線粒體疾病的遺傳-2014

1、線粒體疾病的遺傳線粒體疾病的遺傳 Inheritance of Mitochondrail Inheritance of Mitochondrail DiseasesDiseases線粒體疾病的遺傳線粒體疾病的遺傳n前言前言n人類線粒體基因組人類線粒體基因組n線粒體基因的突變線粒體基因的突變n線粒體疾病的遺傳線粒體疾病的遺傳前言前言第一節(jié)第一節(jié) 人類線粒體基因組人類線粒體基因組 一、線粒體基因組一、線粒體基因組 線粒體內(nèi)含有線粒體內(nèi)含有DNA分子，被稱為人類第分子，被稱為人類第25號染色體，是細(xì)胞核以外含有遺傳信息和表號染色體，是細(xì)胞核以外含有遺傳信息和表達(dá)系統(tǒng)的細(xì)胞器，其遺傳特點(diǎn)表現(xiàn)為非孟德

2、爾達(dá)系統(tǒng)的細(xì)胞器，其遺傳特點(diǎn)表現(xiàn)為非孟德爾遺傳方式，又稱核外遺傳。遺傳方式，又稱核外遺傳。 1981年年Anderson等人完成了人類等人完成了人類線粒體基因組的線粒體基因組的全部核苷酸序列的全部核苷酸序列的測定。測定。 線粒體基因組特點(diǎn)線粒體基因組特點(diǎn)n線粒體基因組全長線粒體基因組全長16569bp；n不與組蛋白結(jié)合，呈裸露閉環(huán)雙鏈狀，根據(jù)其不與組蛋白結(jié)合，呈裸露閉環(huán)雙鏈狀，根據(jù)其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在CsCl中密度的不同分為重鏈和輕中密度的不同分為重鏈和輕鏈；鏈；n重鏈（重鏈（H鏈）富含鳥嘌呤，輕鏈（鏈）富含鳥嘌呤，輕鏈（L鏈）富含鏈）富含胞嘧啶。胞嘧啶。 線粒體基因組構(gòu)成線粒體基因組構(gòu)成m

3、tDNA分為與非編碼區(qū)分為與非編碼區(qū)n編碼區(qū)各基因之間排列極為緊湊，部分區(qū)域出現(xiàn)重編碼區(qū)各基因之間排列極為緊湊，部分區(qū)域出現(xiàn)重疊，無啟動子和內(nèi)含子，缺少終止密碼子，僅以疊，無啟動子和內(nèi)含子，缺少終止密碼子，僅以U或或UA結(jié)尾。結(jié)尾。 n非編碼區(qū)（非編碼區(qū)（D loop），），1122bp，H鏈復(fù)制起始點(diǎn)，鏈復(fù)制起始點(diǎn)，H鏈和鏈和L鏈的啟動子，保守序列。鏈的啟動子，保守序列。 編碼區(qū)為保守序列，不同種系間編碼區(qū)為保守序列，不同種系間75%的的核苷酸具同源性，包括核苷酸具同源性，包括37個基因：個基因：n2個基因編碼線粒體核糖體的個基因編碼線粒體核糖體的rRNA（16S、2S）n22個基因編碼線粒

4、體中的個基因編碼線粒體中的tRNAn13個基因編碼與線粒體氧化磷酸（個基因編碼與線粒體氧化磷酸（OXPHOS）有關(guān)的蛋白質(zhì)。有關(guān)的蛋白質(zhì)。 線粒體基因編碼蛋白線粒體基因編碼蛋白n3個為構(gòu)成細(xì)胞色素個為構(gòu)成細(xì)胞色素c氧化酶（氧化酶（COX）復(fù)合體（復(fù)合）復(fù)合體（復(fù)合體體）催化活性中心的亞單位（）催化活性中心的亞單位（COX、COX和和COX）n2個為個為ATP合酶復(fù)合體（復(fù)合體合酶復(fù)合體（復(fù)合體）F0部分的部分的2個亞個亞基（基（A6和和A8）n7個為個為NADH-CoQ還原酶復(fù)合體（復(fù)合體還原酶復(fù)合體（復(fù)合體）的亞）的亞基（基（ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和和ND6）n1個

