第七章线粒体疾病的遗传 几乎每个人体细胞中都含有数以百计的线粒体,每个线粒体内膜 上富含5种具有传递电子功能的酶复合体,组成呼吸链-氧化磷酸化系 统,将代谢过程中产生的电子通过连锁反应逐步传递给氧并将质子从 线粒体基质转移到膜间腔,形成跨内膜的质子梯度,复合物Ⅴ(ATP 合酶)利用质子顺浓度回流到基质中所产生的势能,使ADP磷酸化 生成ATP,为细胞提供进行各种生命活动所需要的能量。 线粒体内还含有DNA分子,被称为人类第25号染色体,是细胞 核以外含有遗传信息和表达系统的细胞器,其遗传特点表现为非孟德 尔遗传方式,又称核外遗传。1981年 Anderson等人完成了人类线粒 体基因组的全部核苷酸序列的测定,1988年, Wallace等发现 Leber 视神经病的发生与线粒体DNA( mitochondrial dna, mtDNA)突变 有关。近年来,人们发现线粒体不仅在细胞的生长代谢中起重要作用, 而且mDNA突变是许多人类疾病的重要病因 第一节人类线粒体基因组 mtDNA编码线粒体中部分蛋白质和全部的tRNA、rRNA,能够 独立进行复制、转录和翻译,但所含信息量小,呼吸链-氧化磷酸化系 统的80多种蛋白质亚基中, mtdNA仅编码13种,绝大部分蛋白质 亚基和其他维持线粒体结构和功能的蛋白质都依赖于核DNA( nuclear DNA,nDNA)编码,在细胞质中合成后,经特定转运方式进入线粒 体。此外, mtDNA基因的表达受nDNA的制约,线粒体氧化磷酸酶 化系统的组装和维护需要nDNA和 mtdNA的协调,二者共同作用参 与机体代谢调节,因此线粒体是一种半自主细胞器,受线粒体基因组 和核基因组两套遗传系统共同控制(图7-1),nDNA与mDNA基因 突变均可导致线粒体中蛋白质合成受阻,细胞能量代谢缺陷
1 第七章 线粒体疾病的遗传 几乎每个人体细胞中都含有数以百计的线粒体，每个线粒体内膜 上富含 5 种具有传递电子功能的酶复合体，组成呼吸链-氧化磷酸化系 统，将代谢过程中产生的电子通过连锁反应逐步传递给氧并将质子从 线粒体基质转移到膜间腔，形成跨内膜的质子梯度，复合物Ⅴ（ATP 合酶）利用质子顺浓度回流到基质中所产生的势能，使 ADP 磷酸化 生成 ATP，为细胞提供进行各种生命活动所需要的能量。 线粒体内还含有 DNA 分子，被称为人类第 25 号染色体，是细胞 核以外含有遗传信息和表达系统的细胞器，其遗传特点表现为非孟德 尔遗传方式，又称核外遗传。1981 年 Anderson 等人完成了人类线粒 体基因组的全部核苷酸序列的测定，1988 年，Wallace 等发现 Leber 视神经病的发生与线粒体 DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）突变 有关。近年来，人们发现线粒体不仅在细胞的生长代谢中起重要作用， 而且 mtDNA 突变是许多人类疾病的重要病因。 第一节 人类线粒体基因组 mtDNA 编码线粒体中部分蛋白质和全部的 tRNA、rRNA，能够 独立进行复制、转录和翻译，但所含信息量小，呼吸链-氧化磷酸化系 统的 80 多种蛋白质亚基中，mtDNA 仅编码 13 种，绝大部分蛋白质 亚基和其他维持线粒体结构和功能的蛋白质都依赖于核 DNA（nuclear DNA，nDNA）编码，在细胞质中合成后，经特定转运方式进入线粒 体。此外，mtDNA 基因的表达受 nDNA 的制约，线粒体氧化磷酸酶 化系统的组装和维护需要 nDNA 和 mtDNA 的协调，二者共同作用参 与机体代谢调节，因此线粒体是一种半自主细胞器，受线粒体基因组 和核基因组两套遗传系统共同控制（图 7-1），nDNA 与 mtDNA 基因 突变均可导致线粒体中蛋白质合成受阻，细胞能量代谢缺陷
图71mDNA与mDNA的协同作用 线粒体基因组 线粒体基因组是人类基因组的重要组成部分,全长16569bp,不 与组蛋白结合,呈裸露闭环双链状,根据其转录产物在CSCⅠ中密度 的不同分为重链和轻链,重链(H链)富含鸟嘌呤,轻链(L链)富 含胞嘧啶 mtDNA分为编码区与非编码区,编码区为保守序列,不同种系 间75%的核苷酸具同源性,此区包括37个基因:2个基因编码线粒体 核糖体的rRNA(16S、12S),22个基因编码线粒体中的tRNA,13 个基因编码与线粒体氧化磷酸化( OXPHOS)有关的蛋白质。