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1、本章重点,1掌握线粒体疾病、异质性、阈值效应、母系遗传、遗传 瓶颈等概念。2掌握线粒体DNA的结构与遗传特点。3熟悉线粒体基因组与核基因组的关系。4掌握几种常见的人类线粒体疾病。5. 了解线粒体DNA的复制、转录特点。,power plant,1894年，德国Altmann首次发现线粒体，并命名为bioblast,1897年，Benda正式命名为mitochondrion(线粒体),1963年，Nass在鸡胚中发现线粒体中存在DNA,Schatz分离到完整的线粒体DNA,1981年，剑桥大学Anderson小组测定人mtDNA,1987年，Wallace提出mtDNA突变可引起疾病,的完整DN
2、A序列，称为“剑桥序列”,第一节 线粒体DNA的结构特点与遗传特征,线粒体基因组,线粒体是细胞质中独立的细胞器，也是动物细胞核外唯一的含有DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)的细胞器。,25号染色体,每个正常人的细胞内约有几百到几千个线粒体每个线粒体内约有210 mtDNA拷贝,人mtDNA是一个长为16,569 bp的双链闭合环状分子，外环含G较多，称重链(H链)，内环含C较多，称轻链(L链)。,一、线粒体DNA的结构特点,线粒体的H链是12种多肽链、12S rRNA、16S rRNA和14种tRNA的转录模板，L链是1种多肽链和8种tRNA转录的模板。,人类的mtDNA
3、编码13条多肽链、22种tRNA和2种rRNA。13种蛋白质均是呼吸链酶复合物的亚单位。,D环复制（取代环复制）：不对称复制。特点：两条链的复制起点不在同一点上，一条链先复制，另一条链保持单链而被取代；当一条链复制到一定程度时才暴露出另一条链的复制起点，另一条链才开始复制。,线粒体DNA的复制,复制方式为半保留复制，由线粒体的 DNA聚合酶完成。 H链复制起始点(OH)与L链复制起始点(OL)相隔2/3个mtDNA。,线粒体基因的转录,特点：1. 两条链均有编码功能2. 两条链从D-环区的启动子处同时开始以相同的速 率转录，L链-顺时针，H链-逆时针3. mtDNA的基因之间无终止子4. tR
4、NA基因通常位于mRNA基因和rRNA基因之间5. 线粒体中的tRNA兼用性较强，1个tRNA可以识别 几个简并密码子,二、线粒体DNA的遗传学特征mtDNA半自主性 mtDNA遗传密码与通用密码不完全相同 mtDNA为母系遗传 mtDNA在有丝分裂和减数分裂期间都要经过复制分离 mtDNA具有阈值效应的特征 mtDNA的突变率很高,（一）mtDNA具有半自主性 线粒体是一种半自主细胞器，受线粒体基因组和核基因组两套遗传系统共同控制 。,mtDNA编码13种蛋白质，绝大部分蛋白质亚基和其他维持线粒体结构和功能的蛋白质都依赖于nDNA编码，在细胞质中合成后，经特定转运方式进入线粒体 。 mtDN
5、A基因的表达受nDNA的制约，线粒体氧化磷酸酶化系统的组装和维护需要nDNA和mtDNA的协调，二者共同作用参与机体代谢调节。,（二）线粒体基因组所用的遗传密码和通用密码不完全等同,多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子编码，起始甲硫氨酸由AUG，AUA，AUU和AUC四个密码子编码 UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码 AGA，AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，线粒体密码系统中有4个终止密码子（UAA，UAG，AGA，AGG）,（三）mtDNA为母系遗传,母亲将她的mtDNA传递给儿子和女儿，但只有女儿能将其mtDNA传递给下一代。,mtDNA的母系遗传,人的细胞里通常有上千个
