线粒体基因病课件.ppt
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1、,线粒体遗传病,(,Mitochondrial Genetic Diseases),?,线粒体内的线粒体,DNA(mitochondrial DNA,mtDNA),组成,线粒体基因组,。,mtDNA,基因突变引,起的人类疾病称为,线粒体遗传病,或,线粒体基因病,。,?,线粒体基因病呈母系遗传,它危及各个年龄层次,,其临床表现往往呈进行性加重,最终使患者严重致,残或致死。,?,短短的十几年中,这一领域的研究迅猛发展,已发,现线粒体突变基因所致的功能缺陷与,100,多种疾病,有关。,研究简史,?,1894,年于动物细胞质内发现,线粒体。,?,1963,年,Nass,首次在鸡卵母,细胞中发现线粒,体
2、中存在有,DNA,。,?,1981,年报道了人,mtDNA,的,完整序列。,?,1988,年,Wallace,等在线粒体,脑肌病等患者,的,mtDNA,中,发现了,mtDNA,缺失和点突,变。,一,、,线粒体基因,?,线粒体是细胞内,半自主,细胞器,具有自己的一,套基因表达系统和表达,体系,被称之为“,人类,第,25,号染色体,”、“,线,粒体基因组,”,。,Structure of mtDNA,?,mtDNA,构成线粒体基,因组。人的,mtDNA,是由两,条链组成的一条,环状的,DNA,分子,两条链因含碱基成份不,同,一条链叫,L,链,另一条为,H,链,整,条,m,t,D,N,A,是,由,1
3、,6,569bp,组成。,Anderson&,Cambridge sequence,?,线粒体基因组,由,37,个基因组,成。,?,L,链仅编码,8,种,tRNA,和一种,小分子的,mRNA,?,其余的均为,H,链编码。,mtDNA,的功能,mtDNA,共编码,2,种,rRNA,22,种,tRNA;,。,mtDNA,编码线粒体内的,13,种,多,肽,,,参,与,氧,化,磷,酸,化,(,OXPHOS,)。,OXPHOS,由,5,个,酶复合体()组成。,?,复合体,由,30,多个多肽组成,其中,7,个由,mtDNA,编,码。,?,复合体,由,4,个,nDNA,编码的多肽构成。,?,复合体,由,10
4、,个多肽构成;,1,个由,mtDNA,编码。,?,复合体,由,13,个多肽构成,,3,个由,mtDNA,编码。,?,复合体,由,12,个多肽组成,,2,个由,mtDNA,编码。,线粒体基因特点,?,1.,半自主性,mtDNA,能够,独立,地复制与表达,,因,nDNA,编码大量的维持线粒体结构和功能的大,分子复合物及多数,OXPHOS,酶的蛋白质亚单位,,其功能又,受,nDNA,的影响,。,?,2.,线粒体基因组中各基因排列紧密,?,几乎每个核苷酸都是编码顺序的一部分,不是编,码蛋白质就是编码一种,rRNA,或者,tRNA,仅有很,小的一段作为调控,DNA,顺序。,3.,遗传密码和通用密码不同,
5、表,1,人类“通用”密码子和线粒体密码子之间的几点区别,密码子,“通用”密码,线粒体密码,UGA,终止密码,色氨酸,AUA,AUU,异亮氨酸,甲硫氨酸,AGA,AGG,精氨酸,终止密码,4.,母系遗传,?,母亲将她的,mtDNA,传递给她的所有子女,,她,的,女,儿,们,又,将,其,mtDNA,传给下一代。,序,列分析,子代,mtDNA,发,现,1/10 000,的,mtDNA,来,自父亲,余之来自母亲。,因此,99.99%,的,mtDNA,属母系传递。,5.,同质性与异质性,?,由于细胞内线粒体有成百上千个,mtDNA,拷贝,在细胞分,裂时它们又被随机分配到子细胞中,这样线粒体遗传就不,同,
