老师新线粒体

1、Mitochondrial genic disorders1987年，Wallac提出mtDNA突变可引起疾病。1962年，Lufe 等发现一位年轻的瑞典妇女伴有异常增高的基础代谢率，同时伴有线粒体结构的异常和氧化磷酸化功能的异常。这是人类首次认识线粒体与人类疾病的发生有关。线粒体病的研究史线粒体病的研究史 1981年，提出线粒体母系遗传的概念,结束了人们长期对线粒体病是否存在的争论。1988年，首次报道mtDNA突变在一个LeberLeber 遗传性视神经病（O）家族发现mtDNA复合物编码区的一个点突变，开创了研究mtDNA与人类疾病的新领域。到目前已经发现线粒体病的线粒体基因存在100个

2、点突变和200个缺失，同时发现核基因的异常也和线粒体病有关。 推测发病率在6-17/100,000人，在线粒体基础研究方面人们发现线粒体除产生ATP外，还产生体内95%以上的活性氧、调节细胞内的氧化还原平衡和调控细胞凋亡。基于这些新的发现和认识，目前线粒体医学的概念已经被提出。 80%的线粒体内的蛋白由核DNA编码合成，在胞浆内合成而后转移进入线粒体。虽然不参加线粒体呼吸链的组成，但这些核编码蛋白的异常均可以导致原发性或继发性的线粒体酶呼吸链的缺陷. 定义：突变基因在线粒体定义：突变基因在线粒体DNADNA上，上，其传递和表达完全不同于由核其传递和表达完全不同于由核基因突变引起的遗传病，而成基

3、因突变引起的遗传病，而成为一组独特的遗传病。为一组独特的遗传病。一一、线粒体和氧化磷酸化线粒体和氧化磷酸化二、二、线粒体遗传线粒体遗传学学三、三、线粒体基因病线粒体基因病四、核基因突变所致的线粒体病四、核基因突变所致的线粒体病一、一、 线粒体线粒体DNA 的特征的特征（1 1）形态：）形态：线粒体是光镜下可以看到的一种体积较大线粒体是光镜下可以看到的一种体积较大的细胞器，呈粗的细胞器，呈粗线线状或颗状或颗粒粒状。状。（2 2）功能：）功能：线粒体是细胞能量储存和供给的场所。线粒体是细胞能量储存和供给的场所。细胞的细胞的“发电厂发电厂”。三磷酸腺苷。三磷酸腺苷(ATP)(ATP)的的90%90%

4、是由是由线粒体经氧化磷酸化过程产生。线粒体经氧化磷酸化过程产生。线粒体具有自身的DNA分子和完整的一套基因表达系统和表达体系，被称为第25号染色体，M染色体，线粒体染色体（线粒体基因组）。线粒体是细胞质中独立的细胞器，也是细胞核外唯一含有DNA的细胞器。 含有含有16,569个碱基对的闭环双链个碱基对的闭环双链DNA分子。编码分子。编码37种基因：种基因：13种肽链亚单种肽链亚单位的编码顺序，与氧化磷酸化呼吸链位的编码顺序，与氧化磷酸化呼吸链有关；还编码与线粒体蛋白质合成有有关；还编码与线粒体蛋白质合成有关的关的22种种tRNA编码顺序和编码顺序和2种种rRNA编编码顺序。码顺序。Mitoch

5、ondria, minute sausage-shaped structures found in the cytoplasm of the cell, are responsible for energy production. Mitochondria contain enzymes that help to convert food material into adenosine triphosphate (ATP), which can be used directly by the cell as an energy source. 人mtDNA是一个长为16.5kb的双链闭合环状分

6、子，外环称重链(H链)，内环称轻链(L链)线粒体的H链是12种多肽链、12S rRNA、16S rRNA和14种tRNA的转录模板，L链是1种多肽链和8种tRNA转录的模板。 mtDNA的突变率较高, 大约为核DNA高1020倍。缺乏组蛋白的保护，而且没有DNA损伤的修复系统。 mtDNA的突变可以发生在所有组织细胞中，包括体细胞和生殖细胞。 每个细胞含2-100个线粒体，每个线粒体中含有数个环状DNA。4、 nDNA和和mtDNA的比较的比较 核核 DNAmt DNA存存在在部部位位细细胞胞核核细细胞胞质质形形态态双双螺螺旋旋闭闭环环双双链链碱碱基基数数(bp)3.1 x 10916 569

7、编编码码基基因因数数3-3.5 万万个个37 个个基基因因拷拷贝贝数数单单拷拷贝贝成成千千上上万万间间隔隔顺顺序序有有无无突突变变频频率率低低高高（自自身身无无修修复复机机制制）线粒体和氧化磷酸化 参与线粒体OXPHOS过程的蛋白复合体 复合物 I：41种蛋白质组成（7） 复合物 II：4种蛋白质组成 复合物 III：11种蛋白质组成（1） 复合物 IV：13种蛋白质组成（3） 复合物 V ：12种蛋白质组成（2） 细胞核基因编码约70种参与OXPHOS系统的蛋白质，1000种参与线粒体基因复制、 转录、翻译的调控；促进各种化合物跨线粒体膜的转运。mtDNA组上呼吸链有67个核编码蛋白，还有约