13个基 因序列都以ATG(甲硫氨酸)为起始密码,并有终止密码结构,长度 均超过可编码50个氨基酸多肽所必需的长度,由这13个基因所编码 的蛋白质均已确定,其中3个为构成细胞色素c氧化酶(COX)复合 体(复合体Ⅳ)催化活性中心的亚单位(COXⅠ、COXⅡ和COXⅢI), 这三个亚基与细菌细胞色素c氧化酶是相似的,其序列在进化过程中 是高度保守的;还有2个为ATP合酶复合体(复合体Ⅴ)Fo部分的2 个亚基(A6和A8);7个为 NADH-CoQ还原酶复合体(复合体I) 的亚基(NDl、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6);还有1个 编码的结构蛋白质为CoQH2-细胞色素c还原酶复合体(复合体Ⅲ) 中细胞色素b的亚基;各基因之间排列极为紧凑,部分区域还出现重 叠,即前一个基因的最后一段碱基与下一个基因的第一段碱基相衔 接,利用率极高。无启动子和内含子,缺少终止密码子,仅以U或 UA结尾。基因间隔区只有87bp,占 mt dNA总长度的的05%。因而, mtNA任何区域的突变都可能导致线粒体氧化磷酸化功能的病理性 改变。 非编码区也叫控制区( control-region,CR)或D环区( disp lacement loop region,D-lop),由112bp组成(图72),与 mt DNA的复制及
2 图 7-1 mtDNA 与 nDNA 的协同作用 一、线粒体基因组 线粒体基因组是人类基因组的重要组成部分，全长 16569bp，不 与组蛋白结合，呈裸露闭环双链状，根据其转录产物在 CsCl 中密度 的不同分为重链和轻链，重链（H 链）富含鸟嘌呤，轻链（L 链）富 含胞嘧啶。 mtDNA 分为编码区与非编码区，编码区为保守序列，不同种系 间 75%的核苷酸具同源性，此区包括 37 个基因：2 个基因编码线粒体 核糖体的 rRNA（16S、12S），22 个基因编码线粒体中的 tRNA，13 个基因编码与线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）有关的蛋白质。13 个基 因序列都以 ATG（甲硫氨酸）为起始密码，并有终止密码结构，长度 均超过可编码 50 个氨基酸多肽所必需的长度，由这 13 个基因所编码 的蛋白质均已确定，其中 3 个为构成细胞色素 c 氧化酶（COX）复合 体（复合体Ⅳ）催化活性中心的亚单位（COXⅠ、COXⅡ和 COXⅢ）， 这三个亚基与细菌细胞色素 c 氧化酶是相似的，其序列在进化过程中 是高度保守的；还有 2 个为 ATP 合酶复合体（复合体Ⅴ）F0部分的 2 个亚基（A6 和 A8）；7 个为 NADH-CoQ 还原酶复合体（复合体Ⅰ） 的亚基（ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5 和 ND6）；还有 1 个 编码的结构蛋白质为 CoQH2-细胞色素 c 还原酶复合体（复合体Ⅲ） 中细胞色素 b 的亚基；各基因之间排列极为紧凑，部分区域还出现重 叠，即前一个基因的最后一段碱基与下一个基因的第一段碱基相衔 接，利用率极高。无启动子和内含子，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%。因而， mtDNA 任何区域的突变都可能导致线粒体氧化磷酸化功能的病理性 改变。 非编码区也叫控制区（control-region，CR）或 D 环区（displacement loop region，D-loop），由 1122bp 组成（图 7-2），与 mtDNA 的复制及
转录有关,包含H链复制的起始点(OH)、H链和L链转录的启动子 (Pm、PH2、PL)以及4个保守序列(分别在213~235、299~315、 346~363bp和终止区16147~16172bp)。 图72线粒体基因组 mtDNA突变率极高,多态现象比较普遍,两个无关个体的 mtDNA 中碱基变化率可达3%,尤其D环区是线粒体基因组中进化速度最快 的DNA序列,极少有同源性,而且参与的碱基数目不等,其16024nt 16365nt(nt:核苷酸)及73nt~340nt两个区域为多态性高发区,分 别称为高变区Ⅰ( hypervariable region I,HⅤI)及高变区Ⅱ ( hypervariable region I,HVI),这两个区域的高度多态性导致了个 体间的高度差异,适用于群体遗传学研究,如生物进化、种族迁移 亲缘关系鉴定等。 线粒体基因的转录 与核基因转录比较,mDNA的转录有以下特点:①两条链均有 编码功能:重链编码2个rRNA、12个mRNA和14个tRNA:轻链 编码1个mRNA和8个tRNA;②两条链从D环区的启动子处同时开 始以相同速率转录,L链按顺时针方向转录,H链按逆时针方向转录 ③ mtDNA的基因之间无终止子,因此两条链各自产生一个巨大的多 顺反子初级转录产物。H链还产生一个较短的、合成活跃的RNA转 录产物,其中包含2个tRNA和2个mRNA;④RNA基因通常位于 mRNA基因和rRNA基因之间,每个tRNA基因的5′端与mRNA基 因的3′端紧密相连,核酸酶准确识别初级转录产物中tRNA序列, 并在tRNA两端剪切转录本,形成单基因的mRNA、tRNA和rRNA 剪切下来的mRNA无5′帽结构,在poA聚合酶的作用下,在3′ 端合成一段polA,成为成熟的mRNA。初级转录产物中无信息的片 段被很快降解;⑤ mtDNA的遗传密码与nDNA不完全相同:UGA编