6、于,核,基,因,的,孟,德,尔,遗,传,。,在,正,常,组,织,中,,,所,有,的,mtDNA,分子都是一致的,称为,同质性,。,?,如果,mtDNA,发生突变,造成在同一细胞或同一组织中两,种或两种以上,mtDNA,共存,一种为野生型,另一种为突,变型,即为,异质性,。,异质性细胞经过有丝分裂和减数分裂,,随机分,离到两个子细胞中的突变型和野生型,mtDNA,的比例,发生改变,,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,最多不会超出,100,个,。,线粒体数目,从,10,5,个锐减到少于,100,个,的过程称,为,遗传瓶颈,。,mtDNA,基因型分别向纯合突变型和
7、纯,合野生型,漂变,,经过无数次分裂后,细胞可达到同质,性,。,6.,阈值效应,?,由,mtDNA,突变所致的表型表达与核基因的,显性或隐性表达不同,主要是由某种组织中野生型,与突变型,mtDNA,的相对比例以及该种组织对线粒,体的,ATP,产生的依赖程度所决定的。,?,突变,mtDNA,的数目,需达到某种程度才足以,引起某种组织或器官功能的异常,这称为,阈值效应,。,7.,突变率高,?,mtDNA,中,各基因排列紧凑,,另外,mtDNA,既,无组蛋白保护,,又,缺乏,有效的,DNA,损伤修复系统,,且直接,暴露,于,OXPHOS,过程中产生的高反应氧中,,因此突变率大约是,核,DNA,的,1
8、0,20,倍,。,8.mtDNA,整合到核基因组,?,mtDNA,可以,稳定地整合,到核基因组,中。在人的胎盘组织、白细胞等核基因组,中均发现整合的,mtDNA,。,二、,mtDNA,突变,?,mtDNA,突变的类型:,?,碱基突变,?,1,.,错义突变,:又称氨基酸替换突变,主要与神经系统疾病,有关,如,LHON,等。,?,2.,蛋白质生物合成基因突变,:为,tRNA,基因突变,与线粒,体肌病相关,典型疾病包括有癫痫伴碎红纤维病等。,缺失、插入突变,?,经常是以,缺失为多见,,缺失突变主要引起绝大,多数,眼肌病,。常发生于神经性疾病及一些退化性疾,病中,如,KSS,综合征。,mtDNA,拷贝
9、数目突变,?,拷贝数目突变为,mtDNA,拷贝数低于正常,,,这种突变较少,仅见于一些致死性婴儿呼吸障碍,等病例。,?,此外,,mtDNA,病变具有相应的,组织特异性,。,?,有些线粒体遗传病是,nDNA,与,mtDNA,共,同作用,的结果。,三、,常见的线粒体基因病,?,线粒体基因病也称为,线粒体肌病,,这类疾,病常伴有明显的肌肉异常、共济失调、心肌病、,视网膜病等。,mtDNA,点突变与疾病,?,Leber,遗传性视神经病,(,LHON,),?,LHON,是人类母系遗传病的典型病例。,Leber,遗传性视神经病,(LHON);,线粒体肌病脑肌病伴乳酸中毒及中风样发作综合征(,MELAS);
10、,肌阵挛性癫痫伴碎红纤维病,;,神经性肌软弱、共济失调、色素性视网膜炎(,NARP,),;,mtDNA,突变与耳聋,;,母系遗传性肌病和心肌病(,MMC,),;,Leigh,病,.,?,主要症状,:双侧视,神经萎缩,一般发,病为,18,30,岁,,男,女,发,病,比,例,为,4:1,。其它相关症,状包括反射亢进,,小脑共济失调,外,周视神经炎及心脏,节律失调等。,?,mtDNA,上,许多位点的突变,都伴有,LHON,。,?,1988,年,Wallace,最先发现,mtDNA,第,11778,位点,的GA,使,NADH,脱氢酶亚单位,4(ND4),蛋,白质中第,340,个氨基酸由精氨酸组氨酸。,
11、50%,的,LHON,病是由该位点引起。,Wallace mutation,11778GA,11778 GA,ND4:Arg 340 His,LHON,MtDNA,突变,相关基因,Nt,11778(G,A),nt,15257(G,A),nt,7444(G,A),nt,4160(T,C),nt,3460(G,A),nt,3394(T,C),nt,14484(T,C),mtDNA,协同突变:,nt,15812(G,A),nt,13708(G,A),nt,5244(G,A),nt,4917(A,G),nt,4216(T,C),ND4,Cyb6,COX I,ND1,ND1,ND1,ND6,这些突变与各
