线粒体与疾病线粒体与疾病1荟萃医学u18571857年，瑞士解剖学家及生理学家阿尔伯特年，瑞士解剖学家及生理学家阿尔伯特冯冯科立克科立克在肌肉细胞中发现了颗粒状结构。在肌肉细胞中发现了颗粒状结构。u18901890年，德国病理学家及组织学家理查德年，德国病理学家及组织学家理查德阿尔特曼将这阿尔特曼将这些颗粒命名为些颗粒命名为“原生粒原生粒”（bioblastbioblast）。）。 阿尔伯特阿尔伯特冯冯科立克科立克理查德理查德阿尔特曼阿尔特曼线粒体的认识历程线粒体的认识历程2荟萃医学u 1897年，德国科学家卡尔年，德国科学家卡尔本达因这些结构时而呈线状时本达因这些结构时而呈线状时而呈颗粒状，所以用希腊语中而呈颗粒状，所以用希腊语中“线线”和和“颗粒颗粒”对应的两个对应的两个词词-“mitos”和和“chondros” -组成组成“mitochondrion”来为这来为这种结构命名。种结构命名。u1900年，美国化学家莱昂诺尔年，美国化学家莱昂诺尔米歇利斯开发出用具有还原米歇利斯开发出用具有还原性的健那绿染液为线粒体染色的方法，并推断线粒体参与某性的健那绿染液为线粒体染色的方法，并推断线粒体参与某些氧化反应。些氧化反应。线粒体的认识历程线粒体的认识历程3荟萃医学u1904年年, Friedrich Meves第一次记录了植物中的线粒体。第一次记录了植物中的线粒体。u英国生物学家大卫英国生物学家大卫基林在基林在1923年至年至1933年这十年间对线年这十年间对线粒体内的氧化还原链的物质基础进行探索，辨别出反应中粒体内的氧化还原链的物质基础进行探索，辨别出反应中的电子载体的电子载体-细胞色素。细胞色素。线粒体的认识历程线粒体的认识历程4荟萃医学u1931年，奥托年，奥托.海因里希海因里希.瓦尔伯因瓦尔伯因“发现呼吸酶的性质发现呼吸酶的性质及作用方式及作用方式”被授予诺贝尔生理学或医学奖。被授予诺贝尔生理学或医学奖。u1937年，汉斯年，汉斯阿道夫阿道夫克雷布斯发现了三羧酸循环，于克雷布斯发现了三羧酸循环，于1953年获诺贝尔生理学医学奖。年获诺贝尔生理学医学奖。OttoHeinrichWarburgHansAdolfKrebs线粒体的认识历程线粒体的认识历程5荟萃医学u1946年，阿尔伯特年，阿尔伯特克劳德推断负责呼吸链的细胞色素氧化酶克劳德推断负责呼吸链的细胞色素氧化酶和呼吸链中的其他酶位于线粒体。和呼吸链中的其他酶位于线粒体。 u1967年，年，OBrien和和Kalf等在大鼠肝脏细胞的线粒体中发现核等在大鼠肝脏细胞的线粒体中发现核糖体。糖体。u1968年，年， Nass等通过电镜确认了线粒体等通过电镜确认了线粒体DNA(mtDNA)的存在。的存在。u1976年，完成酵母线粒体的遗传和物理图谱。年，完成酵母线粒体的遗传和物理图谱。AlbertClaude线粒体的认识历程线粒体的认识历程6荟萃医学数量数量数量数量: : : : 与细胞新陈代谢有关与细胞新陈代谢有关与细胞新陈代谢有关与细胞新陈代谢有关分布分布分布分布：线粒体一般均匀分布。但有些细胞分布有一定线粒体一般均匀分布。但有些细胞分布有一定的规律，通常分布在功能旺盛，需能较多的部位。的规律，通常分布在功能旺盛，需能较多的部位。心肌细胞心肌细胞精子尾部精子尾部鞭毛髓部鞭毛髓部线粒体线粒体7荟萃医学线粒体的形态线粒体的形态可可可可塑塑性细胞器性细胞器性细胞器性细胞器，多为粒状、杆状或线状，多为粒状、杆状或线状，多为粒状、杆状或线状，多为粒状、杆状或线状直径为直径为直径为直径为0.50.50.50.51.01.01.01.0 m m m m，长，长，长，长1.51.51.51.53.03.03.03.0 m m m m8荟萃医学 蝙蝠胰腺细胞线粒体的电镜图蝙蝠胰腺细胞线粒体的电镜图9荟萃医学 线粒体的超微结构线粒体的超微结构分为分为分为分为5 5 5 5个部分：个部分：个部分：个部分： 外外外外 膜膜膜膜 膜间隙膜间隙膜间隙膜间隙 内内内内 膜膜膜膜 嵴嵴嵴嵴 基质基质基质基质 由两层单位膜围成的封闭的囊状结构由两层单位膜围成的封闭的囊状结构10荟萃医学线粒体基因组线粒体基因组u每个细胞含每个细胞含2100个线粒体，每个线粒体中含有个线粒体，每个线粒体中含有210个环状个环状 DNA-mitochondrial DNA (mtDNA), 位于内膜附位于内膜附近或基质中。