第八章线粒体疾病

Leber遗传 性视神经病 （LHON）
Kearns-Sayre Syndrome，KSS
特征性症状：眼外肌麻痹、视网膜变性、心传导阻滞、 脑脊液蛋白含量增高。 患者临床表现可有：虚弱、乳酸酸中度、听力丧失、痴 呆、个头矮小等 发病年龄一般<20岁，大多数病人在确诊几年后死亡。 病因学基础：线粒体DNA 大片段缺失和复制（重复）， 缺失多大于1000bp。 约1/3的Kearns-Sayre病例与线粒体存在4977bp大小的 DNA缺失有关
1. 线粒体蛋白输入缺陷：突变发生在线粒体输入蛋白的 信号序列。如位于染色体Xp22.1的PHDA1基因，编码 蛋白参与丙酮酸的代谢，已发现其靶序列的突变导致 的疾病。
信号序列长度可达85个氨基酸残基，序列不完全一致， 但有相似的构象。
2. 底物运输缺陷：如与脂肪酸转运有关蛋白的缺陷，可 导致多系统异常；模式动物人工致腺苷酸转运蛋白的 异常，出现线粒体肌病类似症状。
第八章 线粒体遗传病
（Mitochondrial genetics and Diseases）
Germline Inheritance Somatic Inheritance Extrachromosomal Inheritance
染色体外遗传最初由Correns（1909）在紫茉莉中发现，之 后在其它高等生物、微生物中都有发现，包括动物细胞中的 线粒体、植物中的叶绿体、细菌的质粒等。
大部分MERRF 病例是由于tRNA基因点突变的结果 （A8344G)—MTTK *MERRF8344G
神经、肌肉细胞中90%的线粒体存在MTTK *MERRF8344G， 便会出现典型的MERRF症状；若突变线粒体所占比例较小时， MERRF症状将较轻，并可能不典型。
线粒体碱基替换疾病的命名
例：MTTK *MERRF8344G 包含三个部分： 1. MTTK: MT，指线粒体；T, 代表转运RNA;
临床特征：复发性休克，肌病，共济失调，肌阵发性痉挛， 痴呆，耳聋等。
乳酸酸中毒：由于异常线粒体不能代谢丙酮酸，导致大量 丙酮酸生成乳酸，使后者在血液和体液中积累。
特征性的病理变化：脑和肌肉的小动脉和毛细血管管壁中 有大量形态异常的线粒体聚集
MELAS Syndrom
在MELAS病例中，MTTL1* MELAS3243G（A3243G)突变的 发生率超过80％。突变发生在两个tRNALeu之一上。
GAG CTC
GAA CTT
人群中出 现三种基 因型
GAG, GAG GAG, GAA GAA, GAA
RFLP分析DNA
N代表任一核苷酸
限制性内切酶Mst II 的识别序列 CCTNAGG
ACTCCTGAGGAG（可酶切）
ACTCCTGTGGAG（不能切）
AA AT TT
1350 bp 1150 bp
The common ancestor of all human mitochondrial DNA who lived in Africa between 14,000-28,000 years ago.
线粒体疾病分类
（1）线粒体遗传病 （2）核基因突变引起的线粒体疾病
Leber遗传性视神经病（ Leber hereditary optic neuropathy, LHON）
基因多态性—基因突变在人群中的一种表现形式
多态性（polymorphism）:群体中同一基因座上有两个或 两个以上的等位基因同时存在。
单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism, SNP）:人类基因组序列中最常见的变异形式是SNP，这种 多态包括单个碱基的替换、单个碱基的插入和缺失（后 两者主要在非表达序列）。
1. mtDNA具半自主性：能独立地复制、转录、翻译，
但核基因编码大量维持线粒体结构和功能的蛋白 质，以及编码大多数氧化磷酸化酶的蛋白亚单位， 因此mtDNA功能又受核DNA影响。
2.Fra Baidu bibliotek密码子与核基因有差异：mtDNA中，UGA色氨酸。
而非stop.
