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1、第七章 线粒体疾病的遗传,线粒体就像是共生在细胞中的小细菌，其中也含有自己的遗传物质DNA,线粒体电镜照片,线粒体遗传病是由于mtDNA的突变所导致。有性生殖的方式决定了线粒体遗传属于母系遗传。（细胞质遗传）1987年首次提出线粒体病概念，目前已经发现100多种疾病与线粒体DNA突变有关。,线粒体遗传病,第一节 人类线粒体基因组,线粒体内还含有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。1981年Anderson等人完成了人类线粒体基因组的全部核苷酸序列的测定。,线粒体基因组是人类基因组的重要组成部分，全长1
2、6569bp，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，重链（H链）富含鸟嘌呤，轻链（L链）富含胞嘧啶。,mtDNA分为编码区与非编码区，编码区为保守序列，不同种系间75%的核苷酸具同源性，此区包括37个基因：2个基因编码线粒体核糖体的rRNA（16S、12S），22个基因编码线粒体中的tRNA，13个基因编码与线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）有关的蛋白质。,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）2个为ATP合酶复合体（复合体）F0部分的2个亚基（A6和A8）7个为NADH-CoQ还原酶复合
3、体（复合体）的亚基（ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6）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,线粒体基因组,1981年，Anderson完成了人线粒体基因组全序列的测定。双链16569bp，其中一条为重链，一条为轻链。基因编码物各不相同。2种rRNA；22种tRNA；13种蛋白质。基因中多数情况下，几乎不含终止密码，mRNA在特定区域加PolyA。转录与翻译均在线粒体中进行。DNA不与组蛋白结合。,mtDNA仅编码13种，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）
4、编码，在细胞质中合成后，经特定转运方式进入线粒体。此外，mtDNA基因的表达受nDNA的制约，线粒体氧化磷酸酶化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，因此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。,与核基因转录比较，mtDNA的转录有以下特点：两条链均有编码功能两条链从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mtDNA的基因之间无终止子tRNA基因通常位于mRNA基因和rRNA基因之间mtDNA的遗传密码与nDNA不完全相同线粒体中的tRNA兼用性较强,mtDNA可进行半保留复制，
5、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，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。,线粒体基因的突变,一、点突变二、大片段重组三、mtDNA数量减少四、mtDNA突变的修复,mtDNA突变率比nDNA高1020倍，其原因有以下几点：mtDNA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mtDNA是裸露的分子，不与组蛋白结合mtDNA位于线粒
6、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mtDNA复制频率较高，复制时不对称缺乏有效的DNA损伤修复能力,线粒体研究的几个方面1.核编码蛋白进入线粒体的机制2.线粒体与细胞死亡3.线粒体医学 线粒体疾病 线粒体治疗4.线粒体的起源,应用：人类寻根或起源研究 对衰老和肿瘤的研究,第二节 mtDNA遗传系统特点：,mtDNA高的自发突变率和比较差的修复系统,特点：1、多质性2、异质性3、阈值效应4、不均等的有丝分裂分离 在细胞分裂间经过复制和分离5、母系遗传。不符合经典遗传定律，具有半自主性。M染色体，25号染色体）6、部分遗传密码与核不同。7、突变
7、率极高（比核基因大10-20倍）8、主要编码与氧化磷酸化过程相关的酶系,核DNA与mtDNA密码子差异,密码子 核DNA mtDNA,UGA 终止 色氨酸 AGA,AGG 精氨酸 终止 AUA 异亮氨酸 甲硫氨酸 AAA 赖氨酸 天冬酰胺CUU,CUC,CUA CUG 亮氨酸 苏氨酸,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 in
8、heritance），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。,二、多质性 人体不同类型的细胞含线粒体数目不同，通常有成百上千个，而每个线粒体中有210个mtDNA分子，由于线粒体的大量中性突变，因此，绝大多数细胞中有多种mtDNA拷贝，其拷贝数存在器官组织的差异性。,三、异质性 如果同一组织或细胞中的mtDNA分子都是一致的，称为同质性（homoplasmy）。在克隆和测序的研究中发现一些个体同时存在两种或两种以上类型的mtDNA，这是由于mtDNA发生突变，导致一个细胞内同时存在野生型mtDNA和突变型mtDNA，称为异质性（heteroplasmy
9、）。野生型mtDNA对突变型mtDNA有保护和补偿作用，因此，mtDNA突变时并不立即产生严重后果。,线粒体异质性可分为序列异质性（sequence-based heteroplasmy）和长度异质性（length-based heteroplasmy），一般表现为：同一个体不同组织、同一组织不同细胞、同一细胞甚至同一线粒体内有不同的mtDNA拷贝；同一个体在不同的发育时期产生不同的mtDNA。,四、阈值效应 mtDNA突变可以影响线粒体OXPHOS的功能，引起ATP合成障碍，导致疾病发生，但实际上基因型和表现型的关系并非如此简单。突变型mtDNA的表达受细胞中线粒体的异质性水平以及组织器官维
