线粒体疾病的遗传-2014.

线粒体疾病的遗传InheritanceofMitochondrailDiseases线粒体疾病的遗传前言人类线粒体基因组线粒体基因的突变线粒体疾病的遗传前言第一节人类线粒体基因组一、线粒体基因组线粒体内含有DNA分子，被称为人类第25号染色体，是细胞核以外含有遗传信息和表达系统的细胞器，其遗传特点表现为非孟德尔遗传方式，又称核外遗传。1981年Anderson等人完成了人类线粒体基因组的全部核苷酸序列的测定。线粒体基因组特点线粒体基因组全长16569bp；不与组蛋白结合，呈裸露闭环双链状，根据其转录产物在CsCl中密度的不同分为重链和轻链；重链（H链）富含鸟嘌呤，轻链（L链）富含胞嘧啶。线粒体基因组构成mtDNA分为与非编码区编码区各基因之间排列极为紧凑，部分区域出现重叠，无启动子和内含子，缺少终止密码子，仅以U或UA结尾。非编码区（Dloop），1122bp，H链复制起始点，H链和L链的启动子，保守序列。编码区为保守序列，不同种系间75%的核苷酸具同源性，包括37个基因：2个基因编码线粒体核糖体的rRNA（16S、2S）22个基因编码线粒体中的tRNA13个基因编码与线粒体氧化磷酸（OXPHOS）有关的蛋白质。线粒体基因编码蛋白3个为构成细胞色素c氧化酶（COX）复合体（复合体Ⅳ）催化活性中心的亚单位（COXⅠ、COXⅡ和COXⅢ）2个为ATP合酶复合体（复合体Ⅴ）F0部分的2个亚基（A6和A8）7个为NADH-CoQ还原酶复合体（复合体Ⅰ）的亚基（ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6）1个编码的结构蛋白质为CoQH2-细胞色素c还原酶复合体（复合体Ⅲ）中细胞色素b的亚基线粒体基因组遗传半自主性mtDNA仅编码13种，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核DNA（nuclearDNA，nDNA）编码，在细胞质中合成后，经特定转运方式进入线粒体；mtDNA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。因此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。二、线粒体基因转录特点与核基因转录比较，mtDNA的转录有以下特点：两条链均有编码功能两条链从D-环区的启动子处同时开始以相同速率转录，L链按顺时针方向转录，H链按逆时针方向转录mtDNA的基因之间无终止子tRNA基因通常位于mRNA基因和rRNA基因之间mtDNA的遗传密码与nDNA不完全相同线粒体中的tRNA兼用性较强丙氨酸（Ala）的tRNA反密码子摆动密码子反密码子核tRNA线粒体tRNAGCU、GCCGCA、GCGGGCUGCUGC三、线粒体基因组复制特点mtDNA可进行半保留复制，其H链复制的起始点（OH）与L链复制起始点（OL）相隔2/3个mtDNA。复制起始于L链的转录启动子，首先以L链为模板合成一段RNA作为H链复制的引物，在DNA聚合酶作用下，复制一条互补的H链，取代亲代H链与L链互补。被置换的亲代H链保持单链状态，这段发生置换的区域称为置换环或D环，故此种DNA复制方式称D-环复制。D-环复制第二节线粒体基因的突变点突变大片段重组mtDNA数量减少mtDNA突变的修复点突变大片段重组mtDNA数量减少mtDNA突变的修复mtDNA点突变2/3发生于编码tRNA、rRNA的基因1/3点突变发生于编码mRNA的基因点突变大片段重组mtDNA数量减少mtDNA突变的修复缺失、重复大片段的缺失往往涉及多个基因，可导致线粒体OXPHOS功能下降，产生的ATP减少，从而影响组织器官的功能。常见缺失8483～134598637～160734389～14812点突变大片段重组mtDNA数量减少mtDNA突变的修复AD或AR遗传，与nDNA有关。点突变大片段重组mtDNA数量减少mtDNA突变的修复mtDNA突变率比nDNA高10～20倍，其原因有以下几点：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，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损伤修复能力第三节线粒体疾病的遗传一、母系遗传在精卵结合时，卵母细胞拥有上百万拷贝的mtDNA，而精子中只有很少的线粒体，受精时几乎不进入受精卵，因此，受精卵中的线粒体DNA几乎全都来自于卵子，来源于精子的mtDNA对表型无明显作用，这种双亲信息的不等量表现决定了线粒体遗传病的传递方式不符合孟德尔遗传，而是表现为母系遗传（maternalinheritance），即母亲将mtDNA传递给她的儿子和女儿，但只有女儿能将其mtDNA传递给下一代。线粒体疾病典型系谱线粒体的母系遗传，O：卵子，S:精子，A、B、C子细胞，Z:受精卵二、多质性人体不同类型的细胞含线粒体数目不同，通常有成百上千个，而每个线粒体中有2～10个mtDNA分子，由于线粒体的大量中性突变，因此，绝大多数细胞中有多种mtDNA拷贝，其拷贝数存在器官组织的差异性。三、异质性如果同一组织或细胞中的mtDNA分子都是一致的，称为同质性（homoplasmy）。在克隆和测序的研究中发现一些个体同时存在两种或两种以上类型的mtDNA，这是由于mtDNA发生突变，导致一个细胞内同时存在野生型mtDNA和突变型mtDNA，称为异质性（heteroplasmy）。野生型mtDNA对突变型mtDNA有保护和补偿作用，因此，mtDNA突变时并不立即产生严重后果。线粒体异质性可分为序列异质性和长度异质性同一个体不同组织、同一组织不同细胞、同一细胞甚至同一线粒体内有不同的mtDNA拷贝；同一个体在不同的发育时期产生不同的mtDNA。四、阈值效应mtDNA突变可以影响线粒体OXPHOS的功能，引起ATP合成障碍，导致疾病发生，但实际上基因型和表现型的关系并非如此简单。突变型mtDNA的表达受细胞中线粒体的异质性水平以及组织器官维持正常功能所需的最低能量影响，可产生不同的外显率和表现度。五、不均等的有丝分裂分离细胞分裂时，突变型和野生型mtDNA发生分离，随机地分配到子细胞中，使子细胞拥有不同比例的突变型mtDNA分子。TheEnd