第章线粒体遗传与线粒体疾病Word文件下载.docx

1、1底物转运缺陷4电子传导缺陷肉碱棕榈酰基转移酶（ CPT ）缺陷复合体 、肉碱缺陷（肉碱转运体缺陷）复合体2底物利用缺陷复合体丙酮酸脱氢酶复合体（ PDHC ）缺陷复合体-氧化缺陷复合体、和联合缺陷3 Krebs循环缺陷5氧化磷酸化偶联缺陷延胡索酸酶缺陷Luft 病s乌头酸酶缺陷复合体缺陷-酮戊二酸脱氢酶缺陷根据缺陷的遗传原因，线粒体疾病分为核 DNA （ nDNA ）缺陷、 mtDNA缺陷以及 nDNA和mtDNA联合缺陷3种类型（表 13-2）。表 13-2 线粒体疾病的遗传分类nDNA 缺陷组织特异基因孟德尔式组织特异综合征组织特异单酶病变非组织特异基因多系统疾病广泛性酶病变mtDNA

2、缺陷点突变母性遗传多系统、异质性特异单酶病变缺失散发PEO， KSS， PearsonnDNA 和 mtDNA 联合缺陷多发性 mtDNA 缺失AD/ARPEOmtDNA 缺失AR肌病、肝病组织特异多酶病变注： PEO：进行性眼外肌麻痹； KSS：眼肌病； Pearson：骨髓 /胰腺综合征第三节 mtDNA 突变引起的疾病线粒体病是一组多系统疾病，因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，如果 病变以中枢神经系统为主， 称为线粒体脑病； 如果病变以骨骼肌为主， 称为线粒体肌病；如果病变同时侵犯中枢神经系统和骨骼肌，则称为 线粒体脑肌病。线粒体疾病

3、通常累计多个系统，表现型有高度差异。mtDNA 与 nDNA 有不同的遗传特性，因此 mtDNA 突变所引起疾 病的遗传方式、病因、病程也有其自身特性。由于线粒体基因组和生 化的复杂性，使线粒体疾病发病机制非常复杂，表现型很不一致。不 同的 mtDNA 突变可导致相同疾病，而同一突变也可引起不同表型， 并且通常与突变 mtDNA 的异质性水平和组织分布相关。如 A8344G、 T8356C 均可导致 MERRF ；又如低比例的 T8993G（ATPase6基因） 点突变导致 NARP，比例90%时导致 Leigh 病；高比例的 A3243G 突 变造成 MELAS ，低比例时可导致母系遗传的糖

4、尿病和耳聋 （表 13-3）。 目前已发现越来越多的疾病与线粒体功能障碍有关， 如 2型糖尿病、肿瘤、帕金森病、心肌病及衰老等。表13-3 一些mtDNA 突变相关的疾病突变相关基因表型nt-3243tRNA Leu（UUR）MELAS 、PEO、NIDDM/ 耳聋nt-3256nt-3271MELASnt-3303心肌病nt-3260心肌病 /肌病nt-4269tRNA Ilent-5730tRNA Asn肌病（PEO）nt-8344tRNA LysMERRFnt-8356MERRF/MELASnt-15990tRNA Pro肌病nt-8993A6NARP/LEIGHnt-11778ND4L

5、HONnt-4160ND1nt-3460nt-7444COX1nt-14484ND6nt-15257Cyt6、 Leber 遗传性视神经病Leber 遗传性视神经病 （Leber hereditary optic neuropathy，LHON ） 于 1871 年由 Leber 医生首次报道， 因主要症状为视神经退行性变， 故 又称 Leber视神经萎缩。患者多在 1820岁发病，男性较多见， 个体 细胞中突变 mtDNA 超过 96时发病，少于 80时男性病人症状不明 显。临床表现为双侧视神经严重萎缩引起的急性或亚急性双侧中央视 力丧失，可伴有神经、心血管、骨骼肌等系统异常，如头痛、癫痫及

6、 心律失常等。诱发 LHON 的 mtDNA 突变均为点突变。 1988 年，Wal1ace等发 现 LHON 患者 OXPHOS 复合物（ NADH 脱氢酶）的 ND4 亚单位基 因第 11778 位点的碱基由置换为（ G11778A，称 Wal1ace突变）， 使 ND4 的第 340 位上 1 个高度保守的精氨酸被组氨酸取代， ND4 的 空间构型改变， NADH 脱氢酶活性降低和线粒体产能效率下降，视神 经细胞提供的能量不能长期维持视神经的完整结构，导致神经细胞退 行性变、死亡。近年来，已相继报道有更多 mtDNA 点突变与 LHON 相关，均可引起基因产物的氨基酸替换， 其中除 G1

