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文檔簡介
生物的遺傳DNA的分布主要在染色體上細(xì)胞質(zhì)內(nèi)細(xì)胞核遺傳細(xì)胞質(zhì)遺傳(所以說,染色體是DNA的主要載體)例:紫茉莉葉色的遺傳LouiswithinbredcornLouiswithhybridcornMitochondrialDNAmutationscanhelpintheproductionofhybridcorn!什么是線粒體遺傳?。╩itochondrialdiseases)
線粒體遺傳病是由于mtDNA的突變所導(dǎo)致。有性生殖的方式?jīng)Q定了線粒體遺傳屬于母系遺傳。(細(xì)胞質(zhì)遺傳)1987年首次提出線粒體病概念,目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)100多種疾病與線粒體DNA突變有關(guān)。線粒體病(mitochondriopathy)的定義
因遺傳缺陷引起線粒體代謝酶的缺陷導(dǎo)致ATP合成障礙,能量產(chǎn)生不足而出現(xiàn)的一組多系統(tǒng)疾病,也稱為線粒體細(xì)胞病(mitochondrialcytopathy)。也可見散發(fā)病例。線粒體的主要功能體現(xiàn)在氧化磷酸化系統(tǒng):產(chǎn)生能量,生成氧自由基,調(diào)節(jié)程序化細(xì)胞死亡,即細(xì)胞凋亡(apoptosis)。mtDNA的結(jié)構(gòu)特征線粒體是動(dòng)物細(xì)胞核外唯一的含有DNA(mitochondrialDNA,mtDNA)的細(xì)胞器。其遺傳特點(diǎn)表現(xiàn)為非孟德爾遺傳方式,又稱核外遺傳線粒體基因組特點(diǎn)線粒體基因組全長16569bp;不與組蛋白結(jié)合,呈裸露閉環(huán)雙鏈狀,根據(jù)其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在CsCl中密度的不同分為重鏈和輕鏈;重鏈(H鏈)富含鳥嘌呤,輕鏈(L鏈)富含胞嘧啶。線粒體基因組構(gòu)成mtDNA分為編碼區(qū)與非編碼區(qū)編碼區(qū):各基因之間排列極為緊湊,部分區(qū)域出現(xiàn)重疊,無內(nèi)含子,缺少終止密碼子,僅以U或UA結(jié)尾。非編碼區(qū)
控制區(qū)(Dloop):1122bp,H鏈復(fù)制起始點(diǎn),H鏈和L鏈的啟動(dòng)子,保守序列。L鏈復(fù)制起始區(qū)編碼區(qū)為保守序列,包括37個(gè)基因:2個(gè)基因編碼線粒體核糖體的rRNA(16S、2S)22個(gè)基因編碼線粒體中的tRNA13個(gè)基因編碼與線粒體氧化磷酸(OXPHOS)有關(guān)的蛋白質(zhì)。
mtDNA結(jié)構(gòu)16569bpComplexⅠComplexⅢComplexⅣATPase8/6rRNAtRNA線粒體基因組遺傳半自主性ComplexSubunitsNuclearmtDNAⅠ41347Ⅱ440Ⅲ11101Ⅳ13103ATPas保留復(fù)制半自主性的細(xì)胞器100多種蛋白質(zhì)中,只有10種左右是線粒體自身合成的,其它蛋白質(zhì)是由核基因組編碼的線粒體遺傳系統(tǒng)仍需依賴于細(xì)胞核遺傳系統(tǒng)線粒體的復(fù)制線粒體DNA的復(fù)制:
D-環(huán)復(fù)制、
