【正文】 第七章 線粒體 DNA多態(tài)性 學(xué)習(xí)目的 1 了解 mtDNA的結(jié)構(gòu)與功能 、線粒體基因組 。 2 掌握 mtDNA多態(tài)性 、 mtDNA單核苷酸多態(tài)性 、 mtDNA的串聯(lián)重復(fù)序列多態(tài)性 、 mtDNA單倍群 。 3 了解 mtDNA分型命名 、 mtDNA分析技術(shù) （法醫(yī) mtDNA分型 、人類線粒體全基因組 DNA分析 ） 。 4 掌握 mtDNA分型的特殊問題 。 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） % % 前言 線粒體電鏡照片 線粒體 —— “ 能量工廠” 光鏡下線粒體外型多樣，一般為顆粒狀，電鏡下的主要特征是雙層膜且有嵴。線粒體中分布著三羧酸循環(huán)系統(tǒng)和電子傳遞系統(tǒng)，是細(xì)胞氧化磷酸化反應(yīng)產(chǎn)生ATP的場(chǎng)所。此外，線粒體是核外唯一含有遺傳效應(yīng)物質(zhì)的細(xì)胞器。 線粒體是真核細(xì)胞內(nèi)的重要細(xì)胞器，它是細(xì)胞的能量工廠，細(xì)胞產(chǎn)生能量的 95 %來自線粒體中進(jìn)行的氧化磷酸化。除了紅細(xì)胞外，人類所有體細(xì)胞都含有線粒體，其中多數(shù)細(xì)胞含有數(shù)以萬計(jì)的線粒體。 通常把所有細(xì)胞器和細(xì)胞質(zhì)顆粒中的遺傳物質(zhì)，統(tǒng)稱為 細(xì)胞質(zhì)基因組 。把細(xì)胞質(zhì)基因所決定的遺傳現(xiàn)象和遺傳規(guī)律稱為細(xì)胞質(zhì)遺傳 。 ◆ 細(xì)胞器和細(xì)胞質(zhì)顆粒中的遺傳物質(zhì)，統(tǒng)稱為 細(xì)胞質(zhì)基因組 (plasmon)。 由于缺乏組蛋白的保護(hù) ， 線粒體亦缺乏 DNA損傷修復(fù)系統(tǒng) ， mtDNA的突變率較高 。 一 、 mtDNA的結(jié)構(gòu)特征 線粒體是細(xì)胞質(zhì)中獨(dú)立的細(xì)胞器 ， 也是動(dòng)物細(xì)胞核外唯一的含有 DNA的細(xì)胞器 。 1981年 ， 劍橋大學(xué)的 Anderson小組測(cè)定了人mtDNA的完整 DNA序列 ， 稱為 “ 劍橋序列 ” 。 第一節(jié) mtDNA的結(jié)構(gòu)和功能 人 mtDNA是一個(gè)長(zhǎng)為 16,569 bp的雙鏈閉合環(huán)狀分子 ，外環(huán)含 G較多 ， 稱重鏈 (H鏈 )， 內(nèi)環(huán)含 C較多 ， 稱輕鏈 (L鏈 )。 mtDNA雙鏈閉合環(huán)狀在降解檢材中不易被核酸外切酶影響 ， 在法醫(yī)檢材中能保持 mtDNA完整性 。 線粒體 DNA 惟一的細(xì)胞核外 DNA，攜帶有編碼蛋白質(zhì)和 RNA的基因 ? 結(jié)構(gòu)： 雙鏈 16569bp， 其中一條為重連，一條 為輕連?；蚓幋a物 各不相同。 基因中不含非編碼序列， 多數(shù)情況下，幾乎不 含終止密碼。 轉(zhuǎn)錄與翻譯均在線粒體中進(jìn)行。 DNA不與組蛋白結(jié)合 部分密碼子不同于核基 因組密碼子。 特征 （ 1）堿基 結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)潔： 以最少堿基數(shù)編碼盡量多的蛋白質(zhì)和 RNA ? 基因間無間隔序列 ? 基因內(nèi)無內(nèi)含子、前導(dǎo)序列、帶帽序列和終止信號(hào) ? 相鄰基因甚至有堿基的重疊 （ 2）不存在同源基因間的重組與交換 結(jié)果： mtDNA所有序列變異呈單倍型特性 精細(xì)胞 卵細(xì)胞 遺傳密碼與一般的通用密碼不同 密碼子 核 DNA mtDNA UGA 終止 色氨酸 AGA, AGG 精氨酸 終止 AAA 賴氨酸 天冬酰胺 AUA 異亮氨酸 蛋氨酸 甲硫酰胺 AUG AUA 起始甲硫酰胺 AUG AUG AUA AUUAUC 功能： 儲(chǔ)存信息 編碼參與氧化磷酸化蛋白質(zhì)和 RNA的基因 H 鏈： 2個(gè) rRNA， 14個(gè) tRNA， 12個(gè)蛋白質(zhì) L 鏈： 8個(gè) rRNA， 1個(gè)蛋白質(zhì) 自身復(fù)制 單向復(fù)制 :置換環(huán)復(fù)制或 D環(huán) (Dloop)復(fù)制 特點(diǎn)： 不對(duì)稱的復(fù)制， H鏈和 L鏈各有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)，先復(fù)制 