07線粒體疾病的遺傳

1、06 線粒體疾病的遺傳,Inheritance of Mitochondrail diseases,,,第一節(jié) 人類線粒體基因組,線粒體內還含有DNA分子，被稱為人類第25號染色體，是細胞核以外含有遺傳信息和表達系統(tǒng)的細胞器，其遺傳特點表現(xiàn)為非孟德爾遺傳方式，又稱核外遺傳。1981年Anderson等人完成了人類線粒體基因組的全部核苷酸序列的測定。,,第一節(jié) 人類線粒體基因組,線粒體基因組是人類基因組的重要組成部分，全長16569b

2、p，不與組蛋白結合，呈裸露閉環(huán)雙鏈狀，根據(jù)其轉錄產(chǎn)物在CsCl中密度的不同分為重鏈和輕鏈，重鏈（H鏈）富含鳥嘌呤，輕鏈（L鏈）富含胞嘧啶。,第一節(jié) 人類線粒體基因組,mtDNA分為編碼區(qū)與非編碼區(qū)，編碼區(qū)為保守序列，不同種系間75%的核苷酸具同源性，此區(qū)包括37個基因：2個基因編碼線粒體核糖體的rRNA（16S、12S），22個基因編碼線粒體中的tRNA，13個基因編碼與線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）有關的蛋白質。,第一節(jié) 人類線

3、粒體基因組,3個為構成細胞色素c氧化酶（COX）復合體（復合體Ⅳ）催化活性中心的亞單位（COXⅠ、COXⅡ和COXⅢ）2個為ATP合酶復合體（復合體Ⅴ）F0部分的2個亞基（A6和A8）7個為NADH-CoQ還原酶復合體（復合體Ⅰ）的亞基（ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6）1個編碼的結構蛋白質為CoQH2-細胞色素c還原酶復合體（復合體Ⅲ）中細胞色素b的亞基,第一節(jié) 人類線粒體基因組,mtDNA僅編碼13種

4、，絕大部分蛋白質亞基和其他維持線粒體結構和功能的蛋白質都依賴于核DNA（nuclear DNA，nDNA）編碼，在細胞質中合成后，經(jīng)特定轉運方式進入線粒體。此外，mtDNA基因的表達受nDNA的制約，線粒體氧化磷酸酶化系統(tǒng)的組裝和維護需要nDNA和mtDNA的協(xié)調，二者共同作用參與機體代謝調節(jié)，因此線粒體是一種半自主細胞器，受線粒體基因組和核基因組兩套遺傳系統(tǒng)共同控制,,第一節(jié) 人類線粒體基因組,與核基因轉錄比較，mtDNA的轉錄有以

5、下特點：①兩條鏈均有編碼功能②兩條鏈從D-環(huán)區(qū)的啟動子處同時開始以相同速率轉錄，L鏈按順時針方向轉錄，H鏈按逆時針方向轉錄③mtDNA的基因之間無終止子④tRNA基因通常位于mRNA基因和rRNA基因之間⑤mtDNA的遺傳密碼與nDNA不完全相同⑥線粒體中的tRNA兼用性較強,第一節(jié) 人類線粒體基因組,,丙氨酸（Ala）的tRNA反密碼子擺動,,第一節(jié) 人類線粒體基因組,mtDNA可進行半保留復制，其H鏈復制的起始點（O

6、H）與L鏈復制起始點（OL）相隔2/3個mtDNA。復制起始于L鏈的轉錄啟動子，首先以L鏈為模板合成一段RNA作為H鏈復制的引物，在DNA聚合酶作用下，復制一條互補的H鏈，取代親代H鏈與L鏈互補。被置換的親代H鏈保持單鏈狀態(tài)，這段發(fā)生置換的區(qū)域稱為置換環(huán)或D環(huán)，故此種DNA復制方式稱D-環(huán)復制。,,第二節(jié) 線粒體基因的突變,一、點突變二、大片段重組三、mtDNA數(shù)量減少四、mtDNA突變的修復,,mtDNA突變率比nDNA高10

7、～20倍，其原因有以下幾點：①mtDNA中基因排列緊湊，任何突變都可能會影響到其基因組內的某一重要功能區(qū)域②mtDNA是裸露的分子，不與組蛋白結合③mtDNA位于線粒體內膜附近，直接暴露于呼吸鏈代謝產(chǎn)生的超氧離子和電子傳遞產(chǎn)生的羥自由基中，極易受氧化損傷④mtDNA復制頻率較高，復制時不對稱⑤缺乏有效的DNA損傷修復能力,第三節(jié) 線粒體疾病的遺傳,一、母系遺傳 在精卵結合時，卵母細胞擁有上百萬拷貝的mt

8、DNA，而精子中只有很少的線粒體，受精時幾乎不進入受精卵，因此，受精卵中的線粒體DNA幾乎全都來自于卵子，來源于精子的mtDNA對表型無明顯作用，這種雙親信息的不等量表現(xiàn)決定了線粒體遺傳病的傳遞方式不符合孟德爾遺傳，而是表現(xiàn)為母系遺傳（maternal inheritance），即母親將mtDNA傳遞給她的兒子和女兒，但只有女兒能將其mtDNA傳遞給下一代。,,,,二、多質性 人體不同類型的細胞含線粒體數(shù)目不同，通

9、常有成百上千個，而每個線粒體中有2～10個mtDNA分子，由于線粒體的大量中性突變，因此，絕大多數(shù)細胞中有多種mtDNA拷貝，其拷貝數(shù)存在器官組織的差異性。,,三、異質性 如果同一組織或細胞中的mtDNA分子都是一致的，稱為同質性（homoplasmy）。在克隆和測序的研究中發(fā)現(xiàn)一些個體同時存在兩種或兩種以上類型的mtDNA，這是由于mtDNA發(fā)生突變，導致一個細胞內同時存在野生型mtDNA和突變型mtDNA，稱

10、為異質性（heteroplasmy）。野生型mtDNA對突變型mtDNA有保護和補償作用，因此，mtDNA突變時并不立即產(chǎn)生嚴重后果。,,線粒體異質性可分為序列異質性（sequence-based heteroplasmy）和長度異質性（length-based heteroplasmy），一般表現(xiàn)為：①同一個體不同組織、同一組織不同細胞、同一細胞甚至同一線粒體內有不同的mtDNA拷貝；②同一個體在不同的發(fā)育時期產(chǎn)生不同的mtDNA。,

11、,四、閾值效應 mtDNA突變可以影響線粒體OXPHOS的功能，引起ATP合成障礙，導致疾病發(fā)生，但實際上基因型和表現(xiàn)型的關系并非如此簡單。突變型mtDNA的表達受細胞中線粒體的異質性水平以及組織器官維持正常功能所需的最低能量影響，可產(chǎn)生不同的外顯率和表現(xiàn)度。,,五、不均等的有絲分裂分離 在連續(xù)的細胞分裂過程中，異質性細胞中突變型mtDNA和野生型mtDNA的比例會發(fā)生漂變，向同質性的方向