3 转录有关，包含 H 链复制的起始点（OH）、H 链和 L 链转录的启动子 （PH1、PH2、PL）以及 4 个保守序列（分别在 213～235、299～315、 346～363bp 和终止区 16147～16172bp）。 图 7-2 线粒体基因组 mtDNA 突变率极高，多态现象比较普遍，两个无关个体的mtDNA 中碱基变化率可达 3%，尤其 D 环区是线粒体基因组中进化速度最快 的 DNA 序列，极少有同源性，而且参与的碱基数目不等，其 16024nt～ 16365nt（nt：核苷酸）及 73nt～340nt 两个区域为多态性高发区，分 别称为高变区Ⅰ（hypervariable regionⅠ，HVⅠ）及高变区Ⅱ （hypervariable regionⅡ，HVⅡ），这两个区域的高度多态性导致了个 体间的高度差异，适用于群体遗传学研究，如生物进化、种族迁移、 亲缘关系鉴定等。 二、线粒体基因的转录 与核基因转录比较，mtDNA 的转录有以下特点：①两条链均有 编码功能：重链编码 2 个 rRNA、12 个 mRNA 和 14 个 tRNA；轻链 编码 1 个 mRNA 和 8 个 tRNA；②两条链从 D-环区的启动子处同时开 始以相同速率转录，L 链按顺时针方向转录，H 链按逆时针方向转录； ③mtDNA 的基因之间无终止子，因此两条链各自产生一个巨大的多 顺反子初级转录产物。H 链还产生一个较短的、合成活跃的 RNA 转 录产物，其中包含 2 个 tRNA 和 2 个 mRNA；④tRNA 基因通常位于 mRNA 基因和 rRNA 基因之间，每个 tRNA 基因的 5′端与 mRNA 基 因的 3′端紧密相连，核酸酶准确识别初级转录产物中 tRNA 序列， 并在 tRNA 两端剪切转录本，形成单基因的 mRNA、tRNA 和 rRNA， 剪切下来的 mRNA 无 5′帽结构，在 polyA 聚合酶的作用下，在 3′ 端合成一段 polyA，成为成熟的 mRNA。初级转录产物中无信息的片 段被很快降解；⑤mtDNA 的遗传密码与 nDNA 不完全相同：UGA 编
码色氨酸而非终止信号,AGA、AGG是终止信号而非精氨酸,AUA 编码甲硫氨酸兼启动信号,而不是异亮氨酸的密码子;⑥线粒体中的 tRNA兼用性较强,其反密码子严格识别密码子的前两位碱基,但第3 位碱基的识别有一定的自由度(称碱基摆动),可以识别4种碱基中 的任何一种,因此,1个tRNA往往可识别几个简并密码子,22个tRNA 便可识别线粒体mRNA的全部密码子(表7-1)。与nDNA比较,线 粒体密码子的第3位更常见的是A或C,这是线粒体密码子简并性的 主要来源 表7-1丙氨酸(Aa)的tRNA反密码子摆动 反密码子 密码子 核tRNA 线粒体tRNA GCU、GCC GGC GCA、GCG UGC 三、线粒体DNA的复制 mtDNA可进行半保留复制,其H链复制的起始点(On)与L链 复制起始点(O1)相隔2/3个 mtDNA。复制起始于L链的转录启动 子,首先以L链为模板合成一段RNA作为H链复制的引物,在DNA 聚合酶作用下,复制一条互补的H链,取代亲代H链与L链互补 被置换的亲代H链保持单链状态,这段发生置换的区域称为置换环或 D环,故此种DNA复制方式称D环复制。随着新H链的合成,D环 延伸,轻链复制起始点O暴露,L链开始以被置换的亲代H链为模 板沿逆时针方向复制。当H链合成结束时,L链只合成了1/3,此时 mtdNA有两个环:一个是已完成复制的环状双链DNA,另一个是正 在复制、有部分单链的DNA环。两条链的复制全部完成后,起始点 的RNA引物被切除,缺口封闭,两条子代DNA分子分离(图7-3) 新合成的线粒体DNA是松弛型的,约需40分钟成为超螺旋状态
4 码色氨酸而非终止信号，AGA、AGG 是终止信号而非精氨酸，AUA 编码甲硫氨酸兼启动信号，而不是异亮氨酸的密码子；⑥线粒体中的 tRNA 兼用性较强，其反密码子严格识别密码子的前两位碱基，但第 3 位碱基的识别有一定的自由度（称碱基摆动），可以识别 4 种碱基中 的任何一种，因此，1 个 tRNA 往往可识别几个简并密码子，22 个tRNA 便可识别线粒体 mRNA 的全部密码子（表 7-1）。与 nDNA 比较，线 粒体密码子的第 3 位更常见的是 A 或 C，这是线粒体密码子简并性的 主要来源。 表 7-1 丙氨酸（Ala）的 tRNA 反密码子摆动 密码子 反密码子 核 tRNA 线粒体 tRNA GCU、GCC GCA、GCG GGC UGC UGC 三、线粒体 DNA 的复制 mtDNA 可进行半保留复制，其 H 链复制的起始点（OH）与 L 链 复制起始点（OL）相隔 2/3 个 mtDNA。