遗传学论文-- 线粒体病的研究进展

遗传学论文-- 线粒体病的研究进展 线粒体病的研究进展 【摘要】 线粒体产生细胞生存所必需的能量，是细胞质内带有遗传信息的细胞器。近年来，线粒体机能异常与人类疾病的关系逐渐受到人们关注，如线粒体脑肌病、线粒体心肌病、Parkinson病、Alzhcirner病等疾病相关。广义的线粒体病是指以线粒体异常为主要病因的一大类疾病。除线粒体基因组缺陷直接导致的疾病外，编码线粒体蛋白的核DNA突变也可引起线粒体病，但这种疾病变现为孟德尔遗传方式。目前还发现有一类线粒体疾病，可能涉及到mtDNA与nDNA的共同改变，认为是基因组间交流的通讯缺陷。通常所指的线粒体疾病为狭义的概念，即线粒体DNA突变所指的线粒体功能异常。 一、线粒体的功能 1.线粒体最主要的功能是氧化磷酸化 氧化代谢产生的能量转化为电化学质子梯度，结果产出高能磷酸键生成ATP。在有氧条件下，电子从NADH传递到氧，获得的能量转移被用作两个线粒体膜之间质子泵。质子泵经电子向链下部传递用于能量释放并产生PH梯度和近60mv的电子梯度穿过线粒体内膜，复合物V(ATP)合成酶用这种梯度能量产生ATP。在氧化磷酸化期间，线粒体产生ROS，线粒体超氧化物歧化酶在去除反应性氧中起重要作用。ROS能损害蛋白质和核酸，如果不及时去除可引起线粒体和细胞损害。 2.线粒体在细胞凋亡中起重要作用 多数凋亡前刺激需要线粒体外膜通透性，引起线粒体内膜释放蛋白质到胞浆。如细胞色素C和凋亡早期因子，这些因子释放的关键作用是通道开放(线粒体传递孔)，孔的开放和凋亡活化与线粒体蛋白质降解相关。在此条件下凋亡的过度活化，线粒体氧化磷酸化与Leber遗传性视神经中细胞死亡有关。 3.线粒体在某些代谢通路中也起基本作用 由于丙酮酸脱氢酶(PDH)引起丙酮酸氧化发生与线粒体内部，并提供乙酰辅酶A来燃烧Krebs循环。对Krebs循环、脂肪酸氧化、酮氧化和支链丙酮酸代谢酶全包含在线粒体内，尿素循环的某些步骤也位于线粒体内。因此线粒体功能丧失引起某些同路异常。 二、线粒体病的分类 (一)mtDNA突变引起的疾病 不同的mtDNA突变可导致相同的疾病，而同一突变也可引起不同 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现型，并且通常与突变的mtDNA的异质性水平和组织分布有关。如A8344G、T8356C均可导致MERRF;又如低比例的T8993G点突变导致NARP，比例>90%时异常导致Leigh病;高比例的A3243G突变造成MEILAS,低比例时可导致母系遗传的糖尿病和耳聋。目前已经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。 1)Leber遗传性视神经病:简称LHON，与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18,20岁发病，男性较多见，个体细胞中突变mtDNA超过90%时发病少于80%时男性病状不明显。临床表现为双侧视神经严重萎缩引起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、癫痫及心律失常等。 目前线粒体DNA的位点突变被认为是LHON的特异性病征，国外已报道25个位点突变，一般公认原发突变位点有11778(G?A)占40%，3460(G?A)占6%,25%和14484(T?C)占10%,15%3个，可单独致病，未在正常人群中发现。 1991年Huoponen等首先在N41基因发现3460位点突变，次年1992年John等发现14484位点突变。我国LHON11778位点突变占66%，但罕见。现认为位点突变与LHON密切相关，亦有少数4146及14459位点突变被认为是与LHON相关的主要致病性突变。LHON继发位点近年来有增多的趋势，已达22个，虽然它们在LHON患者中发生率比对照组中高，但在对照家系中也存在，一般认为可能为多态性，母亲发现有异质性，且单独存在时不患病。有人认为继发位点不能改变该病的表现，但也有人认为可增强表型表达的可能性，可起媒介作用或有低危险性。 治疗:本病至今尚无有效的治疗方法。因为有些病人在病程中视力可以自然恢复，所以对任何治疗效果的 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 均应慎重。目前此病被作为基因治疗的重点研究对象之一。