6、mtDNA拷贝，在突变体和正常mtDNA共存的细胞中，mtDNA在细胞的复制和分离过程中发生遗传漂变，可导致子细胞出现三种基因型：纯合的突变体mtDNA、纯合的正常mtDNA、突变体和正常的mtDNA的杂合体。,（四）mtDNA在有丝分裂和减数分裂期间都要经过复制分离,遗传瓶颈效应：10万2200,异质性(heteroplasmy):由于mtDNA突变率极高，使得一个细胞内同时存在突变型和野生型mtDNA，也叫杂质性。 同质性(homoplasmy):同一组织或细胞中的mtDNA分子都是一致的，也称做纯质性。,机制：杂质性细胞经过有丝分裂和减数分裂，随机分离到两个子细胞中的突变型和野生型mtD
7、NA的比例发生改变，分别向纯合突变型和纯合野生型漂变，经过无数次分裂后，细胞达到纯合型。,能引起特定组织器官功能障碍的突变mtDNA的最少数量称阈值。线粒体病发病有一阈值，只有当异常mtDNA超过阈值时才发病。不同的组织器官对能量的依赖程度不同，脑、骨骼肌、心脏、胰腺、肾脏、肝脏对能量的依赖性依次降低。 ATP产生越少，病症涉及的器官越多，症状越严重。最先受损的是中枢神经系统，其后为骨骼肌、心脏、胰腺、肾脏和肝脏。,（五）mtDNA具有阈值效应的特性,（六）mtDNA的突变率极高 原因： mtDNA中基因排列紧凑，任何突变都可能会影响到其基因组 内的某一重要功能区域。 mtDNA是裸露的分子，
8、不与组蛋白结合。 mtDNA位于线粒体内膜附近，直接暴露于呼吸链代谢产生的超氧离子和电子传递产生的羟自由基中，极易受氧化损伤。 mtDNA复制频率较高，复制时不对称,缺乏有效的DNA损伤修复能力。,第二节 mtDNA突变与人类疾病,1987年发现第一个mtDNA突变以来，现已发现100多个与疾病相关的点突变、200多种缺失和重排。mtDNA突变类型主要包括点突变、片段缺失插入和mtDNA拷贝数目减少。,一、线粒体遗传病的突变类型 1.碱基突变错义突变: 也称氨基酸替换突变，主要与脑脊髓性及神经性疾病有关，常见有Leber遗传性视神经病和神经肌病。蛋白质生物合成基因突变: 比错义突变的疾病表型更
9、具有系统性特征，且所有生物合成基因突变都为tRNA突变，并与线粒体肌病相关。主要有MERRF综合征。,2.缺失、插入突变 mtDNA缺失突变引起绝大多数眼肌病，这种缺失导致的疾病一般无家族史。3.mtDNA拷贝数目突变 与核基因突变有关。,线粒体病（mitochondrial disease, MD）: 以线粒体结构或功能异常为主要病因的一大类疾病。特点： 1.MD多数由于线粒体DNA改变而引起。 2.MD具有母系遗传的特点。 3.MD多为神经、肌肉系统疾病。,二、人类线粒体遗传病,线粒体病涉及组织,病因：mtDNA发生突变（片段缺失或点突变） 无法编码M在氧化代谢过程中必须的酶/载体 糖原/
10、脂肪酸（底物）不能进入M或不能被充分利用 ATP产生不足 细胞功能减退甚至坏死,mtDNA突变引起的疾病 中枢神经系统和骨骼肌对能量的依赖性最强，故临床症状以中枢神经系统和骨骼肌病变为特征.线粒体脑病: 病变以中枢神经系统为主；线粒体肌病: 病变以骨骼肌为主；线粒体脑肌病: 病变同时侵犯中枢神经系统和骨骼肌。,（一）Leber遗传性视神经病（OMIM # 535000）,Leber遗传性视神经病是以德国眼科医生Theodor Leber的名字命名的，又称Leber视神经萎缩，为一种急性或亚急性发作的母系遗传病，男女病人比例5:1，至今尚未发现一个男性患者将此病传给后代。,Leber T 医生,