12、种组合时,可致,LHON,表,2,与,LHON,病相关的,mtDNA,突变,现在还发现,10,多种点突变,与该病的发生相关;,有些突变单独可引起,LHON,,有些则必须与其它,突变配合作用才发生,LHON(,表,2),?,LHON,的研究也提出了线粒体病中的一,个概念,即,多种突变的相互作用,,其中也包括,核基因的作用,最终导致疾病的发生。最近已,发现,X,染色体,上一基因位点与,LHON,视萎缩有,关,这大概可以解释为什么,LHON,男性患者较,多的原因。,?,我国,LHON,家系的研究也获得了类似结果。在,LHON,家系中,,11 778,位点大多是同质性的,异质性个,体则随细胞分裂发生复
13、制分离,产生多种多样的异质基,因型,而且在不同组织中突变,DNA,比例不同,它们都向,同质性方向漂变。,利用,Wallace,突变,可以对约,50,LHON,家系进,行基因诊断,?,其原理是因,11,778,位点,GA,丧失,SfaN,酶,切位点,同时又获得Mae酶切位点,可以在,11,778,位,点两侧设计一对引物,通过,PCR,扩增,其产物用,SfaN,酶切,正常个体可切成,条带,而患者和携带者只有,一,条带,。,?,如果用,Mae,酶切,,则相反,正常个体,1,条带,突变个体可为,2,条带,,如杂合可出现条带这样可以做,到准确的诊断。,?,PCR,-SSCP,分析,,结合序列分,析进行确
14、诊,线粒体肌病脑肌病伴乳酸中毒及中风样发作综,合征(,MELAS,),?,MELAS,的症状,为:突发呕吐,乳酸中毒,肌肉,组织病变,有碎红纤维。有时伴痴呆,耳聋,身材矮,小等症状。中风具可逆性,使大脑皮层和脊髓白质损,伤,可用,CT,或,MRI,检出。,?,一般很少见,MELAS,的家系中患者有上述全部症,状,而其,母系亲属常仅表现神经异常,。,?,80%,的,MELAS,患者,mtDNA,编码的,tRNA,基因,3,243,位点有AG的突变,,另四种,少见的突变,均在,该基因的,3 291,、,3 271,、,3 256,和,3 252,位点。,?,MELAS,突变可能降低转录活性并改变线
15、粒体,rRNA,和,mRNA,转录的比例。具有,mtDNA,突变的个,体也常随年龄的增加而加重病情。,肌阵挛性癫痫伴碎红纤维病,?,肌阵挛性癫痫伴碎红纤维病,(,MERRF,),是一种线粒,体肌病,(MM),,它除了具有,MM,的特征,(,即破碎的肌红纤,维和形态异常的线粒体,),之外,还伴有失控的阵挛性癫痫。,?,具有明显的,母系遗传性,,患者的母系亲属常表现一,些症状如脑电图异常,感觉神经听力丧失,痴呆,呼吸,异常,扩张性心肌病和肾功能障碍等症状。,?,MERRF,家系与,多向性氧化磷酸化受损,有关,,主要是呼吸链酶,复合物和,受到损伤。氧化磷酸,化酶缺陷程度与临床症状严重程度成正比。,?
16、,80,90%,患者,mtDNA,的,tRNA,基因的第,8344,位AG突变,小部分在同一基因的,8,356,位TC突变,。,?,主要影响线粒体呼吸链的酶,复合物和。,该突变使,tRNALys,的,T,C,Loop,区,发生改变,蛋,白质合成受阻。,?,MERRF,家族成员,mtDNA,通常为,异质性,,,氧化磷酸化酶水平会随着年龄的增大而迅速,降低,而与,mtDNA,突变仅部分相关。,?,随着年龄的增大,氧化磷酸化能力进一步降低,,直至低于阈值,出现临床症状。可解释为什么许多,有,mtDNA,突变的个体在早期是正常的,到一定年,龄发病,尔后病情加剧。,神经性肌软弱、共济失调、色,素性视网膜
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