1、細胞質(zhì)遺傳細胞質(zhì)遺傳(核外遺傳核外遺傳)cytoplasmic inheritancen是指細胞核的染色體外遺傳因子所決定的遺傳現(xiàn)象是指細胞核的染色體外遺傳因子所決定的遺傳現(xiàn)象n線粒體和葉綠體中存在線粒體和葉綠體中存在DNA(1953-1964)n線粒體和葉綠體是半自主性細胞器線粒體和葉綠體是半自主性細胞器,是細胞核外遺是細胞核外遺傳體系傳體系一、核外遺傳的性質(zhì)與特點一、核外遺傳的性質(zhì)與特點n最早觀察到不符合孟德爾遺傳現(xiàn)象最早觀察到不符合孟德爾遺傳現(xiàn)象(非孟德爾遺傳非孟德爾遺傳) 的是在紫茉莉中花斑葉遺傳（的是在紫茉莉中花斑葉遺傳（1909）n推測細胞質(zhì)中可能存在遺傳物質(zhì)推測細胞質(zhì)中可能存在遺

2、傳物質(zhì)n1953-1964相繼證實線粒體和葉綠體中存在相繼證實線粒體和葉綠體中存在DNAn研究表明線粒體、葉綠體存在遺傳系統(tǒng)，是半自研究表明線粒體、葉綠體存在遺傳系統(tǒng)，是半自主性細胞器主性細胞器紫茉莉（紫茉莉（Mirabilis jalapa）的花斑葉片。）的花斑葉片。(轉(zhuǎn)引自轉(zhuǎn)引自Russell,1992)母本枝條的類型母本枝條的類型父本枝條的類型父本枝條的類型子代的類型子代的類型白白綠綠綠白斑綠白斑白白白白綠綠綠、白、綠白斑綠、白、綠白斑白白綠綠綠白斑綠白斑綠綠白白綠綠綠、白、綠白斑綠、白、綠白斑白白綠綠綠白斑綠白斑綠白斑綠白斑白白綠綠綠、白、綠白斑綠、白、綠白斑n子代性狀取決于母本，與父

3、本無關(guān)子代性狀取決于母本，與父本無關(guān)n這是由于細胞器的分離規(guī)律不同于染色體這是由于細胞器的分離規(guī)律不同于染色體分離規(guī)律所致分離規(guī)律所致n分離比也不是核基因分離比分離比也不是核基因分離比1：1 n特點特點：n1、遺傳物質(zhì)通過細胞質(zhì)從親代傳到子代、遺傳物質(zhì)通過細胞質(zhì)從親代傳到子代n2、不出現(xiàn)孟德爾分離比、不出現(xiàn)孟德爾分離比n3、正反交結(jié)果不同、正反交結(jié)果不同n4、子代只表現(xiàn)母本特征，與父本無關(guān)、子代只表現(xiàn)母本特征，與父本無關(guān)n異核體測驗異核體測驗（菌絲體融合）證明細胞質(zhì)遺傳（菌絲體融合）證明細胞質(zhì)遺傳 n粗糙脈孢菌的野生型粗糙脈孢菌的野生型+突變型突變型pokyn 異核體異核體(細胞質(zhì)混合）細胞質(zhì)

4、混合）分生孢子（野生型核）分生孢子（野生型核） 分生孢子（分生孢子（poky突變型）突變型） 二、細胞內(nèi)敏感性物質(zhì)的遺傳二、細胞內(nèi)敏感性物質(zhì)的遺傳1、草履蟲放毒型的遺傳、草履蟲放毒型的遺傳 Kk(雜合子）經(jīng)自體受精雜合子）經(jīng)自體受精后轉(zhuǎn)變?yōu)榧兒献雍筠D(zhuǎn)變?yōu)榧兒献覭K或或kk草履蟲素是草履蟲素是顆粒產(chǎn)生的，顆粒產(chǎn)生的，但但顆粒的存在有賴于核顆粒的存在有賴于核基因基因K的存在，的存在，kk + 是是不穩(wěn)定的，不穩(wěn)定的，58代后代后顆粒顆粒會丟失。會丟失。 圖圖10-2n以上三個遺傳實例充分證明某些遺傳因子是通過以上三個遺傳實例充分證明某些遺傳因子是通過細胞質(zhì)遺傳的細胞質(zhì)遺傳的三、母體影響三、母體影響