5、編碼的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)為個編碼的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)為CoQH2-細(xì)胞色素細(xì)胞色素c還原酶還原酶復(fù)合體（復(fù)合體復(fù)合體（復(fù)合體）中細(xì)胞色素）中細(xì)胞色素b的亞基的亞基 線粒體基因組遺傳半自主性線粒體基因組遺傳半自主性n mtDNA僅編碼僅編碼13種，絕大部分蛋白質(zhì)亞基和其他維持種，絕大部分蛋白質(zhì)亞基和其他維持線粒體結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)都依賴于核線粒體結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)都依賴于核DNA（nuclear DNA，nDNA）編碼，在細(xì)胞質(zhì)中合成后，經(jīng)特定轉(zhuǎn)運(yùn)）編碼，在細(xì)胞質(zhì)中合成后，經(jīng)特定轉(zhuǎn)運(yùn)方式進(jìn)入線粒體；方式進(jìn)入線粒體；nmtDNA基因的表達(dá)受基因的表達(dá)受nDNA的制約，線粒體氧化磷酸的制約，線粒體氧化磷酸酶化系統(tǒng)的

6、組裝和維護(hù)需要酶化系統(tǒng)的組裝和維護(hù)需要nDNA和和mtDNA的協(xié)調(diào)，的協(xié)調(diào)，二者共同作用參與機(jī)體代謝調(diào)節(jié)。二者共同作用參與機(jī)體代謝調(diào)節(jié)。 因此線粒體是一種半自主細(xì)胞器，受線粒體基因組因此線粒體是一種半自主細(xì)胞器，受線粒體基因組和核基因組兩套遺傳系統(tǒng)共同控制和核基因組兩套遺傳系統(tǒng)共同控制 。二、線粒體基因轉(zhuǎn)錄特點(diǎn)二、線粒體基因轉(zhuǎn)錄特點(diǎn)與核基因轉(zhuǎn)錄比較，與核基因轉(zhuǎn)錄比較，mtDNA的轉(zhuǎn)錄有以下特點(diǎn)：的轉(zhuǎn)錄有以下特點(diǎn)：n兩條鏈均有編碼功能兩條鏈均有編碼功能n兩條鏈從兩條鏈從D-環(huán)區(qū)的啟動子處同時開始以相同速率轉(zhuǎn)環(huán)區(qū)的啟動子處同時開始以相同速率轉(zhuǎn)錄，錄，L鏈按順時針方向轉(zhuǎn)錄，鏈按順時針方向轉(zhuǎn)錄，H鏈按

7、逆時針方向轉(zhuǎn)錄鏈按逆時針方向轉(zhuǎn)錄 mtDNA的基因之間無終止子的基因之間無終止子ntRNA基因通常位于基因通常位于mRNA基因和基因和rRNA基因之間基因之間nmtDNA的遺傳密碼與的遺傳密碼與nDNA不完全相同不完全相同n線粒體中的線粒體中的tRNA兼用性較強(qiáng)兼用性較強(qiáng) 丙氨酸（丙氨酸（Ala）的）的tRNA反密碼子擺動反密碼子擺動密碼子密碼子反密碼子反密碼子核核tRNA線粒體線粒體tRNAGCU、GCCGCA、GCGGGCUGCUGC三、線粒體基因組復(fù)制特點(diǎn)三、線粒體基因組復(fù)制特點(diǎn) mtDNA可進(jìn)行半保留復(fù)制，其可進(jìn)行半保留復(fù)制，其H鏈復(fù)制的起始點(diǎn)鏈復(fù)制的起始點(diǎn)（OH）與）與L鏈復(fù)制起始點(diǎn)