近或基质中。25号染色体号染色体11荟萃医学线粒体基因组的结构特征线粒体基因组的结构特征 人人人人mtDNAmtDNAmtDNAmtDNA是是是是一一一一个个个个长长长长为为为为16,569 16,569 16,569 16,569 bpbpbpbp的的的的双双双双链链链链闭闭闭闭合合合合环环环环状状状状分分分分子子子子，外外外外环环环环为为为为重重重重链链链链(H(H(H(H链链链链) ) ) )，富富含含G G ，内内内内环环环环为为为为轻轻轻轻链链链链(L(L(L(L链链链链) ) ) ) ，富含，富含C C。12荟萃医学mtDNAmtDNA结结结结构构构构紧紧紧紧凑凑凑凑，没没没没有有有有内内内内含含含含子子子子，唯唯唯唯一一一一的的的的非非非非编编编编码码码码区区区区是是是是D D环环环环区区区区，长长长长约约约约1,000bp1,000bp左右。左右。左右。左右。D D D D环环环环区区区区包包包包括括括括mtDNAmtDNAmtDNAmtDNA重重重重链链链链复复复复制制制制起起起起始始始始点点点点，轻轻轻轻重重重重链链链链转转转转录录录录的的的的启启启启动动动动子子子子及及及及4 4 4 4个个个个高高高高度度度度保保保保守守守守序序序序列和终止区。列和终止区。列和终止区。列和终止区。线粒体基因组的结构特征线粒体基因组的结构特征 13荟萃医学人人人人类类类类的的的的mtDNAmtDNAmtDNAmtDNA含含含含37373737个个个个基基基基因因因因，编编编编码码码码13131313条条条条多多多多肽肽肽肽链链链链、22222222种种种种tRNAtRNAtRNAtRNA和和和和2 2 2 2种种种种rRNArRNArRNArRNA。13131313种种种种蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质均均均均是是是是呼呼呼呼吸吸吸吸链链链链酶酶酶酶复复复复合合合合物物物物的亚单位。的亚单位。的亚单位。的亚单位。H H H H链链链链编编编编码码码码12121212种种种种多多多多肽肽肽肽链链链链和和和和14141414种种种种 tRNAtRNAtRNAtRNA和和和和 12srRNA12srRNA12srRNA12srRNA和和和和16srRNA16srRNA16srRNA16srRNA；L L L L链链链链仅仅仅仅编编编编码码码码1 1 1 1种种种种多多多多肽链和肽链和肽链和肽链和8 8 8 8种种种种tRNAtRNAtRNAtRNA 。线粒体基因组的结构特征线粒体基因组的结构特征 14荟萃医学几种模式生物几种模式生物mtDNAmtDNA的长度的长度 生物生物 学名学名mtDNAmtDNA长度（长度（bpbp）芽殖酵母芽殖酵母Saccharomyces cerevisiaeSaccharomyces cerevisiae85779 85779 裂殖酵母裂殖酵母Schizosaccharomyces pombe Schizosaccharomyces pombe 1943119431拟南芥拟南芥 Arabidopsis thalianaArabidopsis thaliana366924366924水稻水稻Oryza sativaOryza sativa490520490520秀丽隐杆线虫秀丽隐杆线虫Caenorhabditis elegansCaenorhabditis elegans1379413794黑腹果蝇黑腹果蝇Drosophila melanogasterDrosophila melanogaster1951719517非洲爪蟾非洲爪蟾Xenopus laevisXenopus laevis1755317553小鼠小鼠Mus musculusMus musculus16300 16300 15荟萃医学林恩林恩马古利斯（马古利斯（Lynn Margulis）内共生学说内共生学说16荟萃医学线粒体线粒体DNADNA的遗传学特点的遗传学特点v线粒体线粒体DNA能独立地复制、转能独立地复制、转录和翻译。