课件：线-粒-体-遗-传-病.ppt

线 粒 体 遗 传 病,华西基础医学与法医学院 法医物证教研室 颜 静,重要事件,1894年，Altmann在动物细胞中发现了线粒体，称为生物芽体（bioblast） 1897年,Benda将其命名为线粒体（mitochondria） 1963年，Nass在鸡胚中发现线粒体DNA 1981年，Anderson等公布了完整的人线粒体DNA的序列 1987年，Wallace等人证实了线粒体DNA突变和Leber病之间的关系 1990, 线粒体基因组时代,线粒体,线粒体DNA,线粒体遗传病,线 粒 体,外膜：缺乏传送系统，但却有 较大的通道，便于小分 子物质进入外膜。 内膜：各种不同的运输蛋白质 可选择性地进行膜内外 小分子物质的转移 ； 电子传递链 膜间腔：内外膜之间的空隙 线粒体嵴：内膜向内凹陷形成 嵴间腔：嵴间的空隙 基质：含有脂质、蛋白质、 DNA分子和核糖体,一、线粒体的结构,线 粒 体,电子传递链：由一系列能传递氢或电子的酶或辅酶组成，它们按一定顺序排列在线粒体内膜上，组成传递氢或传递电子的体系。这个体系进行的一系列连锁反应与细胞摄取氧的呼吸过程有关，故又称为呼吸链。,线 粒 体,人线粒体呼吸链复合体,线 粒 体,二、线粒体的功能,线粒体是三大能源物质糖、脂肪和蛋白质的分解代谢中心。这些能源物质在线粒体内进行分解代谢，最后通过氧化磷酸化过程转化成生物体可利用的高能化合物ATP。,能量转换,线 粒 体 DNA,一、线粒体DNA的结构特征,位于线粒体的基质内 每个线粒体通常含有210个拷贝的mtDNA mtDNA为环状,线 粒 体 DNA,线粒体DNA是一个双链闭合环状分子，外环为重链（H链），内环为轻链（L链）。 线粒体DNA长度约16，569bp。 具有37个基因，分别编码13种蛋白质，22种tRNA和2种rRNA。这13种蛋白质都是呼吸链复合体的亚单位。,线粒体DNA结构紧凑，没有内含子，唯一的非编码区是约1000bp的D-环区。 D-环区有mtDNA重链复制的起始点和轻重链转录的启动子。,线 粒 体 DNA,二、线粒体DNA的遗传学特征,1、线粒体DNA具有半自主性,线粒体DNA能独立地复制、转录和翻译。 核DNA编码了大量维持线粒体结构和功能的 大分子复合物以及大多数氧化磷酸化酶的蛋 白质亚单位，所以线粒体DNA的功能又受核 DNA的影响。,线 粒 体 DNA,2、线粒体基因组所用的遗传密码和通用密码不同,通用遗传密码和线粒体遗传密码的差异,线粒体DNA编码的tRNA兼用性较强，仅用22个tRNA来识别多达48个密码子。,线 粒 体 DNA,3、线粒体DNA为母系遗传,人类受精卵中的线粒体绝大部分来自卵母细胞。,卵子所含有的线粒体比精子多得多。 精卵结合时精子提供的只是核DNA，受精卵中的细胞质全部来自卵子。,在线粒体遗传病中，致病性的线粒体DNA突变也是由母亲遗传给后代的。,线 粒 体 DNA,4、线粒体DNA的突变率极高,线粒体DNA的突变率极高，约比核DNA高1020倍。,线粒体DNA缺少组蛋白的保护； 线粒体中没有DNA损伤的修复系统； 细胞中的线粒体DNA拷贝数多，且每个线粒体基因组中的任何碱基都可能发生突变。,线 粒 体 DNA,5、线粒体DNA具有阈值效应的特性,纯质（homoplasmy） ：在一个细胞或组织中，所有的线粒体都具有相同的基因组，或者全都是野生型序列，或者都是携带有同样一个基因突变的序列。 杂质（heteroplasmy）：一个细胞或组织中同时具有突变型和野生型线粒体DNA，也称为异质。,当突变型线粒体DNA达到一定的比例时，才会导致异常性状的出现。也就是说，线粒体病存在着表型表达的阈值。,阈值依赖于不同细胞或组织对能量的依赖性。 