H鏈， H鏈復(fù)制到達(dá) L鏈起始點(diǎn)后， L鏈開始復(fù)制 D環(huán)： 新合成第三條 H鏈姊妹鏈 ，序列與 L鏈互補(bǔ) H鏈復(fù)制起點(diǎn)附近（ 520700 ），高變異 轉(zhuǎn)錄功能 兩條鏈同時(shí)轉(zhuǎn)錄合成 RNA對(duì)稱轉(zhuǎn)錄 mtDNA與核常染色體 DNA的比較 mtDNA 核常染色體 DNA 結(jié)構(gòu) 閉合、環(huán)狀子，無組蛋白 線狀，形成核小體 大小 大小為 16,569bp 約 30億 bp 數(shù)目 50～幾千個(gè)拷貝 /細(xì)胞 1個(gè)拷貝 /細(xì)胞 編碼 約有 1,100bp非編碼區(qū) 基因組大部分為非編碼區(qū) 遺傳方式 母系遺傳 孟德爾方式遺傳 重組 不發(fā)生重組，單倍型遺傳 發(fā)生重組 突變率 高 低 全序列獲得 1981年 , Aderson序列（劍橋序列） 2022年草圖 二 、 mtDNA的遺傳學(xué)特征 1. mtDNA為 母系遺傳 2 mtDNA高拷貝和異質(zhì)性 3 mtDNA復(fù)制分離 和瓶頸效應(yīng) 4. mtDNA的 閾值效應(yīng) 5 半自主的細(xì)胞器 二 mtDNA ? 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。 高拷貝和異質(zhì)性 mtDNA在一個(gè)細(xì)胞中具有數(shù)百次拷貝，因此 mtDNA突變比例可以在 0到 100%之間變化， 異質(zhì)性 ：一兩個(gè)不同的 mtDNA序列存在于一個(gè)個(gè)體的細(xì)胞、組織和不同的個(gè)體時(shí)。 ? 閾值效應(yīng) （ threshold effects） 對(duì)于異質(zhì)性的 mtDNA突變，細(xì)胞可以承受正常的 mtDNA減少直到一個(gè)閾值時(shí)細(xì)胞才調(diào)亡或細(xì)胞的功能受損。 mtDNA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。 mtDNA突變可以影響線粒體功能，引起 ATP合成障礙，導(dǎo)致疾病發(fā)生，但實(shí)際上基因型和表現(xiàn)型的關(guān)系并非如此簡(jiǎn)單。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。 瓶頸效應(yīng)： 卵細(xì)胞中有 100000左右拷貝的 mtDNA，在受精卵形成時(shí)，只有數(shù)個(gè)拷貝卵細(xì)胞的 mtDNA進(jìn)入到受精卵，這個(gè)現(xiàn)象稱為瓶頸效應(yīng)。 因此異質(zhì)性的母親的孩子通常會(huì)有平均水平不同的異質(zhì)性突變?？梢越忉屧谝恍┚€粒體遺傳病具有很高的家族間臨床變異性。 mtDNA的復(fù)制分離 mtDNA自主復(fù)制，不依賴核染色體而將復(fù)制后的 DNA分配到子細(xì)胞中去（這個(gè)過程稱為復(fù)制分離）。 在一個(gè)個(gè)體中，突變 mtDNA的比例隨著復(fù)制分離而發(fā)生改變，隨著時(shí)間積累導(dǎo)致表現(xiàn)型的改變。 半自主性的細(xì)胞器 線粒體基因組能夠單獨(dú)進(jìn)行復(fù)制、轉(zhuǎn)錄及合成蛋白質(zhì)，但這并不意味著線粒體基因組的遺傳完全不受核基因的控制。線粒體自身結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)都需要核基因的參與并受其控制，說明真核細(xì)胞內(nèi)盡管存在兩個(gè)遺傳系統(tǒng)，一個(gè)在細(xì)胞核內(nèi)，一個(gè)在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，各自合成一些蛋白質(zhì)和基因產(chǎn)物，造成了細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)對(duì)遺傳的相互作用。 線粒體遺傳系統(tǒng)仍需依賴于細(xì)胞核遺傳系統(tǒng) 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 。 ? 在連續(xù)的分裂過程中，異質(zhì)性細(xì)胞中突變型 mtDNA和野生型 mtDNA的比例會(huì)發(fā)生漂變，向同質(zhì)性的方向發(fā)展。 表型的高度多態(tài) （ poly