为减少对视神经的毒性损害，应告诫患者戒烟和戒酒。虽然临床有使用神经营养药物治疗，但并无肯定的疗效。日本目前对于急性期病例使用血管扩张剂艾地苯醌(idebenone)联合维生素B2、维生素C、泛癸利酮(辅酶Q10)和前列腺素类的降眼压药异丙乌诺前列酮(Isopropyl unoprostone)，旨在缩短视力恢复的时间。有些Leber遗传性视神经病变病人，在视力减退数月甚至数年以后，视力可以部分甚至全部恢复。这种视力部分或全部恢复的病例，据统计可分别为29%及12%。视力一旦有所恢复，通常很少会再减退。 二)线粒体脑肌病 线粒体肌病(mitochondrial myopathy)是指因遗传基因的缺陷导致线粒体的结构和功能异常，导致细胞呼吸链及能量代谢障碍的一组多系统疾病。伴有中枢神经系统症状者称线粒体脑肌病。此病于1962年由Luft首次采用改良Gomori Trichrome染色(MGT)发现肌纤维中有破碎红纤维(或不整红边纤维)(ragged red fiber，RRF)，并诊断首例线粒体肌病，继而发现此类线粒体疾病也可同时累及中枢神经系统，引起多种线粒体脑肌病。本病为一组临床综合征。线粒体脑肌病常见的临床综合征依次分述如下: 1.线粒体肌病(mitochondrial myopathy) 主要表现为以四肢近端为主的肌无力伴运动耐受不能。任何年龄均可发病，儿童和青年多见。肌无力进展非常缓慢，可有缓解复发。患病几十年后患者仍可生活自理。婴儿线粒体肌病有婴儿致死性和良性两种类型。致死性婴儿肌病多发生在出生后1周，表现为肌力、肌张力低下、呼吸困难、乳酸中毒和肾功能不全，多于1岁内死亡。良性婴儿肌病表现为婴儿期内肌力、肌张力低下和呼吸困难，1岁以后症状缓解，并逐渐恢复正常。最常见的基因异常为mtDNA3250位点上的突变。生化缺陷主要为酶复合体?缺乏，也可有复合体?、?缺乏。肌活检可见大量RRF，血清肌酶多正常或轻度升高。可有高乳酸血症。 2.线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作(MELAS) 是一组以卒中为主要临床特征的线粒体病，呈母性遗传，80%以上的患者20岁以前发病。特征性的临床表现为反复发作的头痛和(或)呕吐、皮质盲(偏盲)、偏身感觉障碍。头痛表现为偏头痛或偏侧颅面痛，反复性呕吐可伴或不伴偏头痛。皮质盲是本综合征的一个非常重要的症状，30岁以下枕叶卒中的患者中，14%为MELAS。局限性癫痫有时是MELAS卒中发作的先兆，为本综合征的特征之一。其他伴随症状有身材矮小、智能低下、肌力减退、感音性耳聋和癫痫发作。酶复合体?缺乏是MELAS最常见(50%)的生化缺陷，此外还可有复合体?和?缺乏。80%的MELAS在mtDNA3243位点上 有移位突变，有些患者在3271、3252、3260、3291位点上也发现了移位突变。MELAS主要的脑病理改变为大脑和小脑皮质、齿状核呈海绵状变性，大脑皮质、基底核、丘脑、小脑和脑干多灶性坏死。大脑皮质假分层状坏死作为缺氧性脑病的病理特征也可见于MELAS，此外脑弥漫性钙化也很常见。由于在脑血管平滑肌、内皮细胞以及神经元细胞内均可见大量异常线粒体集聚，因此目前还不清楚卒中样发作是由脑血管病变还是神经元功能障碍所致。肌肉活检可见RRF和强琥珀酸脱氢酶反应性血管(strongly SDH-reactive vessel，SSV)。脑CT表现为脑白质尤其是脑皮质下白质内多发性低密度灶，基底核对称性或全脑弥漫性钙化。 3.伴破碎红纤维的肌阵挛癫痫(myoclonus epilepsy with ragged red fiber，MERRF) 为母性遗传方式。40岁以前均可发病，10岁左右起病多见。其主要临床特征为小脑共济失调、肌阵挛或肌阵挛癫痫。母系亲属可呈现部分表现型，如仅有耳聋或癫痫(包括失神发作、失张力发作和强制阵挛发作)。伴随症状可有身材矮小、精神运动发育迟缓、神经性耳聋、视神经萎缩、眼肌麻痹、颈部脂肪瘤、周围神经病、心脏病和糖尿病。MERRF的生化缺陷多数为酶复合体?缺乏，其次为酶复合体?和?缺乏。80%的MERRF患者在mtDNA8344位点上有移位突变。脑病理改变主要累及小脑齿状核、红核、壳核和Luys体。肌肉的主要病理改变为:RRF和SSV，后者反映线粒体在血管内皮和平滑肌细胞内聚集。血或脑脊液乳酸水平可升高。颅脑CT可见脑萎缩。 