第八章 线粒体疾病的遗传和线粒体病

第八章线粒体疾病的遗传和线粒体病1894年，首次发现1897年，正式命名为mitochondrion(线粒体)1963年，Nass在鸡胚中发现线粒体中存在DNA

Schatz分离到完整的线粒体DNA1981年，测定人mtDNA的DNA序列1987年，Wallac提出mtDNA突变可引起疾病1988年，首次报道mtDNA突变线粒体的结构和功能由双层单位膜套叠而成的封闭性囊状结构,分为外膜、内膜、膜间隙和基质四部分。线粒体的结构和功能

线粒体是活细胞生物氧化产生能量的场所,是细胞的能量转换器：脂肪三羧酸循环多糖CoA

电子传递（呼吸链）

ATP蛋白质氧化磷酸化线粒体是细胞质中独立的细胞器，也是动物细胞核外唯一的含有DNA(mitochondrialDNA，mtDNA)的细胞器，其DNA分子被称为人类第25号染色体。1981年，剑桥大学的Anderson小组测定了人mtDNA的完整DNA序列，称为“剑桥序列”。第一节人类线粒体基因组

一、mtDNA的组成1、人mtDNA由呈裸露闭合环状双链DNA分子构成，全长16,569bp。缺乏DNA损伤修复系统。2、外环含G较多，称重链(H链)，内环含C较多，称轻链(L链)。其中线粒体的H链：编码12种多肽链、12SrRNA、16SrRNA和14种tRNAL链编码1种多肽链和8种tRNA。

3、分编码区和非编码区

编码区为保守序列，不同种系间75%的DNA具有同源性，包括37个基因：

（1）2个基因编码线粒体核糖体的rRNA（16S、2S）

（2）22个基因编码线粒体中的tRNA

（3）13个基因编码与线粒体氧化磷酸（OXPHOS）有关蛋白质的亚单位。非编码区有

控制区（D-loop）：

1122bp，包括H链复制起始点（OH），H链和L链的启动子（PH1、PH2、PL），4个保守序列，终止区。

L链复制起始处（OL）二、mtDNA的复制和转录特征与核基因比，mtDNA的复制和转录有以下特点：2、mtDNA基因结构紧凑，无内含子，两条链都有编码功能，但两条链编码不对称；

1、mtDNA可进行半保留复制，复制起始于L链的转录启动子。D-环复制5、tRNA基因通常位于mRNA基因和rRNA基因之间；6、mtDNA的遗传密码与nDNA不完全相同：UGA编码色氨酸非终止信号，AGA、AGG是终止信号，AUA编码甲硫氨酸兼起动信号（13个基因统一）；7、线粒体中的tRNA兼用性较强：22种tRNA转运氨基酸，有碱基摆动（第三位碱基自由）；4、mtDNA的基因之间无终止子；

3、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仅编码13种蛋白质，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编码，在细胞质中合成后，经特定转运方式进入线粒体；mtDNA基因在转录与翻译过程中对核基因有很大的依赖性，受核基因的控制，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。三、线粒体基因组的遗传半自主性对mtDNA分子病理学的研究证实mtDNA突变在许多疾病中存在，包括具有母系遗传特征的疾病，中老年时发病的一些退化性疾病，甚至衰老本身。由于缺乏组蛋白的保护，线粒体亦缺乏DNA损伤修复系统，因此mtDNA的突变率极高。第二节线粒体基因的突变

与线粒体病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。mtDNA突变率比nDNA高10～20倍，其原因有以下几点：mtDNA的突变类型碱基替换（点突变）1、发生在mRNA有关处的氨基酸替换突变可出现与脑脊髓性及神经性有关的疾病常见有Leber遗传性视神经病(LHON)(MIM535000)。错义突变LHON是以德国眼科医生TheodorLeber的名字命名的，为一种急性或亚急性发作的母系遗传病。男女病人比例5:1。11778G→A导致编码NADH脱氢酶亚单位4(ND4)中第340位的Arg（精）→His（组），使NADH脱氢酶活性降低从而影响线粒体能量的产生。11778G→ALeber遗传性视神经病(LHON)Leber遗传性视神经病是被证实的第一种母系遗传的疾病，至今尚未发现一个男性患者将此病传给后代。比前者的疾病表型更具有系统性特征，常表现为线粒体脑肌病。主要有MERRF综合征(癫痫伴碎红纤维病)（肌阵挛癫痫）(MIM545000)。2、发生在tRNA处，使蛋白质合成障碍MERRF综合征MERRF综合征是一种罕见的、多质性的母系遗传病。典型为8344bp突变，即A变G，导致tRNALys改变，使蛋白质合成受阻。8344bp

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。如帕金森病。常见缺失

8483～134598637～160734389～14812大片段缺失、重复第三节线粒体病的遗传特征受精卵中的线粒体DNA几乎全都来自于卵子（？），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；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。一、母系遗传线粒体的母系遗传：

O：卵子

S:精子

A、B、C：子细胞

Z:受精卵mtDNA的母系遗传如果同一组织或细胞中的mtDNA分子都是一致的，称为同（纯）质性（homoplasmy）。如果一个个体同时存在两种或两种以上类型的mtDNA，称为异（杂）质性（heteroplasmy）。这是由于mtDNA发生了大量中性突变，导致一个细胞内同时存在多种类型的野生型mtDNA和突变型mtDNA。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。二、具有异质性

线粒体异质性可分为序列异质性和长度异质性；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；人体不同类型的细胞含线粒体数目不同，每个线粒体中有2～10个mtDNA分子，因此，绝大多数细胞、组织、器官中有多种mtDNA拷贝，称多质性。

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mtDNA突变要引起线粒体功能障碍，存在着一个阈值效应，即引起特定器官功能障碍的突变mtDNA的最少数量（阈值）。

阈值只是一个相对概念：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。因此阈值决定机制不同。三、有阈值效应

每个卵母细胞约有十万个线粒体，但在其经减数分裂形成成熟卵细胞的过程中大多数线粒体会丢失，只有随机的小部分（2-200个）可以进入成熟卵细胞，这种因线粒体锐减而使mtDNA剧减的过程称为“遗传瓶颈”四、有遗传瓶颈（减数分裂时）和不均等分离（有丝分裂时）

细胞有丝分裂时，突变型和野生型mtDNA发生不均等分