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第 七 章. 线粒体疾病的遗传. ( 一 ) 大小 : 为较大的细胞器 , 直径约 0.5-1.0um ( 二 ) 数目 : 数百至数千不等 , 代谢旺盛的细胞多；一般随机分布， 可自由移动，需能部位比较集中。 哺乳动物成熟红细胞 : 无 精子细胞 : 25 个 肝细胞 : 1300 个 卵母细胞 : 30 万个 ( 三 ) 电镜下结构 : 双层膜套叠而成的封闭性膜囊结构 , 内外膜不相
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第 七 章 线粒体疾病的遗传
(一)大小:为较大的细胞器,直径约0.5-1.0um (二)数目:数百至数千不等,代谢旺盛的细胞多；一般随机分布， 可自由移动，需能部位比较集中。 哺乳动物成熟红细胞: 无 精子细胞: 25个 肝细胞: 1300个 卵母细胞: 30万个 (三)电镜下结构:双层膜套叠而成的封闭性膜囊结构,内外膜不相 连,与细胞质隔离。内膜是线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的主要部位。 (四)功能：氧化磷酸化，产生ATP，储积钙离子。
1894年，德国学者Altman在动物细胞中现，并称之为:bioblast(生1894年，德国学者Altman在动物细胞中现，并称之为:bioblast(生 命小体)； 1897年，正式命名为:mitochondrion； 1963年，首次在鸡卵细胞中发现线粒体中存在DNA； 同年，分离得到完整的线粒体DNA（mtDNA）； 1981年发表了线粒体DNA测序结果； 1987年Wallace提出mtDNA突变可能引起人类疾病； 1988年首次报道线粒体突变。
第一节 人类线粒体基因组 一、线粒体基因组的结构 线粒体内含有DNA分子，是动物细胞核以外唯一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，剑桥大学的Anderson小组测定了人mtDNA完整的序列，被命名为“剑桥序列”。 mtDNA是人类基因组的组成部分，被称为第25号染色体。
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。
2个基因编码线粒体核糖体的rRNA（16S、12S） 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化（OXPHOS）有关的蛋白质 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 线粒体基因组构成： mtDNA分为编码区与非编码区 • 编码区：保守序列，包括37个基因
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。 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（nuclear DNA，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。 mtDNA任何区域的突变都可能导致线粒体氧化磷酸化功能的病理 性改变。
非编码区： 控制区：（D loop）1122bp，串联重复序列，H链复制起始点， H链和L链转录启动子，4个保守序列 L链复制起始区 mtDNA突变率极高，多态现象比较普遍。尤其D环区是线粒体 基因组中进化速度最快的DNA序列，极少有同源性。
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，产生巨大的多顺反子结构 • 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 • 碱基摆动：密码子的头两个碱基与相应tRNA上反密码子的第2个和第3个碱基互补配对，而密码子的第3个碱基（3’端）与反密码子5’端碱基的识别有一定的自由度，配对专一性相对较差，被称为碱基摆动。
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。
第二节 线粒体基因的突变 一、突变率 • 比nDNA高10－20倍。其原因有以下几点： • 1、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 • 2、mtDNA是裸露的分子，不与组蛋白结合 • 3、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 • 4、缺乏有效的DNA损伤修复能力
二、突变类型 1、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 突变发生的位置不同，所产生的效果也不同。
2、大片段重组 大片段重组包括缺失和重复，以缺失较为常见。 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： 8483～13459：Kearns-Sayre综合症（KSS）、缺血性心脏病 ； 8637～16073：与衰老有关的退行性疾病； 4389～14812：能量代谢受到严重破坏 。
3、mtDNA数量减少 AD或AR遗传，与nDNA有关。
三、mtDNA突变的修复 切除修复； 转移修复。
第三节 线粒体疾病的遗传特点 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（maternal inheritance），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。
线粒体的母系遗传 O：卵子，S:精子；A、B、C：子细胞，Z:受精卵
二、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）。 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）。
序列异质性：单个碱基的不同 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。 长度异质性 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。
因为不同组织依赖氧化磷酸化程度不同。 • 不同组织中异质性水平的比率和发生率各不相同： 为什么会有上述现象？ 中枢神经系统、肌肉异质性的发生率较高，血液中异质性的发生率较低；在成人中的发生率远远高于儿童中的发生率，而且随着年龄的增长，异质性的发生率增高。
线粒体生产的ATP为肌细胞收缩和神经元兴奋提供了主要的能量来源。因此，肌细胞和神经元对线粒体缺陷尤其敏感。这些细胞在能量获得不足和毒性物质堆积的联合作用下，就会产生线粒体肌病和线粒体脑肌病的主要症状。线粒体生产的ATP为肌细胞收缩和神经元兴奋提供了主要的能量来源。因此，肌细胞和神经元对线粒体缺陷尤其敏感。这些细胞在能量获得不足和毒性物质堆积的联合作用下，就会产生线粒体肌病和线粒体脑肌病的主要症状。 如心肌、骨骼肌和神经系统，完全依赖氧化磷酸化，因此，Mi病常常表现为肌病和神经系统疾病。典型的Mi 病是Leber`s遗传性视神经病。视神经进行性改变，急性视觉丧失，通常在20岁左右发病。 氧化磷酸化随着年龄的增长而衰退，这与mtDNA突变的积累有关。
三、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。
四、阈值效应 能引起特定组织器官功能障碍的突变型mtDNA的最少数量称阈值。 在特定组织中，突变型mtDNA积累到一定程度，超过阈值时，能量的产生就会急剧地降到正常的细胞、组织和器官的功能最低需求量以下，引起某些器官或组织功能异常，其能量缺损程度与突变型mtDNA所占的比例大致相当。
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，这种随机分配导致mtDNA异质性变化的过程称为复制分离。