录和翻译。v核核DNA编码了大量维持线粒体编码了大量维持线粒体结构和功能的大分子复合物以及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大多数氧化磷酸化酶的蛋白质亚单位，所以线粒体单位，所以线粒体DNA的功能又的功能又受核受核DNA的影响。的影响。1. mtDNA具有半自主性。具有半自主性。17荟萃医学2. 线粒体基因组所用的遗传密码和通用密码线粒体基因组所用的遗传密码和通用密码不同。不同。l1979年，年，Barrell 报道了人线粒体报道了人线粒体DNA所用的遗传密码。所用的遗传密码。 通用通用遗传密密码和和线粒体粒体遗传密密码的差异的差异密密码子子线粒体粒体DNADNA编码核核DNADNA编码UGAUGA色氨酸色氨酸终止止AUAAUA甲硫氨酸甲硫氨酸异亮氨酸异亮氨酸AGGAGG终止止精氨酸精氨酸18荟萃医学3. mtDNA为母系遗传。为母系遗传。u人类受精卵中的线粒体绝大部分来自卵母细胞。母亲人类受精卵中的线粒体绝大部分来自卵母细胞。母亲把线粒体把线粒体DNA传递给所有的子女，但是只有她的女儿们传递给所有的子女，但是只有她的女儿们将其线粒体将其线粒体DNA传给下一代。这种传递方式被称为母系传给下一代。这种传递方式被称为母系遗传。遗传。 19荟萃医学4. mtDNA的突变率极高的突变率极高。 u线粒体线粒体DNA的突变率极高，约比核的突变率极高，约比核DNA高高10-20倍。倍。 线粒体线粒体DNA排列紧凑，没有内含子，任何排列紧凑，没有内含子，任何mtDNA的的突变都可能影响其基因组的重要功能；突变都可能影响其基因组的重要功能；线粒体线粒体DNA缺少组蛋白的保护；缺少组蛋白的保护；线粒体线粒体DNA容易被呼吸链生成自由基氧化损伤；容易被呼吸链生成自由基氧化损伤；线粒体中没有线粒体中没有DNA损伤的修复系统；损伤的修复系统；20荟萃医学5. mtDNA具有阈值效应的特性具有阈值效应的特性n同质性（同质性（homoplasmy） ：在一个细胞或组织中，所有的：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。都是携带有同样一个基因突变的序列。n异质性（异质性（heteroplasmy）：一个细胞或组织中同时具有）：一个细胞或组织中同时具有突变型和野生型线粒体突变型和野生型线粒体DNA。l线粒体的异质性是普遍存在的。线粒体的异质性是普遍存在的。l突变型和野生型线粒体突变型和野生型线粒体DNA的比例在不同个体、在个的比例在不同个体、在个体的不同组织器官中是不同的。体的不同组织器官中是不同的。21荟萃医学22荟萃医学n线粒体病存在着表型表达的阈值线粒体病存在着表型表达的阈值: 当突变型线粒体当突变型线粒体DNA达到一定的比例时，才会导致异常性状的出现。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，细胞中最多可含有有体外实验证实，细胞中最多可含有7090的突变的突变型线粒体型线粒体DNA 仍不出现呼吸链功能的异常。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。阈值取决于不同细胞或组织对能量的依赖性。大大量量的的临临床床研研究究证证实实，当当突突变变型型线线粒粒体体DNA超超过过阈阈值值导导致致个个体体发发病病时时，相相应应组组织织中中突突变变型型线线粒粒体体DNA的的比比例例越高，临床症状就越严重。越高，临床症状就越严重。高高需需能能（eg. 肌肌肉肉、大大脑脑）又又含含有有同同质质性性线线粒粒体体DNA突突变的细胞将会遭受更为严重的损害。变的细胞将会遭受更为严重的损害。