线粒体疾病的遗传

医学遗传学医学遗传学线粒体疾病的遗传线粒体疾病的遗传 Inheritance of Mitochondrail diseases线粒体电镜图线粒体模式图第一节 人类线粒体基因组 n 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。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。 n 线粒体基因组的特点n 线粒体基因组全长 16569bp；n 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；n 重链（ H链）富含鸟嘌呤，轻链（ L链）富含胞嘧啶。 n 线粒体基因组的构成mtDNA分为编码区与非编码区n 编码区 各基因之间排列极为紧凑，部分区域出现重叠，无启动子和内含子，缺少终止密码子，仅以 U或 UA结尾。 n 非编码区 （ D loop）， 1122bp， H链复制起始点， H链和 L链的启动子，保守序列。编码区为保守序列，不同种系间 75%的核苷酸具同源性，包括 37个基因：n 2个基因编码线粒体核糖体的 rRNA（ 16S、 2S）n 22个基因编码线粒体中的 tRNAn 13个基因编码与线粒体氧化磷酸（ OXPHOS）有关的蛋白质。 n 线粒体基因编码蛋白n 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 ）n 2个为 ATP合酶复合体（复合体 ） F0部分的 2个亚基（ A6和A8）n 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）n 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 . NADH-CoQ氧化还原酶 85000 FMN 、 FeS 琥珀酸 - CoQ氧化 还 原 酶 97000 FAD、 FeS CoQH2-细 胞色素 c氧化 还 原酶280000 血 红 素 b、 FeS、血 红 素 c1复合体 酶活性 分子量 辅基细 胞色素 c氧化 酶 200000 血 红 素 a、 Cu、血 红 素 a3n线粒体基因组遗传半自主性n 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）编码，在细胞质中合成后，经特定转运方式进入线粒体；nmtDNA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 。n二、线粒体 DNA的复制nmtDNA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）相隔约 2/3个 mtDNA。n复制起始于控制区 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，合成一条互补的 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-环复制n 三、线粒体基因的转录 与核基因转录比较， mtDNA的转录有以下特点：n 两条链均有编码功能n 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n tRNA基因通常位于 mRNA基因和 rRNA基因之间n mtDNA的遗传密码与 nDNA不完全相同n 线粒体中的 tRNA兼用性较强丙氨酸（ Ala）的 tRNA反密 码 子 摆动密 码 子反密 码 子核 tRNA 线 粒体 tRNAGCU、 GCCGCA、 GCGGGCUGC UGC第二节 线粒体基因的突变n 点突变n 大片段重组n mtDNA数量减少n mtDNA突变的修复第二节 线粒体基因的突变n 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。 mtDNA基因突变可影响OXPHOS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。n 一、突变率mtDNA突变率比 nDNA高 10 20倍，其原因有以下几点： 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； mtDNA是裸露的分子，不与组蛋白结合，缺乏组蛋白的保护； 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。n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； 有杂质存在，而且杂质程度与疾病严重程度呈现正相关。 n 二、突变类型n mtDNA突变类型主要包括点突变、大片段重组和 mtDNA数量减少。n mtDNA点突变n 2/3发生于编码 tRNA、 rRNA的基因n 1/3点突变发生于编码 mRNA的基因n 缺失、重复大片段的缺失往往涉及多个基因，可导致线粒体OXPHOS功能下降，产生的 ATP减少，从而影响组织器官的功能。常见缺失8483 134598637 160734389 14812n mtDNA数量减少n mtDNA数量的减少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 。n 三、突变的修复n mtDNA的修复机制主要有两种。 一种为切除修复：核酸内切酶先切除损伤 DNA片段，然后 DNA聚合酶以未损伤链为模板，复制正确的核苷酸序列以填补形成的空缺。 转移修复，通过转移酶识别突变核苷酸（如甲基化核苷酸），并将该突变核苷酸清除。第三节 线粒体疾病遗传的特点 n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