線粒體DNA的結(jié)構(gòu)和功能特征

1、.第一節(jié) 線粒體DNA的結(jié)構(gòu)和功能特征一、mtDNA的結(jié)構(gòu)特征mtDNA是惟一存在于人類細(xì)胞質(zhì)中的DNA分子，獨(dú)立于細(xì)胞核染色體外的基因組，具有自我復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和編碼功能。人mtDNA由16 569bp組成，雙鏈閉合環(huán)狀，其中外環(huán)DNA單鏈由于含G較多，C較少，使整個(gè)外環(huán)DNA分子量較大，稱為重鏈（heavy chain）或H鏈；而內(nèi)環(huán)DNA單鏈則C含量高，G含量低，故分子量小，稱為輕鏈（light chain）或L鏈。mtDNA的兩條鏈都有編碼功能，除與復(fù)制及轉(zhuǎn)錄有關(guān)的一小段D環(huán)區(qū)（displacement loop）無編碼基因外，基因間無內(nèi)含子序列；部分基因有重疊現(xiàn)象，即前一個(gè)基因的最后一段

2、堿基與下一個(gè)基因的第一段堿基相重疊(圖6-1)。因此，mtDNA的任何突變都會(huì)累及到基因組中的一個(gè)重要功能區(qū)域。mtDNA含有37個(gè)基因，其中兩個(gè)rRNA基因（16SrRNA,12SrRNA），22個(gè)tRNA基因，13個(gè)蛋白質(zhì)基因（包括1個(gè)細(xì)胞色素b基因，2個(gè)ATP酶亞單位的基因。圖6-1 人線粒體基因圖譜Figure 6-1 Map of the human mitochondrial genomeBox 6.1 The limited autonomy of the mitochondrial genomeEncoded byEncoded byMitochondrialnuclearge

3、nomegenomeComponents of oxidative phosphorylation system NADH dehydrogenase Succinate CoQ reductase Cytochrome b-c1 complex Cytochrome c oxidase complex ATP synthase complex Components of protein synthesis apparatus tRNA components rRNA components Ribosomal proteins Other mitochondrial proteins 13 s

4、ubunits7 subunits0 subunits1 subunits3 subunits2 subunits24 22 tRNAs 2 rRNAs None None 80 subunits41 subunits4subunits10 subunits10 subunits14 subunits80NoneNone80All, e.g. mitochondrialenzymes and proteins和7個(gè)呼吸鏈脫氫酶亞單位的基因）。位于D環(huán)區(qū)的HSP（heavy strand promoter）和LSP(light strand promoter)是線粒體基因組轉(zhuǎn)錄的兩個(gè)主要啟動(dòng)子（

5、圖6-1）。mtDNA是裸露的，不與組蛋白結(jié)合，存在于線粒體基質(zhì)內(nèi)或黏附于線粒體內(nèi)膜。在一個(gè)線粒體內(nèi)往往有一至數(shù)個(gè)mtDNA（圖62）。mtDNA的自我復(fù)制也是以半保留復(fù)制方式進(jìn)行。復(fù)制先從重鏈開始，形成一個(gè)約680個(gè)堿基的7sDNA，稱D環(huán)。在對(duì)鼠細(xì)胞研究中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的mtDNA均為D環(huán)的結(jié)構(gòu)，只有一小部分mtDNA從D環(huán)開始合成完整的新生鏈。輕鏈的復(fù)制要晚于重鏈，等重鏈合成過OL之后才開始合成。研究發(fā)現(xiàn)mtDNA的復(fù)制可以越過靜止期或間期，甚至可以分布在細(xì)胞整個(gè)周期。mtDNA的自我轉(zhuǎn)錄很似原核生物，即產(chǎn)生一個(gè)多順反子，其中包括多個(gè)mRNA和散布于其中的tRNA，剪切位置往往發(fā)生在tRN