4.Kearns-Sayre综合征(KSS)及Pearson综合征 KSS多在20岁以前发病，多为散发，除眼外肌瘫痪外伴视网膜色素变性和(或)心脏传导阻滞，还可出现身材矮小、神经性耳聋和小脑性共济失调。Pearson综合征为一组婴儿非神经系统紊乱症状，包括全血细胞下降，胰外分泌功能紊乱，肝功异常，可有肾功能衰竭，幸存者后期出现KSS表现。此二综合征的遗传基础为mtDNA大量重复。 5.慢性进行性外眼肌麻痹(chronic progressive external ophthalmoplegia，CPEO) 可为家族性或散发性，家族性发病的遗传方式目前尚不能完全确定，部分为母性遗传，也可以是常染色体显性遗传。任何年龄均可发病，但20岁以前发病者多见。临床表现为眼球运动障碍、眼睑下垂、短暂复视，多伴有易疲劳和肢体近端无力。肌活检病理可见大量RRF和细胞色素氧化酶(COX)缺失。电镜下可见肌膜下大量异常线粒体集聚，线粒体嵴异常和嵴内类晶体样包涵体形成。脑脊液检查可有乳酸增高和蛋白升高。国内学者研究证实mtDNA有杂合缺失，另经DNA测序证实mtDNA10909位点产生一个新的Pvu?酶切位点，且由单个碱基置换，认为是一新的点突变(陈清棠等，1996)，采用蛋白A胶体金法(PGA)标记及免疫电镜观察，发现肌肉组织中与线粒体酶复合体?、?、?及?结合的金粒子，其程度减少，提示线粒体内呼吸链中的酶复合体活性降低(宋东林等，1996)。6.Leigh病 又称亚急性坏死性脑脊髓病。为家族性或散发性线粒体脑肌病。部分为母性遗传，部分为常染色体隐性遗传。于出生后6个月,2岁内发病。典型症状为喂食困难，共济失调，肌张力低下，精神运动性癫痫发作以及脑干损伤所致的眼睑下垂，眼肌麻痹，视力下降和耳聋。临床上见到幼儿出现反复发作的共济失调，肌张力降低，手足徐动及呕吐症状应考虑此病。本病5%的基因异常与MERRF相同，为mtDNA8344和8993位点突变。脑损害分布和病理特征与Wernicke脑病非常相似，但比Wernick脑病更广泛，表现为丘脑、基底核、中脑、脑桥、延髓和脊髓双侧对称性海绵状改变伴髓鞘脱失、胶质和血管增生，周围神经可有脱髓鞘性改变。与Wernicke脑病不同的是乳头体很少受累。肌肉活检除电镜下可见线粒体增多外无其他异常。脑CT和MRI常可发现基底核和脑干病变。血和 脑脊液乳酸水平几乎均增高。 7.Wolfram综合征 主要临床表现是青少年发病的糖尿病和耳聋。此病具有发病年龄不定，程度不一，累及多器官和母系遗传特点。遗传基础为mtDNA中tRNA亮氨酸(1eu)基因的3243位点发生A?G碱基置换。此病患者与MELAS综合征的表型突变一致。 三)线粒体心机病 心肌细胞线粒体结构和功能的异常导致心肌能量代谢异常,临床表现为心肌病,称为线粒体心肌病。线粒体心肌病患儿具有肥厚型心肌病或扩张型心肌病的临床特征,常伴多系统损害,如身材矮小、感音性重听、肌张力低下、小脑共济失调、智力低下、视网膜色素变性、白内障等。该病主要由线粒体DNA突变所致。目前尚无特效治疗方法,治疗措施主要包括心肌病的一般治疗及并发症的对症治疗,可应用辅酶Q10、大剂量B族维生素等。目前开始探讨基因治疗的可能性。 又称"震颤麻痹"，巴金森氏症或柏金逊四)帕金森病(Parkinson's disease) 症，多在60岁以后发病。主要表现为患者动作缓慢，手脚或身体其它部分的震颤，身体失去柔软性，变得僵硬。最早系统描述该病的是英国的内科医生詹母?帕金森，当时还不知道该病应归入哪一类疾病，称该病为“震颤麻痹”。帕金森病是老年人中第四位最常见的神经变性疾病，在?65岁人群中，1%患有此病;在>40岁人群中则为0.4%.本病也可在儿童期或青春期发病。50%~80%的病例起病隐袭，首发症状通常是一侧手部的4~8Hz的静止性"捻丸样"震颤。言语障碍是帕金森病患者常见症状。 五)其他与线粒体有关的病变 包括衰老、肿瘤、糖尿病、冠心病及氨基糖苷类诱发的耳聋 12(二)nDNA突变引发的线粒体病 ?编码线粒体蛋白的基因缺陷 ?线粒体蛋白 3质转运的缺陷 ?基因组间交流的缺陷 三、线粒体病的诊断及治疗 mtDNA分析是诊断线粒体疾病最可靠的方法，目前已经发现30种以上的mtDNA突变，采用多重PCR/等位特异性寡核苷酸探针斑点杂交和长片段PCR方法可一次性检测多个已知位点mtDNA突变。有些患者还可采用生物化学方法检测线粒体生化的异常变化，这对深入探讨本病诸如线粒体酶复合体活性的改变等有重要作用，但mtDNA分析不易推广，需在有条件的分子生物学实验室进行