第七章线粒体dna多态性85页PPT

mtDNA与核常染色体DNA的比较
mtDNA
核常染色体DNA
结构
闭合、环状子，无组蛋白 线状，形成核小体
大小
大小为16,569bp
约30亿bp
数目 编码
50～几千个拷贝 /细胞 约有1,100bp非编码区
遗传方式 母系遗传
1个拷贝 /细胞
基因组大部分为非编 码区
孟德尔方式遗传
重组
不发生重组，单倍型遗传 发生重组
ND5 L2 S2 H ND4
ND4L
E ND6
“16,569” bp Q
Light (L) strand
OL
A
N C
Y
L1
ND1 Coding Region
I M
ND2
W
R
S1
ND3 G
COI
COIII
ATP6 ATP8
COII D
K
9-bp deletion
mtDNA-STR
主要集中在D-loop区；核心序列一般在10bp 以下，常见的是CA重复（nt514-nt523）和 polyC （nt568-nt573和nt303-nt309）.
• 序列多态性（Sequence polymorphism）
主要集中在D-loop区（法医学价值所在） HV1：nt16024～nt16365，342bp； HV2：nt 73～nt 340，268bp HV3：nt 438～nt 574，137bp
• 长度多态性（Length polymorphism）
mtDNA突变可以影响线粒体功能，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。
瓶颈效应：
卵细胞中有100000左右拷贝的mtDNA，在受精卵形成时， 只有数个拷贝卵细胞的mtDNA进入到受精卵，这个现象称 为瓶颈效应。
PCR-RFLP法 PCR-SSO杂交法 PCR—DNA自动测序
目前分析mtDNA多态性最常用，也是最准 确的方法。
mtDNA单倍型
在分子进化的研究中，线粒体单倍型或单倍群是一组类似的 单倍型，它们有一个共同的单核苷酸多态性祖先。单倍群 由相似的单倍型组成，所以可以从单倍型来预测单倍群。 而单核苷酸多态性分析被用来确认单倍型。单倍群以字母 来标记，并且以数字和一些字母来补充。 与Y染色体DNA单倍群区别。
的拷贝数不同所产生的，其突出特征是限制性内切酶识别 位点本身的碱基没有发生改变，改变的只是它在基因组中 的相对位置。
mtDNA多态性的应用： 1.线粒体DNA与遗传性疾病的研究。 2. 生物进化学者分析人类线粒体DNA与其他
物种的对比，旨在确定它们的亲缘关系。
3. 在法医学上用于个体识别。
mtDNA单核苷酸多态性
mtDNA突变所产生的表型极为多态。 在一个家系中，患病个体的表现可以完 全不同；有的以血管病变为主，如中风、 冠心病等；有的表现为不同程度的肌无 力；有的以精神症状为主；有的以眼科 疾病为突出表现。发病的年龄差异也很 大。
突变率比较高
主要分布 控制区（D-环区）- 含有启动子和重链复制的起点
跨距约1100bp，个体间存在较大差异
CA重复：重复次数在10次以下。
• 近期研究表示线粒体DNA中某些重复序列 与疾病有关。如线粒体DNA拷贝数大大低 于正常，可引起致死性婴儿呼吸障碍。
实际人类mtDNA的长度不总是16569bp, 可能会有10bp左右的增加。
mtDNA多态性分析技术
• 长度多态性：AMP-FLP分析技术 • 序列多态性
高拷贝和异质性
mtDNA在一个细胞中具有数百次拷贝，因此mtDNA 突变比例可以在0到100%之间变化， 异质性：一两个不同的mtDNA序列存在于一个个体的细 胞、组织和不同的个体时。
• 阈值效应（threshold effects） 对于异质性的mtDNA突变，细胞可以承受正常
的mtDNA减少直到一个阈值时细胞才调亡或细胞的功 能受损。
主要为转换（90%）：嘧啶转换 HV-I 80%
HV-II 20%
少数是顛换（10%）： C→A 或 A→C
插入或缺失----长度多态性
poly—C：nt16184-nt16193 ( HV-I )
CA 重复：nt514-nt523 ( HV-III )
mtDNA多态性的类型
• 1.点的多态性 表现为DNA链中发生单个碱基的突变，且突变导致一个原有 酶切位点的丢失或形成一个新的酶切位点。Southern杂交 即可诊断。 • 2.序列多态性 ①由于DNA 顺序上发生突变如缺失、重复、插入所致。 ②由于高变区（highly variable region ）内串联重复顺序
由于缺乏组蛋白的保护，线粒体亦缺乏DNA损 伤修复系统，mtDNA的突变率较高。