8、1000个核编码的线粒体肽，若核编码蛋白的异常则可以导致原发性或继发性的线粒体酶呼吸链的缺陷，导致多发性mtDNA缺失和mtDNA量减少。 线粒体基因表达所必需的一些蛋白质，如RNA聚合酶、核糖体以及许多调控因子都是由核基因编码，在细胞质的核糖体上合成后，运输进线粒体后再起作用。组成呼吸链的一系列结构蛋白是线粒体和细胞核共同编码的，这些蛋白质的正确组装，受核基因控制。同时，研究发现，细胞质的线粒体也可以以不同的方式影响核基因的表达。线粒体基因组和核基因组交互作用。线粒体基因组和核基因组交互作用。一、母系遗传 mtDNA不以孟德尔方式遗传而表现为母系遗传。胚胎形成中精子的mtDNA被降解，只保留

9、卵子的线粒体，所以线粒体基因来自母亲。 mtDNA仅通过卵细胞表达，由母亲垂直传给男女后代，只有女儿可继续下传. 二二. 线粒体遗传线粒体遗传学学点点 人的卵母细胞约10万个线粒体，成熟后，绝大多数线粒体数目少于100个以下。这种线粒体数目从10万个锐减到100个的过程称为“遗传瓶颈” 。此后，经过胚胎前期细胞分裂，mtDNA会达到每个细胞大于1万个。 mtDNA的突变率极高，如果通过遗传瓶颈保留下来的一个线粒体碰巧携带突变基因，在随后形成的组织细胞会具有高比例的携带突变基因的线粒体。二、二、遗传瓶颈作用线粒体几乎存在于人体的所有细胞中，且每个细胞中含有成百上千个线粒体，有害的突变基因常常仅影

10、响部分，这就使细胞、组织中同时存在野生型和突变型，这种野生型和突变型同时存在的现象称为异质性。当突变数目达到某一数量时，可引起某组织或器官的功能异常而出现临床症状，这就是阈值效应。 三、阈值效应三、阈值效应纯质：一种组织或细胞中的线粒体可以全纯质：一种组织或细胞中的线粒体可以全部是带有相同突变基因的线粒体，或全部是带有相同突变基因的线粒体，或全部是野生型的线粒体。部是野生型的线粒体。 一个细胞的细胞质中可有几千个线粒体一个细胞的细胞质中可有几千个线粒体DNA（mtDNA)分子。如果在某个特定位点上所有分子。如果在某个特定位点上所有这几个这几个mtDNA分子都为同一基因，此细胞可分子都为同一基因

11、，此细胞可称之为称之为纯质纯质(homoplasmy)。杂质杂质 ：突变型和野生型线粒体共存于一突变型和野生型线粒体共存于一种细胞或组织的现象。种细胞或组织的现象。 一个细胞的数千个一个细胞的数千个mtDNA分子在这个位分子在这个位点上同时存在正常基因和突变基因，这点上同时存在正常基因和突变基因，这就成为杂质。就成为杂质。 传递突变的母亲可为患者，也可是表现传递突变的母亲可为患者，也可是表现正常的杂质携带者。正常的杂质携带者。（1）一般说，突变的）一般说，突变的mtDNA的数的数量超过一定限度（阈值）时，会量超过一定限度（阈值）时，会出现临床症状。阈值的高低与组出现临床症状。阈值的高低与组织细

12、胞能量代谢的活跃程度有关。织细胞能量代谢的活跃程度有关。（2）突变型线粒体与野生型线粒）突变型线粒体与野生型线粒体的比值与临床症状的表现程度体的比值与临床症状的表现程度相关。相关。 线粒体基因病的特点： 母系遗传 症状表现程度有阈值效应：纯质或杂质 组织特异性：能量需求越高的细胞，影响就越大 多系统受累三、线粒体基因病三、线粒体基因病1、母系遗传、母系遗传(matrilinear inheritance) 卵子与精子细胞核的结合是对等的，卵子与精子细胞核的结合是对等的，但细胞质的结合是远远不对等的。但细胞质的结合是远远不对等的。在绝大多数情况下，突变的线粒体在绝大多数情况下，突变的线粒体DNA

13、通过母亲卵子细胞质的线粒体通过母亲卵子细胞质的线粒体传给子代，通过父亲传递的极为罕传给子代，通过父亲传递的极为罕见。见。线粒体基因线粒体基因病病系谱系谱2、症状表现程度、症状表现程度-阈值效应阈值效应 阈值效应：纯质(homoplasmy)与杂质(heteroplasmy) 突变mtDNA杂质个体是否受累，决定于突变mtDNA所占比例是否超过野生型mtDNA，症状的表现程度与受累组织中突变mtDNA的含量有关。3 3、组织特异性、组织特异性 能量需求大的组织细胞对能量需求大的组织细胞对ATPATP缺缺乏敏感，常表现为肌病、心肌病、乏敏感，常表现为肌病、心肌病、神经系统疾病等。神经系统疾病等。4

