线粒体基因组与癌症

线粒体基因组简述
线粒体的融合和分离 mtDNA遗传漂变学说没有考虑线粒体自身融合和分裂的事实。 也就是说其实单个线粒体独自存在的时间很短，它很快会和临近 的线粒体融合，而线粒体的融合和分离使得细胞中线粒体的总数 始终处于一个持续的波动状态。线粒体的融合不仅有内外膜的融 合，而且有线粒体基质的融合，一般推断还应该有线粒体拟核的 互相混合，虽然目前只有拟核发生和分裂、mtDNA重组等比较少 的实验结果支持这个观点。如果是这样，那么异质细胞中的线粒 体就应该同时具有突变型和野生型mtDNA，而不应该认为仅含有 两者中的一个（图二 右侧），即线粒体在细胞分裂之前就提前 同质化了。这使得子代中线粒体的遗传漂变大大减弱，产生同质 细胞的可能性也大大降低。另外可能发生在拟核内突变型和野生 型mtDNA的融合将更有效得减缓子代细胞在突变型mtDNA水平上 的波动。即使没有拟核的混合，突变型mtDNA和野生型mtDNA的 表达产物在线粒体中混合也会有助于保持整个线粒体行驶正常的 功能和容忍一定程度的mtDNA突变。
线粒体基因组突变与癌症（前列腺癌）
CHUNGUO WU @ CCST JLU
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线粒体基因组突变与癌症（前列腺癌）

通常突变发生在一个基因上的可能性与它的尺 寸相关，在这个样本集中一共观察到273个体细 胞突变异质-同质率是2.29.同义性对非同义性突 变的比率被计算出是1.48倍于人类的正常观察 值。非同义性突变和在转运RNA中的突变-这 些可能干预线粒体的功能-是相当频繁的。 表2-3
线粒体基因组突变与癌症（乳腺癌）

综述：体细胞线粒体DNA突变在很很多种癌症中被发现，包括乳腺癌， 然而，他们对于乳腺癌的病理学作用还是不清晰的。在这个研究中， 我们重新测序完整的mtDNA，这些DNA来源于58个台湾病人的乳腺癌 样本和比对的非癌乳腺组织。我们在16个乳腺癌患者的mtDNA编码区 鉴别到19个体细胞突变。这些突变当中，19个突变中的12个（63%） 是错义的或者是移码突变，这些将会引起潜在的线粒体功能失调。联 合我们关于mtDNA的D-loop区域的研究，我们发现47%（27/58）的乳 腺癌患者包含体细胞mtDNA突变。在总共40个体细胞突变中，53% （21/40）都位于mtDNA的D-loop区域，5%（2/40）是核糖体RNA基因， 5%是在tRNA基因中，38%（15/40）出现在mRNA基因。这些体细胞 mtDNA突变的发生和老年人病发年龄（大于等于50岁，ρ=0.039）， 更晚的TNM（肿瘤分期系统）阶段（ρ=0.027）和更高的组织学分级 （ρ=0.012）有关联。多元逻辑回归分析揭示出在老年人病发年 （ρ=0.029）和高的组织学分级（ρ=0.006）的人和乳腺癌样本病人具 有体细胞mtDNA突变密切相关。

线粒体基因组简述
复制模式： 现行解释mtDNA复制机制的模型主要有三种。 1.其复制起始于OH（重链复制起点）在聚合酶γ 的作 用下沿顺时针方向合成2/3长度的mtDNA，再从OL （轻链复制起点）开始以逆时针方向完成mtDNA的 复制（图 B）。 基于这个模型，会形成暂时的单链 mtDNA，而单链mtDNA会更容易发生突变。 2.双链从OH开始单向复制（图C）。 3. 而对复制中间体的双向凝胶电 泳实验则暗示可能存 在一个新的复制模型，其认为mtDNA的复制是双向 的，并起始于一个较长的起始区域上的多个起始点 （图D）
线粒体基因组突变与癌症（前列腺癌）

讨论 不同的体细胞突变分布模式和载荷不同，控制 组主要发生在NCR，前列腺癌症中则在CR区频 繁的发生。暗示了前列腺癌中可能mtDNA改变 在功能重要区，恶性前列腺组织中CR区突变数 目的增加暗示了疾病的发展，监视体细胞突变 模式在前列腺mtDNA中或许具有临床价值。
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线粒体基因组突变与癌症
线粒体基因组简述


