线粒体基因病ppt课件.ppt

线粒体遗传病 MitochondrialGeneticDiseases 1 线粒体内的线粒体DNA mitochondrialDNA mtDNA 组成线粒体基因组 mtDNA基因突变引起的人类疾病称为线粒体遗传病或线粒体基因病 线粒体基因病呈母系遗传 它危及各个年龄层次 其临床表现往往呈进行性加重 最终使患者严重致残或致死 短短的十几年中 这一领域的研究迅猛发展 已发现线粒体突变基因所致的功能缺陷与100多种疾病有关 2 研究简史 1894年于动物细胞质内发现线粒体 1963年Nass首次在鸡卵母细胞中发现线粒体中存在有DNA 1981年报道了人mtDNA的完整序列 1988年Wallace等在线粒体脑肌病等患者的mtDNA中发现了mtDNA缺失和点突变 3 4 一 线粒体基因 线粒体是细胞内半自主细胞器 具有自己的一套基因表达系统和表达体系 被称之为 人类第25号染色体 线粒体基因组 5 StructureofmtDNA mtDNA构成线粒体基因组 人的mtDNA是由两条链组成的一条环状的DNA分子 两条链因含碱基成份不同 一条链叫L链 另一条为H链 整条mtDNA是由16569bp组成 Anderson Cambridgesequence 6 线粒体基因组由37个基因组成 L链仅编码8种tRNA和一种小分子的mRNA 其余的均为H链编码 7 mtDNA的功能 mtDNA共编码2种rRNA 22种tRNA mtDNA编码线粒体内的13种多肽 参与氧化磷酸化 OXPHOS OXPHOS由5个酶复合体 组成 8 复合体 由30多个多肽组成 其中7个由mtDNA编码 复合体 由4个nDNA编码的多肽构成 复合体 由10个多肽构成 1个由mtDNA编码 复合体 由13个多肽构成 3个由mtDNA编码 复合体 由12个多肽组成 2个由mtDNA编码 9 线粒体基因特点 1 半自主性mtDNA能够独立地复制与表达 因nDNA编码大量的维持线粒体结构和功能的大分子复合物及多数OXPHOS酶的蛋白质亚单位 其功能又受nDNA的影响 10 2 线粒体基因组中各基因排列紧密几乎每个核苷酸都是编码顺序的一部分 不是编码蛋白质就是编码一种rRNA或者tRNA 仅有很小的一段作为调控DNA顺序 11 3 遗传密码和通用密码不同 12 4 母系遗传 母亲将她的mtDNA传递给她的所有子女 她的女儿们又将其mtDNA传给下一代 序列分析子代mtDNA 发现1 10000的mtDNA来自父亲 余之来自母亲 因此 99 99 的mtDNA属母系传递 13 5 同质性与异质性 由于细胞内线粒体有成百上千个mtDNA拷贝 在细胞分裂时它们又被随机分配到子细胞中 这样线粒体遗传就不同于核基因的孟德尔遗传 在正常组织中 所有的mtDNA分子都是一致的 称为同质性 如果mtDNA发生突变 造成在同一细胞或同一组织中两种或两种以上mtDNA共存 一种为野生型 另一种为突变型 即为异质性 14 15 异质性细胞经过有丝分裂和减数分裂 随机分离到两个子细胞中的突变型和野生型mtDNA的比例发生改变 卵母细胞成熟时 绝大多数线粒体会丧失 数目可能会少于10个 最多不会超出100个 线粒体数目从105个锐减到少于100个的过程称为遗传瓶颈 mtDNA基因型分别向纯合突变型和纯合野生型漂变 经过无数次分裂后 细胞可达到同质性 16 如果通过遗传瓶颈存活下来的一个线粒体碰巧携带一种突变基因 那么这个基因组就能够确保该线粒体类型在发育完成之后的个体中的数量 17 6 阈值效应 由mtDNA突变所致的表型表达与核基因的显性或隐性表达不同 主要是由某种组织中野生型与突变型mtDNA的相对比例以及该种组织对线粒体的ATP产生的依赖程度所决定的 突变mtDNA的数目需达到某种程度才足以引起某种组织或器官功能的异常 这称为阈值效应 18 7 突变率高 mtDNA中各基因排列紧凑 另外mtDNA既无组蛋白保护 又缺乏有效的DNA损伤修复系统 且直接暴露于OXPHOS过程中产生的高反应氧中 因此突变率大约是核DNA的10 20倍 19 8 mtDNA整合到核基因组 mtDNA可以稳定地整合到核基因组中 在人的胎盘组织 白细胞等核基因组中均发现整合的mtDNA 20 二 mtDNA突变 