第五节 线 粒 体 遗 传线粒体是人体细胞内除细胞核外唯一含有 DNA的细胞器1894年，Altmann在动物细胞中发现了线粒体，称为生物芽体（bioblast）1897年,Benda将其命名为线粒体（mitochondria）1963年，Nass在鸡胚中发现线粒体DNA同年，Schata分离到完整的线粒体DNA1981年，Anderson等公布了完整的人mtDNA序列 1987年，Wallace等人证实了线粒体DNA突变和Leber 病之间的关系1990, 线粒体基因组时代 线粒体线粒体DNA线粒体遗传病研究历史的回顾线 粒 体一、线粒体的形态结构l线粒体的形态l线粒体的结构线粒体是个敏感而形态多变的细胞器,线粒体的形态常因细胞的不同而有差异，即使在同一细胞内线粒体的形态也不尽相同。 光镜下可以看到形态各异的线粒体：粒状、杆状、线状、颗粒状等。 线 粒 体v外膜：缺乏传送系统，但却有较大的通道，便于小分 子物质进入外膜。 v内膜：各种不同的运输蛋白质可选择性地进行膜内外小分子物质的转移 ； 电子传递链v膜间腔：内外膜之间的空隙 v线粒体嵴：内膜向内凹陷形成 v嵴间腔：嵴间的空隙 v基质：含有脂质、蛋白质、DNA分子和核糖体 线 粒 体电子传递链：由一系列能传递氢或电子的酶或辅酶组成，它们按一定顺序排列在线粒体内膜上，组成传递氢或传递电子的体系。这个体系进行的一系列连锁反应与细胞摄取氧的呼吸过程有关，故又称为呼吸链。 镶嵌在线粒体内膜中的、位置相近的、能共同完成电子传递过程中的某个生物化学反应的酶或辅酶形成了一个酶复合体。整个呼吸链由五个酶复合体构成，分别为复合体、和。 线 粒 体线 粒 体人线线粒体呼吸链链复合体复合体名称亚单位数复合体NADH泛醌还原酶46复合体琥珀酸泛醌还原酶4 复合体泛醌细胞色素C还原酶11 复合体细胞色素氧化酶13 复合体ATP合成酶16泛醌为脂溶性，分子较小，不与任何蛋白质结合，可在线 粒体内膜的不同组分间穿梭游动，传递电子。细胞色素C的分子量也较小，是可在线粒体内膜外侧移动的 递电子体. 线 粒 体二、线粒体的功能线粒体是生物体从营养物中获取能量的主要结构，是三大能源物质糖、脂肪和蛋白质的分解代谢中心。这些能源物质在线粒体内进行分解代谢，最后通过氧化磷酸化过程转化成生物体可利用的高能化合物ATP。 能量转换线 粒 体 DNA 一、线粒体DNA的结构特征 位于线粒体的基质内 每个线粒体通常含有210个拷贝的mtDNA mtDNA为环状 线 粒 体 DNA 线粒体DNA是一个双链闭合环状 分子，外环为重链（H链），内环 为轻链（L链）。 线粒体DNA长度约16，569bp。 具有37个基因，分别编码13种蛋白质，22种tRNA和2种rRNA。这13种蛋白质都是呼吸链复合体的亚单位。 线粒体DNA结构紧凑，没有内含子，唯一的非编码区是约1000bp的D-环区。 D-环区有mtDNA轻重链转录的启动子和轻链复制的起始点。 线 粒 体 DNA 二、线粒体DNA的遗传学特征1、线粒体DNA具有半自主性v线粒体DNA能独立地复制、转录和翻译。（第25号染色体，M染色体 ） v核DNA编码了大量维持线粒体结构和功能的 大分子复合物以及大多数氧化磷酸化酶的蛋白质亚单位，所以线粒体DNA的功能又受核DNA的影响。线 粒 体 DNA 2、线粒体基因组所用的遗传密码和通用密码不同l1979年，Barrell 报道了人线粒体DNA所用的遗传密码。 密码子线粒体DNA编码核DNA编码UGA色氨酸终止AUA蛋氨酸异亮氨酸AGG终止精氨酸通用遗传遗传 密码码和线线粒体遗传遗传 密码码的差异l UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码。因此，线粒体tRNAtrp可以识别UGG和UGA两个密码子。