医学分子遗传学第6章 线粒体基因病.ppt

第六章 线粒体基因病（Mitochondrial Gene Diseases),线粒体内的线粒体DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)组成线粒体基因组。mtDNA基因突变引起的人类疾病称为线粒体遗传病或线粒体基因病。 线粒体基因病呈母系遗传，它危及各个年龄层次，其临床表现往往呈进行性加重，最终使患者严重致残或致死。 短短的十几年中，这一领域的研究迅猛发展，已发现线粒体突变基因所致的功能缺陷与100多种疾病有关。,研究简史,1894年于动物细胞质内发现线粒体。 1963年Nass首次在鸡卵母细胞中发现线粒 体中存在有DNA。 1981年报道了人mtDNA的完整序列。 1988年Wallace等在线粒体脑肌病等患者 的mtDNA中发现了mtDNA缺失和点突变。,一、线粒体基因,线粒体是细胞内半自主细胞器, 具有自己的一套基因表达系统和表达体系, 被称之为“人类第25号染色体”、“线粒体基因组”。,Structure of mtDNA,mtDNA构成线粒体基因组。人的mtDNA是由两条链组成的一条环状的DNA分子, 两条链因含碱基成份不同, 一条链叫L链, 另一条为H链,整条mtDNA是由16 569bp组成。,Anderson 。 mtDNA编码线粒体内的13种多肽，参与氧化磷酸化（OXPHOS）。OXPHOS由5个酶复合体（）组成。,复合体由30多个多肽组成，其中7个由mtDNA编码。 复合体由4个nDNA编码的多肽构成。 复合体由10个多肽构成；1个由mtDNA编码。 复合体由13个多肽构成，3个由mtDNA编码。 复合体由12个多肽组成，2个由mtDNA编码。,线粒体基因特点,1.半自主性 mtDNA能够独立地复制与表达，因nDNA 编码大量的维持线粒体结构和功能的大分子复合物及多数OXPHOS酶的蛋白质亚单位，其功能又受nDNA的影响。,2.线粒体基因组中各基因排列紧密 几乎每个核苷酸都是编码顺序的一部分,不是编码蛋白质就是编码一种rRNA或者tRNA, 仅有很小的一段作为调控DNA顺序。,3.遗传密码和通用密码不同,4.母系遗传,母亲将她的mtDNA传递给她的所有子女，她的女儿们又将其mtDNA传给下一代。序列分析子代mtDNA, 发现1/10 000的 mtDNA来自父亲, 余之来自母亲。因此, 99.99%的mtDNA属母系传递。,5.同质性与异质性,由于细胞内线粒体有成百上千个mtDNA拷贝，在细胞分裂时它们又被随机分配到子细胞中，这样线粒体遗传就不同于核基因的孟德尔遗传。在正常组织中，所有的mtDNA分子都是一致的，称为同质性。 如果mtDNA发生突变，造成在同一细胞或同一组织中两种或两种以上mtDNA共存，一种为野生型，另一种为突变型，即为异质性。,异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，卵母细胞成熟时，绝大多数线粒体会丧失，数目可能会少于10个，最多不会超出100个。 线粒体数目从105个锐减到少于100个的过程称为遗传瓶颈。mtDNA基因型分别向纯合突变型和纯合野生型漂变，经过无数次分裂后，细胞可达到同质性。,如果通过遗传瓶颈存活下来的一个线粒体碰巧携带一种突变基因，那么这个基因组就能够确保该线粒体类型在发育完成之后的个体中的数量。,6.阈值效应,由mtDNA突变所致的表型表达与核基因的显性或隐性表达不同，主要是由某种组织中野生型与突变型mtDNA的相对比例以及该种组织对线粒体的ATP产生的依赖程度所决定的。 突变mtDNA的数目需达到某种程度才足以引起某种组织或器官功能的异常，这称为阈值效应。,7.