5、n正反交情況下，子代結(jié)果不同，子代某些性狀相正反交情況下，子代結(jié)果不同，子代某些性狀相同于雌性親本同于雌性親本n除核外遺傳外，母體核基因的某些產(chǎn)物積累在卵除核外遺傳外，母體核基因的某些產(chǎn)物積累在卵母細胞的細胞質(zhì)，使子代表現(xiàn)不是自身基因決定母細胞的細胞質(zhì)，使子代表現(xiàn)不是自身基因決定的性狀而是與母體表型相同的性狀稱為母體影響的性狀而是與母體表型相同的性狀稱為母體影響1、短暫的母體影響：、短暫的母體影響：n歐洲麥蛾幼蟲皮膚色素（歐洲麥蛾幼蟲皮膚色素（A有色有色-a無色），成蟲眼無色），成蟲眼色（色（A褐眼褐眼-a紅眼）紅眼）母體形成的卵子細胞及之后的受精卵細母體形成的卵子細胞及之后的受精卵細胞質(zhì)中存

6、在母體基因胞質(zhì)中存在母體基因A表達的產(chǎn)物，使表達的產(chǎn)物，使aa基因型個體幼蟲膚色為有色，但成蟲基因型個體幼蟲膚色為有色，但成蟲表現(xiàn)為表現(xiàn)為aa基因型的性狀基因型的性狀2、持久的母體影響、持久的母體影響n椎實螺的遺傳椎實螺的遺傳四、線粒體遺傳及四、線粒體遺傳及 其分子基礎(chǔ)其分子基礎(chǔ)1、酵母的小菌落突變、酵母的小菌落突變: 缺乏細胞色素缺乏細胞色素ab及及 細胞色素細胞色素c氧化酶。氧化酶。 小菌落性狀的遺傳小菌落性狀的遺傳 因子存在于細胞質(zhì)因子存在于細胞質(zhì) 線粒體線粒體DNA的突變的突變2、線粒體基因組、線粒體基因組n（1）線粒體基因組的一般性質(zhì)）線粒體基因組的一般性質(zhì)高等植物高等植物mtDNA

7、鏈長鏈長250Kb2000 Kb。真菌、昆蟲直到哺乳動物顯示出一種趨勢，即從低真菌、昆蟲直到哺乳動物顯示出一種趨勢，即從低等到高等真核生物等到高等真核生物mtDNA越來越小，排列越來越越來越小，排列越來越緊密。如酵母：緊密。如酵母：75Kb，粗糙脈孢菌：，粗糙脈孢菌：60Kb；曲；曲霉：霉：32Kb；爪蟾：；爪蟾：17,533bp；牛：；牛：16,338bp；??；小鼠：鼠：16,295bp；人類；人類16,569bp n多拷貝：如酵母細胞有多拷貝：如酵母細胞有1-45個線粒體，每個線粒個線粒體，每個線粒體含體含10-30擬核，每個擬核擬核，每個擬核4-5個線粒體個線粒體DNA 人類細胞線粒體從

8、幾十（精子人類細胞線粒體從幾十（精子70多個）到幾百甚多個）到幾百甚至上千，每個線粒體含至上千，每個線粒體含2-10個個DNAn裸露的雙鏈環(huán)狀裸露的雙鏈環(huán)狀DNA分子（少數(shù)線性）分子（少數(shù)線性）nDNA大?。褐参锎笮。褐参?00-2500kb，大；動物從，大；動物從真菌、真菌、昆蟲直到哺乳動物大昆蟲直到哺乳動物大 ?。ㄚ厔荩┬。ㄚ厔荩﹏半保留復(fù)制，復(fù)制受核半保留復(fù)制，復(fù)制受核DNA基因控制基因控制nmtDNA進行半保留復(fù)制，進行半保留復(fù)制，n其其H鏈復(fù)制的起始點（鏈復(fù)制的起始點（OH） 與與L鏈復(fù)制起始點（鏈復(fù)制起始點（OL） 相隔相隔2/3個個mtDNA。n在靜止期或分裂的細胞都在靜止期或分

