医学遗传学：线粒体病

线粒体DNA的遗传学特征
呼吸链即电子(包括H+) 的传递链，起自NADH， 终端为02，NADH→02 共产生3个ATP，其间任 何环节缺陷将导致电子 传递障碍。
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。
中 南 大 学
线粒体病
Mitochondrial disease
目录
CONTENTS
1 正常线粒体DNA的结构及遗传特点 2 线粒体病的遗传特点 3 线粒体基因突变、相关疾病及其治疗
正常线粒体DNA的结构及遗传特点
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。 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。
疾病：病因、诊断、治疗
Leber遗传性视神经病变 线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作（MELAS）
线粒体病的分类
线粒体病(mitochondrial disease)是由线粒体功能异常而引起的一大类疾病。 狭义的线粒体病 广义的线粒体病
mtDNA突变的类型 点突变 大片段缺失重组 mtDNA数量减少
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。 ●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。
Leber遗传性视神经病变（临床表现）
临床表现：视力丧失 眼底检查：血管扩张，扭曲，假性水肿 伴有其他系统的异常 视觉自愈
Leber遗传性视神经病变（病因）
母系遗传 11778位点碱基由G置换为A
精氨酸被组氨酸取代
空间构型改变
产能下降 更多的点突变与LHON有关
Leber遗传性视神经病变（检测）
5kb：8483-13459位碱基：多条多肽链，tRNA 7.4kb：8637-16073位碱基：多条多肽链，tRNA，D-环区 10.4kb：4389-14812位碱基：包含大部分基因 常见疾病： KSS综合征与PEO（进行性眼外肌瘫痪）
mtDNA数量减少
mtDNA数量减少 少见 常染色体显性或隐性遗传
线粒体DNA的结构特点
一
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)
二
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。
三
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。
诊断： 头颅影像学
线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作（MELAS）
肌肉活检
线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作（MELAS）
遗传咨询： 产前诊断难度较大 突变比例较低的母亲：
挑选未见突变或突变比例很低的胚胎植入 突变比例较高的母亲：
供卵的方式进行生育 伦理学的限制
衰老
正常机体：抗氧化防御系统 损伤机制：
(三) mtDNA为母系遗传
母亲将她的mtDNA传递给儿子和女儿，但只有女儿能将其mtDNA传递给下一代。
线粒体DNA的遗传学特征
(四)mtDNA的突变率极高
原因: 1.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。 2.mtDNA是裸露的分子，不与组蛋白结合。 3.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。 4.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。
四
线粒体的H链是12种多肽链、12S rRNA、 16SrRNA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。
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mtDNA与nDNA不同
1
mtDNA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
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(O)与L链复制起始点(O )相隔2/3个 mtDNA。
其他机制： mtDNA整合到nDNA中，类似于致癌病毒
已在多种肿瘤中发现各型mtDNA突变
参考文献
[1].中国线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作的诊治专家共识[J]. 中华神经科杂志,2020(03):171-172-173-174-175-176-177-178. [2]王佳伟,赵娟.Leber遗传性视神经病变诊断和治疗专家共识[J].眼 科,2019,28(05):328-335. [3]王新高,张在强.线粒体病的诊治概况[J].中国医刊,2019,54(02):136140. [4]郭艺,洪思琦,蒋莉.对线粒体医学会原发性线粒体病患者管理标准专 家共识的解读[J].中国当代儿科杂志,2018,20(11):887-892.
线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作（MELAS）
突变类型：点突变 异常结构：tRNA结构异常 临床表现与突变型mtDNA量有关：
突变型mtDNA 40-50% 耳聋，眼外肌麻痹 突变型mtDNA 90% 复发性休克、痴呆、癫痫 相关知识：阈值效应
线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作（MELAS）
点突变
发生位置不同，效应不同
tRNA
60% 影响全部翻译过程
多肽链亚单位 35% 酶功能下降
rRNA
5%
合成蛋白能力下降
常见疾病
MERRF综合征（肌阵挛性癫痫伴碎红纤维病）
LHON（Leber遗传性视神经病）
MELAS综合征（线粒体脑肌病伴乳酸酸中毒及卒中样发作综合征）
大片段缺失重组
大片段缺失 缺失片段特征 缺失原因：同向重复序列的滑动复制或同源重组 常见缺失：
氧化性损伤，功能下降，氧自由基渗漏增加，加重损伤，恶性循环 衰老与mtDNA突变的累积呈正相关 羟基脱氧鸟苷（8-OH-dG），每10年增加0.25% 功能降低，细胞死亡 多发部位：心、脑、骨骼肌等耗能大器官
肿瘤
致癌机制： mtDNA致癌物作用靶点 mtDNA编码区与D环区 T→C G→A 改变能量产出，氧化物清除能力，调控凋亡
线粒体遗传病的突变类型
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。
线粒体DNA的遗传学特征
(二)线粒体基因组所用的遗传密码和通用密码不完全等同
1.UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码 2.多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子编码，起始甲硫氨酸由AUG， AUA，AUU和AUC四个密码子编码 3.AGA，AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，线粒体密码系统中有4个 终止密码子(UAA，UAG，AGA，AGG)
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。
线粒体基因突变、相关疾病及 其治疗
讨论内容
线粒体病的分类
其他疾病：肿瘤、衰老
分子遗传学检测： 靶向突变分析 序列分析和突变筛查
其他常规检测： 视力、眼底、磁共振成像等
Leber遗传性视神经病变（治疗）
尚无特效治疗手段 对症支持治疗 药物治疗：艾地苯醌 基因治疗
腺病毒作为ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ体 异位表达 干细胞治疗
线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作（MELAS）
发作年龄：40岁前 临床表现：中枢神经系统的异常 病理改变：肌肉小动脉，毛细血管壁有大量形态异常线粒体 酸碱平衡紊乱：乳酸中毒
线粒体基因的转录
一
两条链均有编码功能 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
二
mtDNA的基因之间无终止子 tRNA基因通常位于mRNA基因和rRNA基 因之间
三
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
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线粒体DNA的遗传学特征
(一) mtDNA具有半自主性 线粒体是一种半自主细胞器，受线 粒体基因组和核基因组两套遗传系 统共同控制
线粒体DNA的遗传学特征
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。
线粒体病的遗传特点
线粒体病的遗传特点
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。 细胞病变或损伤最敏感的指标之一，是分子细胞病理学检 查的重要依据。 特点: 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。