mtDNA突变的类型 碱基突变1 错义突变 又称氨基酸替换突变 主要与神经系统疾病有关 如LHON等 2 蛋白质生物合成基因突变 为tRNA基因突变 与线粒体肌病相关 典型疾病包括有癫痫伴碎红纤维病等 21 缺失 插入突变 经常是以缺失为多见 缺失突变主要引起绝大多数眼肌病 常发生于神经性疾病及一些退化性疾病中 如KSS综合征 22 mtDNA拷贝数目突变 拷贝数目突变为mtDNA拷贝数低于正常 这种突变较少 仅见于一些致死性婴儿呼吸障碍等病例 此外 mtDNA病变具有相应的组织特异性 有些线粒体遗传病是nDNA与mtDNA共同作用的结果 23 三 常见的线粒体基因病 线粒体基因病也称为线粒体肌病 这类疾病常伴有明显的肌肉异常 共济失调 心肌病 视网膜病等 24 mtDNA点突变与疾病 Leber遗传性视神经病 LHON LHON是人类母系遗传病的典型病例 Leber遗传性视神经病 LHON 线粒体肌病脑肌病伴乳酸中毒及中风样发作综合征 MELAS 肌阵挛性癫痫伴碎红纤维病 神经性肌软弱 共济失调 色素性视网膜炎 NARP mtDNA突变与耳聋 母系遗传性肌病和心肌病 MMC Leigh病 25 主要症状 双侧视神经萎缩 一般发病为18 30岁 男女发病比例为4 1 其它相关症状包括反射亢进 小脑共济失调 外周视神经炎及心脏节律失调等 26 mtDNA上许多位点的突变都伴有LHON 1988年Wallace最先发现mtDNA第11778位点的G A 使NADH脱氢酶亚单位4 ND4 蛋白质中第340个氨基酸由精氨酸 组氨酸 50 的LHON病是由该位点引起 27 Wallacemutation11778G A ND4 Arg340His LHON 28 表2与LHON病相关的mtDNA突变 现在还发现10多种点突变与该病的发生相关 有些突变单独可引起LHON 有些则必须与其它突变配合作用才发生LHON 表2 29 LHON的研究也提出了线粒体病中的一个概念 即多种突变的相互作用 其中也包括核基因的作用 最终导致疾病的发生 最近已发现X染色体上一基因位点与LHON视萎缩有关 这大概可以解释为什么LHON男性患者较多的原因 30 我国LHON家系的研究也获得了类似结果 在LHON家系中 11778位点大多是同质性的 异质性个体则随细胞分裂发生复制分离 产生多种多样的异质基因型 而且在不同组织中突变DNA比例不同 它们都向同质性方向漂变 31 利用Wallace突变可以对约50 LHON家系进行基因诊断 32 其原理是因11778位点G A 丧失SfaN 酶切位点同时又获得Mae 酶切位点 可以在11778位点两侧设计一对引物 通过PCR扩增 其产物用SfaN 酶切 正常个体可切成 条带而患者和携带者只有一条带 如果用Mae 酶切 则相反 正常个体1条带 突变个体可为2条带 如杂合可出现 条带这样可以做到准确的诊断 33 PCR SSCP分析 结合序列分析进行确诊 34 线粒体肌病脑肌病伴乳酸中毒及中风样发作综合征 MELAS MELAS的症状为 突发呕吐 乳酸中毒 肌肉组织病变 有碎红纤维 有时伴痴呆 耳聋 身材矮小等症状 中风具可逆性 使大脑皮层和脊髓白质损伤 可用CT或MRI检出 一般很少见MELAS的家系中患者有上述全部症状 而其母系亲属常仅表现神经异常 35 80 的MELAS患者mtDNA编码的tRNA基因3243位点有A G的突变 另四种少见的突变均在该基因的3291 3271 3256和3252位点 MELAS突变可能降低转录活性并改变线粒体rRNA和mRNA转录的比例 具有mtDNA突变的个体也常随年龄的增加而加重病情 36 肌阵挛性癫痫伴碎红纤维病 肌阵挛性癫痫伴碎红纤维病 MERRF 是一种线粒体肌病 MM 它除了具有MM的特征 即破碎的肌红纤维和形态异常的线粒体 之外 还伴有失控的阵挛性癫痫 具有明显的母系遗传性 患者的母系亲属常表现一些症状如脑电图异常 感觉神经听力丧失 痴呆 呼吸异常 扩张性心肌病和肾功能障碍等症状 37 MERRF家系与多向性氧化磷酸化受损有关 主要是呼吸链酶复合物 和 受到损伤 氧化磷酸化酶缺陷程度与临床症状严重程度成正比 38 80 90 患者mtDNA的tRNA基因的第8344位A G突变 