9、裂的細胞都 可能活躍復(fù)制，復(fù)制過程可能活躍復(fù)制，復(fù)制過程 H鏈先復(fù)制鏈先復(fù)制n復(fù)制受核基因的控制復(fù)制受核基因的控制n線粒體線粒體DNA不僅能復(fù)制，且線粒體具有完整的遺不僅能復(fù)制，且線粒體具有完整的遺傳系統(tǒng)：有核糖體、傳系統(tǒng)：有核糖體、tRNA，能轉(zhuǎn)錄和翻譯，能轉(zhuǎn)錄和翻譯n編碼線粒體部分蛋白質(zhì)（占少數(shù)），基因表達受編碼線粒體部分蛋白質(zhì)（占少數(shù)），基因表達受核基因調(diào)控核基因調(diào)控n大部分線粒體蛋白由核基因編碼大部分線粒體蛋白由核基因編碼n線粒體為半自主性細胞器線粒體為半自主性細胞器物種物種大小大小kbkb編碼蛋白質(zhì)基因數(shù)編碼蛋白質(zhì)基因數(shù)編碼編碼RNARNA基因數(shù)基因數(shù)真菌真菌原生生物原生生物植物植物

10、動物動物19-1006-100200-250016-178-143-6227-341310-282-2927-3424（22+2）（2）線粒體）線粒體DNA的組成的組成n不同物種的真核生物不同物種的真核生物 線粒體基因組大小差線粒體基因組大小差 異很大異很大n酵母和人類的酵母和人類的mtDNA 基因組圖基因組圖 轉(zhuǎn)引自轉(zhuǎn)引自Griffiths,A.J.F.et al.: MODERE GENETIC ANALYSIS,1999,W.H. Freeman and Companyn人類線粒體人類線粒體DNAn16569bp，閉環(huán)雙鏈狀，、鏈，閉環(huán)雙鏈狀，、鏈n除除D環(huán)外，幾乎每個堿基都用于編碼環(huán)外

11、，幾乎每個堿基都用于編碼n編碼區(qū)為保守序列，編碼區(qū)為保守序列，不同種系間不同種系間75%的核苷酸同源性的核苷酸同源性n共編碼共編碼37個基因：個基因：13個蛋白基因、個蛋白基因、22個個tRNA、2個個rRNAn基因排列緊密，轉(zhuǎn)錄后的加工剪切發(fā)生在基因排列緊密，轉(zhuǎn)錄后的加工剪切發(fā)生在mt-tRNA前后，前后，mt-tRNA的二級結(jié)構(gòu)可能作為加工酶的識別信號。的二級結(jié)構(gòu)可能作為加工酶的識別信號。n1981年年Anderson等人完成了人類線粒體基因組的全部核苷等人完成了人類線粒體基因組的全部核苷酸序列的測定酸序列的測定1981年年Anderson等人完成了人類等人完成了人類線粒體基因組的線粒體基

12、因組的全部核苷酸序列的全部核苷酸序列的測定。測定。 13個蛋白基因編碼個蛋白基因編碼:n3個為構(gòu)成細胞色素個為構(gòu)成細胞色素c氧化酶（氧化酶（COX）復(fù)合體（復(fù)合體）復(fù)合體（復(fù)合體）催化活性中心的亞單位（催化活性中心的亞單位（COX、COX和和COX）n2個為個為ATP合酶復(fù)合體（復(fù)合體合酶復(fù)合體（復(fù)合體）F0部分的部分的2個亞基個亞基（A6和和A8）n7個為個為NADH-CoQ還原酶復(fù)合體（復(fù)合體還原酶復(fù)合體（復(fù)合體）的亞基）的亞基（ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和和ND6）n1個編碼的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)為個編碼的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)為CoQH2-細胞色素細胞色素c還原酶復(fù)合體還原酶復(fù)合體（復(fù)

