線粒體遺傳病 (講 座)

1、線粒體遺傳病(講 座),北京大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院陳清棠,線粒體病(mitochondriopathy)的定義,因遺傳缺陷引起線粒體代謝酶的缺陷導(dǎo)致 ATP 合成障礙，能量產(chǎn)生不足而出現(xiàn)的一組多系統(tǒng)疾病，也稱為線粒體細(xì)胞病 (mitochondrial cytopathy)。也可見散發(fā)病例。 線粒體的主要功能體現(xiàn)在氧化磷酸化系統(tǒng)：產(chǎn)生能量，生成氧自由基，調(diào)節(jié)程序化細(xì)胞死亡, 即細(xì)胞凋亡 (apoptosis)。,歷 史,1

2、962年 Luft 等首先報(bào)道 1 例線粒體肌病，為一35歲女性，肌無力，極度不能耐受疲勞，多汗、而甲狀腺功能正常。經(jīng)生化證實(shí)為氧化磷酸化脫偶聯(lián)引起。 1966年 Price 用冰凍切片 MGT 染色發(fā)現(xiàn) RRF (red-ragged fiber)。 1971年 Engel WK，1972年 Olson 在CPEO 中發(fā)現(xiàn) RRF，電鏡下線粒體堆積。 1977年 Shapira 首先報(bào)道線粒體腦肌病(encephalomyo

3、pathy),歷 史,1981年 Anderson 測定了人類線粒體 DNA (mt DNA) 的全長序列，并提出本病多為母系遺傳。 1988年 Holt 首次在線粒體病患者中發(fā)現(xiàn)有 mt DNA缺失，證實(shí) mt DNA 突變是重要的發(fā)病原因。1989年 King 等首次建立了人類無 mt DNA 細(xì)胞系 (ρ°細(xì)胞)，可用來研究在不同核背景下，缺陷型線粒體的表現(xiàn)。,Mt DNA 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),除成熟的紅細(xì)胞外每一

4、個(gè)細(xì)胞內(nèi)均有數(shù)量不等的線粒體。每一個(gè)線粒體內(nèi)有 2~10個(gè)拷貝的 mt DNA，mt DNA 是獨(dú)立于細(xì)胞核染色體外的又一基因組。人 mt DNA 由16569 bp 的雙鏈環(huán)狀 DNA 組成1個(gè)輕鏈和重鏈。其中包括 37 個(gè)基因：22 個(gè) tRNA 基因、2個(gè) rRNA 基因 (12S 和 16S rRNA) 和 13 個(gè) mRNA 基因。所有的 13 種蛋白質(zhì)產(chǎn)物均參與組成呼吸鏈。,To be continued...,Mt DNA

5、 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),人類線粒體的基因組排列非常緊湊，除與 mt DNA 復(fù)制及轉(zhuǎn)錄有關(guān)的一小段區(qū)域外，無內(nèi)含子序列。37個(gè)基因間隔區(qū)總共只有 87 bp，因此，幾乎 mt DNA 的任何突變均會累及到基因組中一個(gè)重要區(qū)域。線粒體擁有相對獨(dú)立的 DNA 復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)，是半自主性細(xì)胞器。重鏈主要編碼2個(gè) rRNA，12個(gè)多肽及 14個(gè) rRNA；輕鏈僅編碼一個(gè) NADH 脫氫酶亞單位 4 及8 個(gè) tRNA。,病因和發(fā)病機(jī)制,線粒體疾病是

6、由于各種原因使 mt DNA 或 / 和 核 DNA 發(fā)生基因突變，線粒體內(nèi)酶功能缺陷，ATP 合成障礙，不能維持細(xì)胞的正常生理功能產(chǎn)生氧化應(yīng)激，使氧自由基產(chǎn)生增加，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。,mt DNA 突變包括：,點(diǎn)突變 (point mutation)：病理性點(diǎn)突變是單一的核苷酸改變，所造成的疾病為母系遺傳，但同一種點(diǎn)突變，對不同患者可造成不同的臨床表現(xiàn)。缺失 (deletion)：mt DNA 部分缺失，使基因組縮短。單發(fā)缺失多為散

7、發(fā)性，多發(fā)缺失可呈常染色體顯性或隱性遺傳，提示由核 DNA 突變影響線粒體功能所致。,mt DNA 突變,重復(fù) (duplication)：指多余的 mt DNA 以數(shù)以千計(jì)的核苷酸插入基因組，從而使體積增大。丟失 (depletion)：指線粒體內(nèi) mt DNA 的拷貝數(shù)減少。,線粒體疾病的發(fā)病機(jī)理,線粒體疾病的遺傳方式包括母系遺傳及孟德爾遺傳。 一個(gè)細(xì)胞的 mt DNA 有多重拷貝，一個(gè)線粒體編碼基因的表現(xiàn)型依賴于一個(gè)細(xì)胞內(nèi)突變