l 多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子编码；而起始甲硫氨酸由AUG，AUA，AUU和AUC四个密码子编码。l AGA，AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，因而，在线粒体密码系统中有4个终止密码子（UAA ， UAG ， AGA ， AGG）。线 粒 体 DNA 线粒体tRNA的简并性（degeneracy） 密码子前两位碱基一样，最后一位（3位）的碱基无论是嘌呤（A,G）或嘧啶（C,T），都编码同一种氨基酸。mttRNA的反密码子5摆动位上的核苷酸为U，可以与上述密码子3位的4种核苷酸配对，因而，一个tRNA可以识别4种密码子。 密码子仅3位核苷酸不同，由嘌呤碱基组成的密码子与由嘧啶碱基组成的密码子编码不同的氨基酸，mttRNA反密码子上5位的U经过修饰，识别3位由嘌呤碱基组成的密码子，而不再识别3位由嘧啶碱基组成的密码子，这样，便可以防止错误翻译的发生。l线粒体DNA编码的tRNA简并性较强，仅用22个tRNA来识别多达48个密码子。线 粒 体 DNA 线 粒 体 DNA 3、线粒体DNA为母系遗传（不符合孟德尔遗传规 律） u人类受精卵中的线粒体绝大部分来自卵母细胞。母亲把线粒体DNA传递给所有的子女，但是只有她的女儿们将其线粒体DNA传给下一代。这种传递方式被称为母系遗传。 线 粒 体 DNA 有性生殖中的受精方式：精卵结合时精子的mt及其内部的DNA被降解，受精卵中的细胞质全部来自卵子。 u原因线 粒 体 DNA u原因精子、卵子中线粒体悬殊的数量对比(卵子：精子100，000：100) 精子线粒体被选择性地破坏：在精子形成过程中精子线粒体普遍添加了标记，带有标记的精子线粒体被新生的胚胎细胞核降解。 u在线粒体遗传病中，致病性的线粒体DNA突变也是由母亲遗传给后代的。线 粒 体 DNA 4、线粒体DNA的突变率极高 u线粒体DNA的突变率极高，约比核DNA高10-20倍。 线粒体DNA排列紧凑，没有内含子，任何mtDNA的 突变都可能影响其基因组的重要功能； 线粒体DNA缺少组蛋白的保护； 线粒体DNA容易被呼吸链生成自由基氧化损伤； 线粒体中没有DNA损伤的修复系统； 线粒体DNA复制频率高，H链长期单链裸露，可自发脱氨基导致突变。 线 粒 体 DNA u线粒体DNA的高突变率造成群体中个体之间的线粒体DNA序列极大不同。任何两个人的线粒体DNA，平均每1000个碱基对中就有4个碱基不同。u尽管线粒体DNA突变非常普遍，但线粒体遗传病目前还不是想象中的那麽常见。 线 粒 体 DNA 5、线粒体DNA具有阈值效应的特性n同质性（homoplasmy） ：在一个细胞或组织中，所有的线粒体都具有相同的基因组，或者全都是野生型序列，或者都是携带有同样一个基因突变的序列。n异质性（heteroplasmy）：一个细胞或组织中同时具有突变型和野生型线粒体DNA，也称为异质。l线粒体的异质性是普遍存在的。l突变型和野生型线粒体DNA的比例在不同个体、在个体的不同组织器官中是不同的。线 粒 体 DNA n线粒体病存在着表型表达的阈值:当突变型线粒体DNA达到一定的比例时，才会导致异常性状的出现。 有体外实验证实，细胞中最多可含有7090的突变型线粒体DNA 仍不出现呼吸链功能的异常。 阈值取决于不同细胞或组织对能量的依赖性。 大量的临床研究证实，当突变型线粒体DNA超过阈值导致个体发病时，相应组织中突变型线粒体DNA的比例越高，临床症状就越严重。 高需能（eg. 肌肉、大脑、）又含有同质性线粒体DNA突变的细胞将会遭受更为严重的损害。线 粒 体 DNA 6、线粒体DNA在有丝分裂和减数分裂期间都要经过复制分离v在卵母细胞经过减数分裂而逐渐成熟时，绝大部分的线粒体会随机丧失，线粒体数目急剧减少，只有有限的线粒体会保留下来。