线粒体是胞质细胞器，现大多数研究认为线粒 体是15亿年前由和原始真核细胞共生的好氧细 菌进化而来。 线粒体是细胞物质氧化的主要场所和能量供给 中心。
线粒体基因组简述
遗传方式： 作为半自主细胞器，线粒体包含其自身特有的蛋 白质合成机制和自主复制的线粒体DNA（mtDNA）。 人的mtDNA分子是一个长16,569bp的双链闭环超螺旋 DNA，包括H（重）链和L（轻）链。人类mtDNA结 构表明，它编码13个电子传递链上的亚基，22个tRNA 和2个rRNA。这些基因呈紧密排列，基因内没有内含 子，但有一个长1～2kntp的非编码区，称为控制区， 也叫取代环(D-1oop)，含有转录及复制的调控信号。 mtDNA分子上无核苷酸结合蛋白,缺少组蛋白的保护， 而且线粒体内无DNA损伤修复系统，因些mtDNA易 于突变，并且突变容易得到保存。
线粒体基因组突变与癌症（前列腺癌）


讨论 这些组织中体细胞突变加速率指示的线粒体基因组缺乏稳定与核基因 -线粒体调控路径的破坏有关系。此外，健全的线粒体和核源修复机 制可能不能够修复损伤频繁的增加。毁坏高能电子的传导部件并且导 致ATP减少的结果看起来像是一个代谢的错误；然而，这种突变过程 可能在恶性细胞的生存中扮演一个角色。一个“线粒体检查点”可能 控制线粒体的损伤。然而，目前的例如线粒体突变加速等mtDNA损伤， “线粒体检查点”可能在它的修复过程中失败。导致基因组不稳定并 且增加细胞存活。这样一个过程可能与致癌物过程相冲突。选择的 “长手套”可能涉及多个突变组合或者可能甚至是多套损伤，主要的 驱动是CR区的非同义改变。在急速的进化过程中某些点，一个典型的 代谢阈值被超出。可能肿瘤的行为和肿瘤的扩张与阈值被破坏的程度 和方式相关。这暗示着特异性单核苷酸多态性对于一些肿瘤形成的病 理和恶性肿瘤的作用是无用的或者太过于单纯的，对于一个由非特异 性活性氧类型损伤驱动的积累突变损伤来讲。

线粒体基因组简述



致病原因： mtDNA的结构和复制机制使之较nDNA有更高的 突变率。 线粒体的遗传周期很短，导致在一个个体的生 命周期中，线粒体可以遗传几百甚至上千代， 在物种进化中发生的遗传漂变等效应，线粒体 基因组在一个个体生命周期中就可以完成。 不同的类型的细胞所包含的mtDNA的拷贝数目 也不相同。不同的拷贝数可能会产生疾病。

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线粒体基因组突变与癌症（前列腺癌）

背景：由于线粒体在细胞凋亡和其它方面扮演 的角色，线粒体部分涉及癌症形成过程。线粒 体基因组损伤的积累伴随着细胞内压力的增加 和细胞器功能的失调。一些研究组已经证明在 许多癌症中线粒体基因组都有改变。这些癌症 中其中一些中，同一的单核苷酸多态性在体液 中被观察到，例如血液，唾液，尿液等，指示 mtDNA突变潜在的功能可以作为疾病管理的潜 在标志。
线粒体基因组突变与癌症（前列腺癌）

结果： 品质控制（略） 恶性前列腺切除术样本的mtDNA分析：24个样 本的3种组织类型和对应的血液序列相比对，结 果发现24个样本中有16个（三种组织）发生突 变（66.7%），其中在恶性样本中24个有22个 发生突（91.7%）；24个中有19个（79.2%）的 临近良性样本表达出改变；24个中的22个 （91.7%）远距离良性腺显示出改变。所有病人 在这三种腺组织中至少有一种体细胞突变。 （图2A-C）
线粒体基因组突变与癌症（乳腺癌）
CHUNGUO WU @ CCST JLU
线粒体基因组突变与癌症（乳腺癌）

过程（略） 结果： 人类乳腺癌患者线粒体基因组体细胞突变：我们审 视58对乳腺癌患者的整个线粒体基因组的体细胞突 变通过对比和他们相对应的非癌乳腺组织序列。表 2总结了来自于58个乳腺癌病人mtDNA中编码区鉴 别到的线粒体突变。我们在16个乳腺癌病人中鉴别 到了19个mtDNA编码区体细胞突变。其中，15个突 变是点突变，4个突变是单核苷酸插入，大多数的 突变都是异质性的只有两个突变是同质性的。表2
线粒体基因组突变与癌症（前列腺癌）


恶性组和症状良性组的突变比较： 在每一个病人组和对照控制组中CR突变频率的 比较具有显著的差异。 在NCR中突变符合没有显示出任何统计学显著 差异在前列腺切除术组和控制组中。见表四
线粒体基因组突变与癌症（前列腺癌）
CHUNGUO WU @ CCST JLU
线粒体基因组突变与癌症（前列腺癌）

