韦翰斯医学 | 线粒体遗传病诊断策略

线粒体结构

线粒体是细胞中除细胞核以外唯一具有遗传物质DNA的半自主性细胞器。
人类线粒体DNA (mtDNA)是由16569个碱基对构成的闭合环状DNA,其中包含着22个编码转移核糖核酸(tRNA)的基因、2个编码核糖体核糖核酸(12S和16SrRNA)的基因与13个编码多肽的基因。

图1：线粒体结构                                                                                                                     图2：线粒体环状DNA

线粒体基因组

每个细胞含数百个到数万个线粒体拷贝,每个线粒体中含有2~10个环状DNA-mitochondrial DNA (mtDNA)，位于内膜附近或基质中。

图3：人染色体示意图                                                                                                                             图4：mtDNA与Y染色体特异区比较

线粒体的遗传特点

1、mtDNA具有半自主性

2、线粒体基因组所用的遗传密码和通用密码不同

3、mtDNA为母系遗传

4、mtDNA的突变率极高

5、mtDNA具有阈值效应的特性

图5：线粒体突变导致的异质性 

    

 图6：瓶颈效应示意图

图7：阈值效应示意图

线粒体疾病

※ 线粒体病(mitochondrial diseases, MD)是由线粒体DNA(mtDNA)或核DNA (nDNA)突变引起线粒体代谢酶的功能缺陷导致三磷酸腺苷(ATP)合成障碍、能量产生不足而出现的一组多系统疾病，可单独或同时累及神经、肌肉、眼、耳、消化、内分泌、心血管、肾脏及血液系统等。

—线粒体功能障碍是许多严重多器官疾病的重要原因；

—代谢需求高的组织，如心脏、肌肉和中枢神经系统常受影响。

流行病学

准确的发病率统计较难，据文献报道，MD的发病率至少为1/5000，是儿童期最为常见的先天性遗传代谢病之一。

线粒体病综合征

MD是儿童时期最常见的、唯一受mtDNA和nDNA双重调控而致病的遗传代谢性疾病。由于MD临床表现多样，缺乏特定的生物学标记物，涉及2个基因组的遗传方式，给基因诊断带来困难。

★儿童MD主要由nDNA突变所致，占75% ~95%，以Leigh综合征(LS)最常见，其他包括呼吸链酶复合物缺乏、Alpers综合征(AHS)及线粒体DNA耗竭综合征(mitochondrial DNA depletion syndrome, MDS)等。

mtDNA突变导致的线粒体综合征包括线粒体脑肌病伴乳酸酸中毒和卒中样发作(mitochondrial encephalopathy, lacticacidosis, andstroke-like episodes, MELAS)、肌阵挛癫伴破碎红肌纤维(myoclonicepilepsy associated with ragged red fibers, MERRF)、Leber遗传性视神经病( Leber hereditary optic neuropathy , LHON)、视网膜色素变性共济失调性周围神经病(NARP)或母系遗传性Leigh综合征(MILS),Kearns-Sayre综合征( KearnsSayre syndrome, KSS)、慢性进行性眼外肌麻痹( chronic progressive external ophthalmoplegia , CPEO)及Pearson综合征等。

线粒体病常见的临床表现

线粒体病的病因

※ 基因水平:核基因、线粒体基因或两组基因交流缺陷。

※ 蛋白功能缺陷:线粒体氧化磷酸化障碍，ATP合成障碍,不能维持细胞的正常氧化还原平衡，产生过多的氧自由基，诱导细胞发生凋亡,引起脑、肌肉、肝、肾等多脏器损害，也称为线粒体细胞病 。

图10：核基因组与线粒体基因组示意图

线粒体疾病相关基因

※线粒体疾病基因(338)根据其功能作用分为六个亚群:(1) OXPHOS亚基、组装因子和电子载体(102/338基因)，(2)线粒体DNA维持、表达和翻译(102/338基因)，(3)线粒体动力学、稳态和质量控制(43/338基因)，(4)底物代谢(40/338基因)，(5)辅助因子代谢(41/338基因)，(6)毒性化合物代谢(10/338基因)。许多基因在这些类别中有双重作用(用星号表示)。

※遗传方式为常染色体隐性遗传262个，母系遗传36个，常染色体显性遗传8个，X-连锁显性遗传6个，X-连锁隐性遗传4个，AR和AD结合遗传22个基因。

图11：线粒体疾病相关基因列表

线粒体缺失综合征
CPEO 、KSS 和Pearson综合征主要为 mtDNA大片段缺失突变导致的3种临床表型，其发病机制相似，临床症状取决于mtDNA缺失在不同组织中的分布。

CPEO 、KSS 和Pearson综合征以缺失最多见，在进行 mtDNA基因突变分析时应特别注意标本的选取，由于线粒体分布存在组织异质性，即不同的组织线粒体分布数量不同，KSS与 CPEO应选取骨骼肌进行基因分析，阳性率更高。

线粒体遗传病诊疗流程

图14：线粒体脑肌病诊疗流程（罕见病诊疗指南（2019 年版））

韦翰斯生物线粒体疾病检测方案

MD是儿童时期最常见的、唯一受mtDNA和nDNA双重调控而致病的遗传代谢性疾病。由于MD临床表现多样，缺乏特定的生物学标记物，涉及2个基因组的遗传方式，给基因诊断带来困难。
※针对于核基因或线粒体突变导致的线粒体疾病，韦翰斯生物检测方案建议如下：

常见的线粒体病推荐检测方案

备注：临床怀疑是mtDNA片段缺失导致的线粒体缺失综合征，建议结合long PCR+NGS做线粒体高深度测序。

线粒体疾病治疗
目前还没有针对线粒体疾病的根治方法，无有效药物，缺乏有效手段，需要多学科合作管理和对症治疗。尽量避免诱因:感染、饥饿、手术、呼吸管理、营养和维持代谢稳定性以及避免一些有线粒体毒性药物。

参考文献：

[1]Suomalainenet al.2018, Nat Rev Mol Cell Biol 19(2):77

OldforsA .Mitochondrial diseases[J]. Nat Rev Dis Primers, 1993, 94(9):469-77.

[2]Stenton S L ,  Prokisch H . Genetics of mitochondrialdiseases:Identifying mutations to help diagnosis[J]. EBioMedicine, 2020,56:102784.