3. mtDNA为母系遗传：人类受精卵中的线粒体几乎都来自 卵母细胞，即来自母系——母系遗传（maternal inheritance)。疾病的家族分析中如发现疾病从受累女 性传递规律，可考虑线粒体DNA突变致病的可能。
LHON是人类母系遗传病的代表。以急性或亚急性眼球后 神经炎，导致双侧视神经萎缩和大片中心暗点而突然丧失 视力为特征，同时伴色觉障碍。 发病高峰年龄20－30岁，但任何年龄均可发病。急性发作 后视力可进一步衰退，但通常可维持0.02－0.5。 无特殊并发症，有些家系出现其它神经异常，如智力障碍。 1988年Wallace等确认线粒体呼吸链复合物遗传性异常是 LHON的病因。
4. mtDNA在有丝分裂和减数分裂期间均经过复制、分离： 细胞分离过程中，线粒体随机分布。因此在胚胎发育过 程中，一些干细胞可能接受携带大量的突变基因的线粒 体，随后形成的成体组织细胞会具有高比例的携带突变 基因的线粒体，进而影响组织的功能，特别是对高需能 的组织。
5.mtDNA的阈值效应：导致疾病状态的突变型mtDNA的比 值。 纯质（homoplasmy）：细胞或组织中所有线粒体具有 相同的基因组，野生型或突变型； 杂质（heteroplasmy）:细胞或组织中既含有野生型， 又含有突变型线粒体基因组。 在高需能组织细胞，突变型和野生型线粒体DNA比例 确定了细胞是否能量短缺，出现疾病症状。
K，表示赖氨酸 2. MERRF：描述疾病临床特征的字母缩略词 3. 8344G：表示碱基改变的位置 疾病编号MIM---- ：Mendelian Inheritance in Man
MERRF 8344G
MELAS Syndrom（mitochondrial encephalomyopathy with lactic acidosis and stroke-like episodes）—线粒体肌病脑病伴乳酸 中毒及中风样发作综合症
MERRF Syndrom（myoclonnus epilepsy and ragged-red fibers)—肌阵挛性癫痫和破碎性红 纤维病
具有多系统紊乱的症状：短暂发作的癫痫，共济失调症状， 肌细胞减少，轻度痴呆，耳聋，脊髓神经退化等；大量团块状 异常线粒体聚集在肌细胞；在严重MERRF患者在大脑、小脑、 脑干和脊髓等部位发现神经元的缺失。
人线粒体的结构
每个线粒体可含2－10条DNA链， 单个细胞内可存在多个线粒体。
线粒体的核糖体与原核生物相似， 对一些抗生素敏感，
线粒体可能是细胞内处于共生状 态的微生物独立进化而来
Lynn Margulis
线粒体的复制、转录、翻译都不依赖于细胞核DNA, 但 是
细胞核和线粒体在功能上相互依赖。
人线粒体DNA的结构
较核DNA大10－20倍。
The Eve Hypothesis
Possible phylogenetic tree of human mitochondria based on analysis of presence or absence of restriction enzymes in mitochondrial DNA from 147 persons.
