1、醫(yī)學遺傳學,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號染色體，是細胞核以外含有遺傳信息和表達系統(tǒng)的細胞器，其遺傳特點表現(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定。,線粒體基因組的特點線粒體基因

2、組全長16569bp；不與組蛋白結合，呈裸露閉環(huán)雙鏈狀，根據(jù)其轉錄產(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，無啟動子和內(nèi)含子，缺少終止密碼子，僅以U或UA結尾。 非編碼區(qū)（D loop），1122bp，H鏈復制起始點，H鏈和L鏈的啟動子，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個基因：2個基因編碼線粒體核糖體的rRNA（16S、2S）22個基因編碼線粒體中的tRNA13個基因編碼與線粒體氧化磷酸（OXPHOS）有關的蛋白質。,線粒體基因編碼蛋白3個為構成細胞色素c氧化酶（COX）復合體（復合體Ⅳ）催化活性中心的亞單位（COXⅠ、COXⅡ和COXⅢ）2個為ATP合酶復合體（復合體Ⅴ）F0部分的2個亞基（A6和A8）7個為NADH-CoQ還原酶復合體（復合體Ⅰ）的亞基（ND1

4、、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6）1個編碼的結構蛋白質為CoQH2-細胞色素c還原酶復合體（復合體Ⅲ）中細胞色素b的亞基,.,線粒體基因組遺傳半自主性 mtDNA僅編碼13種，絕大部分蛋白質亞基和其他維持線粒體結構和功能的蛋白質都依賴于核DNA（nuclear DNA，nDNA）編碼，在細胞質中合成后，經(jīng)特定轉運方式進入線粒體；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

5、mtDNA的協(xié)調，二者共同作用參與機體代謝調節(jié)。 因此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 。,二、線粒體DNA的復制mtDNA可進行半保留復制，其H鏈復制的起始點（OH）與L鏈復制起始點（OL）相隔約2/3個mtDNA。復制起始于控制區(qū)L鏈的轉錄啟動子，首先以L鏈為模板合成一段RNA作為H鏈復制的引物，在DNA聚合酶作用下，合成一條互補的H鏈，取代親代H鏈與L鏈互補。被置換的親代H鏈保持單

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復制方式稱D-環(huán)復制。,D-環(huán)復制,三、線粒體基因的轉錄 與核基因轉錄比較，mtDNA的轉錄有以下特點：兩條鏈均有編碼功能兩條鏈從D-環(huán)區(qū)的啟動子處同時開始以相同速率轉錄，L鏈按順時針方向轉錄，H鏈按逆時針方向轉錄 mtDNA的基因之間無終止子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,丙氨酸（Ala）的tRNA反密碼子擺動,,第二節(jié) 線粒體基因的突變,點突變大片段重組mtDNA數(shù)量減少mtDNA突變的修復,第二節(jié) 線粒體基因的突變,自從1988年發(fā)現(xiàn)第一個mtDNA突變以來，已發(fā)現(xiàn)100多個與疾病相關的點突變、200多種缺失和重排，大約60%的點突變影響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胞退

8、變甚至壞死，導致一些組織和器官功能的減退，出現(xiàn)相應的臨床癥狀。,一、突變率mtDNA突變率比nDNA高10～20倍，其原因有以下幾點：①mtDNA中基因排列非常緊湊，任何mtDNA的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；②mtDNA是裸露的分子，不與組蛋白結合，缺乏組蛋白的保護；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復制頻率較高，復制

9、時不對稱。⑤缺乏有效的DNA損傷修復能力。,確定一個mtDNA是否為致病性突變，有以下幾個標準：①突變發(fā)生于高度保守的序列或發(fā)生突變的位點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有雜質存在，而且雜質程度與疾病嚴重程度呈現(xiàn)正相關。,二、突變類型mtDNA突變類型主要包括點突變、大片段重組和mtDNA數(shù)量減少。,mtDNA點突變

10、2/3發(fā)生于編碼tRNA、rRNA的基因1/3點突變發(fā)生于編碼mRNA的基因,缺失、重復 大片段的缺失往往涉及多個基因，可導致線粒體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mtDNA的修復機制主要有兩種。 ①一種為切除修復：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，復制正確的核苷酸序列以填補形成的空缺。 ②轉移修復，通過轉移酶識別突變核苷酸（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,一、母系遺傳在精卵結合時，卵母細胞擁有上百萬拷貝的mtDNA，而精子中只有很少的線粒體，受精時幾乎不進入受精卵，因此

12、，受精卵中的線粒體DNA幾乎全都來自于卵子，來源于精子的mtDNA對表型無明顯作用，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子細胞，Z:受精卵,二、雜質如果同一組織或細胞中的mtDNA分子都是一

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

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

15、高，血液中雜質的發(fā)生率較低；在成人中的發(fā)生率遠遠高于兒童中的發(fā)生率，而且隨著年齡的增長，雜質的發(fā)生率增高。,在異質型細胞中，野生型mtDNA對突變型mtDNA有保護和補償作用，因此，mtDNA突變時并不立即產(chǎn)生嚴重后果。,三、閾值效應mtDNA突變可以影響線粒體OXPHOS的功能，引起ATP合成障礙，導致疾病發(fā)生，但實際上基因型和表現(xiàn)型的關系并非如此簡單。突變型mtDNA的表達受細胞中線粒體的雜質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。,雜質細胞的表現(xiàn)型依賴于細胞內(nèi)突變型和野生型mtDNA的相對比例，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，超過閾值時，能量的產(chǎn)生就會急劇地降到正常的細胞、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。,閾值是一個相對概念，易受突變類型、組織、老化程度變化的影響，個體差

17、異很大。例如，缺失5kb變異的mtDNA比率達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點突變的mtDNA達到90%以上，能量代謝急劇下降。,突變mtDNA隨年齡增加在細胞中逐漸積累，因而線粒體疾病常表現(xiàn)為與年齡相關的漸進性加重。在一個伴有破碎紅纖維的肌陣攣癲癇（MERRF）家系中，有85%突變mtDNA的個體在20歲時癥狀很輕微，但在60歲時臨床癥狀卻相當嚴重。,四、不均等的