8、型和野生型 mt DNA 的相對比例，僅當(dāng)突變型達(dá)到一定閾值時(shí)，病理特征才能表現(xiàn)出來。,To be continued...,線粒體疾病的發(fā)病機(jī)理,細(xì)胞分裂時(shí)，子代細(xì)胞中突變型和野生型 mt DNA 的比例可能發(fā)生變化，改變其基因型和表現(xiàn)型。 本組疾病為多系統(tǒng)疾病，最常受影響的是骨骼肌、腦及心肌、其他為周圍神經(jīng)、腎、肝、內(nèi)分泌腺體等等。,線粒體肌病的臨床分型,一、線粒體肌病二、線粒體腦肌病三、Leber 遺傳性視神經(jīng)病四、亞急性

9、壞死性腦脊髓病 (Leigh disease),一、線粒體肌病,骨骼肌受侵為主，也可合并周圍神經(jīng)損害，極度不能耐受疲勞，約半數(shù)伴肌痛，肌萎縮占少數(shù)。臨床表現(xiàn)多樣：可類似多發(fā)性肌炎，重癥肌無力，進(jìn)行性肌營養(yǎng)不良，周期性癱瘓，心肌病……,線粒體肌病的臨床分型之一,二、線粒體腦肌病,1、PEO (進(jìn)行性眼外肌癱瘓)：以慢性進(jìn)行性眼外肌癱瘓為主KSS (Kearns-Sayre syndrome) 完全型 KSS：眼外肌癱瘓，視網(wǎng)膜色素

10、變性，心臟傳導(dǎo)阻滯三聯(lián)征 不全型 KSS：眼外肌癱瘓或伴有其他一項(xiàng)。可伴有身材矮小，智能低下，神經(jīng)性難聽，小腦共濟(jì)失調(diào)，CSF 蛋白?，EEG異常，多無家族史發(fā)病年齡多在20歲以前,線粒體肌病的臨床分型之二,2、MELAS (Mitochondrial encephalomyopathy with lactic acidemia and stroke-like episodes)線粒體腦肌病伴乳酸血癥和卒中樣發(fā)作發(fā)作性頭痛、

11、嘔吐、偏癱、偏盲、偏身感覺障礙……，身材矮小，智能減退，神經(jīng)性難聽，可有痙攣發(fā)作，CSF多正常，CT:多發(fā)腦梗塞，基底節(jié)鈣化，腦萎縮，腦室擴(kuò)大,可有家族史，血乳酸增高，肌活檢可見 RRF,線粒體肌病的臨床分型之二,,二、線粒體腦肌病,3、MERRF (Myoclonus epilepsy with ragged-red-fiber, RRF)肌陣攣性癲癇伴有 RRF多見于兒童, 有家族史,肌陣攣性癲癇, 智能減退,小腦共濟(jì)失調(diào)，

12、痙攣發(fā)作, 可有神經(jīng)性難聽，血乳酸可增高，CSF 多正常肌活檢可見 RRF,線粒體肌病的臨床分型之二,,二、線粒體腦肌病,線粒體腦肌病的鑒別表,臨床表現(xiàn) KSS MERRF MELAS眼外肌癱瘓 + 一 一視網(wǎng)膜色素變性 +

13、 一 一心臟傳導(dǎo)阻滯 + 一 一CSF 蛋白 > 100mg/dl + 一 一肌陣攣 一 +

14、 一共濟(jì)失調(diào) + + 一肌力減弱 + + +發(fā)作性嘔吐 一 一 +皮質(zhì)盲

15、 一 一 +偏癱、偏盲 一 一 +痙攣 一 + +癡呆 +

16、 + +身材矮小 + + +神經(jīng)性難聽 + + +血乳酸增高 + +

17、 +家族史 一 + +RRF + + +海綿狀變性 + +

18、+mt DNA 缺失 + 一 一mt DNA 點(diǎn)突變 一 tRNAlys tRNAleu(UUR),三、Leber 遺傳性視神經(jīng)病 (Leber hereditary optic neuropathy, LHON),好發(fā)年齡為 18~3

19、0歲，85%的患者為男性，多數(shù)雙側(cè)視力同時(shí)減退，少數(shù)一眼先發(fā)病，數(shù)周或數(shù)月后另眼也發(fā)生視力喪失，其后病情相對穩(wěn)定。中央視力喪失，周邊視力保存，全盲者少見，瞳孔對光反射保存，伴色覺障礙。 本病多以視神經(jīng)受侵為主,較少伴有其他癥狀和體征。,線粒體肌病的臨床分型之三,四、亞急性壞死性腦脊髓病 (Leigh disease),為先天代謝異常性疾病，多為散發(fā)病例，也有表現(xiàn)為常染色體隱性遺傳或母系遺傳，男性多于女性。多數(shù)發(fā)生于 1 歲以下的嬰兒