23荟萃医学6.6.线粒体线粒体DNADNA在有丝分裂和减数分裂期间都要在有丝分裂和减数分裂期间都要经过复制分离经过复制分离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。有有限的线粒体会保留下来。 24荟萃医学mtDNAmtDNA突变与人类疾病突变与人类疾病u自自1987年发现第一个年发现第一个mtDNA突变以来，现已发现突变以来，现已发现100多个与疾病相关的点突变、多个与疾病相关的点突变、200多种缺失和重排。多种缺失和重排。分子病理学的研究证实分子病理学的研究证实mtDNA突变在许多疾病中存突变在许多疾病中存在，包括具有母系遗传特征的疾病，中老年时发病的在，包括具有母系遗传特征的疾病，中老年时发病的一些退化性疾病，甚至衰老本身。一些退化性疾病，甚至衰老本身。umtDNA突变类型主要包括点突变、片段缺失插入突变类型主要包括点突变、片段缺失插入和和mtDNA拷贝数目减少。拷贝数目减少。25荟萃医学uu线线线线粒粒粒粒体体体体对对对对外外外外界界界界环环环环境境境境因因因因素素素素的的的的变变变变化化化化很很很很敏敏敏敏感感感感，很很很很多多多多环环环环境境境境因因因因素素素素的的的的影影影影响响响响可可可可直直直直接接接接造造造造成成成成线线线线粒粒粒粒体体体体功功功功能能能能的的的的异异异异常常常常，因因因因此此此此常常常常被被被被作作作作为为为为细细细细胞胞胞胞病病病病变变变变或或或或损损损损伤伤伤伤最最最最敏敏敏敏感感感感的的的的指指指指标标标标之之之之一一一一，是是是是分分分分子子子子细细细细胞胞胞胞病病病病理理理理学检查的重要依据。学检查的重要依据。学检查的重要依据。学检查的重要依据。人类线粒体遗传病人类线粒体遗传病 线粒体病（线粒体病（mitochondrial disease）:以线粒体以线粒体结构或功能异常为主要病因的一大类疾病。结构或功能异常为主要病因的一大类疾病。26荟萃医学线粒体病（线粒体病（mitochondrial diseasesmitochondrial diseases，MDMD） 特点：特点： 1.MD1.MD多数由于线粒体多数由于线粒体DNADNA改变而引起。改变而引起。 2.MD2.MD具有母系遗传的特点。具有母系遗传的特点。 3.MD3.MD多为神经、肌肉系统疾病。多为神经、肌肉系统疾病。27荟萃医学线粒体病涉及组织28荟萃医学LeberLeber遗传性视神经病遗传性视神经病LeberLeberLeberLeber遗遗遗遗传传传传性性性性视视视视神神神神经经经经病病病病是是是是以以以以德德德德国国国国眼眼眼眼科科科科医医医医生生生生Theodor Theodor Theodor Theodor LeberLeberLeberLeber的的的的名名名名字字字字命命命命名名名名的的的的，又又又又称称称称LeberLeberLeberLeber视视视视神神神神经经经经萎萎萎萎缩缩缩缩，为为为为一一一一种种种种急急急急性性性性或或或或亚亚亚亚急急急急性性性性发发发发作作作作的的的的母母母母系系系系遗遗遗遗传传传传病病病病，男男男男女女女女病病病病人人人人比比比比例例例例5:15:15:15:1，至至至至今今今今尚尚尚尚未未未未发发发发现现现现一一一一个男性患者将此病传给后代。个男性患者将此病传给后代。个男性患者将此病传给后代。个男性患者将此病传给后代。Theodor LeberTheodor Leber29荟萃医学视神经与视网膜神经元退化，发病较早，表现急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，性亚急性视力减退，中心视野丧失明显，中心视野丧失明显，导致失明。导致失明。