小部分在同一基因的8356位T C突变 主要影响线粒体呼吸链的酶复合物 和 该突变使tRNALys的T CLoop区发生改变 蛋白质合成受阻 39 MERRF家族成员mtDNA通常为异质性 氧化磷酸化酶水平会随着年龄的增大而迅速降低 而与mtDNA突变仅部分相关 40 随着年龄的增大 氧化磷酸化能力进一步降低 直至低于阈值 出现临床症状 可解释为什么许多有mtDNA突变的个体在早期是正常的 到一定年龄发病 尔后病情加剧 41 神经性肌软弱 共济失调 色素性视网膜炎 NARP NARP患者表现为色素性视网膜炎 共济失调 癫痫 痴呆 近端神经肌肉衰弱 感觉神经元痛以及发育迟缓 42 NARP与mtDNA上ATPase基因上第8993位的点突变有关 当突变mtDNA超过90 时 患者就表现出Leigh综合征 通常在幼年期发病 一般会致命 43 mtDNA突变与耳聋 1 氨基糖甙类抗生素致聋链霉素 庆大霉素素等氨基糖甙类抗生素能致聋早已是常识了 但分子机制不清 44 资料表明mtDNA编码的12SrRNA基因第1555位点A G的突变造成了机体对氨基糖甙类抗生素耳聋效应的高度易感性 极少剂量的氨基糖甙类抗生素就会致聋 45 导致听力丧失的还有同质性突变是mtDNA7445位点T C的突变 7445位点T C的突变是一个重链上的细胞色素氧化酶I基因的最后一个核苷酸和轻链上紧靠3 末端tRNAser ucn 基因的核苷酸的变化 46 2 mtDNA4977缺失致聋 研究表明 mtDNA4977缺失的发生与老化有关 内耳和蜗核组织中mtDNA4977缺失与老年聋的发生有关 47 母系遗传性肌病和心肌病 MMC MMC患者表现线粒体肌病 肥大性心肌病 MMC主要是mtDNA的tRNA基因3260位A G突变 它与导致MELAS的基因属于异等位基因 因此MMC和MELAS可能是一种遗传病的两个等位表现 48 Leigh病 又称亚急性坏死性脑脊髓肌病症状 呼吸异常 声音微弱 视力听力受损 运动失调 衰弱 高血压等 与mtDNA8993位点T G的颠换有关 这一碱基变化使ATP酶6基因第156位Leu Arg 即ATP酶合成缺陷 氧化磷酸化作用受阻从而使供能不足 49 mtDNA缺失 重复与疾病 mtDNA缺失与重复存在于许多神经肌肉性疾病及一些退化性疾病 肾病和肝病中 甚至衰老也与之有关 1 Kearns Sayre综合征 眼肌病 2 Pearson 骨髓 胰腺综合征 3 线粒体心肌病 4 帕金森病 5 Alzheimer病 AD 6 非胰岛素依赖型糖尿病 50 1 Kearns Sayre综合征 眼肌病 又称为慢性进行性眼外肌麻痹 CPEO 也称为Kearns Sayre综合征 KSS 临床表现 从仅有眼肌麻痹 眼睑下垂及四肢肌病到视网膜色素变性 乳酸中毒 感觉神经性听力丧失 运动失调 心脏传导功能障碍 甚至痴呆 具前一症状时 称为CPEO 发展成为后一症状时 即称为KSS KSS也是CPEO 51 KSS有以下三个共同特征 20岁以前发病 进行性的眼外肌麻痹 PEO 色素视网膜炎 还有一些其他如心脏 小脑症状等 病程发展较快 往往在三四十岁就死亡 52 研究KSS发现 几乎所有患者均有mtDNA缺失 缺失片段范围在2 0kb 7 0kb之间 缺失多发生在重链与轻链的两个复制起始点之间 因缺失丢掉许多基因 尤其tRNA基因 故受这些缺失突变影响的个体都呈现出不同程度的mtDNA蛋白质合成缺陷 影响所有4种呼吸链复合物 53 约1 3的KSS患者的缺失发生在4977bp区域 断裂点分别位于ATP酶亚单位8基因中的第8468位和ND5基因中的第13446位 54 序列分析可知 缺失两侧有一个13bp 5 ACCTCCCTCACCA 的同向重复序列 缺失后的融合基因编码出异常的蛋白质产物 这种两侧重复序列可能因同源重组而产生了缺失 最大片段的缺失则为15945位点到5786位点之间10kb的缺失及5448到470位点间的缺失 55 2 Pearson 骨髓 胰腺综合征 又称胰腺综合征 是一种致死性的儿童疾病 临床特征 铁幼粒红细胞贫血 骨髓前体的空泡形成 伴发各类血细胞减少 胰腺纤维变性 分泌障碍及脾萎缩等 偶尔能存活的个体到青年期常发展成为KSS的表型特征 56 