意义：研究mtDNA突变已经成为癌症研究领域 中一个非常重要的方面，因为这些突变可能具 有功能意义和/或充当肿瘤探测的探测器。
结论：相比较于控制组和没病的组，所有的取 样于恶性组的组织类型包含重要的不同的线粒 体DNA突变，我们总结线粒体基因组突变是前 列腺组织恶性化的一个早期指示。在组织病理 上改变前突变大量发生，暗示前列腺癌，对病 理学家是一个证据。
线粒体基因组突变与癌症（前列腺癌）
线粒体基因组突变与癌症（前列腺癌）

实验步骤： 提取组织 mtDNA扩增 测序 克隆 假基因预防 统计分析：p-value小于0.05被认为是显著的， 建立系统发生树和进化模型。
线粒体基因组突变与癌症（前列腺癌）
CHUNGUO WU @ CCST JLU
线粒体基因组简述
CHUNGUO WU @ CCST JLU
线粒体基因组简述

受精卵中的线粒体主要来自卵细胞，精子携带的入受精卵的线 粒体会被特异性的标记而降解，因而受精卵中来自卵细胞的 mtDNA对表型起决定性作用，突变会沿母系连续积累，呈现母 系遗传的特点。一般哺乳动物细胞中含有成百上千个线粒体， 而每个线粒体中含有多mtDNA的拷贝。如果受精卵遗传到的是 既有致病的也有野生型的mtDNA，那么受精卵就是一个含异质 mtDNA的细胞。那么当这个含异质mtDNA的细胞分裂分化成不 同的组织时，由于在分裂中mtDNA的随机分配，子代细胞携带 的异质的mtDNA的数目、种类各不相同，亲代细胞也有较大差 异，因此，子代细胞发育成的不同组织其所含的致病的mtDNA 的数目、比例和种类也会不同（图二 左侧）。代代相传，经 历一个遗传漂变的过程后，当致病的mtDNA在某个特定组织中 积累到超过一个阈值时，呼吸容量降低，细胞功能失调。线粒 体种独特的遗传特点，使得致病的线粒体基因随着时间在特定 组织中积累增多，从而让线粒体疾病呈现出随着年龄的增加而 加重的病症。
线粒体基因组突变与癌症（前列腺癌）
CHUNGUO WU @ CCST JLU
线粒体基因组突变与癌症（前列腺癌）
线粒体基因组突变与癌症（前列腺癌）


病人和症状良性的控制组组织mtDNA分析： 来自于12个因为怀疑有前列腺癌而做了活组织检查的 年龄匹配症状为良性的病人的组织作为控制材料，这些 人没有恶性组织，对其做分析。这个群体（平均年龄 64岁）被选中基于标准低的前列腺特异性抗原分数 （平均分数是6.04）并且/或者基于生理学家的报告中 不存在恶性组织。（见表一）这一组中线粒体基因组突 变分布在图2D中被说明。5个病人没有突变同时剩余的 7个（58.3%）有1到5个改变，主要在NCR中。随着序 列覆盖到72%，我们探测到16个体细胞突变（12在NCR， 3个在CR，1个在L稳定重复区）见表2.总的来说，总的 来说这些病理良性组具有很少的突变，大多数发生在已 知具有多态性的NCR。
线粒体基因组突变与癌症（前列腺癌）


讨论 mtDNA突变在前列腺癌的NCR中非常频繁。这个区 域可能承受大量的初始突变损伤，并且CR区随着疾 病的进展变得越来越多的参与其中。 突变不是严格限定在组织学上的恶性组织中，而是 也发生在临近的和远离的看起来良性的腺中。这暗 示了分子的改变可能是出现肿瘤的信号，或者有助 于在恶性转变的形态迹象之前发现他们发展，生成 的迹象。或者肿瘤的存在可能施加一个所谓的场效 应导致临近肿瘤的组织学似乎正常的组织分子改变。

线粒体基因组突变与癌症（前列腺癌）


在前列腺癌中mtDNA具有高的突变率可能是因 为活性氧产物增加的的结果。 以前的实验都是建立在对mtDNA部分测序分析 的基础上，我们的实验是全基因组测序分析。 为此而设计实验。
线粒体基因组突变与癌症（前列腺癌）


实验样本：我们的体细胞mtDNA来源于的24个 前列腺切除患者的三种特殊指定的组织类型 （肿瘤，临近良性区，远离良性区）。 血液样本来自于以上患者及其一些母系亲属。 对比组来源于做过组织检查发现没病的12个人。