30荟萃医学11778GA11778GA11778GA11778GA导导导导致致致致编编编编码码码码NADHNADHNADHNADH脱脱脱脱氢氢氢氢酶酶酶酶亚亚亚亚单单单单位位位位4(ND4)4(ND4)4(ND4)4(ND4)中中中中第第第第340340340340位位位位的的的的ArgArgArgArg精精精精HisHisHisHis组组组组，改改改改变变变变ND4ND4ND4ND4空空空空间间间间构构构构型型型型，NADHNADHNADHNADH脱脱脱脱氢氢氢氢酶酶酶酶活活活活性性性性降降降降低低低低，线线线线粒粒粒粒体体体体产产产产能能能能效效效效率率率率下下下下降降降降，视视视视神神神神经经经经细细细细胞胞胞胞提提提提供供供供能能能能量量量量不不不不能能能能长长长长期期期期维维维维持持持持视视视视神神神神经经经经完完完完整整整整结结结结构构构构，导导导导致神经细胞退行性变、死亡。致神经细胞退行性变、死亡。致神经细胞退行性变、死亡。致神经细胞退行性变、死亡。11778 GA3460GA(ND1) 3460GA(ND1) 3460GA(ND1) 3460GA(ND1) 14484TC(ND6)14484TC(ND6)14484TC(ND6)14484TC(ND6)31荟萃医学11778GA 11778GA 90. 9%,3460GA ,3460GA 1. 8%, , 14484TC 14484TC 7. 3% 是目前公认的致病性最强是目前公认的致病性最强的三种原发性突变的三种原发性突变11778GA11778GA发病时视力多低于发病时视力多低于0.10.1，视力预后，视力预后也最差；也最差；14484TC14484TC发病时视力及视力恢复情发病时视力及视力恢复情况明显好于况明显好于11778GA11778GA患者患者 32荟萃医学LeberLeber遗传性视神经病家系遗传性视神经病家系33荟萃医学线粒体线粒体DNADNA突变导致的人类疾病突变导致的人类疾病34荟萃医学u母系遗传、缺乏重组和进化速率高是母系遗传、缺乏重组和进化速率高是mtDNA比较特比较特异的遗传特性。因此，其可作为研究人类系统进化、异的遗传特性。因此，其可作为研究人类系统进化、人群迁移历史的一个很有用的遗传标记。人群迁移历史的一个很有用的遗传标记。母系遗传、缺乏重组使得从母系遗传、缺乏重组使得从mtDNA构建的系统树可构建的系统树可以很好地反映人类的母系迁移历史。以很好地反映人类的母系迁移历史。高进化速率高进化速率(约是核基因组的约是核基因组的l020倍倍)使得使得mtDNA可可以区分开一些亲缘关系很近的人群。以区分开一些亲缘关系很近的人群。群体遗传学群体遗传学35荟萃医学Nature325,31-36(01January1987);doi:10.1038/325031a0Mitochondrial DNA and human evolutionREBECCAL.CANN*,MARKSTONEKING&ALLANC.WILSONDepartmentofBiochemistry,UniversityofCalifornia,Berkeley,California94720,USA*Presentaddress:DepartmentofGenetics,UniversityofHawaii,Honolulu,Hawaii96822.Mitochondrial DNAs from 147 people, drawn from five geographic populations have been analysed by restriction mapping. All these mitochondrial DNAs stem from one woman who is postulated to have lived about 200,000 years ago, probably in Africa. All the populations examined except the African population have multiple origins, implying that each area was colonised repeatedly.线粒体夏娃Mitochondrial Eve36荟萃医学谢谢大家！37荟萃医学