复制起始于 L 链的转录启动 子，首先以 L 链为模板合成一段 RNA 作为 H 链复制的引物，在 DNA 聚合酶作用下，复制一条互补的 H 链，取代亲代 H 链与 L 链互补。 被置换的亲代 H 链保持单链状态，这段发生置换的区域称为置换环或 D 环，故此种 DNA 复制方式称 D-环复制。随着新 H 链的合成，D 环 延伸，轻链复制起始点 OL暴露，L 链开始以被置换的亲代 H 链为模 板沿逆时针方向复制。当 H 链合成结束时，L 链只合成了 1/3，此时 mtDNA 有两个环：一个是已完成复制的环状双链 DNA，另一个是正 在复制、有部分单链的 DNA 环。两条链的复制全部完成后，起始点 的 RNA 引物被切除，缺口封闭，两条子代 DNA 分子分离（图 7-3）。 新合成的线粒体 DNA 是松弛型的，约需 40 分钟成为超螺旋状态
图73D环复制 多细胞生物中, mtDNA复制并不均一,有些 mtDNA分子合成活 跃,有些 mtDNA分子不合成。复制所需的各种酶由nNA编码 mtNA的复制形式除D环复制外,还有θ复制、滚环复制等, 相同的细胞在不同环境中可以其中任何一种方式复制,也可以几种复 制方式并存,其调节机制不明。 第二节线粒体基因的突变 自从1988年发现第一个 mtDNA突变以来,已发现100多个与疾 病相关的点突变、200多种缺失和重排,大约60%的点突变影响tRNA, 35%影响多肽链的亚单位,5%影响rRNA。mDNA基因突变可影响 OXPHOS功能,使ATP合成减少,一旦线粒体不能提供足够的能量 则可引起细胞发生退变甚至坏死,导致一些组织和器官功能的减退, 出现相应的临床症状。 确定一个 mt dNA是否为致病性突变,有以下几个标准:①突变 发生于高度保守的序列或发生突变的位点有明显的功能重要性;②该 突变可引起呼吸链缺损;③正常人群中未发现该 mt dNA突变类型, 在来自不同家系但有类似表型的患者中发现相同的突变;④有异质性 存在,而且异质性程度与疾病严重程度正相关。 mtDNA突变类型主要包括点突变、大片段重组和 mtdNA数量减 少 点突变 点突变发生的位置不同,所产生的效应也不同。已知的由mDNA 突变所引起的疾病中,23的点突变发生在与线粒体内蛋白质翻译有 关的tRNA或rRNA基因上,使tRNA和rRNA的结构异常,普遍影
5 图 7-3 D-环复制 多细胞生物中，mtDNA 复制并不均一，有些 mtDNA 分子合成活 跃，有些 mtDNA 分子不合成。复制所需的各种酶由 nDNA 编码。 mtDNA 的复制形式除 D 环复制外，还有θ复制、滚环复制等， 相同的细胞在不同环境中可以其中任何一种方式复制，也可以几种复 制方式并存，其调节机制不明。 第二节 线粒体基因的突变 自从 1988 年发现第一个 mtDNA 突变以来，已发现 100 多个与疾 病相关的点突变、200 多种缺失和重排，大约 60%的点突变影响tRNA， 35%影响多肽链的亚单位，5%影响 rRNA。mtDNA 基因突变可影响 OXPHOS 功能，使 ATP 合成减少，一旦线粒体不能提供足够的能量 则可引起细胞发生退变甚至坏死，导致一些组织和器官功能的减退， 出现相应的临床症状。 确定一个 mtDNA 是否为致病性突变，有以下几个标准：①突变 发生于高度保守的序列或发生突变的位点有明显的功能重要性；②该 突变可引起呼吸链缺损；③正常人群中未发现该 mtDNA 突变类型， 在来自不同家系但有类似表型的患者中发现相同的突变；④有异质性 存在，而且异质性程度与疾病严重程度正相关。 mtDNA 突变类型主要包括点突变、大片段重组和 mtDNA 数量减 少。 一、点突变 点突变发生的位置不同，所产生的效应也不同。已知的由 mtDNA 突变所引起的疾病中，2/3 的点突变发生在与线粒体内蛋白质翻译有 关的 tRNA 或 rRNA 基因上，使 tRNA 和 rRNA 的结构异常，普遍影
响了 mtdNA编码的全部多肽链的翻译过程,导致呼吸链中多种酶合 成障碍;点突变发生于mRNA相关的基因上,可导致多肽链合成过程 中的错义突变,进而影响氧化磷酸化相关酶的结构及活性,使细胞氧 化磷酸化功能下降。 大片段重组 mtDNA的大片段重组包括缺失和重复,以缺失较为常见。大片 段的缺失往往涉及多个基因,可导致线粒体 OXPHOS功能下降,产 生的ATP减少,从而影响组织器官的功能。 