第六章医学遗传学线粒体遗传病

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 。
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。
Leber遗传性视神经病(LHON)
11778 G→A
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 经细胞退行性变、死亡。
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 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。
ATP产生不足
细胞功能减退甚至坏死
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）
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。
25号染色体
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。
以发育迟缓，近端肢体肌无力，痴呆，抽搐，视网 膜色素变性和感觉功能减退为特点。
在线粒体ATPase6基因的第 8993位点发生T至G的颠换， 使ATPase第6亚单位的第 156位上亮氨酸→精氨酸， 从而影响ATP合酶的质子通 道。
mtDNA结构 16569 bp
NARP8993T→G
☞如果8993位置突变的异质 性超过90%时，通常会发生 一种致命的、发生在婴儿期 的疾病，称Leigh综合征 （Leigh syndrome，LS， OMIM # 256000）。主要病 理学特征是基底神经节和脑 干部位神经元细胞的退化 。
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。
☞超过80%的突变率发生在tRNA leu(UUR)基因上的A3243G突变
MTTL1*MELAS3243G
D 环 区 包 括 mtDNA 重链复制起始点，重轻链 转录的启动子。
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。
第六章 线粒体遗传病 （disease of mitochondrial inheritance)
南方医科大学医学遗传学教研室
熊 符 副教授.phD
xiongfu@fimmu.com
本章重点
1．掌握线粒体疾病、异质性、阈值效应、母系遗传、遗传 瓶颈等概念。
2．掌握线粒体DNA的结构与遗传特点。 3．熟悉线粒体基因组与核基因组的关系。 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。
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
Complex Subunits Nuclear
Ⅰ
41
34
Ⅱ
4
4
Ⅲ
11
10
Ⅳ
13
10
Ⅴ
14
12
83
70
mtDNA
7 0 1 3 2 13
（二）线粒体基因组所用的遗传密码和通用密码不完全等同
UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码 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 AGA，AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，线粒体密码系
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。
公认的致病性最强的三种原发性突变 11778G→A 90. 9% 3460G→A 1. 8% 14484T→C 7. 3%
其 它 致 病 基 因 位 点 突 变
Leber遗传性视神经病家系
山东的赵氏家系
26位母系亲属中有21人因LHON失明,其中3人自杀
42
（二）神经病伴运动性共济失调和视网膜色素变性 （ NARP ）
1981 年 ， 剑 桥 大 学 Anderson 小 组 测 定 人
mtDNA 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。
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
2.缺失、插入突变 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 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。 细胞病变或损伤最敏感的指标之一，是分子细胞病
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位于线粒体内膜附近，直接暴露于呼吸链代谢产生
mtDNA结构 16569 bp
MELAS患者脑Biblioteka Baidu病 变
（五）链霉素耳毒性耳聋（OMIM # 580000） 链霉素、庆大霉素、妥布霉素、新霉素、巴龙霉素 等氨基糖甙类药物进入耳蜗和前庭毛细胞的线粒体 并蓄积，抑制线粒体蛋白质的合成并抑制耳蜗和前 庭细胞氧化磷酸化，造成线粒体和细胞受损，启动 细胞调亡，最终造成患者听力下降。
A1555G突变 线粒体 12S rRNA
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
Leber遗传性视神经病是以 德国眼科医生Theodor Leber的 名 字 命 名 的 ， 又 称 Leber 视 神 经萎缩，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，至今尚未发现一个男 性患者将此病传给后代。
Leber T 医生
患者
正常者
视神经与视网膜神经元退化，发病较早，表现急 性亚急性视力减退，中心视野丧失明显，导致失明。
统中有4个终止密码子（UAA，UAG，AGA，AGG）
（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。
mtDNA的母系遗传
（四）mtDNA在有丝分裂和减数分裂期间都要经过复制分离 ☞人的细胞里通常有上千个mtDNA拷贝，在突变体和正常 mtDNA共存的细胞中，mtDNA在细胞的复制和分离过程中 发生遗传漂变，可导致子细胞出现三种基因型：纯合的突变 体mtDNA、纯合的正常mtDNA、突变体和正常的mtDNA 的杂合体。
power plant
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
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。
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。
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。
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
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。