第五章     线粒体遗传病

线粒体DNA的结构与遗传特征 线粒体基因突变与线粒体遗传病

人类每个细胞的线粒体内含有多拷贝小环状双链DNA，称为线粒体DNA（mitochondrial DNA ，mtDNA）。是独立于细胞核基因组外的又一个基因组。

由于mtDNA的基因突变所导致的疾病称为线粒体遗传病。 到目前为止，已经发现100多种mtDNA重排和50多种mtDNA点突变与人类疾病相关。

第一节 线粒体DNA的结构与遗传特征 一、线粒体DNA的结构特点 二、线粒体DNA的遗传特性

一、线粒体DNA的结构特点 线粒体基因组是人类基因组的重要组成部分，它主要编码与线粒体功能相关的tRNA，rRNA及蛋白质。

线粒体基因组序列 （又称剑桥序列）的测序在1981年完成。 总长度仅16569个碱基对 双链环状的DNA分子: 外环为重链（H） 内环为轻链（L） H链富含G ，L链多含C。重链和轻链上的编码物各不相同。

线粒体DNA含有37个基因 2个rRNA基因，共编码2个rRNA分子， 用于构成线粒体的核糖体； 22个tRNA基因，编码22种tRNA分子， 用于线粒体mRNA的翻译； 13个蛋白质基因，编码13种蛋白质,都是呼吸链酶复合体的亚单位。

＊线粒体基因排列非常紧凑,不含内含子， ＊唯一的非编码区是D环,约1000bp。该区包括mtDNA重链复制的起始点和轻重链转录的启动子以及四个高度保守的序列。 ＊因此，mtDNA的任何突变都会累及到基因组中的一个重要功能区域。

与核基因不同，mtDNA分子缺少组蛋白的保护，并且无DNA修复系统。这是mtDNA易于突变，而且突变难以修复并遗传到子代细胞的分子基础。

二、线粒体DNA的遗传特性 线粒体的遗传系统具有与核遗传系统不完全相同的特点。

线粒体遗传学（mitochondrial genetics） ★ 对人类寻根或人类起源的研究 线粒体染色体上的一个非编码区（D环）具有高度的序列特异性（多态性），可以精确识别个体与他们母方之间的亲缘关系。

★对衰老的研究 mtDNA突变随年龄增加而增加，人的衰老与mtDNA突变的积累呈正相关。

（一）mtDNA复制具半自主性 mtDNA具有自主的半保留复制能力。 但是mtDNA的复制、转录和翻译等都受细胞核基因的控制。

（二）mtDNA的密码子不同于通用密码子 核DNA与mtDNA密码子差异 密码子 核DNA mtDNA UGA 终止 色氨酸 AGA, AGG 精氨酸 终止 AUA 异亮氨酸 甲硫氨酸 AAA 赖氨酸 天冬酰胺 CUU,CUC,CUA CUG 亮氨酸 苏氨酸 tRNA兼用性也较强，仅用22个tRNA来识别多达48个密码子。

（三）mtDNA为母系遗传（maternal inheritance） 因为在精卵结合形成受精卵时，几乎没有精子细胞质的参与，线粒体的这种传递方式称为母系遗传。 其特点:母亲把mtDNA传递给儿子和女儿，但只有女儿能将mtDNA传递给下一代。因此，线粒体突变基因及其表型几乎全部由女性患者传递。

由于 受精过程 细胞分裂期间线粒体的与核不同的行为（mtDNA的遗传不遵循孟德尔定律，线粒体（和mtDNA）是被随机分配到子细胞中的） 每个线粒体含有多个DNA拷贝 导致线粒体遗传病的传递方式不同于经典孟德尔传递方式。

（四）mtDNA在细胞分裂复制分离过程中存在遗传瓶颈 一个人的卵母细胞中大约有十万个线粒体，但是当卵母细胞成熟时，绝大多数线粒体会丧失，数目可能会少于10个，最多不会超过100个。然后经过胚胎细胞早期分裂，繁殖的线粒体会达到每个细胞含有1万个或更多。 遗传瓶颈（genetic bottle neck）：线粒体的数目从十万个锐减到少于100个的过程。

如果通过遗传瓶颈保留下来的一个线粒体恰巧携带一种突变基因，那么这个突变基因就能在发育完成后的个体中占有一定的数量。

在细胞分裂过程中，线粒体和mtDNA是被随机分配到子细胞中的，因为mtDNA的遗传不遵循孟德尔定律。 子细胞可以出现三种基因型： 纯合的突变型mtDNA 纯合野生型mtDNA 突变型和野生型mtDNA的杂合 因此一些干细胞可能接受大量的携带突变基因的线粒体，随后形成的成体组织细胞会具有高比例的携带突变基因的线粒体。其比例如果超过野生型，就会影响组织的功能。特别是那些高需能的组织。

（五）杂质性（heteroplasmy）与 阈值效应（threshold effect） 如果一个细胞或组织中所有的线粒体具有相同的线粒体基因组，或者都是野生型，或者都是突变型，称为纯质性（homoplasmy）。 突变型和野生型线粒体共存于一种细胞或组织的现象，称异质性（杂质性）。   突变的mtDNA的表达主要由特定组织中突变型与野生型mtDNA 的相对比例决定。 把能破坏能量代谢，引起特定组织或器官功能障碍的最少的突变mtDNA分子称为阈值效应。

