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《遗传学 》教学课件：06线粒体遗传病

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线粒体遗传病

线粒体遗传病
医学遗传学
第七章 线粒体疾病的遗传
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1
本章节重点
掌握线粒体遗传、线粒体疾病、异质性、 阈值效应等基本概念
掌握线粒体DNA结构和遗传特点 ❖ 熟悉线粒体基因组和核基因组的关系 ❖ 了解线粒体病的类型及遗传机制
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2
1894年，首次发现 1897年，正式命名为mitochondrion(线粒体)
野生型mtDNA和突变型mtDNA
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13
三、阈值效应
异质型细胞的表现型依赖于细胞内突变型和野 生型mtDNA的相对比例，能够引起特定组织器官功 能障碍的突变mtDNA的最少数量称阈值。
突变型mtDNA的累积可使正常组织、器官的能 量供给减少。
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14
能量
中枢神经系统、骨骼肌、心脏、胰腺、肾脏、肝脏
无数次分裂后？
细胞逐渐成为只有野生型mtDNA的纯质细胞
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19
突变型mtDNA具有复制优势，在分裂不旺盛的细 胞中逐渐累积。形成只有突变型mtDNA的纯质细胞
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20
第十二章 线粒体疾病
第一节 线粒体疾病的分类
生化分类
底物转运缺陷 底物利用缺陷 Krebs循环缺陷 电子传导缺陷 氧化磷酸化偶联缺陷
电镜下的线粒体
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5
mtDNA的结构特征
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)。
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6
mtDNA结构紧凑， 没有启动子和内含子， 缺少终止密码子，仅以 U或UA结尾。
基因间隔区只有 87bp，占mtDNA总长度 的的0.5%。有两段非编 码区

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❖造血干细胞：当大量线粒体存在缺失表现一种 更为严重的疾病，即早发的致命性疾病—Pearson 综合征(PS)。
53
第6章 复习题
1. 纯质性、杂质性、阈值、遗传瓶颈(genetic bottle neck)与线粒体遗传病发生的关系。 2.掌握mtDNA的结构特点和遗传特征。 3. Leber、MERRF、MELAS遗传命名的含义。
线粒体脑病肌病伴乳酸中毒及中风样 发作综合征。
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临床症状
复发性休克，共济失调，痴呆； 肌肉组织病变，肌阵挛，眼外肌无力或麻痹； 乳酸中毒； 中风；
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发病机理
MTTL1*MELAS3243G
两个 tRNAleu 基因 之一发生碱基突变
该突变使tRNAleu发生结构改变，降低了转 录活性，并改变了线粒体rRNA和mRNA转录 的比例。
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发病机理
mtDNA大片段缺 失和DNA复制
最常见的是4977bp的 缺失，缺失造成部分 mtDNA包括tRNA基 因的丧失，导致能量 产生急剧下降。
临床症状与缺失片 段大小有关吗？
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♣ KSS临床症状不取决于mtDNA缺失的大小和 部位，而取决于组织类型和异质性程度。
举例 说明
❖肌细胞：带有mtDNA缺失的线粒体＞85%时表现 KSS所有临床特征，较少线粒体存在缺失时，主 要表现为进行性眼外肌麻痹。
突变位点
tRNA基因
发生A→G的突变
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细胞学表现
Ragged Red Fibers
破碎的肌红纤维：大量的团 块状异常线粒体聚集在肌细 胞中，电子传导链中复合物 Ⅱ的特异性染料能将其染成 红色。
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遗传特性
是否出现症状与两个因素相关
mtDNA突变比率

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线粒体遗传病
1
一． 线粒体是动物细胞核外惟一含DNA的 细胞器。
二． 人类细胞线粒体DNA（ mitochondrial DNA，mtDNA） 是人类基因组的组成部分，被称为“ 第25号染色体”。
三． 线粒体DNA突变引起线粒体遗传病。
四． 现已2 确认100多种mtDNA致病点突
第一节 线粒体基因组
16
（六）阈值效应
突变mtDNA达到一定数量才引起某种组织或器官 的功能异常。能影响能量代谢、引起特定组织或器 官功能障碍的最小量的mtDNA突变称为阈值。 mtDNA突变所致的特定组织或器官功能障碍表型 的出现，与某种组织野生型与突变型mtDNA的相 对比例有关。
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影响阈值的因素：
1.组织对能量的依赖程度 不同组织和器官对能量的依赖程度不同，脑、骨骼肌、 心脏、肾脏、肝脏依次降低，说明脑组织阈值最低 。
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（五）同质性与异质性
异质性（heteroplasmy）：同一细胞或同一组织 中mtDNA分子上某一基因既有野生型，又有突变 型，称为异质性。此细胞或组织称为异质(野生型/ 突变型)。 同质性（homoplasmy）：一个细胞或一种组织的 所有mtDNA分子上的某一基因都是相同的，称为 同质性。或均为野生型，或均为突变型。此细胞或 组织称为同质。 个体是否体现突变基因的表型，取决于突变基因的比 例、突变基因所在细胞的类型。
2. mtDNA突变的类型 不同的mtDNA基因突变，其阈值大小不同，tRNA基 因点突变：阈值为90%；大片段缺失阈值为60% 。
3.个体发育的阶段 同一器官，不同发育阶段，对能量依赖程度不同，因而 ，阈值不同。
4.细胞核的遗传背景
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(七)母系遗传（maternal inheritance）