7、1778A 外，G14459A （ ND6）、G3460A（ND1）、T14484C（ND6）、G15257A（cyt b）等 4 个位点对 LHON 也有重要作用。这 5个位点的突变虽然均导致 LHON ， 但临床严重程度有较大差异，以 G14459A 引起的症状最为严重， T14484C和 G15257A 引起的症状较轻。LHON 家系中 mtDNA 可有多个点突变，并且可观察到 2 个以上 突变的协同致病作用，遗传学研究表明， LHON 患者 mtDNA 的多发 突变之间存在某种联系，这些突变可分原发性突变和继发性突变， mtDNA 某一 “原发 ”突变或 nDNA 遗传缺陷可导致 “继

8、发”突变。单一 的原发性突变即可引起 LHON （称原发性 LHON ），临床严重程度随 突变位点不同而异；继发性突变往往以某型突变为主，伴发其他类型 突变（二次突变或 nDNA 突变），才能引起 LHON （继发性 LHON）。利用 LHON 患者的特异性 mtDNA 突变，可进行该病的基因诊断。 例如， mtDNA 第 11778位 GA 是 LHON 患者最常见的突变类型， 该突变可导致原有的限制性内切酶 sfaN的切点消失，正常人 mtDNA 经 sfaN酶切后产生 915bp、679bp 两个片段，而 LHON 患者 mtDNA 经酶切后只产生 1590bp 片段。Leber s h

9、ereditary optic neuropathy（LHON）1.LHON has been linked to point mutations in the mtDNA.2.LHON is expressed predominantly in males of the lineage unexplained.3.The onset of visual loss typically occurs between the age of 15 and 35 years.4.Visual loss is painless, central, and occurs in one eye week t

10、o months before second eye involvement. On rare occasions, the disease may remain clinically monocular.二、线粒体脑肌病线粒体脑肌病（ mitochondria1 encephalomyopathie，s ME ）是一组 由于线粒体功能缺陷引起的多系统疾病，以中枢神经和肌肉系统病变 为主，特征是呼吸链酶活性正常的肌纤维与酶活性缺失的肌纤维混 合。患者各种组织内 mtDNA 的突变类型、分布各不相同，所以表现 出不同的症状，多表现为肌力低下、 易疲劳、小脑失调、 耳聋、痴呆、 代偿性高乳酸血症等

11、。根据临床表现，将线粒体脑肌病分为：伴有破 碎红纤维的肌阵挛癫痫（ myoclonic epilepsy and ragged red fibers， MERRF ）、线粒体脑肌病合并乳酸血症及卒中样发作 （mitochondrial encephalomyopathy with lactic acidosis， and stroke-like episodes， MELAS） ，Kearns-Sayre综合征（KSS）、慢性进行性眼外肌瘫痪 （chronic progressive external ophthalmoplegi，a CPEO）、神经源性肌软弱、共济 失调并发色素性视网膜炎（

12、 neurogenic muscle weakness,ataxia,and retinitis pigmentosa，NARP ）和 Leigh 综合征（ Leigh sysdrom，LS） 等几种。（一）伴有破碎红纤维的肌阵挛 癫痫 （MERRF）MERRF 患者通常 1020 岁发病，主要临床表现为阵发性 癫痫， 伴有进行性神经系统障碍（智力倒退、共济失调、意向性震颤） ，患 者肌纤维紊乱、粗糙，线粒体形态异常并在骨骼肌细胞中积累，用 Gomori Trichrome 染色显示为红色，称破碎红纤维。MERRF 最常见的突变类型是 mtDNA 第 8344 位点（位于 tRNA Lys 基

13、因处） AG 的碱基置换，破坏了 tRNALys 中与核糖体连接的 TC 环，结果影响了 OXPHOS 复合体和复合体的合成， 造成 OXPHOS 功能下降，导致患者多系统病变。（二）线粒体脑肌病合并乳酸血症及卒中样发作（ MELAS ）MELAS 患者通常 1020 岁发病，主要临床表现为阵发性呕吐、 癫痫发作和中风样发作、血乳酸中毒、近心端四肢乏力等。MELAS 的分子特征是线粒体 tRNA 的点突变，约有 80%的患者 是 mtDNA 的 3243（位于 tRNA Leu基因） AG 的碱基置换，该位点 是 tRNA Leu 基因与 16SrRNA 基因的交界部位，也是转录终止因子的结

