第5章 线粒体遗传病

4．熟悉几种常见的人类线粒体疾病。 5. 了解线粒体DNA的复制、转录特点。
1894年，德国Altmann首次发现线粒体，并命
名为bioblast
1897年，Benda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DNA 1981年，剑桥大学Anderson小组测定人mtDNA
腺、肾脏、肝脏对能量的依赖性依次降低。
☞ ATP产生越少，病症涉及的器官越多，症状越严重。最先受损的
是中枢神经系统，其后为骨骼肌、心脏、胰腺、肾脏和肝脏。
（六）mtDNA的突变率极高
原因： ☞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突变引起的疾病
中枢神经系统和骨骼肌对能量的依赖性最强， 故临床症状以中枢神经系统和骨骼肌病变为特征. 线粒体脑病: 病变以中枢神经系统为主； 线粒体肌病: 病变以骨骼肌为主； 线粒体脑肌病: 病变同时侵犯中枢神经系统和骨
骼肌。
（一）Leber遗传性视神经病（OMIM # 535000）
的完整DNA序列，称为“剑桥序列”。
1987年，Wallace提出mtDNA突变可引起疾病
第一节 线粒体DNA的结构特点与遗传特征
线粒体基因组
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(mitochondrial DNA，mtDNA)的细胞器。
25号染色体
人类的mtDNA编码13 条多肽链、22种tRNA和2 种rRNA。13种蛋白质均是 呼吸链酶复合物的亚单位。
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与nDNA不同
1.其分子上无核苷酸结合蛋白，缺少组蛋白的保护; 2.线粒体内无DNA损伤修复系统，mtDNA易发生突变并容易得到 保存; 3.每个线粒体内含有2～10个拷贝的mtDNA分子; 4.每个细胞可具有数千个mtDNA分子 。
Complex
Subunits
Nuclear
mtDNA
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
41 4 11 13 14
34 4 10 10 12
7 0 1 3 2
83
70
13

呼吸链 (resqiratory chain)
呼吸链即电子 (包括 H+) 的传递链，起自 NADH (Nicotine Adenylate Dinucleotide，尼克酰胺腺嘌呤二 核苷酸)，终端为02， NADH02 共产生 3 个 ATP。 其间任何环节缺陷将导致电子传递障碍。 琥珀酸 NADH II I
Leber遗传性视神经病(LHON)
11778G→A导致编码NADH脱 氢酶亚单位4(ND4)中第340位的 Arg精→His组，改变ND4空间构 型，NADH脱氢酶活性降低，线 粒体产能效率下降，视神经细 胞提供能量不能长期维持视神 经完整结构，导致神78 G→A
合的正常mtDNA、突变体和正常的mtDNA的杂合体。
异质性(heteroplasmy):由于mtDNA突变率极高，使 得一个细胞内同时存在突变型和野生型mtDNA，也叫 杂质性。

同质性(homoplasmy):同一组织或细胞中的mtDNA分 子都是一致的，也称做纯质性。
☞机制：杂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，分别向纯合突变型和纯合野生型漂变，经过 无数次分裂后，细胞达到纯合型。
MTTK*MERRF 8344A → G
（四）线粒体脑肌病伴乳酸血症和卒中样发作 （ MELAS综合征）

10～20岁发病，40岁以前开始出现的复发性休克、肌病、共济失调、
肌阵挛、痴呆和耳聋。少数患者出现反复呕吐、周期性的偏头痛、糖
尿病。进行性眼外肌无力或麻痹使眼的水平运动受限，眼外肌麻痹， 眼睑下垂。肌无力，身材矮小等。
二、线粒体DNA的遗传学特征

mtDNA半自主性
mtDNA遗传密码与通用密码不完全相同
mtDNA为母系遗传
mtDNA在有丝分裂和减数分裂期间都要经过复制 分离
mtDNA具有阈值效应的特征 mtDNA的突变率很高

（一）mtDNA具有半自主性
线粒体是一种半自主细胞器，受线粒体基因组

在MELAS患者中，异常的线粒体不能够代谢丙酮酸，导致大量丙酮酸 生成乳酸，而后者在血液和其他体液中累积。MELAS患者的特征性病 理变化就是在脑和肌肉的小动脉和毛细血管管壁中有大量的形态异常 的聚集的线粒体。
每个正常人的细胞内约有几百到几千个线粒体 每个线粒体内约有2－10 mtDNA拷贝
一、线粒体DNA的结构特点
人mtDNA是一个长为 16,569 bp的双链闭合环 状分子，外环含G较多， 称重链(H链)，内环含C较 多，称轻链(L链)。
mtDNA结构紧凑，没 有内含子，唯一的非编码 区是D环区，长1,122 bp 左右。 D 环 区 包 括 mtDNA 重 链复制起始点，重轻链转 录的启动子。
1.MD多数由于线粒体DNA改变而引起。 2.MD具有母系遗传的特点。 3.MD多为神经、肌肉系统疾病。