线粒体遗传病PPT课件

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易受线粒体阈值效应影响的组织器官：中枢神精系 统、骨骼肌、心脏、胰腺、肾脏、肝脏 。
6、线粒体DNA的高突变率
mtDNA突变率比nDNA高10～20倍
mtDNA处于高超氧化物的环境下，更易受到损伤。 线粒体中的mtDNA损伤后，修复能力非常有限。 mtDNA复制频率较高，复制时不对称。 mtDNA不与组蛋白结合，缺乏组蛋白的保护。 mtDNA中基因排列非常紧凑，任何mtDNA的突变都 可能会影响到其基因组内的某一重要功能区域。
11778 G→A
11778G→A 导 致 编 码 NADH 脱 氢 酶 亚 单 位 4(ND4) 中 第 340 位 的 Arg→His，从而影响线粒 体能量的产生。
二、 氨基糖苷类药物性耳聋
氨基糖苷类药物性耳聋是指由于使用氨基糖甙类抗 生素(aminoglycoside antibiotics，AmAn)而导致的 耳聋。
第8章 线粒体遗传病
线粒体（mitochondrion）
产生ATP 信号转导 细胞分化 细胞凋亡
线粒体研究的历史
1894年，首次发现线粒体 1897年，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 1981年，测定人mtDNA的DNA序列 1988年，Wallace提出mtDNA突变可引起人类疾病
因上游35nt处，这一段间隔区
中存在一个潜在的ORF，编码
D-LOOP
一个含26个氨基酸的多肽，相
应的RNA长155nt，包含起始密
码子ATG和一个线粒体通用的
终止密码子。
线粒体密码子系统的特性
AUA成为起始密码子，而不是通用的Ile密码子 UGA编码Trp密码子，而不是终止密码子 AGA、AGG编码终止密码子，而不是Arg密码子 tRNA兼用性较强，仅用22个tRNA来识别多达48个密码子

