遗传性线粒体疾病探秘及遗传咨询

1、baby诺安,线粒体探秘：基因突变和线粒体疾病,01,03,02,线粒体遗传基础,线粒体疾病,文献进展,Heading text of sample.,目录,CONTENTS,01,PREFACE,线粒体遗传基础,线粒体起源,Endosymbiosis hypothesis 内共生起源学说,/evolibrary/article/history_24,线粒体mtDNA起源,线粒体夏娃,Y染色体亚当,线粒体被认为起源于引起斑疹伤寒的细菌的近亲,线粒体结构和功能,/evolibrar

2、y/article/history_24,线粒体结构和功能,细胞器-产生ATP能，“动力工厂” 1857年由瑞士阿尔伯特冯科立克首先发现 1898年德国科学家卡尔本达因用希腊语中“线” 和“颗粒”一“mitos” 和“chondros”组成“mitochondrion”（英matkndrin） 2-10个拷贝/线粒体，2000/细胞（需能高的组织成千上万） 神经元、心肌细胞和骨骼肌细胞对于能量变化最为敏感 结构：内膜，外模，基质（具有一套完整的转录和翻译体系）,除了能源生产，线粒体控制着几条代谢通路，包括三羧酸循环、氧化，参与一些其他的过程包括钙的动态平衡，血红素和类固醇激素的生物合成，细胞凋

3、亡和细胞周期调控,线粒体 mitochondrion,图来源：世界边缘的秘密:科学对生命的惊人回答 光子,人类线粒体基因组,图 来源：世界边缘的秘密:科学对生命的惊人回答 光子,独立于nDNA，人类第25号染色体; 闭环双链DNA，长度大约16,569bp，没有内含子 外环为重链(H)富含嘌呤，内环为轻链(L)富含嘧啶 D-loop:长约1kb的非编码区，包括:mtDNA重链复制的起点(0H)，轻、重链的转录启动子(PH和PL)和4个高度保守序列，与mtDNA的复制、转录密切相关 mtDNA不与组蛋白结合，缺乏5-甲基胞嘧啶,37个基因 13个蛋白基因 ：ND1,2,3,4,4L,5,6 ：c

4、ytb ：CO,CO,CO ：ATP6,ATP8 22个tRNA基因 2个rRNA基因 16S rRNA 12S rRNA,人类线粒体基因组,mtDNA 7 0 1 3 2 nDNA 43 4 10 10 14,Pimd：27775730,线粒体DNA特点,线粒体母系遗传在多物种间保守 马和驴交配生出的骡子线粒体基因组只和母系一 样(Nature, 1974) 人类线粒体基因组通过母系遗传(PNAS, 1980) 小鼠(Nature, 1995) 恒河猴(Nature, 1999) 青鲚鱼(PNAS, 2006) 果蝇(PNAS, 2012) 线虫(BCB, 2002; Cell Res 20

5、11; Science 2011; Science 2016),母系遗传 线粒体瓶颈和异质性突变 累积效应 阈值效应 各组织突变比例不同,线粒体DNA特点,母系遗传 线粒体瓶颈和异质性突变 高突变率 阈值效应 各组织突变比例不同,线粒体瓶颈和异质性突变 单个细胞中突变型和野生型mtDNA的比例不同。 异质性水平的增加往往与线粒体疾病的严重程度增加有关。 遗传瓶颈是在雌性生殖系发育过程中传递有限数量的mtDNA分子 瓶颈的存在会导致卵母细胞所含的异质性水平与母体的水平相比有很大的差异，,pmid28415858,线粒体DNA特点,高突变率 比基因组高10-20倍 裸露ROS环境 无内含子,pmi

6、d28415858,母系遗传 线粒体瓶颈和异质性突变 高突变率 阈值效应 各组织突变比例不同,线粒体DNA特点,阈值效应 突变型mtDNA要达到一定比例才造成细胞或器官组织的功能障碍，或产生临床表型。 通常认为该阈值水平是6080突变mtDNA 在不同器官和个体之间可能有所不同 阈值水平还取决于特定的mtDNA突变，临床症状发作通常需要60 80的突变负荷。,pmid28415858,母系遗传 线粒体瓶颈和异质性突变 高突变率 阈值效应 各组织突变比例不同,线粒体DNA特点,母系遗传 线粒体瓶颈和异质性突变 高突变率 阈值效应 各组织突变比例不同,不同组织中A3243G突变比例,2019070