最常见的缺失是8483~13459位碱基之间50kb的片段,该缺失 约占全部缺失患者的1/3,故称“常见缺失”( common deletion),由 于 ATPase8、 ATPase6、COIⅠND3、ND4L、ND4、ND5及部分tRNA 基因的丢失,造成 OXPHOS中某些多肽不能生成,ATP生成减少, 多见于 Kearns-Sayre综合症(KSS)、缺血性心脏病等;另一个较为常 见的缺失是8637~16073位碱基之间74kb的片段,两侧有12bp的同 向重复序列,丢失了 AtPase6、COⅡ、ND3、ND4L、ND4、ND5、 ND6、ctb、部分tRNA和D环区的序列,多见于与衰老有关的退行 性疾病;第三种常见的缺失是第4389至14812位104kb的片段,由 于大部分基因丢失,能量代谢受到严重破坏。 引起 mtDNA缺失的原因可能是 mtDNA分子中同向重复序列的 滑动复制或同源重组,典型疾病为KSS、慢性进行性眼外肌瘫痪 (CPEO)等 、 mtDNA数量减少 mtDNA数量的减少可为常染色体显性或隐性遗传,即提示该病 由核基因缺陷所致线粒体功能障碍 四、 mtdNA突变的修复
6 响了 mtDNA 编码的全部多肽链的翻译过程，导致呼吸链中多种酶合 成障碍；点突变发生于 mRNA 相关的基因上，可导致多肽链合成过程 中的错义突变，进而影响氧化磷酸化相关酶的结构及活性，使细胞氧 化磷酸化功能下降。 二、大片段重组 mtDNA 的大片段重组包括缺失和重复，以缺失较为常见。大片 段的缺失往往涉及多个基因，可导致线粒体 OXPHOS 功能下降，产 生的 ATP 减少，从而影响组织器官的功能。 最常见的缺失是 8483～13459 位碱基之间 5.0kb 的片段，该缺失 约占全部缺失患者的 1/3，故称“常见缺失”（common deletion），由 于 ATPase8、ATPase6、COⅢ、ND3、ND4L、ND4、ND5 及部分 tRNA 基因的丢失，造成 OXPHOS 中某些多肽不能生成，ATP 生成减少， 多见于 Kearns-Sayre 综合症（KSS）、缺血性心脏病等；另一个较为常 见的缺失是 8637～16073 位碱基之间 7.4kb 的片段，两侧有 12bp 的同 向重复序列，丢失了 ATPase6、COⅡ、ND3、ND4L、ND4、ND5、 ND6、cytb、部分 tRNA 和 D-环区的序列，多见于与衰老有关的退行 性疾病；第三种常见的缺失是第 4389 至 14812 位 10.4kb 的片段，由 于大部分基因丢失，能量代谢受到严重破坏。 引起 mtDNA 缺失的原因可能是 mtDNA 分子中同向重复序列的 滑动复制或同源重组，典型疾病为 KSS、慢性进行性眼外肌瘫痪 （CPEO）等。 三、mtDNA 数量减少 mtDNA 数量的减少可为常染色体显性或隐性遗传，即提示该病 由核基因缺陷所致线粒体功能障碍。 四、mtDNA 突变的修复
mtDNA突变率比nDNA高10~20倍,其原因有以下几点:① 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;② mtDNA是裸露的分子,不与组蛋 白结合,缺乏组蛋白的保护;③ mtdNA位于线粒体内膜附近,直接 暴露于呼吸链代谢产生的超氧粒子和电子传递产生的羟自由基中,极 易受氧化损伤。如:mDNA链上的脱氧鸟苷(dG)可转化成羟基脱 氧鸟苷(8-OH-dG),导致 mtDNA点突变或缺失;④ mtDNA复制频 率较高,复制时不对称。亲代H链被替换下来后,长时间处于单链状 态,直至子代L链合成,而单链DNA可自发脱氨基,导致点突变; ⑤缺乏有效的DNA损伤修复能力。过去人们认为线粒体中缺乏DNA 修复系统,近年来的研究表明,线粒体有一定的自我修复能力。 mtNA的修复机制主要有两种。一种为切除修复:核酸内切酶 先切除损伤DNA片段,然后DNA聚合酶以未损伤链为模板,复制正 确的核苷酸序列以填补形成的空缺。线粒体内存在上述过程所需的几 种酶;另一种是转移修复,通过转移酶识别突变核苷酸(如甲基化核 苷酸),并将该突变核苷酸清除。线粒体中虽然存在该修复类型所需 的某些酶,但种类较少,清除突变碱基的能力远低于nDNA,而且在 分裂旺盛的组织中有酶活性,在分裂终末组织(如脑组织)中则无酶 活性。 第三节线粒体疾病的遗传 每个细胞中有许多线粒体,每个线粒体中有若干个DNA分子 因此,由线粒体DNA突变所引起的细胞病变就不可能像核DNA突变 引起的细胞病变那么简单。缺失多发生于体细胞中,引起的疾病常为 散发,无家族史,突变 mtDNA随年龄增长在组织细胞中逐渐积累, 故诱发的疾病在一定的年龄阶段表现并进行性加重,缺失的大小、位 置与疾病的生化表现和严重程度是否相关尚无定论;发生在生殖细胞
