线粒体基因组结构功能与遗传特点

讨论主体？ 线粒体（mitochondrion）
分布？ 形态结构？
外膜 内室
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ外室 内膜
线粒体
功 能 细胞有氧呼吸和能量供给场所：产生能量， 生成氧自由基，调节程序化细胞死亡, 即 细胞凋亡 (apoptosis)。
线粒体病 因遗传缺陷引起线粒体代谢酶的缺陷导致 ATP 合成障碍，能量产生不足而出现的一 组多系统疾病，也称为 线粒体细胞病 (mitochondrial cytopathy)。
.AUU * 线粒体的tRNA兼用性较强。
掌握
（四）母系遗传（maternal inheritance）
——母亲将mtDNA传给所有子女，但只有女儿可以将 mtDNA传给下一代。
为什么mtDNA呈现母系遗传？
• 精子提供的主要是nDNA
“瓶颈”效应掌握
——卵细胞成熟过程中mtDNA数量剧减的现象
7、细胞是否异常甚至疾病，取决于突变型mtDNA的比例
（六）阈值效应掌握 阈值：引起特定组织器官功能障碍的突变mtDNA最小数量
影响因素：
1. 不同mtDNA功能区突变，阈值大小不同 例： tRNA基因点突变：90% mRNA大片段缺失突变：60%
2. 不同组织、同一组织不同功能状态阈值不同 例：线粒体脑病患者，脑细胞有mtDNA突变，但能 维持基本功能需要；癫痫发作时不能满足能量 需求，导致脑细胞死亡；
编码：13种多肽、 22种tRNA 2种rRNA
——序列特征
（一）突变率高
• mtDNA比nDNA的突变率高10～20倍。
为什么高？
• 裸露；复制频率高，复制不对称 • 无DNA损伤修复系统 • 位于内膜附近，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
二、线粒体基因组的遗传特点
——形态特征
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”
总长：16,549 bp，
重链(H链、外环)：富含鸟嘌呤（G） 轻链(L链、内环)： 富含胞嘧啶（C）
——结构特征
除D环区(1122 bp)，仅87 bp不参与基因组成 含37个基因，无内含子
卵母细胞 10万 ↓
卵细胞 2～100个
↓ 胚胎前期细胞
1万
不完全符合母系遗传
（五）同质性和异质性
1. 同质性(homoplasmy)：掌握
——指一个细胞或一种组织的所有mtDNA分 子上某一基因相同。
表现为：或均为野生型，或均为突变型。
掌握
2.异质性(heteroplasmy)：
——指mtDNA突变导致某种组织或细胞内野生型和突变型 mtDNA共存。
3. 个体发育阶段不同，阈值不同； 原因：随着个体成长，机体对能量需求增加，阈值降低 例：肌阵挛性癫痫伴碎红纤维病 < 20岁：95% > 60岁：63%
4. 与细胞核遗传背景有关。
重点：线粒体基因组结构特征、线粒体基因组遗传特征、
母系遗传、mtDNA、同质性、异质性
难点：瓶颈效应、复制分离、同质性、异质性
遗传地位： 核外遗传 掌握 第25号染色体
extranuclear inheritance，也称细胞质遗传
(cytoplasmic inheritance)：在真核生物中，染色体以
外的遗传因子所决定的遗传现象。
from DNA Science, 2003.
一、人的线粒体基因组的结构 掌握
• 双链 • 环状 • 闭合 • 裸露
医学遗传学
Medical Genetics
徐德林
细胞生物学与遗传学教研室
第一节 线粒体基因组 结构功能与遗传特点
教学大纲要求
掌握：核外遗传、母系遗传、瓶颈效应、阈值效应、 同质性、异质性的概念；线粒体基因组结构特 征、线粒体基因组遗传特征。
了解：线粒体遗传病传递和发病的机理
思路
1. 讨论的主体是谁？ 2. 分布在哪里？ 3. 具体结构怎样？ 4. 有什么作用？
* 哪些细胞易形成纯合野生型同质性细胞？
4、分裂旺盛的细胞 （如造血干细胞） 排斥突变 野生型同质性细胞
* 哪些细胞易形成纯合突变型同质性细胞？
5、分裂不旺盛的细胞 （如肌细胞） 突变mtDNA具有复制优势 突变型同质性细胞；
6、异质性细胞的氧化磷酸化缺陷程度与突变型mtDNA 所占比例成正比
练习题：
1. 名词解释：mtDNA、同质性、异质性、母系遗传。 2. 简述人类线粒体DNA的遗传特点。 3. 为什么说线粒体是一个半自主性细胞器？
思考：
核基因组突变可能产生类似于线粒体遗传病的表现吗？
预习：
第二节 线粒体基因突变 第三节 线粒体遗传病
敬请各位专家批评指正！
（二）半自主性 p69
——能够自主复制、转录、翻译，但受nDNA控制
• mtDNA不能编码mt功能所需的全部蛋白质 • 复制、转录、翻译的酶及蛋白因子由nDNA编码 • Mt氧化磷酸化系统的组装和维持需nDNA和mtDNA 协同作用
（三）遗传密码与通用密码不同 p70
* 少数遗传密码与通用密码不同；
表现为： •同一个体不同组织 •同一组织不同细胞 •同一细胞不同mt •同一mt内
含有不同mtDNA拷贝
关于异质性
1、野生型mtDNA对突变型有保护和补偿作用，mtDNA突 变不会立即产生严重后果；
2、异质性细胞由于mt复制分离(p71)，两个子细胞中野 生型和突变型mtDNA比例会改变；
3、多次分裂后细胞可达到同质性，即mtDNA的基因型分 别向纯合突变型和纯合野生型漂变；