13、合體（復(fù)合體）中細胞色素）中細胞色素b的亞基的亞基 n脊椎動物脊椎動物mtDNA全序列結(jié)構(gòu)的共同特點是：全序列結(jié)構(gòu)的共同特點是：n基因數(shù)目和排列順序相同，兩條鏈均有編碼功能基因數(shù)目和排列順序相同，兩條鏈均有編碼功能n其中其中2個個rRNAs，14個個tRNAs和和12個蛋白質(zhì)基因在重鏈上個蛋白質(zhì)基因在重鏈上（H），另），另8個個tRNAs基因和基因和1個蛋白質(zhì)基因在輕鏈（個蛋白質(zhì)基因在輕鏈（L）上）上n有一個有一個D環(huán)，與環(huán)，與mtDNA的復(fù)制有關(guān)的復(fù)制有關(guān)n有有2個復(fù)制起始點，分別復(fù)制個復(fù)制起始點，分別復(fù)制H和和L鏈鏈n基因間沒有間隔，基因間沒有間隔， tRNA基因通常位于基因通常位于mRN

14、A基因和基因和rRNA基因之間基因之間n某些蛋白質(zhì)的密碼子與核基因通用密碼子不同某些蛋白質(zhì)的密碼子與核基因通用密碼子不同n線粒體中的線粒體中的tRNA兼用性（反密碼子擺動）更大兼用性（反密碼子擺動）更大nmtDNA僅編碼氧化呼吸酶類少部分亞基僅編碼氧化呼吸酶類少部分亞基mtDNA中的密碼子與通用密碼子的某些差異中的密碼子與通用密碼子的某些差異AUA成為起始密碼子，而不是通用的成為起始密碼子，而不是通用的Ile密碼子；密碼子；UGA是色氨酸（是色氨酸（Trp）密碼子，而不是終止密碼子；）密碼子，而不是終止密碼子；AGA，AGG在哺乳動物在哺乳動物mtDNA中是終止密碼子，而不是精中是終止密碼子，

15、而不是精氨酸（氨酸（Arg）密碼子。）密碼子。 n線粒體中的線粒體中的tRNA兼用性（反密碼子擺動）更大兼用性（反密碼子擺動）更大 有些氨基酸的有些氨基酸的4個密碼子的前兩個堿基相同，組成了四密碼子個密碼子的前兩個堿基相同，組成了四密碼子家族盒，由兩個家族盒，由兩個tRNAs來閱讀（細胞質(zhì)來閱讀（細胞質(zhì)tRNA） 線粒體線粒體tRNAs，1個個tRNA可以閱讀四密碼子家族盒中所有的可以閱讀四密碼子家族盒中所有的4個密碼子個密碼子 n線粒體基因組含有二個線粒體基因組含有二個rRNA基因，但在不同的生基因，但在不同的生物中這兩個基因組成不同物中這兩個基因組成不同人類細胞，小的（人類細胞，小的（12

16、S）和大的（）和大的（16S）rRNAs緊密地連接在一起，在其間隔一個緊密地連接在一起，在其間隔一個tRNA基因基因鏈孢霉中兩個基因相隔鏈孢霉中兩個基因相隔6Kb在酵母中兩個基因相隔在酵母中兩個基因相隔25-30Kb，大量的，大量的tRNA位于些間隔區(qū)位于些間隔區(qū)鏈孢霉和酵母的鏈孢霉和酵母的rRNA基因中含有內(nèi)含子基因中含有內(nèi)含子在四膜蟲中有一個額外的大在四膜蟲中有一個額外的大rRNA基因拷貝，但基因拷貝，但小小rRNA基因卻沒有基因卻沒有 n線粒體基因轉(zhuǎn)錄特點線粒體基因轉(zhuǎn)錄特點與核基因轉(zhuǎn)錄比較，與核基因轉(zhuǎn)錄比較，mtDNAmtDNA的轉(zhuǎn)錄有以下特點：的轉(zhuǎn)錄有以下特點：1.1.兩條鏈均有編碼功