7 mtDNA 突变率比 nDNA 高 10～20 倍，其原因有以下几点：① 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；②mtDNA 是裸露的分子，不与组蛋 白结合，缺乏组蛋白的保护；③mtDNA 位于线粒体内膜附近，直接 暴露于呼吸链代谢产生的超氧粒子和电子传递产生的羟自由基中，极 易受氧化损伤。如：mtDNA 链上的脱氧鸟苷（dG）可转化成羟基脱 氧鸟苷（8-OH-dG），导致 mtDNA 点突变或缺失；④mtDNA 复制频 率较高，复制时不对称。亲代 H 链被替换下来后，长时间处于单链状 态，直至子代 L 链合成，而单链 DNA 可自发脱氨基，导致点突变； ⑤缺乏有效的 DNA 损伤修复能力。过去人们认为线粒体中缺乏 DNA 修复系统，近年来的研究表明，线粒体有一定的自我修复能力。 mtDNA 的修复机制主要有两种。一种为切除修复：核酸内切酶 先切除损伤 DNA 片段，然后 DNA 聚合酶以未损伤链为模板，复制正 确的核苷酸序列以填补形成的空缺。线粒体内存在上述过程所需的几 种酶；另一种是转移修复，通过转移酶识别突变核苷酸（如甲基化核 苷酸），并将该突变核苷酸清除。线粒体中虽然存在该修复类型所需 的某些酶，但种类较少，清除突变碱基的能力远低于 nDNA，而且在 分裂旺盛的组织中有酶活性，在分裂终末组织（如脑组织）中则无酶 活性。 第三节 线粒体疾病的遗传 每个细胞中有许多线粒体，每个线粒体中有若干个 DNA 分子。 因此，由线粒体 DNA 突变所引起的细胞病变就不可能像核 DNA 突变 引起的细胞病变那么简单。缺失多发生于体细胞中，引起的疾病常为 散发，无家族史，突变 mtDNA 随年龄增长在组织细胞中逐渐积累， 故诱发的疾病在一定的年龄阶段表现并进行性加重，缺失的大小、位 置与疾病的生化表现和严重程度是否相关尚无定论；发生在生殖细胞
中的 mtDNA突变引起母系家族性疾病。 母系遗传 在精卵结合时,卵母细胞拥有上百万拷贝的 mtDNA,而精子中 只有很少的线粒体,受精时几乎不进入受精卵,因此,受精卵中的线 粒体DNA几乎全都来自于卵子,来源于精子的 mt DNA对表型无明显 作用,这种双亲信息的不等量表现决定了线粒体遗传病的传递方式不 符合孟德尔遗传,而是表现为母系遗传( maternal inheritance),即母 亲将 mtDNA传递给她的儿子和女儿,但只有女儿能将其 mtDNA传 递给下一代(图74) 图74线粒体基因病系谱 异质性在亲子代之间的传递非常复杂,人类的每个卵细胞中大约 有10万个 mtDNA,但只有随机的一小部分(2~200个)可以进入成 熟的卵细胞传给子代,这种卵细胞形成期mtNA数量剧减的过程称 “遗传瓶颈效应”。通过“瓶颈”的 mtDNA复制、扩增,构成子代的 mtdNA种群类型。瓶颈效应限制了下传的 mtDNA的数量及种类,造 成子代个体间明显的异质性差异,甚至同卵双生子也可表现为不同的 异质性水平。因此,一个线粒体疾病的女患者或女性携带者(因细胞 中异常 mtDNA未达到阈值或因核基因的影响而未发病)可将突变 mtDNA传递给子代,子代个体之间异质的 mtDNA的种类、水平可以 不同(图7-5),由于阈值效应,子女中得到较多突变 mt dNA者将发 病,得到较少突变 mtdNA者不发病或病情较轻。 图75线粒体的母系传递(涂黑的为突变线粒体)O:卵子S:精子A、B、C:子代细 Mitochondrial inheritance
8 中的 mtDNA 突变引起母系家族性疾病。 一、母系遗传 在精卵结合时，卵母细胞拥有上百万拷贝的 mtDNA，而精子中 只有很少的线粒体，受精时几乎不进入受精卵，因此，受精卵中的线 粒体 DNA 几乎全都来自于卵子，来源于精子的 mtDNA 对表型无明显 作用，这种双亲信息的不等量表现决定了线粒体遗传病的传递方式不 符合孟德尔遗传，而是表现为母系遗传（maternal inheritance），即母 亲将 mtDNA 传递给她的儿子和女儿，但只有女儿能将其 mtDNA 传 递给下一代（图 7-4）。 图 7-4 线粒体基因病系谱 异质性在亲子代之间的传递非常复杂，人类的每个卵细胞中大约 有 10 万个 mtDNA，但只有随机的一小部分（2～200 个）可以进入成 熟的卵细胞传给子代，这种卵细胞形成期 mtDNA 数量剧减的过程称 “遗传瓶颈效应”。通过“瓶颈”的 mtDNA 复制、扩增，构成子代的 mtDNA 种群类型。瓶颈效应限制了下传的 mtDNA 的数量及种类，造 成子代个体间明显的异质性差异，甚至同卵双生子也可表现为不同的 异质性水平。因此，一个线粒体疾病的女患者或女性携带者（因细胞 中异常 mtDNA 未达到阈值或因核基因的影响而未发病）可将突变 mtDNA 传递给子代，子代个体之间异质的 mtDNA 的种类、水平可以 不同（图 7-5），由于阈值效应，子女中得到较多突变 mtDNA 者将发 病，得到较少突变 mtDNA 者不发病或病情较轻。 图 7-5 线粒体的母系传递（涂黑的为突变线粒体）O：卵子; S：精子; A、B、C：子代细胞 Mitochondrial inheritance