14、合部位，进化上高度保守，突变使 tRNALeu 基因结构异常，转录终止 因子不能结合， rRNA 和 mRNA 合成的比例发生改变；少数患者为 tRNA Leu（UUR）基因 3271、3252或 3291位碱基的点突变。肌组织中 A3243G突变型 mtDNA 达 40%50%时，出现 CPEO、 肌病和耳聋，达 90%时，可出现复发性休克、痴呆、癫痫、共济失调 等。（三） Kearns-Sayre 综合征（ KSS）、慢性进行性眼外肌瘫痪 （CPEO）KSS 和 CPEO 是同一疾病的两种不同类型， CPEO 患者以眼外肌 麻痹为主要症状，伴眼睑下垂、四肢无力，常在青春期或成年发病； KS

15、S除进行性眼肌麻痹外，还具有色素视网膜炎、 心脏传导功能障碍、 听力丧失、共济失调、痴呆等症状，常在婴儿、儿童或青春期发病。KSS 和 CPEO 主要是由于 mtDNA 的缺失引起的，缺失类型多样， 一般缺失长度为 0.58kb，最常见的类型是 5.0kb 的“普遍缺失 ”。缺 失部位多发生在重链和轻链两个复制起始点之间，缺失区两侧有同向 重复序列。缺失的 mtDNA 具有明显的复制优势，突变型 60%，可抑 制线粒体翻译，酶活性下降。由于涉及多个基因的缺失，患者可出现 不同程度的线粒体蛋白质合成缺陷，影响四种呼吸链复合体。此外，偶尔可见 8334位点（ tRNA Leu）和 3242位点（

16、tRNA Leu） 点突变可引起 CPEO。KSS 和 CPEO 病情严重程度取决于缺失型 mtDNA 的异质性水平 和组织分布。异质性程度低时，仅表现为眼外肌麻痹，肌细胞中缺失型 mtDNA85% 时，表现为严重的 KSS。（四）神经源性肌软弱，共济失调并发色素性视网膜炎（ NARP） 和 Leigh 综合征（ LS ）NARP 的主要临床表现为主要表现色素性视网膜炎、共济失调、 发育落后、痴呆、惊厥、近端肢体无力和感觉神经病； Leigh 综合征 是以高乳酸血症、 低肌张力为主要表现的进行性脑病， 主要侵犯婴儿。NARP 和 Leigh 综合征主要与 ATP 复合酶的功能受损有关，目前 发

17、现该病的致病突变主要是 mtDNA 第 8993位点（ ATPase6基因）TA 或 TC，将 ATPase 6亚基 156 位的亮氨酸改变为精氨酸或脯氨酸， 从而影响 ATP 合酶的质子通路。患者异质性决定了临床症状的严重 性：女性携带者或症状较轻的女患者突变水平 90%时，表现为 Leigh 综合 征。因此，常可见到 NARP 和 Leigh 综合征在同一家系中并存。三、线粒体心肌病线粒体心肌病累及心脏和骨骼肌，病人常有严重的心力衰竭，常 见临床表现为劳动性呼吸困难，心动过速，全身肌无力伴全身严重水 肿，心脏和肝脏增大等症状。mtDNA 的突变与缺失与某些心肌病有关， 如：3260 位点的

18、 AG 突变可引起母系遗传的线粒体肌病和心肌病； 4977 位点的缺失多见于 缺血性心脏病、冠状动脉粥样硬化性心脏病等；扩张性心肌病和肥厚 性心肌病均可见 7436 位点的缺失等。四、帕金森病帕金森病（ Parkinson diseas，e PD）又称震颤性麻痹， 是一种晚年 发病的神经系统变性疾病， 患者表现为运动失调， 震颤，动作迟缓等， 少数病人有痴呆症状。神经病理学特征包括黑质致密区多巴胺能神经 元发生退行性变，部分存活的神经元内出现 Lewy 体。帕金森病患者脑组织，特别是黑质中存在 4977bp 长的一段 DNA 缺失，缺失区域从 ATPase8基因延续到 ND5 基因，结果导致多