遗传瓶颈（genetic bottleneck ）：线粒体在卵母细胞成熟时数目锐减的现象。通过遗传瓶颈而保留下来的线粒体完全是随机的，因 此不同的卵母细胞含有不同比例的突变型线粒体DNA。如果卵母细胞保留下来较高比例的突变型线粒体DNA，由这个卵母细胞受精发育而来的后代就更易出现线粒体 疾病。相反，如果卵母细胞经过减数分裂的复制分离后， 卵母细胞不含有线粒体DNA突变，或含有较低比例线粒体 DNA突变，那么这种卵母细胞受精发育而来的后代则可能不会发病，或症状较轻。线 粒 体 DNA 线 粒 体 DNA v 在胚胎发生和组织形成的有丝分裂过程中，线粒体在复制后随细胞分裂随机地分离，进入子细胞。线粒体在子细胞中的随机重新分布，使得不同子细胞具有比例不同的突变型线粒体DNA。 一些干细胞携带大量的具有突变基因的线粒体，随后形成的组织细胞也就具有高比例的突变型线粒体DNA，造成组织中能量供应水平降低，出现临床症状，尤其是那些高需能的组织。而另一些干细胞则可能携有较少的具有突变基因的线粒体，随后形成的组织细胞含有的突变线粒体DNA较低，不会出现症状。线 粒 体 DNA 点突变 大片段重组 (重复和缺失）mtDNA数量减少线粒体DNA的突变类型 线 粒 体 遗 传 病 线粒体DNA突变导致的线粒体遗传病线粒体DNA的致病性突变可以导致各种各样的线粒体疾病，这些线粒体疾病多表现为各种临床综合征。线 粒 体 遗 传 病 发生在蛋白质编码基因的突变影响特定的呼吸链蛋白质。 发生在tRNA和rRNA编码基因的突变，影响整个线粒体蛋白质的合成。 线 粒 体 遗 传 病 l线粒体疾病通常 是多系统疾病。l某些线粒体疾病 也表现组织器官的 特异性Leber遗传性视神经病（leber hereditary optic neuropathy，LHON）（一）、临床症状一种急性或亚急性发作的眼部疾病： 视物模糊、无痛性的失明（双眼同时或先后受累） 心脏的传导阻滞肌张力的降低周围神经的退化一般成年期发病，平均发病年龄27岁，但最早可在6岁，最晚可在70多岁发病。 存在性别差异，一般男性患者是女性患者的45倍。视网膜神经元和视神经的退化是它的主要病理特征。（二）、病理特征Leber遗传性视神经病Leber遗传性视神经病 NormalLeber Leber遗传性视神经病是第一种被证实由线粒体DNA点突变导致的母系遗传疾病。 目前已经发现了至少有18种错义突变可直接或间接地导致这种疾病的出现。这些突变分别位于线粒体基因组编码9种呼吸链蛋白质的基因中,涉及呼吸链复合体、和。（三）、遗传学基础Leber遗传性视神经病Leber遗传性视神经病可分为两种类型：第一种类型：单个线粒体DNA突变就足以导致出现临床症状。在第一种类型的病例中，90的患者存在有三种突变MTND1*LHON3460A MTND4*LHON11778AMTND6*LHON14484C第二种类型：需要二次突变或其他变异才能出现临床症状。Leber遗传性视神经病MTND4*LHON11778A： Wallance突变 n在具有上述三种突变的第一种类型的病例中， Wallance突变占了5070。n该碱基替换使酶复合体ND4亚单位中的第340位高度保守的精氨酸变成了组氨酸，从而影响了线粒体能量的产生。 n利用Wallance突变可以对大约50的LHON家系用限制性酶切片段分析技术进行基因诊断。Leber遗传性视神经病11778 GMTND4*LHON11778ASfaN Mae normalabnormalnormalabnormalLeber遗传性视神经病 原理：normalabnormalPCR，酶切SfaN Mae Leber遗传性视神经病肌阵挛性癫痫和破碎红纤维病（myoclonnus epilepsy and ragged-red fibers , MERRF）（