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(nèi)還含有DNA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。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(jié)合，呈裸露閉環(huán)雙鏈狀，根據(jù)其轉(zhuǎn)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(gè)基因：2個(gè)基因編碼線粒體核糖體的rRNA（16S、12S），22個(gè)基因編碼線粒體中的tRNA，13個(gè)基因編碼與線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）有關(guān)的蛋白質(zhì)。,第一節(jié) 人類線

3、粒體基因組,3個(gè)為構(gòu)成細(xì)胞色素c氧化酶（COX）復(fù)合體（復(fù)合體Ⅳ）催化活性中心的亞單位（COXⅠ、COXⅡ和COXⅢ）2個(gè)為ATP合酶復(fù)合體（復(fù)合體Ⅴ）F0部分的2個(gè)亞基（A6和A8）7個(gè)為NADH-CoQ還原酶復(fù)合體（復(fù)合體Ⅰ）的亞基（ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6）1個(gè)編碼的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)為CoQH2-細(xì)胞色素c還原酶復(fù)合體（復(fù)合體Ⅲ）中細(xì)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(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DNA（nuclear DNA，nDNA）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。此外，mtDNA基因的表達(dá)受nDNA的制約，線粒體氧化磷酸酶化系統(tǒng)的組裝和維護(hù)需要nDNA和mtDNA的協(xié)調(diào)，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(zhuǎn)錄比較，mtDNA的轉(zhuǎn)錄有以

5、下特點(diǎn)：①兩條鏈均有編碼功能②兩條鏈從D-環(huán)區(qū)的啟動(dòng)子處同時(shí)開始以相同速率轉(zhuǎn)錄，L鏈按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)錄，H鏈按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)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(qiáng),第一節(jié) 人類線粒體基因組,,丙氨酸（Ala）的tRNA反密碼子擺動(dòng),,第一節(jié) 人類線粒體基因組,mtDNA可進(jìn)行半保留復(fù)制，其H鏈復(fù)制的起始點(diǎn)（O

6、H）與L鏈復(fù)制起始點(diǎn)（OL）相隔2/3個(gè)mtDNA。復(fù)制起始于L鏈的轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子，首先以L鏈為模板合成一段RNA作為H鏈復(fù)制的引物，在DNA聚合酶作用下，復(fù)制一條互補(bǔ)的H鏈，取代親代H鏈與L鏈互補(bǔ)。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(fù)制方式稱D-環(huán)復(fù)制。,,第二節(jié) 線粒體基因的突變,一、點(diǎn)突變二、大片段重組三、mtDNA數(shù)量減少四、mtDNA突變的修復(fù),,mtDNA突變率比nDNA高10

7、～20倍，其原因有以下幾點(diǎn)：①mtDNA中基因排列緊湊，任何突變都可能會(huì)影響到其基因組內(nèi)的某一重要功能區(qū)域②mtDNA是裸露的分子，不與組蛋白結(jié)合③mtDNA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，極易受氧化損傷④mtDNA復(fù)制頻率較高，復(fù)制時(shí)不對稱⑤缺乏有效的DNA損傷修復(fù)能力,第三節(jié) 線粒體疾病的遺傳,一、母系遺傳 在精卵結(jié)合時(shí)，卵母細(xì)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(shí)幾乎不進(jìn)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(zhì)性 人體不同類型的細(xì)胞含線粒體數(shù)目不同，通

9、常有成百上千個(gè)，而每個(gè)線粒體中有2～10個(gè)mtDNA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mtDNA拷貝，其拷貝數(shù)存在器官組織的差異性。,,三、異質(zhì)性 如果同一組織或細(xì)胞中的mtDNA分子都是一致的，稱為同質(zhì)性（homoplasmy）。在克隆和測序的研究中發(fā)現(xiàn)一些個(gè)體同時(shí)存在兩種或兩種以上類型的mtDNA，這是由于mtDNA發(fā)生突變，導(dǎo)致一個(gè)細(xì)胞內(nèi)同時(shí)存在野生型mtDNA和突變型mtDNA，稱

10、為異質(zhì)性（heteroplasmy）。野生型mtDNA對突變型mtDNA有保護(hù)和補(bǔ)償作用，因此，mtDNA突變時(shí)并不立即產(chǎn)生嚴(yán)重后果。,,線粒體異質(zhì)性可分為序列異質(zhì)性（sequence-based heteroplasmy）和長度異質(zhì)性（length-based heteroplasmy），一般表現(xiàn)為：①同一個(gè)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mtDNA拷貝；②同一個(gè)體在不同的發(fā)育時(shí)期產(chǎn)生不同的mtDNA。,

11、,四、閾值效應(yīng) mtDNA突變可以影響線粒體OXPHOS的功能，引起ATP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。突變型mtDNA的表達(dá)受細(xì)胞中線粒體的異質(zhì)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(xì)胞分裂過程中，異質(zhì)性細(xì)胞中突變型mtDNA和野生型mtDNA的比例會(huì)發(fā)生漂變，向同質(zhì)性的方向