19、种组 织细胞内的线粒体复合体、甚至都存在功能缺陷，进而引 起神经元中能量代谢障碍。大多数观点认为单纯的基因或环境毒物很 少能直接引起 PD，大部分病例是基因和环境甚至更多因素共同作用 的结果。五、其他与线粒体有关的病变（一）衰老 线粒体病的迟发和渐进过程提示线粒体功能随着年龄的增加而 退化，在正常生理状态下， 机体自身的防御系统 （如超氧化物歧化酶、 过氧化氢酶、过氧化物酶、维生素等）可及时清除能量代谢过程中 产生的氧自由基。在个体衰老的进程中，抗氧化防御系统作用减弱， 线粒体内自由基不能有效地清除而累积，从而导致线粒体的氧化性损 伤，包括生物膜损伤、改变巯基酶活性、破坏核苷酸类辅酶以及 mt

20、DNA 损伤等。大量的研究证实，衰老与线粒体氧化磷酸化酶活性降低以及 分裂终末的组织中突变 mtDNA 积累密切相关， mtDNA 突变类型包括 缺失、点突变、插入、重复和 D 环区域出现小片段重叠，尽管这五种 突变中的任何一种很少达到 1%，但在衰老组织中可同时存在其中几 种，大大增加突变型 mtDNA 的比例。与增龄有关的突变类型主要是缺失，并且与氧化损伤有关。许多 研究表明，衰老时组织中 8-OH-dG含量增多，小于 55岁个体膈肌中， 8-OH-dG含量低于 0.02%，65岁以上的个体中， 8-OH-dG以每 10年 0.25%的比率增加，在 85 岁时达到 0.51%，而且 mtD

21、NA 的缺失率也 随之增加，表明分裂旺盛的细胞中 mtDNA 的快速复制可稀释 8-OH-dG，而分裂终末的细胞中 8-OH-dG 累积，促进 mtDNA 缺失。缺失常包括一个或几个 mRNA 基因和 tRNA 基因，可累及脑、 心 肌、骨骼肌、肝、肾、肺、皮肤、卵巢、精子等多种器官组织。不同 年龄的人心肌、脑、骨骼肌、肝、膈肌等细胞中 mtDNA 片段缺失的 位置可能不同，但缺失率均随增龄而增加，如：在 17 岁青年中未发 现 mtDNA 片段的缺失；在34岁个体中检测到 mtDNA5.0bp 片段的缺 失，缺失率为 0.005%；随年龄的增长，缺失率逐渐增加， 85 岁个体 中达 0.26

22、%，是低值的 4200 倍。说明缺失的 mtDNA 积累到一定程度 时，线粒体发生生物学变化， OXPHOS 组分缺损或数量减少，生成的 能量低于维持正常细胞功能阈值，致使细胞死亡，引起衰老和多种老 年退化性疾病。（二）肿瘤 肿瘤细胞具有异常快速的分裂增殖能力，能量需求很高。各种肿 瘤和肿瘤细胞系中发现了体细胞 mtDNA 突变，这些突变能通过细胞 生成能量的改变、线粒体氧化压力的增加和 /或调节凋亡而导致肿瘤。有些因素的作用可使 mtDNA 游离出线粒体膜外（如细胞内线粒 体受损伤崩解），而细胞内核酸降解酶活性下降，不能有效地清除游 离于胞质中的 mtDNA 分子，mtDNA 有可能像致瘤病

23、毒那样通过核膜， 随机整合到 nDNA 中， 激活原癌基因或抑制抗癌基因， 使细胞增殖分 化失控，导致癌变。mtDNA 是致癌物作用的重要靶点，众多研究结果显示，化学致 癌物与 mtDNA 的结合比 nDNA 更充分。（三）糖尿病 近年来的分子遗传学研究证实，一些 2 型糖尿病患者具有明显的 遗传背景，其中部分患者糖尿病的发生与线粒体基因的突变有关， mtDNA 点突变或缺失可选择性地破坏 细胞， 1997 美国糖尿病学会 年进行新的糖尿病病因学分类，将其归为特殊类型糖尿病中 细胞遗 传性缺陷疾病。与线粒体糖尿病有关的 mtDNA 突变类型较多，如 tRNALys 的 A8296G、 12Sr