11、视神经与视网膜神经元退化，发病较早，表现急性亚急性视力减退，中心视野丧失明显，导致失明；可伴有神经、心血管、骨骼肌等系统异常。,患者,正常者,11778GA导致编码NADH脱氢酶亚单位4(ND4)中第340位的Arg精His组，改变ND4空间构型，NADH脱氢酶活性降低，线粒体产能效率下降，视神经细胞提供能量不能长期维持视神经完整结构，导致神经细胞退行性变、死亡。,Leber遗传性视神经病(LHON),公认的致病性最强的三种原发性突变11778GA 90. 9%3460GA 1. 8% 14484TC 7. 3%,其它致病基因位点突变,Leber遗传性视神经病家系,患者多在1820岁发病，男性
12、较多见，个体细胞中突变mtDNA超过96时发病，少于80时男性病人症状不明显,链霉素、庆大霉素、妥布霉素、新霉素、巴龙霉素等氨基糖甙类药物进入耳蜗和前庭毛细胞的线粒体并蓄积，抑制线粒体蛋白质的合成并抑制耳蜗和前庭细胞氧化磷酸化，造成线粒体和细胞受损，启动细胞调亡，最终造成患者听力下降。,A1555G突变线粒体 12S rRNA,（二）链霉素耳毒性耳聋（OMIM # 580000）,DEAF1555位点AG,7445位点TG,常规剂量的氨基糖苷类抗生素致聋的分子机制,线粒体12S rRNA的A1555G和C1494T突变二级结构图,氨基糖甙类抗生素耳神经毒性,以发育迟缓，近端肢体肌无力，痴呆，抽
13、搐，视网膜色素变性和感觉功能减退为特点。,（三）神经病伴运动性共济失调和视网膜色素变性（ NARP ）,NARP8993TG,在线粒体ATPase6基因的第8993位点发生T至G的颠换，使ATPase第6亚单位的第156位上亮氨酸精氨酸，从而影响ATP合酶的质子通道。,如果8993位置突变的异质性超过90%时，通常会发生一种致命的、发生在婴儿期的疾病，称Leigh综合征（Leigh syndrome，LS，OMIM # 256000）。主要病理学特征是基底神经节和脑干部位神经元细胞的退化 。,Leigh综合征患者,（四）癫痫伴碎红纤维病 （MERRF综合征）,多系统紊乱，肌阵挛性癫痫，共济失调
14、，轻度痴呆，耳聋，脊髓退化。大量团块状线粒体聚集于肌细胞中（可被特异性染料染成红色，破碎红纤维）。大脑卵圆核与齿状核有神经元的缺失。,MERRF综合征患者,MTTK*MERRF 8344A G,病因：,超过90%的突变率发生在tRNA lys上的A8344G突变,（五）线粒体脑肌病伴乳酸血症和卒中样发作 （ MELAS综合征）,1020岁发病，40岁以前开始出现的复发性休克、肌病、共济失调、肌阵挛、痴呆和耳聋。少数患者出现反复呕吐、周期性的偏头痛、糖尿病。进行性眼外肌无力或麻痹使眼的水平运动受限，眼外肌麻痹，眼睑下垂。肌无力，身材矮小等。在MELAS患者中，异常的线粒体不能够代谢丙酮酸，导致大
15、量丙酮酸生成乳酸，而后者在血液和其他体液中累积。MELAS患者的特征性病理变化就是在脑和肌肉的小动脉和毛细血管管壁中有大量的形态异常的聚集的线粒体。,MELAS患者脑部病变,MTTL1*MELAS3243G,超过80%的突变率发生在tRNA leu(UUR)基因上的A3243G突变,（六） KSS综合征（慢性进行性外部眼肌麻痹，CPEO),常见临床表现：是进行性眼外肌麻痹（CPEO)和视网膜色素变性。还包括心肌电传导异常，共济失调，耳聋，痴呆和糖尿病。发病年龄一般低于20岁，大多数患者在确诊后几年内死亡。,CPEO患者眼外肌慢性进行性瘫痪,病因：KSS患者的线粒体分析表明有mtDNA结构的改变，包括大片段缺失(1000bp)和DNA复制。,第8648位,第13460位,网络资源,http:/www.mitoresearch.org/,思考题一、名词解释：1mtDNA 2异质性 3阈值效应 4. 遗传瓶颈 5线粒体病 6LHON 7.Maternal inheritance二. 线粒体DNA的结构特点。 三、与线粒体突变相关的常见几种疾病。四、线粒体的多质型与异质性。,The End,
