医学分子遗传学第6章 线粒体基因病.ppt
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1、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
2、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
3、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mt
4、DNA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
5、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
6、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。,
7、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
8、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 mu
9、tation 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
10、,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
11、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
12、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。,MERR
13、F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
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