24、RNA 的 G1438A、T1310C 等点突变、 8kb 重复突变和 10.4kb、7.7kb及7.6kb缺失突变等。 tRNA Leu（UUR ）基因 32303304是 热点突变区域，包括 tRNA Leu（UUR）的 A3243、 C3256T、T3264C、 G3316A，其中 A3243突变最为常见。mtDNA 突变可通过以下机制诱导糖尿病：胰脏 细胞能感受 血糖值， 以葡萄糖为底物产生 ATP，影响 K+通道，进一步借助电位感 受性的 Ca2+通道使其分泌胰岛素。突变使 细胞变得不能感受血糖值， 呼吸链复合体酶活性下降， ATP 合成不足，胰岛素分泌降低； 细 胞不稳定性增高，

25、诱发自身免疫介导的 细胞损坏；增加糖原异生； 脂肪细胞对胰岛素的反应减弱，糖耐量减退，出现高血糖。（四）冠心病线粒体 OXPHOS 过程产生大量的氧自由基， 引起 mtDNA 损伤而 发生突变，使线粒体呼吸链的电子传递受阻，电子直接泄漏于线粒体 基质内，使超氧阴离子产生增多，导致线粒体内的氧应激水平提高， 氧化应激能大大增加线粒体的损伤程度，结果又使 OXPHOS 障碍加 重，形成恶性循环。在冠脉狭窄、心肌细胞缺血和反复出现低血氧时，可使 mtDNA 出现不可逆性损害，产生永久性心肌细胞氧化功能障碍，因此，心肌 缺血与 mtDNA 突变互为因果关系。冠心病患者 mtDNA5.0kb 片段的缺失

26、是正常人的 7220 倍，7.4kb 片段和 10.4kb 片段的缺失率也比正常人高。（五）氨基糖甙类诱发的耳聋耳毒性聋与氨基糖甙类抗生素 （aminoglycosideantibiotic， AmAn） 的应用相关， 对常规量 AmAn 易感的耳聋可能具有母系遗传倾向， 这 些易感个体具有 mtDNA12SrRNA 基因的 1555 位点 AG 的突变，有 人认为该突变多存在于亚洲人种，白种人极少发生。第四节 nDNA 突变引起的线粒体病一、编码线粒体蛋白的基因缺陷已定性的由于编码线粒体蛋白的基因缺陷所引起的疾病并不多，如丙酮酸脱氢酶复合体缺陷、肉碱棕榈酮转移酶缺陷等。主要从以下方面寻找线索

27、：如有孟德尔遗传的家族史；生化方面可检测的特定酶缺陷；组织化学方面的研究，如一些呼吸链蛋白亚基是由核基因编码 的；利用 Rho细胞进行的互补试验研究，如一个 Leigh综合征与 COX 缺陷的患者的成纤维细胞与 HeLa细胞融合后恢复了正常的 COX 活性。 由此推测其相关的酶或蛋白质是由 HeLa细胞的核基因编码的。二、线粒体蛋白质转运的缺陷nDNA 编码的线粒体蛋白质是在胞质内合成转送入线粒体的不同 部位。转运的过程有较复杂的机制。有胞质内合成的前体蛋白比成熟 蛋白要大一些，原因是成熟蛋白多了一个前导肽（ leader peptide）。前 导肽作为一个识别信号与位于线粒体外膜上的受体蛋白

28、相结合，并通 过连系了内外膜的一个通道进入线粒体基质，这个转运过程是一耗能 过程。进入基质的前体蛋白的前导肽被线粒体蛋白酶水解。协助蛋白 转 运 的 其 他 因 子 还 包 括 胞 质 和 基 质 内 的 热 激 蛋 白 （ heat-shock proteins），它可使转运的蛋白保持非折叠的状态。两种基因突变会引起蛋白转运的线粒体疾病，一是前导肽上的突 变，将损害指导蛋白转运的信号，使蛋白转运受阻，二是蛋白转运因 子的改变，如前导肽受体，抗折叠蛋白酶等。三、基因组间交流的缺损如上所述，线粒体基因组依赖于核基因组， nDNA 编码的一些因 子参与 mtDNA 的复制、转录和翻译。现发现有两类疾病的 mtDNA有 质或量上的改变， 但它们均呈孟德尔遗传， 因此mtDNA 的改变只是第 二次突变。（一）多重 mtDNA 缺失这类患者不象 KSS等疾病表现单一的缺失， 而是表现 m