突变率高,mtDNA中各基因排列紧凑，另外mtDNA既无组蛋白保护，又缺乏有效的DNA损伤修复系统，且直接暴露于OXPHOS过程中产生的高反应氧中，因此突变率大约是核DNA的1020倍。,8.mtDNA整合到核基因组,mtDNA可以稳定地整合到核基因组中。在人的胎盘组织、白细胞等核基因组中均发现整合的mtDNA。,二、mtDNA突变,mtDNA突变的类型： 碱基突变 1.错义突变：又称氨基酸替换突变，主要与神经系统疾病有关，如LHON等。 2.蛋白质生物合成基因突变：为tRNA基因突变，与线粒体肌病相关，典型疾病包括有癫痫伴碎红纤维病等。,缺失、插入突变,经常是以缺失为多见，缺失突变主要引起绝大多数眼肌病。常发生于神经性疾病及一些退化性疾病中，如KSS综合征。,mtDNA拷贝数目突变,拷贝数目突变为mtDNA拷贝数低于正常，这种突变较少，仅见于一些致死性婴儿呼吸障碍等病例。 此外，mtDNA病变具有相应的组织特异性。 有些线粒体遗传病是nDNA与mtDNA共同作用的结果。,三、常见的线粒体基因病,线粒体基因病也称为线粒体肌病，这类疾病常伴有明显的肌肉异常、共济失调、心肌病、视网膜病等。,mtDNA点突变与疾病,Leber遗传性视神经病(LHON) LHON是人类母系遗传病的典型病例。,Leber遗传性视神经病(LHON); 线粒体肌病脑肌病伴乳酸中毒及中风样发作综合征（MELAS); 肌阵挛性癫痫伴碎红纤维病; 神经性肌软弱、共济失调、色素性视网膜炎（ NARP）; mtDNA突变与耳聋; 母系遗传性肌病和心肌病（MMC）; Leigh病.,主要症状：双侧视神经萎缩，一般发病为1830岁，男女发病比例为4:1。其它相关症状包括反射亢进，小脑共济失调，外周视神经炎及心脏节律失调等。,mtDNA上许多位点的突变都伴有LHON。 1988年Wallace最先发现mtDNA第11778位点的GA，使NADH脱氢酶亚单位4(ND4)蛋白质中第340个氨基酸由精氨酸组氨酸。50%的LHON病是由该位点引起。,Wallace mutation 11778GA,ND4: Arg 340 His,LHON,表2 与LHON病相关的mtDNA突变,现在还发现10多种点突变与该病的发生相关；有些突变单独可引起LHON，有些则必须与其它突变配合作用才发生LHON (表2),LHON的研究也提出了线粒体病中的一个概念，即多种突变的相互作用，其中也包括核基因的作用，最终导致疾病的发生。最近已发现X染色体上一基因位点与LHON视萎缩有关，这大概可以解释为什么LHON男性患者较多的原因。,我国LHON家系的研究也获得了类似结果。在LHON家系中，11 778位点大多是同质性的，异质性个体则随细胞分裂发生复制分离，产生多种多样的异质基因型，而且在不同组织中突变DNA比例不同，它们都向同质性方向漂变。 异质性个体经过一代减数分裂就可能达到同质性，而有丝分裂达到同质性则需无数次。,利用Wallace突变可以对约50LHON家系进行基因诊断,其原理是因11 778位点GA, 丧失SfaN 酶切位点同时又获得Mae酶切位点，可以在11 778位点两侧设计一对引物，通过PCR扩增，其产物用SfaN 酶切,正常个体可切成条带而患者和携带者只有一条带。 如果用Mae 酶切，则相反，正常个体1条带,突变个体可为2条带，如杂合可出现条带这样可以做到准确的诊断。,PCR-SSCP分析，结合序列分析进行确诊,线粒体肌病脑肌病伴乳酸中毒及中风样发作综合征（MELAS),MELAS的症状为：突发呕吐，乳酸中毒，肌肉组织病变，有碎红纤维。有时伴痴呆，耳聋，身材矮小等症状。中风具可逆性，使大脑皮层和脊髓白质损伤，可用CT或MRI检出。 一般很少见MELAS的家系中患者有上述全部症状，而其母系亲属常仅表现神经异常。