20、，青少年及成年患者也偶有報(bào)道。臨床表現(xiàn)復(fù)雜多樣，生前診斷常很困難，多在出生后 3~4 個(gè)月發(fā)病，首先表現(xiàn)為喂養(yǎng)困難、智能發(fā)育停滯、吞咽困難、全身無力、肌張力低下、消瘦、錐體束征、視力、聽力減退、眼外肌癱瘓、眼球震顫和共濟(jì)失調(diào)等，少數(shù)可有精神運(yùn)動(dòng)性癲癇。呼吸功能障礙是另一特征性癥狀，表現(xiàn)為陣發(fā)性中樞性過度呼吸。部分病例有周圍神經(jīng)受損。癥狀多持續(xù)進(jìn)展，絕大多數(shù)患兒死于2 歲之前 本病的預(yù)后和發(fā)病年齡的早晚和 癥狀的多寡有關(guān)。發(fā)病年齡越早，

21、臨床癥狀越多，預(yù)后越差。,線粒體肌病的臨床分型之四,線粒體肌病的生化分類,二、線粒體底物的利用缺陷三、呼吸鏈 (resqiratory chain) 缺陷四、能量保持和轉(zhuǎn)換異常,一、線粒體底物的運(yùn)輸缺陷(Defects of mito chondrial substrate transport),線粒體肌病的生化分類之一,一、線粒體底物的運(yùn)輸缺陷(Defects of mitochondrial substrate transp

22、ort)能量代謝所必需的原料 (丙酮酸、Acyl-CoA, 酮體……)進(jìn)入線粒體內(nèi)膜需要一系列移位酶(translocase) 和載體(carrier)，目前所知的缺陷：,線粒體肌病的生化分類之一,肌內(nèi)糖元耗竭時(shí)，由脂肪酸提供能量。自由脂肪酸來自甘油三脂。中、長鏈脂肪酸(經(jīng)線粒體外膜上的 Acyl-CoA 合成酶)?Acyl-CoA (經(jīng)內(nèi)膜外面的肉鹼脂酰轉(zhuǎn)移酶和內(nèi)膜內(nèi)面的另一脂酰轉(zhuǎn)移酶進(jìn)入線粒體)?Acyl-CoA-? 氧化。

23、?中、長鏈脂肪酸必需利用L-carnitine 作為載體才能進(jìn)入線粒體內(nèi)。,丙酮酸的運(yùn)輸,單羧酸移位酶缺乏：丙酮酸不能進(jìn)入線粒體,脂肪酸的運(yùn)輸,二、線粒體底物的利用缺陷一)丙酮酸的利用缺陷丙酮酸脫氫酶體系缺陷(PDHC 缺陷)，包括三個(gè)酶。此酶系又受丙酮酸脫氫酶磷酸酶等調(diào)節(jié)丙酮酸?線粒體內(nèi) PDHC Acetyl-CoA丙酮酸脫氫酶磷酸酶缺陷丙酮酸羧化酶(carboxylase)缺陷：丙酮酸不能羧化成為草酰乙酸(oxaloac

24、etate) 而進(jìn)行三羧循環(huán),線粒體肌病的生化分類之二,線粒體底物的利用缺陷二)自由脂肪酸的利用缺陷? 氧化缺陷：自由脂肪酸不能變成 Acetyl-CoA，因此不能進(jìn)一步氧化釋放能量,線粒體肌病的生化分類之二,三、呼吸鏈 (resqiratory chain) 缺陷呼吸鏈即電子 (包括 H+) 的傳遞鏈，起自 NADH (Nicotine Adenylate Dinucleotide，尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸)，終端為02

25、， NADH?02 共產(chǎn)生 3 個(gè) ATP。其間任何環(huán)節(jié)缺陷將導(dǎo)致電子傳遞障礙。NADH CoQ CytC O2Complex I :NADH-CoQ 還原酶 Complex II: 琥珀酸-CoQ 還原酶Complex III:細(xì)胞色素c還原酶Complex IV:細(xì)胞色素c氧化酶Complex V:ATP合成酶,線粒體肌病的生化分類之三,I

26、,琥珀酸,,,II,,,,III,IV,,,,,V 生成3個(gè)ATP,四、能量保持和轉(zhuǎn)換異常氧化磷酸化脫偶聯(lián) (loose coupling)：能量不能變?yōu)?ATPATP 酶缺陷：不能生成 ATPATP 不能運(yùn)出,線粒體肌病的生化分類之四,線粒體肌病和腦肌病的診斷病史特點(diǎn)心肌酶譜肌電圖腦電圖頭顱 MRI 或 CT 檢查：（Leigh 及 MELAS 有特征性改變）血乳酸、丙酮酸最注運(yùn)動(dòng)量試驗(yàn) （15 WT 運(yùn)動(dòng)量）,線

27、粒體肌病和腦肌病的診斷 線粒體呼吸鏈酶復(fù)合體活性測定肌活檢 （冰凍切片，組化染色，光鏡檢查；超薄切片，電鏡檢查）mt DNA 檢測： CPEO 及 KSS 多為 mt DNA 缺失，MERRF 多為 mt DNA 8344 處發(fā)生點(diǎn)突變 A?G，MELAS 多在 mt DNA 3243 處 A?G 的點(diǎn)突變，也有人發(fā)現(xiàn)在3271 處有點(diǎn)突變。也有重疊突變的報(bào)道。血及肌標(biāo)本均可檢測,大劑量維生素 B 族，輔酶 Q10能量