θ復(fù)制、滾環(huán)復(fù)制等線粒體的復(fù)制分裂、芽生等線粒體基因的突變點(diǎn)突變大片段重組mtDNA數(shù)量減少點(diǎn)突變大片段重組mtDNA數(shù)量減少mtDNA點(diǎn)突變2/3發(fā)生于編碼tRNA、rRNA的基因1/3點(diǎn)突變發(fā)生于編碼mRNA的基因點(diǎn)突變大片段重組mtDNA數(shù)量減少缺失、重復(fù)大片段的缺失往往涉及多個(gè)基因,可導(dǎo)致線粒體OXPHOS功能下降,產(chǎn)生的ATP減少,從而影響組織器官的功能。常見缺失8483~134598637~160734389~14812點(diǎn)突變大片段重組mtDNA數(shù)量減少AD或AR遺傳,與nDNA有關(guān)。mtDNA突變率高于核DNA近20倍,原因可能是Mi中氧基團(tuán)誘發(fā)突變,以及mtDNA修復(fù)能力有限。mtDNA的突變率和進(jìn)化率極高mtDNA突變率比nDNA高10~20倍,其原因:基因排列緊湊,任何突變都可能會(huì)影響到其基因組內(nèi)的某一重要功能區(qū)域mtDNA是裸露的分子,不與組蛋白結(jié)合mtDNA位于線粒體內(nèi)膜附近,直接暴露于呼吸鏈代謝產(chǎn)生的超氧離子和電子傳遞產(chǎn)生的羥自由基中,極易受氧化損傷mtDNA復(fù)制頻率較高,復(fù)制時(shí)不對(duì)稱缺乏有效的DNA損傷修復(fù)能力線粒體疾病的遺傳
一、母系遺傳(maternalinheritance)母親將mtDNA傳遞給她的兒子和女兒,但只有女兒能將其mtDNA傳遞給下一代。注意:遺傳瓶頸效應(yīng)
母系遺傳線粒體基因組的遺傳表現(xiàn)出典型的母系遺傳的特點(diǎn):只有女性患者可將致病基因傳遞給后代,而后代無論男女均可發(fā)病。精子的線粒體外膜上存在有泛素,當(dāng)精子進(jìn)入卵子后,受精卵以一種主動(dòng)的方式降解了來自精子的線粒體及其中的DNA。二、多質(zhì)性
人體不同類型的細(xì)胞含線粒體數(shù)目不同,通常有成百上千個(gè),而每個(gè)線粒體中有2~10個(gè)mtDNA分子,由于線粒體的大量中性突變,因此,絕大多數(shù)細(xì)胞中有多種mtDNA拷貝,其拷貝數(shù)存在器官組織的差異性。三、異質(zhì)性
同質(zhì)性(homoplasmy):同一組織或細(xì)胞中的mtDNA分子都是一致的。異質(zhì)性(heteroplasmy):同時(shí)存在野生型和突變型mtDNA。同一個(gè)體不同組織、同一組織不同細(xì)胞、同一細(xì)胞甚至同一線粒體內(nèi)有不同的mtDNA拷貝;同一個(gè)體在不同的發(fā)育時(shí)期產(chǎn)生不同的mtDNA。四、閾值效應(yīng)
突變型mtDNA的表達(dá)受細(xì)胞中線粒體的異質(zhì)性水平以及組織器官維持正常功能所需的最低能量影響,可產(chǎn)生不同的外顯率和表現(xiàn)度。閾值:能引起特定組織器官功能障礙的mtDNA的最少數(shù)量。
閾值效應(yīng)(thresholdeffects)突變所產(chǎn)生的效應(yīng)取決于該細(xì)胞中野生型和突變型線粒體DNA的比例,只有突變型DNA達(dá)到一定數(shù)量(閾值)才足以引起細(xì)胞的功能障礙,這種現(xiàn)象稱為閾值效應(yīng)。閾值效應(yīng)的一個(gè)表現(xiàn)就是在某些線粒體遺傳病的家系中,有些個(gè)體起初并沒有臨床癥狀,但隨年齡增加由于自發(fā)突變、環(huán)境選擇等原因,突變型DNA逐漸積累,線粒體的能量代謝功能持續(xù)性下降,最終出現(xiàn)臨床癥狀。MaternalinheritanceofthemitochondrialdiseaseMERRFMERRF(myoclonicepilepsyandraggedredfiberdisease).Symptoms:Uncontrolledjerking,muscleweakness,deafness,heartproblems,kidneyproblems,andprogressivedementia.Pedigreeanalysis:-Maternalinheritance-VariationsintheseverityofsymptomsGenetics,fromGenestoGenomes,Hartwelletal.,2ndedition.Diseasephenotypesreflecttheratioofmutant-to-wild-typemtDNAsandtherelianceofcelltypeonmitochondrialfunctionMERRFpatient:
Heteroplasmic
mitochondrialtRNA
mutationRandompartitioningDifferenttissuesareaffecteddifferentlyGenetics,fromGenestoGenomes,Hartwelletal.,2ndedition.五、不均等的有絲分裂分離
細(xì)胞分裂時(shí),突變型和野生型mtDNA發(fā)生分離,隨機(jī)地分配到子細(xì)胞中,使子細(xì)胞擁有不同比例的突變型mtDNA分子。線粒體基因突變與線粒體基因病對(duì)mtDNA分子病理學(xué)的研究證實(shí)mtDNA突變在許多疾病中存在,包括具有母系遺傳特征的疾病,中老年時(shí)發(fā)病的一些退化性疾病,甚至衰老本身。二、線粒體遺傳?。╩itochondrialdiseases)線粒體病是由線粒體DNA異常所致(例如缺失,重復(fù),突變)。心肌、骨骼肌和神經(jīng)系統(tǒng),完全依賴氧化磷酸化,因此,Mi病常常表現(xiàn)為肌病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病。典型的Mi病是Leber`s遺傳性視神經(jīng)病。視神經(jīng)進(jìn)行性變,急性視覺喪失,通常在20歲左右發(fā)病。氧化磷酸化隨著年齡的增長而衰退,這與mtDNA突變的積累有關(guān)。線粒體肌病(mitochondrialmyopathy):病變以骨骼肌為主。伴有中樞神經(jīng)系統(tǒng)癥狀者稱線粒體腦肌病。線粒體腦病:病變以中樞神經(jīng)系統(tǒng)為主Leber遺傳性視神經(jīng)病(LHON)Leber遺傳性視神經(jīng)病——一種罕見的眼部線粒體疾病,是被證實(shí)的第一種母系遺傳的疾病,至今尚未發(fā)現(xiàn)一個(gè)男性患者將此病傳給后代。首先報(bào)道本病的LeberT醫(yī)生Leber遺傳性視神經(jīng)病(LHON)典型的LHON首發(fā)癥狀為視物模糊,接著在幾個(gè)月之內(nèi)出現(xiàn)無痛性、完全或接近完全的失明??砂橛猩窠?jīng)、心血管、骨骼肌等系統(tǒng)異常,如頭痛、癲癇及心律失常等?;颊叨嘣?8~20歲發(fā)病,男性較多見。誘發(fā)LHON的mtDNA突變均為點(diǎn)突變。9個(gè)線粒體基因突變與該病有關(guān),突變種類達(dá)18種。主要突變類型:MTND1*LHON3460A(50%-70%)MTND4*LHON11778AMTND6*LHON14484G(ND:呼吸鏈復(fù)合物)使編碼呼吸鏈NADH脫氫酶活性降低,線粒體產(chǎn)能下降,因而對(duì)需能量多的視神經(jīng)組織損害最大,久之導(dǎo)致視神經(jīng)細(xì)胞退行性變,直至萎縮。11778G→A導(dǎo)致編碼NADH脫氫酶亞單位4(ND4)中第340位的Arg→His,從而影響線粒體能量的產(chǎn)生。
Leber遺傳性視神經(jīng)病(LHON)11778G→AmtDNA11778位點(diǎn)G→A的突變一個(gè)LHON的典型系譜
視神經(jīng)與視網(wǎng)膜神經(jīng)元退化,發(fā)病較早,表現(xiàn)為急性亞急性視力減退,導(dǎo)致失明。男性發(fā)病率為女性5倍,原因不明。Leber遺傳性視神經(jīng)病個(gè)體細(xì)胞中突變mtDNA超過96%時(shí)發(fā)病,少于80%時(shí)男性病人癥狀不明顯。MERRF綜合征MERRF綜合征又稱肌陣攣性癲癇和破碎紅纖維病,一種罕見的雜質(zhì)性母系遺傳病,具有多系統(tǒng)紊亂的癥狀:RRF(碎紅纖維):肌肉細(xì)胞中含有大量異常的線粒體堆積物,可被特殊染料染成紅色陣攣性癲癇的短暫發(fā)作共濟(jì)失調(diào)肌病輕度癡呆耳聾脊髓神經(jīng)退化mtDNA結(jié)構(gòu)16569bpMERRF綜合征8344bpMTT
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