Kearns-Sayre Syndrome
KSS的病情严重程度依赖于异质性的程度和突变线粒体的组 织分布。当肌细胞中有缺失的线粒体基因组大于85%时，可 发生所有KSS 的临床特征。 在异质性处于较低水平时，进行性眼外肌麻痹是主要症状。 当突变线粒体基因组在造血干细胞中大量存在时就会出现 造血功能障碍，血细胞不能利用铁进行血红蛋白的合成， 引起致命性的贫血—缺铁性贫血。 机制：突变线粒体DNA在某组织中高比例出现时，部分基因， 包括tRNA的丧失，能量产生急剧下降，使组织功能出现障 碍。
一般情况下， MTTL1* MELAS3243G是异质性的，当突变 线粒体DNA90％，出现休克，共济失调，肌阵发性痉挛，痴 呆等症状；当MTTL1* MELAS3243G线粒体达40－50％，就可 能出现慢性进行性眼外肌麻痹、肌病、耳聋等症状。
MELAS症的基因突变还可能发生在tRNALeu的其它位点， 如3250，3252，3271，3291上。不同的单核苷酸突变可能产 生线粒体遗传病复杂多变的表型，如类似于MERRF的表型。
7445A>G
Reid et al, 1994
7510T>C
Tiranti et al, 1995
核基因突变引起的线粒体疾病
大量的参与线粒体功能活动的蛋白质是由核基因编码。 如，氧化磷酸化过程：≧69基因；线粒体编码其中13个。 每一个核DNA编码的线粒体蛋白在其N－末端通常有数十个 氨基酸组成的序列—靶序列。后者结合在线粒体外膜的受 体上，后者促使蛋白质从外膜进入膜间隙或进入基质，行 使诸多的功能：分子转运，底物代谢，氧化磷酸化，线粒 体DNA复制，维持DNA结构的稳定。 参与线粒体功能活动的细胞核基因突变可导致相应线粒体 功能的异常
3. 底物利用缺陷：线粒体参与物质代谢的多种 酶类由核基因编码，突变失活将影响相应功 能。
4. 铁运输缺陷：Friedreich共济失调是由三核 苷酸重复序列的拷贝数增多导致铁运输缺陷 所引起的致死性疾病，呈常染色体隐性遗传， 基因产物定位于线粒体内膜和基质。
5. 电子传递链缺陷
线粒体遗传病的传递和发病规律
ACTCCTGAGGAG
1350 1150
200
分析mtDNA
取自5个地理区域（Africa、Asia、Australia、 New Guinea、Europe）的147人； 使用12种不同的限制性内切酶消化； 通过RFLP分析mtDNA的限制性酶谱； 共获得133种限制性酶谱型； 通过mtDNA的演化，分析人类的起源。
Leber遗传性视神经病（LHON）的遗传异质性
在编码线粒体呼吸链蛋白（多肽）的线粒体基因中，至少有 18种错义突变直接和间接地导致LHON表型出现。 LHON分为两种类型： （1）单一突变导致LHON表型 （2）需要2次突变或其它变异才能产生临床表型 第一种类型中，90％以上病例存在有下列突变之一： MTND1*LHON3460A、MTND4*LHON11778A、MTND6*LHON14484C， LHON家族中存在同质性和异质性，而异质性LHON中突变线粒 体DNA的阈值水平 70%。
核外遗传的共同特点： （1）无有丝分裂和减数分裂的周期变化，遗传上不符合孟 德尔定律； （2）杂交或正反交后，子代仅表现母方特性细胞质遗传 （3）遗传物质是DNA
线粒体（mitochondria）
1894年发现线粒体。 细胞呼吸中氧化还原反应在线粒体中进行，并在此过程 中产生大量的能量供生命活动细胞能量代谢中心。 1963年Nass首次在鸡卵细胞发现线粒体中存在DNA， Schatz于同年分离到完整的线粒体DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）。 1988年Wallace等通过对线粒体DNA突变和Leber病（遗传 性视神经病之间关系的研究后，明确提出线粒体DNA突变 可引起人类疾病。
MELAS 3243G
mtDNA突变与非综合征型耳聋
Gene
12S rRNA 12S rRNA 12S rRNA tRNASer tRNASer
Mutation
Reference
1555A>G
Jaber et al, 1993
1494C>T
Zhao et al, 2004
961(different M) Bacino et al, 1995
人类mtDNA—一种 较小闭环双链DNA, 含16,569个核苷 酸，编码37个基 因,包括不同氧化 磷酸化复合物的 蛋白亚基（13 个），rRNA(2 个）、tRNA（22 个）基因等。 mtDNA的突变可见 于各种编码基因。
mtDNA的几个特点有助于解释其致病机理：
1. mtDNA半自主复制，没有内含子； 2. mtDNA所用的遗传密码与核基因通用密码存在差异。 3. mtDNA为母系遗传； 4. mtDNA在有丝分裂和减数分裂期间都要经过复制分离； 5. mtDNA具有阈值效应； 6. 暴露于氧化磷酸化所产生的氧自由基中,突变发生风险