相应组织中突变型线粒体DNA的比例越高，临 床症状就越严重。,线 粒 体 DNA,6、线粒体DNA在有丝分裂和减数分裂期间都要经过复制分离,在卵母细胞经过减数分裂而逐渐成熟时，绝大部分的线粒体会随机丧失，线粒体数目急剧减少，只有有限的线粒体会保留下来。 遗传瓶颈（genetic bottleneck ）：线粒体在卵母细胞成熟时数目锐减的现象。 在胚胎发生和组织形成的有丝分裂过程中，线粒体在复制后随细胞分裂随机地分离，进入子细胞。,线 粒 体 遗 传 病,线粒体DNA突变导致的线粒体遗传病,线 粒 体 遗 传 病,发生在蛋白质编码基因的突变影响特定的呼吸链蛋白质。 发生在tRNA和rRNA编码基因的突变，影响整个线粒体蛋白质的合成。,线 粒 体 遗 传 病,线粒体疾病通常是多系统疾病。 某些线粒体疾病也表现组织器官的特异性,Leber遗传性视神经病 （leber hereditary optic neuropathy，LHON）,（一）、临床症状,视物模糊 无痛性的失明：双眼同时或先后受累 心脏的传导阻滞 肌张力的降低 周围神经的退化 一般成年期发病，平均发病年龄27岁，但最 早可在6岁，最晚可在70多岁发病。 存在性别差异，一般男性患者是女性患者的 45倍。,视网膜神经元和视神经的退化是它的主要病理特征。,（二）、病理特征,Leber遗传性视神经病,目前已经发现了至少有18种错义突变可直接或间接地导致这种疾病的出现。这些突变分别位于线粒体基因组编码9种呼吸链蛋白质的基因中,涉及呼吸链复合体、和。,（三）、遗传学特征,Leber遗传性视神经病,Leber遗传性视神经病可分为两种类型： 第一种类型：单个线粒体突变就足以导致出现临床症状。在第一种类型的病例中，90的患者存在有三种突变 MTND1*LHON3460A MTND4*LHON11778A MTND6*LHON14484C 第二种类型：需要二次突变或其他变异才能出现临床症状。,Leber遗传性视神经病,MTND4*LHON11778A： Wallance突变 在具有上述三种突变的第一种类型的病例中， Wallance突变占了5070。 该碱基替换使酶复合体ND4亚单位中的第340位高度保守的精氨酸变成了组氨酸，从而影响了线粒体能量的产生。 利用Wallance突变可以对大约50的LHON家系用限制性酶切片段分析技术进行基因诊断。,Leber遗传性视神经病,Leber遗传性视神经病,原理：由于11778碱基位置的突变，序列丧失了一个酶切位点SfaN,但同时获得了一个新的酶切位点Mae。在11778位置的两侧设计一对引物，对线粒体DNA进行PCR扩增，其扩增产物若用SfaN酶切，正常个体可被切成2条，而患者和携带者则只有一条带。如果用Mae酶切，则正好相反，正常个体为一条带，突变个体的扩增产物可被酶解为两条带，若个体为杂合子则出现三条带。,肌阵挛性癫痫和破碎红纤维病 （myoclonnus epilepsy and ragged-red fibers , MERRF）,（一）、临床症状,通常在儿童期发病，病程可持续很多年。 脑和肌肉组织受累，常常出现多系统紊乱症状 ： 肌阵挛性癫痫的短暂发作 共济失调 痴呆 感觉神经性听力丧失 呼吸异常 心肌病 肌肉组织的组化检查可观察到特征性的破碎红纤维。,肌阵挛性癫痫和破碎红纤维病,破碎红纤维（rag-red fiber） 大量的团块状异常线粒体聚集在肌细胞中，运用酶复合体的特异性染料能将其染成红色。这是由于受累肌细胞中的代谢压力增大引起的线粒体反应。,A:对琥珀酸盐脱氢酶染色,B:对细胞色素C氧化酶染色,肌阵挛性癫痫和破碎红纤维病,（二）、遗传学基础,绝大部分病例是一种tRNA基因发生点突变的结果： MTTK*MERRF8344G MT表示线粒体基因突变， T代表转运RNA， K表示赖氨酸， 8344G表示该基因8344碱基位置的鸟嘌呤变异,肌阵挛性癫痫和破碎红纤维病,发生在转运RNA基因的这种突变影响了整个线粒体蛋白的合成，除了复合体，所有氧化磷酸化成分的含量降低。 