必须注意 不同组织对氧化磷酸化代谢损伤的反应不同，引起细胞功能障碍所需的突变mtDNA数量也就不同。 疾病表型的出现与否以及严重程度，取决于两方面的因素： 突变型与野生型mtDNA 的相对比例； 组织细胞对能量的需求。

各种组织对氧化磷酸化的依赖性有所不同， 因此线粒体遗传病常以肌病和脑病为特征。 脑、骨骼肌、心脏、肾脏、肝脏， 对能量的依赖性依次降低。 因此线粒体遗传病常以肌病和脑病为特征。

（六）mtDNA具有高突变率 mtDNA的突变率高于核内DNA（10倍以上）。 原因：缺少组蛋白的保护并缺乏修复能力。

第二节 线粒体基因突变与 线粒体遗传病

一、线粒体基因突变的类型 ⒈碱基突变 ①错义突变 通常发生在mtDNA中的蛋白质编码序列上，主要与脑脊髓性及神经性疾病有关，如Leber遗传性视神经病。 ②蛋白质生物合成基因突变，多为tRNA基因突变。与线粒体肌病有关。 2.缺失、插入突变 往往无家族史，散发。 3.mtDNA拷贝数目突变 指mtDNA拷贝数大大低于正常，此种突变较少见。

二、常见的线粒体基因病

本病起病为急性或亚急性球后视神经炎，导致严重双侧视神经萎缩，丧失中心视野，视力急剧减退，但周围视力仍存在。 1、Leber遗传性视神经病 （Leber hereditary opticneuropathy LHON） 是典型的人类母系遗传病。 本病起病为急性或亚急性球后视神经炎，导致严重双侧视神经萎缩，丧失中心视野，视力急剧减退，但周围视力仍存在。 任何年龄均可发病，但发病高峰年龄是20～25岁。 男性患者明显多于女性，约5：1，性别差异原因不清。

编码线粒体蛋白质的13个基因中，有9种基因 ND1、ND2、COXⅠ、ATP6、 COXⅢ、ND4、ND5、ND6、CytB 的 18种不同类型的突变与Leber 病有关。

18种突变中有5种突变属于单一突变即可引起Leber病 。 原发性Leber病 其余类型的突变需有其他因素的参与，如mtDNA的二次突变、核基因的突变、非遗传因素等，才能引发Leber病。 继发性Leber病。

原发性 Leber 病中约90%的患者由三种主要的突变所致： MTND1*LHON3460A MTND4*LHON11778A MTND6*LHON14484C 其中以11778A（G→A）突变最为常见，占50%～70%。

突变基因纯质性在原发性Leber病中比较常见。杂质性引起的Leber病的突变线粒体阈值约大于或等于70%。

2、肌阵挛性癫痫伴破碎红纤维病（myoclonus epilepsy and ragged red fibers ，MERRF） 是一种罕见的杂质性母系遗传病，是线粒体脑病的一种。 主要症状：多系统紊乱，肌阵挛性癫痫，共济失调 肌病（肌细胞减少） 轻度痴呆 耳聋 伴RRF：大量的团块状异常线粒体，主要聚集在肌细胞中，能被特异性染料染成红色。

MTTK*MERRF8344G 一般为童年发病。最常见的突变是mtDNA tRNAlys基因上第8344位由A→G的转换。 突变名称： 线粒体突变 转运RNA基因 赖氨酸 疾病缩写 突变位置 该位原碱基 当线粒体中90%存在这种突变，将出现典型症状，当突变比例下降时，症状也随之变轻。

3、链霉素耳毒性耳聋 （streptomycin ototoxicity） 链霉素导致听力丧失具有家族倾向，与中等剂量的抗生素相关，称为链霉素耳毒性耳聋，或氨基糖苷耳毒性耳聋。 除链霉素外，氨基糖苷还包括卡那霉素、庆大霉素、托普酶素和新霉素。

耳蜗核糖体是氨基糖苷耳毒性的靶目标。因为氨基糖苷的“天然靶目标”是进化上的相关的细菌核糖体。 12SrRNA基因核苷酸1555A→G突变是氨基糖苷耳聋发病的分子基础。

4、非胰岛素依赖性糖尿病（NIDDM） NIDDM占所有糖尿病患者的90%以上，因此是研究的重点。 糖尿病属于多基因遗传，已经发现有8个以上与糖尿病发病相关的候选基因，但是主基因尚未肯定。其中线粒体 DNA的tRNA基因3243A→G点突变是糖尿病的主要致病因素。

近几年3243的突变一直是研究热点，迄今已报道45个家系199位NIDDM患者带有此位点突变，患病率为82%，说明该位点的突变和NIDDM相关。

线粒体基因突变性糖尿病的治疗方法不同于1、2型糖尿病。 应早期使用胰岛素； 避免剧烈运动； 慎用双胍降糖药； 长期服用辅酶Q10； 对其直系亲属进行检查。

伴神经性耳聋、 低体重、 中枢神经系统症状、 骨骼肌症状、 心肌病、 视网膜色素变性、 视神经萎缩 的糖尿病患者都应早期做线粒体基因诊断，早期防治。

5、衰老（aging） 是机体在退化时期生理功能下降和紊乱的综合表现，是不可逆的生命过程，受各种内外因素的影响。 mtDNA突变随年龄增加而增加。 人的衰老与mtDNA突变的积累呈正相关性。 mtDNA突变的累积可以诱发多种老年性疾病。