,80%的MELAS患者mtDNA编码的tRNA基因3 243位点有AG的突变，另四种少见的突变均在该基因的3 291、3 271、3 256和3 252位点。 MELAS 突变可能降低转录活性并改变线粒体rRNA和mRNA转录的比例。具有mtDNA突变的个体也常随年龄的增加而加重病情。,肌阵挛性癫痫伴碎红纤维病,肌阵挛性癫痫伴碎红纤维病(MERRF)是一种线粒体肌病(MM)，它除了具有MM的特征(即破碎的肌红纤维和形态异常的线粒体)之外，还伴有失控的阵挛性癫痫。 具有明显的母系遗传性，患者的母系亲属常表现一些症状如脑电图异常，感觉神经听力丧失，痴呆，呼吸异常，扩张性心肌病和肾功能障碍等症状。,MERRF家系与多向性氧化磷酸化受损有关，主要是呼吸链酶复合物和受到损伤。氧化磷酸化酶缺陷程度与临床症状严重程度成正比。,8090%患者mtDNA的tRNA基因的第8344位AG突变，小部分在同一基因的8 356位TC突变。 主要影响线粒体呼吸链的酶复合物和。该突变使tRNALys的TC Loop区发生改变，蛋白质合成受阻。,MERRF家族成员mtDNA通常为异质性，氧化磷酸化酶水平会随着年龄的增大而迅速降低，而与mtDNA突变仅部分相关。,随着年龄的增大，氧化磷酸化能力进一步降低，直至低于阈值，出现临床症状。可解释为什么许多有mtDNA突变的个体在早期是正常的，到一定年龄发病，尔后病情加剧。,神经性肌软弱、共济失调、色素性视网膜炎（ NARP）,NARP患者表现为色素性视网膜炎、共济失调、癫痫、痴呆、近端神经肌肉衰弱、感觉神经元痛以及发育迟缓。,NARP与mtDNA上ATPase 基因上第8 993位的点突变有关。当突变mtDNA超过90%时，患者就表现出Leigh综合征，通常在幼年期发病，一般会致命。,mtDNA突变与耳聋,1)氨基糖甙类抗生素致聋 链霉素、庆大霉素素等氨基糖甙类抗生素能致聋早已是常识了， 但分子机制不清。,资料表明mtDNA编码的12S rRNA基因第1 555位点AG的突变造成了机体对氨基糖甙类抗生素耳聋效应的高度易感性，极少剂量的氨基糖甙类抗生素就会致聋。,导致听力丧失的还有同质性突变是mtDNA7 445位点TC的突变。 7 445位点TC的突变是一个重链上的细胞色素氧化酶I基因的最后一个核苷酸和轻链上紧靠3末端tRNAser(ucn)基因的核苷酸的变化。,2)mtDNA4977缺失致聋,研究表明,mtDNA4977缺失的发生与老化有关；内耳和蜗核组织中mtDNA4977缺失与老年聋的发生有关。,母系遗传性肌病和心肌病（MMC）,MMC患者表现线粒体肌病、肥大性心肌病。 MMC主要是mtDNA的tRNA基因3260位AG突变。它与导致MELAS的基因属于异等位基因，因此MMC和MELAS可能是一种遗传病的两个等位表现。,Leigh病,又称亚急性坏死性脑脊髓肌病 症状：呼吸异常，声音微弱，视力听力受损，运动失调，衰弱，高血压等。 与mtDNA 8 993位点TG的颠换有关,这一碱基变化使ATP酶 6 基因第156位 Leu (Arg)，即ATP酶合成缺陷，氧化磷酸化作用受阻从而使供能不足。,mtDNA缺失、重复与疾病,mtDNA缺失与重复存在于许多神经肌肉性疾病及一些退化性疾病、肾病和肝病中，甚至衰老也与之有关。,1.Kearns-Sayre综合征(眼肌病); 2.Pearson骨髓/胰腺综合征; 3.线粒体心肌病; 4.帕金森病; 5.Alzheimer病（AD）; 6.非胰岛素依赖型糖尿病;,1.Kearns-Sayre综合征(眼肌病),又称为慢性进行性眼外肌麻痹(CPEO)，也称为Kearns-Sayre综合征(KSS)。 临床表现：从仅有眼肌麻痹，眼睑下垂及四肢肌病到视网膜色素变性，乳酸中毒，感觉神经性听力丧失，运动失调，心脏传导功能障碍，甚至痴呆。