8、（鏈復(fù)制起始點(diǎn)（OL）相隔）相隔2/3個個mtDNA。復(fù)。復(fù)制起始于制起始于L鏈的轉(zhuǎn)錄啟動子，首先以鏈的轉(zhuǎn)錄啟動子，首先以L鏈為模板合成一段鏈為模板合成一段RNA作為作為H鏈復(fù)制的引物，在鏈復(fù)制的引物，在DNA聚合酶作用下，復(fù)制聚合酶作用下，復(fù)制一條互補(bǔ)的一條互補(bǔ)的H鏈，取代親代鏈，取代親代H鏈與鏈與L鏈互補(bǔ)。被置換的親鏈互補(bǔ)。被置換的親代代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)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)或或D環(huán)，故此種環(huán)，故此種DNA復(fù)制方式稱復(fù)制方式稱D-環(huán)復(fù)制。環(huán)復(fù)制。D-D-環(huán)復(fù)制環(huán)復(fù)制第二節(jié)第二節(jié) 線粒體基因的突變線粒體基因的突變n點(diǎn)突變點(diǎn)突變n大片段重組大

9、片段重組nmtDNA數(shù)量減少數(shù)量減少nmtDNA突變的修復(fù)突變的修復(fù)n點(diǎn)突變點(diǎn)突變n大片段重組大片段重組nmtDNA數(shù)量減少數(shù)量減少nmtDNA突變的修復(fù)突變的修復(fù)mtDNA點(diǎn)突變點(diǎn)突變n2/3發(fā)生于編碼發(fā)生于編碼tRNA、rRNA的基因的基因n1/3點(diǎn)突變發(fā)生于編碼點(diǎn)突變發(fā)生于編碼mRNA的基因的基因n點(diǎn)突變點(diǎn)突變n大片段重組大片段重組nmtDNA數(shù)量減少數(shù)量減少nmtDNA突變的修復(fù)突變的修復(fù)n缺失、重復(fù)缺失、重復(fù) 大片段的缺失往往涉及多個基因，可導(dǎo)致線粒體OXPHOS功能下降，產(chǎn)生的ATP減少，從而影響組織器官的功能。常見缺失常見缺失 848313459 863716073 438914

10、812n點(diǎn)突變點(diǎn)突變n大片段重組大片段重組nmtDNAmtDNA數(shù)量減少數(shù)量減少nmtDNA突變的修復(fù)突變的修復(fù)nAD或或AR遺傳，與遺傳，與nDNA有關(guān)。有關(guān)。n點(diǎn)突變點(diǎn)突變n大片段重組大片段重組nmtDNA數(shù)量減少數(shù)量減少nmtDNAmtDNA突變的修復(fù)突變的修復(fù)mtDNA突變率比突變率比nDNA高高1020倍，其原因有以下幾點(diǎn)：倍，其原因有以下幾點(diǎn)：nmtDNA中基因排列緊湊，任何突變都可能會影響到其中基因排列緊湊，任何突變都可能會影響到其基因組內(nèi)的某一重要功能區(qū)域基因組內(nèi)的某一重要功能區(qū)域nmtDNA是裸露的分子，不與組蛋白結(jié)合是裸露的分子，不與組蛋白結(jié)合nmtDNA位于線粒體內(nèi)膜附近

11、，直接暴露于呼吸鏈代謝位于線粒體內(nèi)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，極易受氧化損傷受氧化損傷nmtDNA復(fù)制頻率較高，復(fù)制時不對稱復(fù)制頻率較高，復(fù)制時不對稱n缺乏有效的缺乏有效的DNA損傷修復(fù)能力損傷修復(fù)能力第三節(jié)第三節(jié) 線粒體疾病的遺傳線粒體疾病的遺傳 一、母系遺傳一、母系遺傳 在精卵結(jié)合時，卵母細(xì)胞擁有上百萬拷貝的在精卵結(jié)合時，卵母細(xì)胞擁有上百萬拷貝的mtDNA，而精子中只有很少的線粒體，受精時幾乎，而精子中只有很少的線粒體，受精時幾乎不進(jìn)入受精卵，因此，受精卵中的線粒體不進(jìn)入受精卵，因此，受精卵中的線粒體D