14、 4、多系统受累、多系统受累1、Leber遗传性视神经病遗传性视神经病(Leber hereditary optic neuropathy,LHON)Leber遗传性视神经萎缩是一种罕见的眼部线粒体疾病。临床症状：通常在成年期发病（临床症状：通常在成年期发病（20-25岁）岁） （1）急性或亚急性眼球后神经炎）急性或亚急性眼球后神经炎 （2）急性发作后，视觉逐步衰退）急性发作后，视觉逐步衰退 （3）色觉障碍）色觉障碍 （4）其他神经异常，如神经病变、肌张力障）其他神经异常，如神经病变、肌张力障碍、震颤、心脏传导障碍等。碍、震颤、心脏传导障碍等。 三、线粒体基因病三、线粒体基因病LHON是以德国

15、眼科医生Theodor Leber的名字命名的，男女病人比例 5:1。11778bp GA 导致编码NADH 脱氢酶亚单位4 (ND4)中第340 位的ArgHis，从而影响线粒体能量的产生。基因突变：遗传异质性基因突变：遗传异质性编码线粒体蛋白质的种基因突变。编码线粒体蛋白质的种基因突变。原发性：线粒体的单一突变原发性：线粒体的单一突变（MTND1、MTND4、MTND6）。）。继发性：需要其他因素参与。继发性：需要其他因素参与。基因突变：遗传异质性基因突变：遗传异质性90以上的病例中都存在以下以上的病例中都存在以下3种突变：种突变：MTND4*LHON11778GA，约占约占50-70%（

16、精精组组），降低了复合物，降低了复合物I关联关联底物的氧化作用效率底物的氧化作用效率;MTND1*LHON3460GA，约占约占15-25%,减少了复合物减少了复合物I大约大约80的活性；的活性；MTND6*LHON14484TC，也降低复，也降低复合物合物I的活性的活性.线粒体脑肌病、乳酸酸中毒及卒中样发作综合征线粒体脑肌病、乳酸酸中毒及卒中样发作综合征(mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis,and stroke-like episodes,MELAS)临床症状：临床症状： （1）粗糙红纤维）粗糙红纤维 （2）虚弱）虚弱 （3）乳酸

17、酸中毒）乳酸酸中毒 （4）感觉神经性听觉丧失）感觉神经性听觉丧失 （5）痴呆）痴呆 （6）反复发生卒中样发作，头痛、呕吐）反复发生卒中样发作，头痛、呕吐2、Melas综合症（线粒体脑肌病伴乳酸中毒及中风样发作综合征） mtDNA3243bp 的杂质性突变引起的。该突变的杂质性突变引起的。该突变改变了改变了tRNALeu的结构，并使的结构，并使 tRNALeu 基因和基因和rRNA基因下游紧密结合的转录终止子失活基因下游紧密结合的转录终止子失活, ,因此突变可能因此突变可能降低转录活性并改变线粒体降低转录活性并改变线粒体rRNA和和mRNA转录的比转录的比例。例。基因突变：遗传异质性基因突变：遗

18、传异质性线粒体线粒体tRNALeu基因突变：基因突变：MTTL1*MELAS 3243 T C或或A G，RNALeu3271 or 3251.线粒体肌病、粗糙红纤维和乳酸酸中毒综合征：线粒体肌病、粗糙红纤维和乳酸酸中毒综合征：MERRF肌阵挛性癫痫伴粗糙红纤维综合征肌阵挛性癫痫伴粗糙红纤维综合征(myoclonus epilepsy with ragged-red fibers, MERRF)MELAS线粒体脑肌病、乳酸酸中毒及卒中样线粒体脑肌病、乳酸酸中毒及卒中样 发作综合征发作综合征(mitochondrial encephalo- myopathy, lactic acidosis,a

19、nd stroke-like episodes,MELAS)KSS 眼肌麻痹、视网膜色素变性及心肌病综合征眼肌麻痹、视网膜色素变性及心肌病综合征 (Kearns-Sayre syndrome)MERRF:肌阵挛肌阵挛MELAS：反复卒中样发作，轻偏瘫、偏盲：反复卒中样发作，轻偏瘫、偏盲或皮质性盲伴有头痛、呕吐或皮质性盲伴有头痛、呕吐KSS：进行性眼外肌麻痹、：进行性眼外肌麻痹、 视网膜色素层视网膜色素层 变性、变性、 心脏传导阻滞心脏传导阻滞3、Kearns-Sayre综合征综合征临床症状：临床症状：（1）进行性外眼肌麻痹）进行性外眼肌麻痹（2）视网膜色素变性）视网膜色素变性（3）耳聋、痴呆、糖尿病）耳聋、痴呆、糖尿病右眼右眼 左眼左眼MERRF综合征是一综合征是一种罕见的、杂质性的母种罕见的、杂质性的母系遗传病。系遗传病。MERRF:肌阵挛典型为典型为8344 bp突变，突变，导致导致tRNALys改变，使蛋改变，使蛋白质合成受阻