1. Mitochondria have their own DNA and are inherited only from the mother 2. Mitochondria are distributed randomly in daughter cells, so these may contain normal mitochondrial dna. mutant dna or a mixture of both there is, therefore, variable expression of disease due to mutation in mitochondrial DNA, depending upon the relative proportion of normal to mutant DNA. No affected male will transmit the disease(e.g. Leber's optic atrophy . Mutations in mitochondrial DNA occur more frequently(as much as tenfold faster )than those in nuclear genes involved in oxidative phosphorylation 4.The physiologic effect of defective mitochondrial function depends on the energy requirements ofthe cell 5. Oxidative phosphory lation integrity declines with aging, paralleling the accumulation of mitochondrial dna mutations in somatic cell 6.The same clinical profile may result from different genetic defects, and less commonly, an identical genetic defect can result in different p 多质性 人体不同类型的细胞含线粒体数目不同,通常有成百上千个,而 每个线粒体中有2~10个 mtDNA分子,由于线粒体的大量中性突变 因此,绝大多数细胞中有多种 mtdNA拷贝,其拷贝数存在器官组织 的差异性。 细胞融合实验表明不同线粒体之间tRNA和rRNA存在翻译互补 作用,其机制可能是线粒体互相融合及 mtDNA及其转录物的再分布 、异质性
9 1.Mitochondria have their own DNA and are inherited only from the mother. 2.Mitochondria are distributed randomly in daughter cells, so these may contain normal mitochondrial DNA, mutant DNA, or a mixture of both. there is, therefore, variable expression of disease due to mutation in mitochondrial DNA, depending upon the relative proportion of normal to mutant DNA. No affected male will transmit the disease (e.g. Leber’s optic atrophy). 3.Mutations in mitochondrial DNA occur more frequently (as much as tenfold faster)than those in nuclear genes involved in oxidative phosphorylation. 4.The physiologic effect of defective mitochondrial function depends on the energy requirements of the cell. 5.Oxidative phosphorylation integrity declines with aging, paralleling the accumulation of mitochondrial DNA mutations in somatic cell. 6.The same clinical profile may result from different genetic defects, and, less commonly, an identical genetic defect can result in different phenotype. 二、多质性 人体不同类型的细胞含线粒体数目不同，通常有成百上千个，而 每个线粒体中有 2～10 个 mtDNA 分子，由于线粒体的大量中性突变， 因此，绝大多数细胞中有多种 mtDNA 拷贝，其拷贝数存在器官组织 的差异性。 细胞融合实验表明不同线粒体之间 tRNA 和 rRNA 存在翻译互补 作用，其机制可能是线粒体互相融合及 mtDNA 及其转录物的再分布。 三、异质性