人mtDNA是一个长为16,569 bp的双链闭合环状分子， 外环含G较多，称重链(H链)，内环含C较多，称轻链(L 链)。 mtDNA双链闭合环状在降解检材中不易被核酸外切 酶影响，在法医检材中能保持mtDNA完整性。
第七章 线粒体DNA多态性
学习目的
1 了解mtDNA的结构与功能 、线粒体基因组;
2 掌握mtDNA多态性 、mtDNA单核苷酸多态性 、 mtDNA 的串联重复序列多态性 、mtDNA单倍群;
3 了解mtDNA分型命名 、 mtDNA分析技术 （法医mtDNA 分型 、人类线粒体全基因组DNA分析 ）;
线粒体DNA 惟一的细胞核外DNA，携带有编码蛋白质和RNA的基因 • 结构：双链16569bp，
其中一条为重连，一条 为轻连。基因编码物 各不相同。 基因中不含非编码序列， 多数情况下，几乎不 含终止密码。 转录与翻译均在线粒体中进行。 DNA不与组蛋白结合 部分密码子不同于核基 因组密码子。
特征（1）碱基结构紧凑、简洁：以最少碱基数编码尽量 多的蛋白质和RNA ♦ 基因间无间隔序列 ♦ 基因内无内含子、前导序列、带帽序列和终 止信号 ♦ 相邻基因甚至有碱基的重叠 （2）不存在同源基因间的重组与交换 结果：mtDNA所有序列变异呈单倍型特性 卵细胞
遗传漂变：源自世代遗传过程中随机抽样引发的随机波动。 单倍型的比例来源：基因突变和遗传漂变。
人类线粒体DNA单倍型类群
人类线粒体DNA单倍型类群是遗传学上依据 线粒体DNA差异而定义出来的单倍群。可 以追溯母系遗传的人类遗传。
4 掌握mtDNA分型的特殊问题 。
DNA的分布
主要在染色体上
（所以说，染 色体是DNA的主 要载体）97.5%
细胞核遗传
细胞质内
2.5%
细胞质遗传
生物的遗传
前言
线粒体电镜照片
光镜下线粒体外型
多样，一般为颗粒状， 电镜下的主要特征是双 层膜且有嵴。线粒体中 分布着三羧酸循环系统 和电子传递系统，是细 胞氧化磷酸化反应产生 ATP的场所。此外，线 粒体是核外唯一含有遗 传效应物质的细胞器。
1981年Anderson等人完成最初的剑桥序列，样本主要是欧 洲血统的个体（这些样本包括一部分HeLa细胞和牛的序 列参入在内）。再次分析序列更正了最初序列，确定了11 处错误。现在以修正序列为准。
实际线粒体序列共有16569bp。为了保持历史数据，由一个 缺失占据一个位置。
在法医学上常用的位点
半自主性的细胞器
线粒体基因组能够单独进行复制、转录及合成蛋白质， 但这并不意味着线粒体基因组的遗传完全不受核基因的控制。 线粒体自身结构和生命活动都需要核基因的参与并受其控制， 说明真核细胞内尽管存在两个遗传系统，一个在细胞核内， 一个在细胞质内，各自合成一些蛋白质和基因产物，造成了 细胞核和细胞质对遗传的相互作用。
自身复制---单向复制:置换环复制或D-环(D-loop)复 制
特点：不对称的复制， H链和L链各有一个复制起点，先复制H链， H链复制到达L链起始点后，L链开始复制
D-环：新合成第三条H链姊妹链 ，序列与L链互补 H链复制起点附近（ 520-700 ），高变异
转录功能--两条链同时转录合成RNA--对称转录
◆细胞器和细胞质颗粒中的遗传物质，统称 为细胞质基因组(plasmon)。
第一节 mtDNA的结构和功能
一、mtDNA的结构特征
线粒体是细胞质中独立的细胞器，也是动物细胞 核外唯一的含有DNA的细胞器。
1981 年 ， 剑 桥 大 学 的 Anderson 小 组 测 定 了 人 mtDNA的完整DNA序列，称为“剑桥序列”。
线粒体遗传系统仍需依赖于细胞核遗传系统
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。
• 在连续的分裂过程中，异质性细胞中突变 型mtDNA和野生型mtDNA的比例会发生漂 变，向同质性的方向发展。
表型的高度多态（polymorphism）
高 变 区 HV-I
29 ～ 408号碱基
HV-II 15996 ～ 16401号碱基
HV-III
438 ～ 574号碱基
主要原因 A : mtDNA没有组蛋白的保护
B : DNA聚合酶缺乏3’-5’外切酶校正功能
C : 缺乏DNA损伤的修复体系
D : mtDNA极少或不受来自选择压力的影响
突变类型 碱基的错配---序列多态性
突变率
高
低
全序列获得 1981年, Aderson序列（剑 2019年草图 桥序列）
二 mtDNA
二、mtDNA的遗传学特征
1. mtDNA为母系遗传 2 mtDNA高拷贝和异质性
3 mtDNA复制分离和瓶颈效应 4. mtDNA的阈值效应