医学遗传学课件—线粒体遗传病

医学遗传学课件—线粒体遗传病
本病多以视神经受侵为主,少有其他症状体征。
9种编码线粒体蛋白的基因中，至少有18种错义突变与 该病有关。 主要突变类型： MTND1*LHON3460G-A MTND4*LHON11778G-A(50%-80%) MTND6*LHON14484T-C 使编码呼吸链NADH脱氢酶(ND)活性降低，线粒体产 能下降，因而对需能量多的视神经组织损害最大，久
5、受到核基因组基因表达的调控
线粒体疾病是由于各种原因使 mt DNA/核 DNA 发生基因突变，线 粒体内酶功能缺陷，导致 ATP 合成 障碍，能量产生不足而出现的一组多 系统疾病。
1987年首次提出线粒体 病概念，目前已经发现100 多种疾病与线粒体DNA突 变有关。
线粒体是一个半自主 细胞器——mtDNA 的复制和表达受到核 基因组的控制。
第一节 mtDNA的结构特点与遗传特征
人类的每一个体细胞含有 数百个线粒体，每个线 粒体内有2～10个拷贝的 双链线粒体DNA，线粒 体DNA占到了细胞总 DNA的1％。
临床共性
骨骼肌受侵为主，也可合并周围神经损害，极度不 能耐受疲劳，约半数伴肌痛，肌萎缩占少数。
临床表现多样：可类似多发性肌炎，重症肌无力， 进行性肌营养不良，周期性瘫痪，心肌病……
线粒体肌病和脑肌病的诊断
病史特点 心肌酶谱 肌电图 脑电图 头颅 MRI 或 CT 检查
线粒体呼吸链酶复合体活性测定 肌活检 （冰冻切片，组化染色，光镜检
突变所产生的效应取决于该细胞中野生型和突 变型线粒体DNA的比例，只有突变型DNA达到一定 数量（阈值）才足以引起细胞的功能障碍，这种 现象称为阈值效应。阈值效应的一个表现就是在 某些线粒体遗传病的家系中，有些个体起初并没 有临床症状，但随年龄增加由于自发突变、环境 选择等原因，突变型DNA逐渐积累，线粒体的能 量代谢功能持续性下降，最终出现临床症状。
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核DNA编码
终止 异亮氨酸
精氨酸
线粒体DNA
l UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码。因此，线粒 体tRNAtrp可以识别UGG和UGA两个密码子。
l 多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子编码； 而起始甲硫氨酸由AUG，AUA，AUU和AUC四个密码 子编码。
l AGA，AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子， 因而，在线粒体密码系统中有4个终止密码子（UAA ， UAG ， AGA ， AGG）。
u原因
线粒体DNA
——卵子、精子中线粒体悬殊的数量对比 (卵子：精子＝100，000：100)
——精子线粒体被选择性地破坏：在精子形成过程 中精子线粒体普遍添加了标记，带有标记的精子线 粒体被新生的胚胎细胞核降解。
u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
u线粒体DNA的突变率极高，约比核DNA高10-20倍。
Ø线粒体DNA排列紧凑，没有内含子，任何mtDNA的 突变都可能影响其基因组的重要功能； Ø线粒体DNA缺少组蛋白的保护； Ø线粒体DNA容易被呼吸链生成自由基氧化损伤； Ø线粒体中没有DNA损伤的修复系统；
Ø线粒体DNA复制频率高，H链长期单链裸露，可自 发脱氨基导致突变。
§同年，Schata分离到完整的线粒体DNA
DNA
§1981年，Anderson等公布了完整的人mtDNA序列
线
§1987年，Wallace等人证实了线粒体DNA突变和Leber
粒 体
病之间的关系
遗
传
§1990’, 线粒体基因组时代
病
线粒体的功能
能量转换
——线粒体是生物体从营养物中获取能量的 主要结构，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。
线粒体DNA
Ø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）。 Ø线粒体DNA长度约16，569bp。
Ø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。 Ø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。 ØD-环区有mtDNA轻重链转录的启动子和轻链复制的起始点。
线粒体DNA
3、线粒体DNA为母系遗传（不符合孟德尔遗传规 律）
u人类受精卵中的线粒体绝大部分来自卵母细胞。 母亲把线粒体DNA传递给所有的子女，但是只有她 的女儿们将其线粒体DNA传给下一代。这种传递方 式被称为母系遗传。
线粒体DNA
u原因
Ø有性生殖中的受精方式：精卵结合时精子的mt及其内部的 DNA被降解，受精卵中的细胞质全部来自卵子。
n异质性（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。
l线粒体的异质性是普遍存在的。 l突变型和野生型线粒体DNA的比例在不同个体、 在个体的不同组织器官中是不同的。
线粒体DNA
n线粒体病存在着表型表达的阈值: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。
Ø有体外实验证实，细胞中最多可含有70－90％的突变 型线粒体DNA 仍不出现呼吸链功能的异常。 Ø阈值取决于不同细胞或组织对能量的依赖性。 Ø大量的临床研究证实，当突变型线粒体DNA超过阈值 导致个体发病时，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。 Ø高需能（eg. 肌肉、大脑、）又含有同质性线粒体 DNA突变的细胞将会遭受更为严重的损害。
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
l1979年，Barrell 报道了人线粒体DNA所用的遗传密码。
通用遗传密码和线粒体遗传密码的差异
密码子
UGA AUA AGG
线粒体DNA编码
色氨酸 蛋氨酸 终止
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
v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。
线粒体DNA
——遗传瓶颈（genetic bottleneck ）：线粒体在卵母细
胞成熟时数目锐减的现象。
——通过遗传瓶颈而保留下来的线粒体完全是随机的，因 此不同的卵母细胞含有不同比例的突变型线粒体DNA。
——如果卵母细胞保留下来较高比例的突变型线粒体DNA， 由这个卵母细胞受精发育而来的后代就更易出现线粒体疾 病。相反，如果卵母细胞经过减数分裂的复制分离后，卵 母细胞不含有线粒体DNA突变，或含有较低比例线粒体 DNA突变，那么这种卵母细胞受精发育而来的后代则可能 不会发病，或症状较轻。
线粒体DNA
一、线粒体DNA的结构特征
Ø位于线粒体的基质内 Ø每个线粒体通常含有2－10个拷贝的mtDNA ØmtDNA为环状
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
v线粒体DNA能独立地复制、转录和翻译。
（第25号染色体，M染色体 ）
v核DNA编码了大量维持线粒体结构和功能的
第五章 线粒体遗传病
线粒体是人体细胞内除细胞核外唯一含有DNA的细胞器
研究历史的回顾
§1894年，Altmann在动物细胞中发现了线粒体，
线 粒
称为生物芽体（bioblast）
体
§1897年,Benda将其命名为线粒体（mitochondria）
线
§1963年，Nass在鸡胚中发现线粒体DNA
粒 体
线粒体DNA
u线粒体DNA的高突变率造成群体中个体之间的线 粒体DNA序列极大不同。任何两个人的线粒体DNA， 平均每1000个碱基对中就有4个碱基不同。 u尽管线粒体DNA突变非常普遍，但线粒体遗传病 目前还不是想象中的那麽常见。
线粒体DNA
5、线粒体DNA具有阈值效应的特性
n同质性（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。