如果同一组织或细胞中的 mtdNA分子都是一致的,称为同质性 homoplasmy)。在克隆和测序的研究中发现一些个体同时存在两种 或两种以上类型的 mt dNA,这是由于 mtDNA发生突变,导致一个细 胞内同时存在野生型 mtdNA和突变型 mtDNA,称为异质性 ( heteroplasmy)。野生型 mtdNA对突变型mDNA有保护和补偿作用, 因此, mtDNA突变时并不立即产生严重后果 线粒体异质性可分为序列异质性( sequence-based heteroplasmy) 和长度异质性( length-based hetero lasmy),一般表现为:①同一个体 不同组织、同一组织不同细胞、同一细胞甚至同一线粒体内有不同的 mtDNA拷贝;②同一个体在不同的发育时期产生不同的 mtDNA。 不同组织中异质性水平的比率和发生率各不相同,中枢神经系 统、肌肉异质性的发生率较高,血液中异质性的发生率较低;在成人 中的发生率远远高于儿童中的发生率,而且随着年龄的增长,异质性 的发生率增高。 mtDNA的异质性可以表现在编码区,也可以表现在非编码区, 编码区的异质性通常与线粒体疾病相关。由于编码区和非编码区突变 率以及选择压力的不同,正常人 mtdNA的异质性高发于D环区。 四、阈值效应 mtDNA突变可以影响线粒体 OXPHOS的功能,引起ATP合成障 碍,导致疾病发生,但实际上基因型和表现型的关系并非如此简单。 突变型mDNA的表达受细胞中线粒体的异质性水平以及组织器官维 持正常功能所需的最低能量影响,可产生不同的外显率和表现度 异质性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,能引起特定组织器官功能障碍的突变 mtdNA的最少数量称 阈值。在特定组织中,突变型 mtDNA积累到一定程度,超过阈值时, 能量的产生就会急剧地降到正常的细胞、组织和器官的功能最低需求 量以下,引起某些器官或组织功能异常,其能量缺损程度与突变型 mtDNA所占的比例大致相当
10 如果同一组织或细胞中的 mtDNA 分子都是一致的，称为同质性 （homoplasmy）。在克隆和测序的研究中发现一些个体同时存在两种 或两种以上类型的 mtDNA，这是由于 mtDNA 发生突变，导致一个细 胞内同时存在野生型 mtDNA 和突变型 mtDNA ，称为异质性 （heteroplasmy）。野生型mtDNA对突变型mtDNA有保护和补偿作用， 因此，mtDNA 突变时并不立即产生严重后果。 线粒体异质性可分为序列异质性（sequence-based heteroplasmy） 和长度异质性（length-based heteroplasmy），一般表现为：①同一个体 不同组织、同一组织不同细胞、同一细胞甚至同一线粒体内有不同的 mtDNA 拷贝；②同一个体在不同的发育时期产生不同的 mtDNA。 不同组织中异质性水平的比率和发生率各不相同，中枢神经系 统、肌肉异质性的发生率较高，血液中异质性的发生率较低；在成人 中的发生率远远高于儿童中的发生率，而且随着年龄的增长，异质性 的发生率增高。 mtDNA 的异质性可以表现在编码区，也可以表现在非编码区， 编码区的异质性通常与线粒体疾病相关。由于编码区和非编码区突变 率以及选择压力的不同，正常人 mtDNA 的异质性高发于Ｄ环区。 四、阈值效应 mtDNA 突变可以影响线粒体 OXPHOS 的功能，引起 ATP 合成障 碍，导致疾病发生，但实际上基因型和表现型的关系并非如此简单。 突变型 mtDNA 的表达受细胞中线粒体的异质性水平以及组织器官维 持正常功能所需的最低能量影响，可产生不同的外显率和表现度。 异质性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，能引起特定组织器官功能障碍的突变 mtDNA 的最少数量称 阈值。在特定组织中，突变型 mtDNA 积累到一定程度，超过阈值时， 能量的产生就会急剧地降到正常的细胞、组织和器官的功能最低需求 量以下，引起某些器官或组织功能异常，其能量缺损程度与突变型 mtDNA 所占的比例大致相当