医学遗传学：8线粒体疾病的遗传

1、线粒体线粒体疾病的遗传疾病的遗传 Inheritance of Mitochondrail Inheritance of Mitochondrail diseasesdiseases 线粒体疾病的遗传线粒体疾病的遗传 n前言 n人类线粒体基因组 n线粒体基因的突变 n线粒体疾病的遗传 前言 Mitochondria as Biosynthetic and Signaling Hubs Zong Wei-Xing et al. Molecular Cell. 2016. 61 (5) : 667 676. 人类线粒体基因组 一、线粒体基因组一、线粒体基因组 线粒体内含有DNA分子，被称为人类第2

2、5 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非孟德尔遗 传传方式，又称核外遗传。 线粒体DNA在细胞内含量丰富，具有特定 的遗传方式，在人类学、法医学、心血管及神 经退行性疾病等领域受到广泛关注。 1981年年Anderson 等人完成了人类等人完成了人类 线粒体基因组的线粒体基因组的 全部核苷酸序列的全部核苷酸序列的 测定。测定。 线粒体基因组特点线粒体基因组特点 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。 线粒体

3、基因组构成线粒体基因组构成 mtDNA分为编码与非编码区 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环区（Displacement loop, D-loop）， 1122bp，H链复制起始点，H链和L链的启动子， 保守序列；L链复制起始区。 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： n2个基因编码线粒体核糖体的个基因编码线粒体核糖体的rRNA（16S、 12S） n22个基因编码线粒体中的个基因编码线粒体中的tRNA n13个基因编码与线粒体氧化磷酸（个基因编码与线粒体氧化磷酸（OX

4、PHOS） 有关的蛋白质。有关的蛋白质。 线粒体内膜电子传递链线粒体内膜电子传递链 /wiki/%E7%B7%9A%E7%B2%92%E9%AB%94 线粒体基因编码蛋白线粒体基因编码蛋白 n3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） n2个为ATP合酶复合体（复合体）F0部分的2个亚 基（A6和A8） n7个为NADH-CoQ还原酶复合体（复合体）的亚 基（ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和 ND6） n1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

5、细胞色素b的亚基 线粒体基因组遗传半自主性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。 因此线粒体是一种因此线粒体是一种半自主细胞器半自主细胞器，受线粒体基因组，受线粒体基因组 和核基因组两套遗传系统共同控制和核基因组两套遗传系统共同控制 。 二、线粒体基因转录特点二、线粒体基因转录特点

6、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 nmtDNA的基因之间无终止子 ntRNA基因通常位于mRNA基因和rRNA基因之间 tRNA的5端与mRNA 3端紧密相连，核酸酶识别初级转录产物中的tRNA， 在两端剪切，形成单基因的mRNA, tRNA与rRNA; 成熟的mRNA无5帽子结 构，带polyA。 nmtDNA的遗传密码与nDNA不完全相同 如UGA编码色氨酸而非终止信号，AGA, AGG是终止信号而非精氨酸， AUA编码甲硫氨酸兼启动信号，而不是异亮氨酸。

7、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tRNA GCU、GCC GCA、GCG GGC UGC UGC 三、线粒体基因组复制特点三、线粒体基因组复制特点 mtDNA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。 D-D-环复制 环

8、复制 线粒体基因的突变线粒体基因的突变 nmtDNA突变可影响氧化磷酸化功能，使ATP合 成减少，一旦线粒体不能提供足够能量则可引 起细胞退变甚至坏死，导致组织和器官功能的 减退，出现相应的临床症状。 n已经发现疾病相关的mtDNA突变：100多种点 突变，200多种缺失及重排；大约60%影响 tRNA，35%影响多肽链，5%影响rRNA. 一、突变率 1、mtDNA突变率比nDNA高1020倍，其原 因有以下几点： nmtDNA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 nmtDNA是裸露的分子，不与组蛋白结合 nmtDNA位于线粒体内膜附近，直接暴露于呼吸链代谢

9、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 nmtDNA复制频率较高，复制时不对称 n缺乏有效的DNA损伤修复能力 2、mtDNA突变是否为致病突变判断标准： n突变发生于高保度守序列或具有明显的功能性影响 n可引起呼吸链缺损 n正常人群中未发现该mtDNA突变，来自不同家系但表 型类似的患者中发现相同的突变 n有杂质存在，且杂质程度与疾病严重程度呈现相关 二、突变类型及修复 n点突变 n大片段重组 nmtDNA数量减少 nmtDNA突变的修复 1、mtDNA点突变 n2/3发生于编码tRNA、rRNA的基因 n1/3点突变发生于编码mRNA的基因 lMissense muta

10、tions in protein-coding mtDNA genes: Leber hereditary optic neuropathy (LHON, Leber遗传性视神经病). lSingle-base mutations in a tRNA gene: Myoclonic epilepsy with ragged-red fiber syndrome (MERRF, 肌阵挛肌阵挛性癫痫伴肌肉破碎红纤性癫痫伴肌肉破碎红纤 维维), a disorder characterized by epilepsy, dementia, ataxia (uncoordinated muscle m

11、ovement), and myopathy (muscle disease); mitochondrial encephalomyopathy and stroke-like episodes (MELAS, 线粒体线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作). 2、缺失、重复、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。 常见缺失常见缺失 848313459，Kearns-Sayre综合症（KSS） (characterized by muscle weakness, cerebellar

12、 damage, and heart failure); chronic progressive external ophthalmoplegia (CPEO,慢性进行性眼外肌瘫痪慢性进行性眼外肌瘫痪) 863716073，与衰老相关的退行性疾病 438914812 3、mtDNA数量减少数量减少 nAD或AR遗传，与nDNA有关。 4、mtDNA突变的修复突变的修复 线粒体疾病的遗传线粒体疾病的遗传 母系遗传母系遗传 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

13、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 inheritance），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。 线粒体疾病典型系谱线粒体疾病典型系谱 线粒体的母系遗传，线粒体的母系遗传，O O：卵子，：卵子，S: S:精子 精子 A A、 、B B、C C子细胞，子细胞，Z: Z:受精卵 受精卵 遗传瓶颈效应遗传瓶颈效应 （mtDNA genetic bottleneck ） 多质性多质性 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2

14、10 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。 异质性异质性 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）。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。 n线粒体异质性可分为序列异质性和长度异质性 n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； n同一个体在不同的发育时期产生不同的 mtDNA。 阈值效应阈值效应 mtDNA突变可以影响线粒体OXPHOS的