6、A處，從而使不同的mRNA和tRNA被分離和釋放。圖62 線粒體內(nèi)的DNA二、mtDNA的遺傳學(xué)特征1.半自主性 線粒體DNA能夠編碼自己的mRNA、rRNA和tRNA，合成一部分自身所需的蛋白質(zhì)，線粒體的這一功能稱為線粒體的半自主性。線粒體中的大多數(shù)蛋白質(zhì)是核基因編碼的，在細(xì)胞質(zhì)中合成。因此，線粒體的生長(zhǎng)繁殖是核-質(zhì)兩套遺傳系統(tǒng)共同控制的結(jié)果（表61）。表61 呼吸酶復(fù)合體示mtDNA具有半自主性ComplexSubunitsNuclearmtDNA 41 411131434 41010127 01322.母系遺傳（maternal inheritance） 由于線粒體存在于細(xì)胞質(zhì)中，受精過

7、程中僅精子的細(xì)胞核與卵子融合，產(chǎn)生的合子從卵子的細(xì)胞質(zhì)中得到線粒體和相關(guān)的mtDNA。即母親將她的mtDNA傳遞給兒子和女兒，再由女兒將其傳遞給下一代，父親從不將其mtDNA傳遞給后代。由此導(dǎo)致了線粒體遺傳病的傳遞模式與經(jīng)典孟德爾性狀的傳遞模式不同（圖63）。如果家族中發(fā)現(xiàn)一些男女成員具有相同的臨床癥狀，而且是從受累的女性傳遞下來，家系分析又不符合XD遺傳，就應(yīng)考慮可能是由于線粒體DNA突變?cè)斐傻摹?圖63 線粒體DNA的母系遺傳3.異質(zhì)性與純質(zhì)性 異質(zhì)性（heteroplasmy）表示一個(gè)細(xì)胞或組織既含有野生型線粒體基因組又含有突變型線粒體基因組。當(dāng)異質(zhì)性細(xì)胞經(jīng)過有絲分裂和減數(shù)分裂時(shí)，隨機(jī)分

8、離到兩個(gè)子細(xì)胞中的突變型和野生型mtDNA的比例發(fā)生改變，mtDNA基因型分別向純合突變型和純合野生型漂變，經(jīng)過無數(shù)次分裂后，細(xì)胞中的mtDNA達(dá)到純合型，即純質(zhì)性（homoplasmy）。純質(zhì)性是指一個(gè)細(xì)胞或組織中所有的線粒體DNA具有相同的基因型。或者都是野生型序列，或者都是攜帶一個(gè)基因突變的序列（圖64）。圖64 mtDNA的復(fù)制分離 4.閾值效應(yīng) 在雜質(zhì)性細(xì)胞中，突變型與野生型線粒體的比例確定了細(xì)胞是否能量短缺，即當(dāng)突變達(dá)到一定的比例時(shí)，才有受損表型出現(xiàn)。如果攜帶突變型線粒體數(shù)量很少，則產(chǎn)能不會(huì)受到明顯的影響。相反，在含有大量突變型線粒體基因組的組織細(xì)胞中，產(chǎn)生的能量可能不足以維持細(xì)胞

9、的正常功能，這就會(huì)出現(xiàn)異常性狀，即線粒體?。▓D65）。換句話說，對(duì)于線粒體病，存在著表型表達(dá)的閾值。這種線粒體基因突變產(chǎn)生有害影響的閾值明顯地依賴于特定細(xì)胞或組織對(duì)能量的需求。因此，那些高需能的組織，如腦、骨骼肌、心臟和肝，非常容易受到線粒體DNA突變的影響。圖65 mtDNA的閾值效應(yīng)5.遺傳密碼的特性 基因的表達(dá)需要遺傳密碼，不同生物種類核基因的遺傳密碼是通用的，然而線粒體所攜帶的遺傳密碼與真核細(xì)胞的通用密碼不完全相同。例如線粒體系統(tǒng)使用的起始密碼是AUA和AUU，而不是AUG。AUA和AUU在核基因的通用密碼中為異亮氨酸，而在線粒體中不用于編碼異亮氨酸。其終止密碼也不相同，線粒體使用的是AGA或者AGG，而不用此編碼精氨酸，通用的終止密碼子UGA在線粒體內(nèi)編碼色氨酸，而不作為終止信號(hào)。6.突變率極高 mtDNA缺乏修復(fù)系統(tǒng)及組蛋白保護(hù)，易受活性氧等自由基侵害，突變