17、能兩條鏈均有編碼功能2.2.兩條鏈從兩條鏈從D-D-環(huán)區(qū)的啟動子處同時開始以相同速率環(huán)區(qū)的啟動子處同時開始以相同速率轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)錄，L L鏈按順時針方向轉(zhuǎn)錄，鏈按順時針方向轉(zhuǎn)錄，H H鏈按逆時針方向鏈按逆時針方向轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄3.mtDNA3.mtDNA的基因之間無終止子的基因之間無終止子4.tRNA4.tRNA基因通常位于基因通常位于mRNAmRNA基因和基因和rRNArRNA基因之間基因之間n酵母線粒體酵母線粒體DNA（78kb）基因間有大段非編碼序列基因間有大段非編碼序列兩個兩個rRNA基因相距基因相距25-30Kb,大大rRNA基因有內(nèi)含子基因有內(nèi)含子兩個蛋白質(zhì)基因有內(nèi)含子（細胞色素氧化酶亞基兩

18、個蛋白質(zhì)基因有內(nèi)含子（細胞色素氧化酶亞基I基基因、因、cytb），且內(nèi)含子序列具有自我剪切作用），且內(nèi)含子序列具有自我剪切作用n植物線粒體植物線粒體DNA細胞色素細胞色素c氧化酶（氧化酶（COX）復(fù)合體的大亞單位）復(fù)合體的大亞單位的的COX、COX和和COX基因基因ATPase復(fù)合體的復(fù)合體的4個亞單位基因個亞單位基因核糖體小亞基蛋白的核糖體小亞基蛋白的rps4、rps13、rps14基因基因NADH-輔酶輔酶Q氧還酶復(fù)合體的幾個亞單位基因氧還酶復(fù)合體的幾個亞單位基因3個個rRNA（5S、18S、26S）基因）基因一些一些tRNA基因基因n（3）線粒體的蛋白質(zhì)合成）線粒體的蛋白質(zhì)合成n線粒體有

19、它們自己蛋白合成系統(tǒng)，且與細菌蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)線粒體有它們自己蛋白合成系統(tǒng)，且與細菌蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)相似，在很多的情況下線粒體蛋白質(zhì)合成體系的成分和細菌相似，在很多的情況下線粒體蛋白質(zhì)合成體系的成分和細菌的相關(guān)成分在體外可以互換；的相關(guān)成分在體外可以互換； n線粒體線粒體mRNA沒有沒有5端的帽結(jié)構(gòu)；端的帽結(jié)構(gòu)；n線粒體核糖體較細胞質(zhì)核糖體小線粒體核糖體較細胞質(zhì)核糖體小nmtDNA中的密碼子與通用密碼子的某些差異中的密碼子與通用密碼子的某些差異n密碼子密碼子-反密碼子配對比較寬松，反密碼子配對比較寬松， tRNA反密碼子反密碼子第三位第三位1種堿基可以識別密碼子第三位上的種堿基可以識別密碼子第三位

20、上的4個核個核苷酸，苷酸，1個個tRNA可以閱讀四密碼子家族盒中所有可以閱讀四密碼子家族盒中所有的的4個密碼子個密碼子 人類線粒體基因突變與疾病人類線粒體基因突變與疾病n1988年年Wallace等發(fā)現(xiàn)等發(fā)現(xiàn)Leber視神經(jīng)病的發(fā)生與線粒視神經(jīng)病的發(fā)生與線粒體體DNA突變有關(guān)（突變有關(guān)（mtDNA G11778A,1988，Wallace,ND4精精 組組)nPreznat,于于1993發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)mtDNA 12rSRNA基因基因A1555G突變與氨基糖苷類抗生素敏感性耳聾有關(guān)突變與氨基糖苷類抗生素敏感性耳聾有關(guān)n線粒體線粒體DNA突變率比核基因高突變率比核基因高10-20倍倍mtDNA中基因排

21、列緊湊，任何突變都可能會影響中基因排列緊湊，任何突變都可能會影響到其基因組內(nèi)的某一重要功能區(qū)域到其基因組內(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，極易受氧化損傷中，極易受氧化損傷mtDNA復(fù)制頻率較高，復(fù)制時不對稱復(fù)制頻率較高，復(fù)制時不對稱缺乏有效的缺乏有效的DNA損傷修復(fù)能力損傷修復(fù)能力n線粒體線粒體DNA突變的類型突變的類型n點突變點突變n大片段重組大片段重組nmtDNA數(shù)量減少