Pearson综合征主要与mtDNA缺失有关 偶尔也有mtDNA点突变导致的眼肌病的病例 为8334位tRNALys和3242位tRNALeu的突变 mtDNA的缺失一般只有一处 但其大小和位置在个体间差异极大 现已发现有100多种缺失 57 3 线粒体心肌病 线粒体心肌病累及心脏和骨骼肌 临床表现 病人常有严重的心力衰竭 劳力性呼吸困难 心动过速 全身肌无力 全身严重水肿 心脏和肝脏增大等症状 58 原发型心肌病可由线粒体基因组缺失而致 研究发现原发型 肥厚型和扩张型心肌病病人心肌mtDNA中存在有7 5kb的缺失 缺失部位两侧为同向重复序列CATCAACAACCG 缺失位于ATP合成酶6基因和D环区之间 59 心肌内mtDNA突变发生率将随年龄增大而升高 这种趋势在35岁后更明显 70岁以上的老年人均有部分心肌mtDNA缺失 也是由于老年人冠状动脉硬化 使心肌缺血缺氧 mtDNA易发生突变 突变后线粒体功能受到影响 从而又反过来加重心肌缺氧 呈恶性循环趋势 60 mtDNA缺失与缺血性心脏病 线粒体的OXPHOS过程产生体内大部分的氧自由基 在细胞缺氧或灌注异常条件下 OXPHOS过程受抑制 此时氧自由基的产生增加 可以导致mtDNA损伤而发生突变 mtDNA突变的后果又使OXPHOS障碍加重 形成一个恶性循环 61 4 帕金森病 临床表现 本病是一种晚年发病的运动失调症 有震颤 动作迟缓且常常错误等症状 又称震颤性麻痹 少数病人有痴呆症状 62 帕金森病患者脑组织特别是黑质中存在mtDNA中缺乏复合物 或 从患者脑组织的线粒体中可检测到4977bp的缺失 主要累及ND3 ND4L ND4及ND5基因 该病遗传学是复杂的 大多数病例是自发的和集中在家庭中 63 5 Alzheimer病 AD AD是一种晚年发生的渐进性痴呆 临床表现为记忆力丧失 认知功能异常和全面智能减退 10 的患者伴有肌阵挛 30 40 患者具有帕金森病的特征 研究发现mtDNA突变也是AD的病因之一 表明nt 5460位点G A点突变和本病密切有关 64 患者大脑皮质匀浆显示氧化磷酸化解偶联 血小板中复合物 活力降低 皮肤成纤维细胞线粒体氧化底物能力降低 因此该病与线粒体能量供应不足导致突触小体退化以及有毒的细胞蛋白沉淀和诱导有关 65 从图片中可见Alzheimer病脑特征性的变化 胶质样淀粉状物质的沉着 脑沟回变窄变浅 66 6 非胰岛素依赖型糖尿病 糖尿病一般分为两类 一类为非胰岛素依赖型糖尿病 NIDDM 一类为IDDM 胰岛素依赖型糖尿病 NIDDM通常晚年发病 胰岛素水平正常或偏低 通常较肥胖 流行病学研究表明 先证者年龄越大 则母系遗传因素作用也增加 mtDNA突变与NIDDM的病因存在一定的相关性 67 现已在一个大的母系遗传成人发病并伴有耳聋的家系中发现患者肌肉和血细胞的mtDNA中存在10 4kb的缺失和mtDNAtRNA基因3243位A G突变 分子生物技术检测发现 当线粒体核苷酸3243位由A突变为G 就会引发 线粒体基因突变糖尿病 68 当这一疾病1992年在国际上首次报道后 我国项坤三教授等在8年的时间里 共筛查4297例糖尿病患者 得出线粒体基因突变占糖尿病的1 2 而且还发现这一疾病具有特殊传递方式 即家族内女性患者的子女均可能传得突变基因而患病 但是男性患者的子女均不得病 69 我国学者报道了3316位点的突变 70 mtDNA 核DNA突变与疾病 线粒体虽然有自己的遗传系统 但线粒体中大多数酶或蛋白质是由核DNA编码的 它们在细胞质中合成并经特定的方式转送到线粒体中 线粒体的复制 转录 翻译等都受核DNA的控制 有些核DNA的突变也会表现线粒体功能的障碍 故这类疾病都归入线粒体疾病中 71 1 核DNA改变引起的线粒体疾病 这类疾病主要表现线粒体功能障碍 但呈孟德尔遗传 如编码线粒体蛋白的基因缺陷或与线粒体蛋白质转运有关的核基因突变都会引起人类的线粒体疾病 72 2 mtDNA和nDNA的相互作用 在研究mtDNA突变引起人类疾病中有一些难以完全用母系遗传来解释的问题 例如LHON中患者性别比例有较大的差异等 有人曾用X染色体上的基因探针对Leber病的多个家系进行连锁关系的研究 表明该病的发生与X染色体上的某个基因有关 提示LHON的发生是mtDNA与