具前一症状时，称为CPEO，发展成为后一症状时,即称为KSS。KSS也是CPEO。,KSS 有以下三个共同特征：,20岁以前发病; 进行性的眼外肌麻痹（PEO）; 色素视网膜炎； 还有一些其他如心脏，小脑症状等。 病程发展较快，往往在三四十岁就死亡。,研究KSS发现，几乎所有患者均有mtDNA缺失。缺失片段范围在2.0 kb7.0kb之间，缺失多发生在重链与轻链的两个复制起始点之间。因缺失丢掉许多基因，尤其tRNA基因，故受这些缺失突变影响的个体都呈现出不同程度的mtDNA 蛋白质合成缺陷，影响所有4种呼吸链复合物。,约1/3的 KSS患者的缺失发生在4 977 bp区域， 断裂点分别位于ATP酶亚单位8基因中的第8468位和ND5基因中的第13 446位。,序列分析可知，缺失两侧有一个13 bp(5-ACCTCCCTCACCA)的同向重复序列，缺失后的融合基因编码出异常的蛋白质产物。这种两侧重复序列可能因同源重组而产生了缺失。 最大片段的缺失则为15 945位点到5 786位点之间10kb的缺失及5 448到470 位点间的缺失。,2.Pearson骨髓/胰腺综合征,又称胰腺综合征，是一种致死性的儿童疾病。 临床特征：铁幼粒红细胞贫血，骨髓前体的空泡形成，伴发各类血细胞减少。胰腺纤维变性、分泌障碍及脾萎缩等。偶尔能存活的个体到青年期常发展成为KSS的表型特征。,Pearson综合征主要与mtDNA缺失有关，偶尔也有mtDNA 点突变导致的眼肌病的病例,为8 334位tRNALys和3 242位tRNALeu的突变。mtDNA的缺失一般只有一处，但其大小和位置在个体间差异极大。 现已发现有100多种缺失。,3.线粒体心肌病,线粒体心肌病累及心脏和骨骼肌。 临床表现：病人常有严重的心力衰竭，劳力性呼吸困难，心动过速，全身肌无力，全身严重水肿，心脏和肝脏增大等症状。,原发型心肌病可由线粒体基因组缺失而致。研究发现原发型、 肥厚型和扩张型心肌病病人心肌mtDNA中存在有7.5kb的缺失，缺失部位两侧为同向重复序列CATCAACAACCG，缺失位于ATP合成酶6基因和D环区之间。,心肌内mtDNA 突变发生率将随年龄增大而升高，这种趋势在35岁后更明显，70岁以上的老年人均有部分心肌mtDNA缺失。也是由于老年人冠状动脉硬化，使心肌缺血缺氧,mtDNA易发生突变，突变后线粒体功能受到影响,从而又反过来加重心肌缺氧，呈恶性循环趋势 。,mtDNA缺失与缺血性心脏病,线粒体的OXPHOS过程产生体内大部分的氧自由基，在细胞缺氧或灌注异常条件下，OXPHOS过程受抑制，此时氧自由基的产生增加，可以导致mtDNA损伤而发生突变，mtDNA突变的后果又使OXPHOS障碍加重，形成一个恶性循环。,4.帕金森病,临床表现：本病是一种晚年发病的运动失调症，有震颤，动作迟缓且常常错误等症状，又称震颤性麻痹。少数病人有痴呆症状。,帕金森病患者脑组织特别是黑质中存在mtDNA中缺乏复合物、或。 从患者脑组织的线粒体中可检测到4977bp的缺失，主要累及ND3、ND4L、ND4及ND5基因。 该病遗传学是复杂的，大多数病例是自发的和集中在家庭中。,5.Alzheimer病（AD）,AD是一种晚年发生的渐进性痴呆。 临床表现为记忆力丧失，认知功能异常和全面智能减退;10%的患者伴有肌阵挛，30%40%患者具有帕金森病的特征。,研究发现mtDNA 突变也是AD的病因之一。 表明nt.5460位点GA点突变和本病密切有关。,患者大脑皮质匀浆显示氧化磷酸化解偶联，血小板中复合物活力降低，皮肤成纤维细胞线粒体氧化底物能力降低。因此该病与线粒体能量供应不足导致突触小体退化以及有毒的细胞蛋白沉淀和诱导有关。,从图片中可见Alzheimer病脑特征性的变化： 胶质样淀粉状物质的沉着; 脑沟回变窄变浅。,6.