细胞损伤中的液泡状线粒体
缺氧导致的肾小管上皮细胞损伤
线粒体病涉及组织

病因：mtDNA发生突变（片段缺失或点突变） 无法编码M在氧化代谢过程中必须的酶/载体 糖原/脂肪酸（底物）不能进入M或不能被充分利用 ATP产生不足 细胞功能减退甚至坏死
Leigh综合征患者
（三）癫痫伴碎红纤维病 （MERRF综合征）

多系统紊乱，肌阵挛性癫痫， 共济失调，轻度痴呆，耳聋， 脊髓退化。 大量团块状线粒体聚集于肌细 胞中（可被特异性染料染成红 色，—破碎红纤维）。大脑卵 圆核与齿状核有神经元的缺失。

MERRF综合征患者
病因：
mtDNA结构 16569 bp
CoQ
III
IV
CytC O2
V 生成3个ATP
Complex I : Complex II: Complex III: Complex IV: Complex V: NADH-CoQ 还原酶 琥珀酸-CoQ 还原酶 细胞色素c还原酶 细胞色素c氧化酶 ATP合成酶
（二）线粒体基因组所用的遗传密码和通用密码不完全等同
和核基因组两套遗传系统共同控制 。
☞mtDNA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nDNA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。
复制分离：随机分配导致mtDNA异质性变化的过程。
遗传瓶颈效应：10万→2～200
（五）mtDNA具有阈值效应的特性
☞能引起特定组织器官功能障碍的突变mtDNA的最少数量称阈值。
☞线粒体病发病有一阈值，只有当异常mtDNA超过阈值时才发病。
☞不同的组织器官对能量的依赖程度不同，脑、骨骼肌、心脏、胰
线粒体DNA的复制
D环复制（取代环复制）：不对称复制。
特点：两条链的复制起点不在同一点上，一条
链先复制，另一条链保持单链而被取代；当一 条链复制到一定程度时才暴露出另一条链的复 制起点，另一条链才开始复制。
复制方式为半保留复制，由线粒体的 DNA聚合酶完成。 H链复制起始点(OH)与L链复制起始点(OL)相隔2/3个mtDNA。
线粒体基因的转录

特点：
1. 两条链均有编码功能
2. 两条链从D-环区的启动子处同时开始以相同的速 率转录，L链按顺时针方向转录，H链按逆时针方向转录 3. mtDNA的基因之间无终止子 4. tRNA基因通常位于mRNA基因和rRNA基因之间
5. mtDNA的遗传密码与nDNA不完全相同
6. 线粒体中的tRNA兼用性较强，1个tRNA可以识别 几个简并密码子
蛋白质生物合成基因突变:
比错义突变的疾病表型更具有系统性特征，且所有生物合 成基因突变都为tRNA突变，并与线粒体肌病相关。主要有 MERRF综合征。
2.缺失、插入突变 mtDNA部分缺失或插入，使基因组缩短或变长。 单发缺失多为散发性，多发缺失可呈常染色体显性 或隐性遗传，提示由核 DNA 突变影响线粒体功能所 致。 mtDNA缺失突变引起绝大多数眼肌病，这种缺
☞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。
第二节 mtDNA突变与人类疾病

1987年发现第一个mtDNA突变以来，现已发
现100多个与疾病相关的点突变、200多种缺失和重 排。

mtDNA突变类型主要包括点突变、片段缺失
插入和mtDNA拷贝数目减少。
一、线粒体遗传病的突变类型
1.碱基突变

错义突变:
也称氨基酸替换突变，主要与脑脊髓性及神经性疾病有关， 常见有Leber遗传性视神经病和神经肌病。所造成的疾病为母 系遗传，但同一种点突变，对不同患者可造成不同的临床表 现。

失导致的疾病一般无家族史。
3.mtDNA拷贝数目突变 指多余的 mt DNA 以数以千计的核苷酸插入基 因组，从而使体积增大。部分与核基因突变有关。
二、人类线粒体遗传病
线粒体病（mitochondrial disease, MD）: 以线粒体
结构或功能异常为主要病因的一大类疾病。