12、NA幾乎全幾乎全都來自于卵子，來源于精子的都來自于卵子，來源于精子的mtDNA對表型無明顯對表型無明顯作用，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)為母系遺病的傳遞方式不符合孟德爾遺傳，而是表現(xiàn)為母系遺傳（傳（maternal inheritance），即母親將），即母親將mtDNA傳遞傳遞給她的兒子和女兒，但只有女兒能將其給她的兒子和女兒，但只有女兒能將其mtDNA傳遞傳遞給下一代。給下一代。 線粒體疾病典型系譜線粒體疾病典型系譜線粒體的母系遺傳，線粒體的母系遺傳，O：卵子，：卵子，S:精子，精子，A、B、C

13、子細(xì)胞，子細(xì)胞，Z:受精卵受精卵二、多質(zhì)性二、多質(zhì)性 人體不同類型的細(xì)胞含線粒體數(shù)目不同，人體不同類型的細(xì)胞含線粒體數(shù)目不同，通常有成百上千個，而每個線粒體中有通常有成百上千個，而每個線粒體中有210個個mtDNA分子，由于線粒體的大量中性突變，分子，由于線粒體的大量中性突變，因此，絕大多數(shù)細(xì)胞中有多種因此，絕大多數(shù)細(xì)胞中有多種mtDNA拷貝，拷貝，其拷貝數(shù)存在器官組織的差異性。其拷貝數(shù)存在器官組織的差異性。三、異質(zhì)性三、異質(zhì)性 如果同一組織或細(xì)胞中的如果同一組織或細(xì)胞中的mtDNA分子都是一致分子都是一致的，稱為同質(zhì)性（的，稱為同質(zhì)性（homoplasmy）。在克隆和測序的）。在克隆和測序的

14、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，這是由于mtDNA發(fā)生突變，導(dǎo)致一個細(xì)胞發(fā)生突變，導(dǎo)致一個細(xì)胞內(nèi)同時存在野生型內(nèi)同時存在野生型mtDNA和突變型和突變型mtDNA，稱為異，稱為異質(zhì)性（質(zhì)性（heteroplasmy）。野生型）。野生型mtDNA對突變型對突變型mtDNA有保護(hù)和補(bǔ)償作用，因此，有保護(hù)和補(bǔ)償作用，因此，mtDNA突變時并突變時并不立即產(chǎn)生嚴(yán)重后果。不立即產(chǎn)生嚴(yán)重后果。 n線粒體異質(zhì)性可分為序列異質(zhì)性和長度異質(zhì)性線粒體異質(zhì)性可分為序列異質(zhì)性和長度異質(zhì)性n同一個體不同組織、同一組織不同細(xì)胞、同一同一個體不同組織、同一組織不同細(xì)胞、同一細(xì)胞甚至同一線粒體內(nèi)有不同的細(xì)胞甚至同一線粒體內(nèi)有不同的mtDNA拷貝；拷貝；n同一個體在不同的發(fā)育時期產(chǎn)生不同的同一個體在不同的發(fā)育時期產(chǎn)生不同的mtDNA。 四、閾值效應(yīng)四、閾值效應(yīng) mtDNA突變可以影響線粒體突變可以影響線粒體OXPHOS的的功能，引起功能，引起ATP合成障礙，導(dǎo)致疾病發(fā)生，但合成障礙，導(dǎo)致疾病發(fā)生，但實(shí)際上基因型和表現(xiàn)型的關(guān)系并非如此簡單。實(shí)際上基因型和表現(xiàn)型的關(guān)系并非如此簡單。突變型突變型mtDNA的表達(dá)受細(xì)胞中