7、6_分子诊断在儿童线粒体精准医疗中的作用-方方-北京儿童医院,线粒体复制-转录-翻译,复制 半保留复制L-H 复制在细胞周期的S期和G2期 复制速度不-致 核DNA调控,转录 H/L各有启动区 2条链全部转录 H:2/12/14;L:1/8 核基因调控,翻译 少数mtDNA，多数nDNA蛋白 合成涉及2个彼此分开的遗传系统 线粒体遗传密码子与核基因不同 例如AGA,AGG核（Arg），mtDNA（Stop） AUA核（异亮氨酸），mtDNA（起始Met,02,PREFACE,线粒体疾病,线粒体疾病,定义:由于遗传缺陷引起线粒体ATP合成障碍而导致的一组复杂的异质性疾病，多器官或组织受累。 发病

8、率: 12.5/10万 (成人)，4.7/10万 (儿童) 相关基因:线粒体疾病是2个基因组的异常 线粒体基因组37基因/核基因1300-1500 大约80%的成人线粒体疾病是由mtDNA突变引起 大约20-25%的儿童发病线粒体疾病病例发现了mtDNA突变，大多数儿童发病线粒体疾病是由常染色体隐性突变引起的。,pmid28415858,pmid27775730,线粒体病研究历程,临床描述,LHON,线粒体基因的10年,发现核基因所致Leigh,生化和病理,提出线粒体病.,核基因,NGS越来越多的疾病和基因被发现,发现线粒体基因突变,线粒体病相关核基因,编码呼吸链酶复合物亚基的基因 编码呼吸链

9、酶复合体组装蛋白的基因 编码DNA/RNA/蛋白合成的基因 底物代谢的基因 编码辅助因子的基因 维持线粒体稳态和引起线粒体内膜脂质环境缺陷的基因 功能未明的基因,pmid28415858,1300-1500多基因,线粒体病临床特点,Any age Any symptom Any organ Any inheritance,很难确定一致性的诊断标准 绝大多数没有有效的治疗方法,pmid27775730,线粒体病的临床指征,PMID： 17130416 罕见病诊疗指南2019,#.可评2分 #.可评4分,常见线粒体疾病,线粒体疾病突变类型,线粒体基因组 这些突变可分为三 种类型： 蛋白质编码基因中

10、的点突变 参与蛋白质合成的基因（tRNA或rRNA基因）中的点突变 mtDNA重排包括mtDNA缺失和插入 mtDNA中的点突变通常是母体遗传的（75%），新发突变 （25% ） mtDNA重排通常倾向于新发突变（大片段mtDNA缺失）（成人占16%）,Pmid28415858 29283441,来源：20190901_线粒体的遗传基础-北大马炜楠,线粒体病的遗传咨询困难,遗传方式： 核基因突变引起的线粒体病 AR后代发病风险25% AD后代发病风险50% XLR男性后代发病风险50% XLD女性男性后代发病风险50% 线粒体环基因突变引起的线粒体病 纯质性突变：后代突变风险100% 异质性突

11、变：后代突变风险不确定,线粒体异质性突变的咨询 子代突变比例无法预测： 突变母亲，子代突变比例差异大 组织突变比例无法预测： 突变比例与临床表型之间关系相关性差,pmid28415858,03,PREFACE,文献进展,第一个三体婴儿诞生,Reprod Biomed Online . 2017 Apr;34(4):361-368,治疗“三亲婴儿”,女性携带者Leigh综合征（mtDNA突变8993T G）,卵子胞浆置换技术（germinal vesicle transfer）也称线粒体置换技术，利用这项技术得到的婴儿俗称“三亲婴儿”。,线粒体置换技术,pmid27775730,2009 Nature,doi: 10.1038/nature08368,线粒体置换技术,治疗线粒体编辑技术,doi: 10.1038/s41591-018-0165-9,小鼠模型，锌指核酸酶（ZFN）的发现，以靶向并编辑mtDNA