非胰岛素依赖型糖尿病,糖尿病一般分为两类，一类为非胰岛素依赖型糖尿病(NIDDM)，一类为IDDM(胰岛素依赖型糖尿病)。 NIDDM 通常晚年发病，胰岛素水平正常或偏低，通常较肥胖。 流行病学研究表明，先证者年龄越大，则母系遗传因素作用也增加。mtDNA突变与NIDDM的病因存在一定的相关性。,现已在一个大的母系遗传成人发病并伴有耳聋的家系中发现患者肌肉和血细胞的mtDNA中存在10.4kb的缺失和mtDNA tRNA基因3 243位AG突变。 分子生物技术检测发现，当线粒体核苷酸3243位由A突变为G，就会引发“线粒体基因突变糖尿病”。,当这一疾病1992年在国际上首次报道后，我国项坤三教授等在8年的时间里，共筛查4297例糖尿病患者，得出线粒体基因突变占糖尿病的1.2，而且还发现这一疾病具有特殊传递方式，即家族内女性患者的子女均可能传得突变基因而患病，但是男性患者的子女均不得病。,我国学者报道了3 316位点的突变。,mtDNA-核DNA突变与疾病,线粒体虽然有自己的遗传系统，但线粒体中大多数酶或蛋白质是由核DNA编码的，它们在细胞质中合成并经特定的方式转送到线粒体中。 线粒体的复制、转录、翻译等都受核DNA的控制，有些核DNA的突变也会表现线粒体功能的障碍，故这类疾病都归入线粒体疾病中。,1.核DNA改变引起的线粒体疾病,这类疾病主要表现线粒体功能障碍，但呈孟德尔遗传。如编码线粒体蛋白的基因缺陷或与线粒体蛋白质转运有关的核基因突变都会引起人类的线粒体疾病。,2.mtDNA和nDNA的相互作用,在研究mtDNA突变引起人类疾病中有一些难以完全用母系遗传来解释的问题。例如LHON中患者性别比例有较大的差异等。 有人曾用X染色体上的基因探针对Leber病的多个家系进行连锁关系的研究，表明该病的发生与X染色体上的某个基因有关，提示LHON的发生是mtDNA与nDNA相互作用的结果。,由于mtDNA与核DNA共同编码了氧化磷酸化系统的5个酶复合物，而mtDNA的复制、表达过程中所需的几十种酶均由nDNA编码，所以线粒体在遗传上的自主性也受到核基因一定的制约，编码这些酶的核DNA突变也可产生类似于线粒体病的症状。,除了对mtDNA的基因结构进行分析外，还应对线粒体内各酶的组成成分进行详细的生化分析，来确定何种成分有缺陷，这不仅有助于阐明线粒体病的发病机理，还能排除核遗传病的干扰，也有利于研究mtDNA与核DNA的相互关系。,mtDNA与癌发生,mtDNA在物理、化学及某些生物学因素作用下可游离出线粒体膜的包围，从而有可能穿过核孔，随机整合到核基因组中。 获得性整合可能与肿瘤及衰老有关而种系性的核内整合则是生物进化的结果。,资料表明，mtDNA可以稳定地整合到核基因组中。Kamimura已在人的胎盘组织、白细胞中发现mtDNA对核基因组的整合。 在特定条件下nDNA片段及 mtDNA片段可以在细胞内游走，造成两者遗传物质的相互交换和插入。这种插入主要表现为 mtDNA对核基因组的插入。,对核基因组的插入可能激活原癌基因或抑制抑癌基因的活性，导致细胞的分化增殖失控，最终形成肿瘤。 若插入激活的是与衰老有关的基因，则其积累会导致细胞、组织和器官甚至机体的衰老。,mtDNA比nDNA具有更高的拷贝数，所以其突变较容易探查。M S FLiss及其同事进行的一项研究表明mtDNA基因突变的确认可以提高癌症诊断的敏感性。,其它,还有一些病症也是由于氧化磷酸化受损，如Hungtinton舞蹈病，尽管属于AD病，但也与mtDNA调节有关。 这些疾病都是由于氧化磷酸化能力下降，造成供能不足，或者氧化-抗氧化平衡被破坏，氧自由基增多。 氧自由基主与脂类，蛋白质及核酸作用，产生阻碍DNA 复制及转录的物质。,小 结,一、线粒体基因 二、mtDNA突变 三、常见的线粒体基因病,