MERRF综合征家系中的线粒体DNA通常为异质性，当突变的线粒体达到或超过90时，个体将会出现典型的临床症状,慢性进行性外眼肌麻痹 （Kearns-Sayre syndrome）,（一）、临床症状,患者可表现一系列的症状： 眼肌麻痹，上睑下垂，四肢肌病，视网膜色素变性，酸中毒，感觉神经性听力丧失，运动失调，心脏传导功能障碍，痴呆。 常在20岁以前发病，大多数病人常在确诊后几年内死亡。,慢性进行性外眼肌麻痹,大片段的线粒体DNA缺失：常见 DNA的复制：常见 点突变：偶尔,（二）、遗传学基础,1、线粒体DNA的结构改变,慢性进行性外眼肌麻痹,大片段的线粒体DNA缺失,一般只有一处，但其大小和位置在个体间差异 很大，现已发现有一百多种缺失。 这些缺失都在重链和轻链的复制起始区之间， 且缺失区的侧翼有重复序列。 大约1/3的病人可见8468碱基位置与13446碱基 位置之间有大约4979bp的缺失，其断裂点在 ATP8和ND5基因内，缺失区两端有13个碱基 的重复序列（5ACCTCCCTCACCA）， 常伴有转运RNA基因的缺失。,慢性进行性外眼肌麻痹,DNA的复制：当含有复制的线粒体基因组增加时，某些基因的过度表达将会导致氧化磷酸化亚基的失衡，从而影响呼吸链中蛋白复合物的组装。 点突变：偶尔也有点突变导致的眼肌病的病例，为8334碱基位置赖氨酸转运RNA基因和3242碱基位置亮氨酸转运RNA基因的突变。,慢性进行性外眼肌麻痹,2、多数KSS病例是散发的，不表现特定的母系或某种核基因遗传方式， 3、KSS综合征的临床症状与异质性的程度和有缺失的线粒体基因组的组织分布有关。,肌细胞：KSS 造血干细胞：Pearson综合征，这是一种早发且致命的疾病，主要特点是血细胞不能利用铁来进行血红蛋白的合成，从而造成患者出现缺铁性贫血。,线 粒 体 遗 传 病,核基因DNA突变导致的线粒体遗传病,由核基因组编码的大量蛋白质参与了构建与维持线粒体正常的结构和功能。这些由核基因组编码的蛋白质大约有850种，行使众多的功能，包括在膜间隙和基质间转运分子、代谢底物、调节线粒体对铁的摄入、维持线粒体DNA结构的完整性、控制线粒体DNA的复制等等。由于核基因组编码的蛋白质对维持线粒体的正常结构和功能有非常重要的意义，因此核基因的突变也会引起线粒体疾病。,核基因突变引起电子传递链缺陷,引起电子传递链缺陷的核基因突变主要发生在复合体和复合体，通常引起儿童期严重的神经系统疾病。 如： NDUFS4基因突变,线粒体蛋白输入缺陷,丙酮酸脱羧酶：参与构成丙酮酸脱氢酶复合体，是由两个亚单位和两个亚单位组成的四聚体。 丙酮酸脱羧酶前体 成熟形式的蛋白质 靶序列,通过线粒体膜进入线粒体的蛋白质在运送之前大多数以前体形式存在，即由成熟形式的蛋白质以及N末端引伸出的一段长约1530个氨基酸的序列共同组成。这段序列被称为靶序列，也称为导肽。 靶序列结合在线粒体外膜的受体上，这些受体可以促使蛋白质从外膜进入膜间隙或通过接触位进入基质。进入基质后，靶序列被水解酶水解，蛋白质转变成成熟形式的蛋白质，这样，这些蛋白质就不能再通过膜，而在线粒体内的适当位置发挥它的功能。,靶序列,线粒体蛋白输入缺陷,线粒体蛋白输入缺陷,位于Xp22.1的基因PHDA1编码丙酮酸脱羧酶的亚单位。这个基因的碱基替换可以导致亚单位在胞浆内合成时N末端靶序列中的氨基酸变化，使得亚单位转入线粒体障碍，从而使丙酮酸脱氢酶复合体的活性降低，糖有氧氧化过程受损，引起一种致死性的X连锁隐性遗传病，,改变蛋白质N末端的靶序列,线粒体蛋白输