緊湊，任何mtDNA的突變都可能會(huì)影響到其基因組內(nèi)的某一重要功能區(qū)域；②mtDNA是裸露的分子，不與組蛋白結(jié)合，缺乏組蛋白的保護(hù)；③mtDNA位于線粒體內(nèi)膜附近，直接暴露于呼吸鏈代謝產(chǎn)生的超氧粒子和電子傳遞產(chǎn)生的羥自由基中，極易受氧化損傷。④mtDNA復(fù)制頻率較高，復(fù)制

9、時(shí)不對(duì)稱。⑤缺乏有效的DNA損傷修復(fù)能力。,確定一個(gè)mtDNA是否為致病性突變，有以下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：①突變發(fā)生于高度保守的序列或發(fā)生突變的位點(diǎn)有明顯的功能重要性；②該突變可引起呼吸鏈缺損；③正常人群中未發(fā)現(xiàn)該mtDNA突變類型，在來(lái)自不同家系但有類似表型的患者中發(fā)現(xiàn)相同的突變；④有雜質(zhì)存在，而且雜質(zhì)程度與疾病嚴(yán)重程度呈現(xiàn)正相關(guān)。,二、突變類型mtDNA突變類型主要包括點(diǎn)突變、大片段重組和mtDNA數(shù)量減少。,mtDNA點(diǎn)突變

10、2/3發(fā)生于編碼tRNA、rRNA的基因1/3點(diǎn)突變發(fā)生于編碼mRNA的基因,缺失、重復(fù) 大片段的缺失往往涉及多個(gè)基因，可導(dǎo)致線粒體OXPHOS功能下降，產(chǎn)生的ATP減少，從而影響組織器官的功能。常見缺失 8483～13459 8637～16073 4389～14812,mtDNA數(shù)量減少mtDNA數(shù)量的減少可為常染色體顯性或隱性遺傳，即提示該病由核

11、基因缺陷所致線粒體功能障礙。,三、突變的修復(fù)mtDNA的修復(fù)機(jī)制主要有兩種。 ①一種為切除修復(fù)：核酸內(nèi)切酶先切除損傷DNA片段，然后DNA聚合酶以未損傷鏈為模板，復(fù)制正確的核苷酸序列以填補(bǔ)形成的空缺。 ②轉(zhuǎn)移修復(fù)，通過(guò)轉(zhuǎn)移酶識(shí)別突變核苷酸（如甲基化核苷酸），并將該突變核苷酸清除。,第三節(jié) 線粒體疾病遺傳的特點(diǎn),一、母系遺傳在精卵結(jié)合時(shí)，卵母細(xì)胞擁有上百萬(wàn)拷貝的mtDNA，而精子中只有很少的線粒體，受精時(shí)幾乎不進(jìn)入受精卵，因此

12、，受精卵中的線粒體DNA幾乎全都來(lái)自于卵子，來(lái)源于精子的mtDNA對(duì)表型無(wú)明顯作用，這種雙親信息的不等量表現(xiàn)決定了線粒體遺傳病的傳遞方式不符合孟德爾遺傳，而是表現(xiàn)為母系遺傳（maternal inheritance），即母親將mtDNA傳遞給她的兒子和女兒，但只有女兒能將其mtDNA傳遞給下一代。,線粒體疾病典型系譜,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,二、雜質(zhì)如果同一組織或細(xì)胞中的mtDNA分子都是一

13、致的，稱為純質(zhì)（homoplasmy）。在克隆和測(cè)序的研究中發(fā)現(xiàn)一些個(gè)體同時(shí)存在兩種或兩種以上類型的mtDNA，稱為雜質(zhì)（heteroplasmy）。,雜質(zhì)的發(fā)生機(jī)制可能是由于mtDNA發(fā)生突變導(dǎo)致一個(gè)細(xì)胞內(nèi)同時(shí)存在野生型mtDNA和突變型mtDNA，或受精卵中存在的異質(zhì)mtRNA在卵裂過(guò)程中被隨機(jī)分配于子細(xì)胞中，由此分化而成的不同組織中也會(huì)存在mtDNA雜質(zhì)差異。,線粒體的大量中性突變可使絕大多數(shù)細(xì)胞中有多種mtDNA拷貝，稱多質(zhì)性。

14、,線粒體雜質(zhì)可分為序列雜質(zhì)（sequence-based heteroplasmy）和長(zhǎng)度雜質(zhì)（length-based heteroplasmy），序列雜質(zhì)通常僅為單個(gè)堿基的不同，2個(gè)或2個(gè)以上堿基不同較少見。,一般表現(xiàn)為：①同一個(gè)體不同組織、同一組織不同細(xì)胞、同一細(xì)胞甚至同一線粒體內(nèi)有不同的mtDNA拷貝；②同一個(gè)體在不同的發(fā)育時(shí)期產(chǎn)生不同的mtDNA。,不同組織中雜質(zhì)水平的比率和發(fā)生率各不相同，中樞神經(jīng)系統(tǒng)、肌肉雜質(zhì)的發(fā)生率較

15、高，血液中雜質(zhì)的發(fā)生率較低；在成人中的發(fā)生率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于兒童中的發(fā)生率，而且隨著年齡的增長(zhǎng)，雜質(zhì)的發(fā)生率增高。,在異質(zhì)型細(xì)胞中，野生型mtDNA對(duì)突變型mtDNA有保護(hù)和補(bǔ)償作用，因此，mtDNA突變時(shí)并不立即產(chǎn)生嚴(yán)重后果。,三、閾值效應(yīng)mtDNA突變可以影響線粒體OXPHOS的功能，引起ATP合成障礙，導(dǎo)致疾病發(fā)生，但實(shí)際上基因型和表現(xiàn)型的關(guān)系并非如此簡(jiǎn)單。突變型mtDNA的表達(dá)受細(xì)胞中線粒體的雜質(zhì)水平以及組織器官維持正常功能所需的最低

16、能量影響，可產(chǎn)生不同的外顯率和表現(xiàn)度。,雜質(zhì)細(xì)胞的表現(xiàn)型依賴于細(xì)胞內(nèi)突變型和野生型mtDNA的相對(duì)比例，能引起特定組織器官功能障礙的突變mtDNA的最少數(shù)量稱閾值。在特定組織中，突變型mtDNA積累到一定程度，超過(guò)閾值時(shí)，能量的產(chǎn)生就會(huì)急劇地降到正常的細(xì)胞、組織和器官的功能最低需求量以下，引起某些器官或組織功能異常，其能量缺損程度與突變型mtDNA所占的比例大致相當(dāng)。,閾值是一個(gè)相對(duì)概念，易受突變類型、組織、老化程度變化的影響，個(gè)體差

17、異很大。例如，缺失5kb變異的mtDNA比率達(dá)60%，就急劇地喪失產(chǎn)生能量的能力。線粒體腦肌病合并乳酸血癥及卒中樣發(fā)作（MELAS）患者tRNA點(diǎn)突變的mtDNA達(dá)到90%以上，能量代謝急劇下降。,突變mtDNA隨年齡增加在細(xì)胞中逐漸積累，因而線粒體疾病常表現(xiàn)為與年齡相關(guān)的漸進(jìn)性加重。在一個(gè)伴有破碎紅纖維的肌陣攣癲癇（MERRF）家系中，有85%突變mtDNA的個(gè)體在20歲時(shí)癥狀很輕微，但在60歲時(shí)臨床癥狀卻相當(dāng)嚴(yán)重。,四、不均等的