10、持正常功能所需的最低能量影响，可产生不同的外显率和表现度。,五、不均等的有丝分裂分离 在连续的细胞分裂过程中，异质性细胞中突变型mtDNA和野生型mtDNA的比例会发生漂变，向同质性的方向发展。分裂旺盛的细胞（如血细胞）往往有排斥突变mtDNA的趋势，经无数次分裂后，细胞逐渐成为只有野生型mtDNA的同质性细胞。突变mtDNA具有复制优势，在分裂不旺盛的细胞（如肌细胞）中逐渐积累，形成只有突变型mtDNA的同质性细胞。漂变的结果，表型也随之发生改变。,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。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
11、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。,不同的组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它组织更易受到OXPHOS损伤的影响，较低的突变型mtDNA水平就会引起临床症状。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。其它依次为骨骼肌、心脏、胰腺、肾脏、肝脏。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。,同一组织在不同功能状态对OXPHOS损伤的敏感性也不同。如线粒体脑疾病患者在癫痫突然发作时，对
12、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。,线粒体疾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。散发性KSS和进行性眼外肌瘫痪（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。,突变mtDNA随年龄
13、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。在一个伴有破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。,第三节 线粒体基因突变与疾病,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相关。一、MERRF综合症肌阵挛性癫痫和破碎红纤维病 多系统紊乱，肌阵挛性癫痫，共济失调，轻度痴呆，耳聋，脊髓退化。大量团块状线粒体聚集于肌细胞中（可被特异性染料染成红色，破碎红纤维）。大脑卵圆核与齿状核有神经元的缺失。突变名称：,当线粒体中90%存在这种突变，将出现典型症状，当突变比例
14、下降时，症状也随之变轻。,二、Leber遗传性视神经病（LHON）视神经与视网膜神经元退化，导致失明。男性发病率为女性5倍，原因不明。9个线粒体基因突变与该病有关，突变种类达18种。主要突变类型：MTND1*LHON3460A(50%-70%)MTND4*LHON11778AMTND6*LHON14484G(ND:呼吸链复合物),Leber遗传性视神经病,Leber遗传性视神经病（Leber hereditary optic neuropathy，LHON）于1871年由Leber医生首次报道，因主要症状为视神经退行性变，故又称Leber视神经萎缩。患者多在1820岁发病，男性较多见，个体细胞
15、中突变mtDNA超过96时发病，少于80时男性病人症状不明显。临床表现为双侧视神经严重萎缩引起的急性或亚急性双侧中央视力丧失，可伴有神经、心血管、骨骼肌等系统异常，如头痛、癫痫及心律失常等。,Leber T 医生,诱发LHON的mtDNA突变均为点突变。近年来，已相继报道有更多mtDNA点突变与LHON相关，均可引起基因产物的氨基酸替换，包括G11778A、G14459A（ND6）、G3460A（ND1）、T14484C（ND6）、G15257A（cyt b）。,Leigh综合征（Leigh sysdrom）,慢性进行性眼外肌瘫痪（chronic progressive external op
16、hthalmoplegia，CPEO）,线粒体与细胞死亡,细胞凋亡的研究已经从细胞核控制凋亡过程的研究部分地转移到线粒体控制凋亡过程的研究上来。现在人们已接近达成一个共识，即接受线粒体是决定细胞死亡的又一“战场”。,线粒体控制细胞死亡的证据,不管死亡细胞的类型是什么，也不管导致细胞死亡的因素是什么，细胞死亡（包括凋亡和坏死）的共同特征是在细胞死亡前都有线粒体膜通透性改变（mitochondrial permeability transition）；相对于其他细胞生物学指标（包括caspase）而言，线粒体通透性的改变是预测细胞死亡更有价值的指标；加大原凋亡效应物（proapoptotic ef
17、fectors）的作用剂量可通过作用于线粒体膜而诱导线粒体膜通透性的改变；Bcl-2家族中抑制凋亡的成员能与线粒体膜蛋白产生交叉反应，通过其抑制线粒体膜通透性而抑制细胞凋亡；通过特异性药物抑制线粒体膜的通透性可阻止或延缓细胞死亡；无细胞系统（cell-free system）已分离出一些线粒体蛋白，它们具有水解酶（如caspase和nuclease）活性。这些研究都说明线粒体构成了导致细胞死亡的一个或几个关键步骤。,与细胞死亡有关的线粒体机制,活性氧在启动和调节细胞凋亡过程中扮演着重要角色 MPTP是细胞凋亡的环节之一 细胞色素c渗漏到胞质可以导致细胞凋亡 Bcl-2家族对细胞凋亡过程实施着调
18、控 p53蛋白易位也是控制细胞凋亡的重要途径,线粒体控制细胞死亡的假说,与线粒体有关的细胞死亡的三个时限(phase)线粒体前期（premitochondrial phase）是诱导细胞死亡的因子通过信号转导途径级联传递或损伤途径被激活的过程，因此也称为诱导期（induction phase）或起始期（initiation phase），由于不同的诱导因子有不同的作用途径，所以这一时期也属于私有途径（private pathway）；线粒体期（mitochondrial phase）在这一时期线粒体膜的通透性发生改变，这是线粒体控制细胞死亡的关键时期，一旦进入这一点（point-of-no-return），细胞将不可避免地发生后续过程，故也称为效应期（effector phase）或决定期（decisive phase）；线粒体后期（postmitochondrial phase）也称为降解期（degredation phase），从线粒体释放的蛋白质，激活蛋白酶和核酸酶，后者进一步介导后续的死亡机制。由于第二期和第三期是不同因素导致细胞死亡的共同途路，因此也称为共有途径（common pathway）。,线粒体医学,线粒体对外界环境因素的变化很敏感，一些环境因素的影响可直接造成线粒体功能的异常，因此线粒体的改变是一些疾病的表现；线粒体本身也可能成为疾病发生的原因。,