22、數(shù)量減少nmtDNA突變的修復(fù)突變的修復(fù)確定一個確定一個mtDNA是否為致病性突變的標準：是否為致病性突變的標準： 突變發(fā)生于突變發(fā)生于高度保守的序列高度保守的序列或或發(fā)生突變發(fā)生突變的位點有明顯的位點有明顯的功能重要性的功能重要性該突變可引起呼吸鏈缺損該突變可引起呼吸鏈缺損正常人群中未發(fā)現(xiàn)該正常人群中未發(fā)現(xiàn)該mtDNA突變類型，在來自不同家突變類型，在來自不同家系但有類似表型的患者中發(fā)現(xiàn)相同的突變系但有類似表型的患者中發(fā)現(xiàn)相同的突變有異質(zhì)性的存在有異質(zhì)性的存在，而且異質(zhì)性程度與疾病嚴重程度呈，而且異質(zhì)性程度與疾病嚴重程度呈正相關(guān)。正相關(guān)。n點突變點突變n已知的疾病中，已知的疾病中，2/3的點

23、突變發(fā)生在與線粒體內(nèi)蛋的點突變發(fā)生在與線粒體內(nèi)蛋白質(zhì)翻譯有關(guān)的白質(zhì)翻譯有關(guān)的tRNA和和rRNA基因上基因上n1/3點突變發(fā)生于編碼點突變發(fā)生于編碼mRNA的基因的基因n大片段重組大片段重組n缺失和重復(fù)，以缺失為主缺失和重復(fù)，以缺失為主如：如：848313459之間之間5.0kb的缺失（的缺失（KS綜合癥）綜合癥） 863716073之間之間7.4kb缺失（與衰老有關(guān)的退缺失（與衰老有關(guān)的退行性疾?。┬行约膊。?4977bp 、7345bp和和7599bp缺失與精子活動力缺失與精子活動力障礙有關(guān)（障礙有關(guān)（ Kao et al）nmtDNA數(shù)量減少數(shù)量減少AD或或AR遺傳，與遺傳，與nDNA有

24、關(guān)有關(guān)線粒體基因病的遺傳特點線粒體基因病的遺傳特點n母系遺傳母系遺傳 在精卵結(jié)合時，卵母細胞擁有上百萬拷貝的在精卵結(jié)合時，卵母細胞擁有上百萬拷貝的mtDNA，而，而精子中只有很少的線粒體，受精時幾乎不進入受精卵，因精子中只有很少的線粒體，受精時幾乎不進入受精卵，因此，受精卵中的線粒體此，受精卵中的線粒體DNA幾乎全都來自于卵子。幾乎全都來自于卵子。n表現(xiàn)為母系遺傳（表現(xiàn)為母系遺傳（maternal inheritance），即母親將），即母親將mtDNA傳遞給她的兒子和女兒，但只有女兒能將其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。傳遞給下一代。 多質(zhì)性多質(zhì)性 人體不同類型

25、的細胞含線粒體數(shù)目不同，通常人體不同類型的細胞含線粒體數(shù)目不同，通常有成百上千個，而每個線粒體中有有成百上千個，而每個線粒體中有210個個mtDNA分子，由于線粒體的大量分子，由于線粒體的大量中性突變中性突變，因此，因此，絕大多數(shù)細胞中有多種絕大多數(shù)細胞中有多種mtDNA拷貝，其拷貝數(shù)存拷貝，其拷貝數(shù)存在器官組織的差異性。在器官組織的差異性。異質(zhì)性異質(zhì)性 n如果同一組織或細胞中的如果同一組織或細胞中的mtDNA分子都是一致的，稱為分子都是一致的，稱為同質(zhì)性（同質(zhì)性（homoplasmy）。n在克隆和測序的研究中發(fā)現(xiàn)一些個體同時存在兩種或兩種在克隆和測序的研究中發(fā)現(xiàn)一些個體同時存在兩種或兩種以上

26、類型的以上類型的mtDNA，這是由于，這是由于mtDNA發(fā)生突變，導(dǎo)致一發(fā)生突變，導(dǎo)致一個細胞內(nèi)同時存在野生型個細胞內(nèi)同時存在野生型mtDNA和突變型和突變型mtDNA，稱為，稱為異質(zhì)性（異質(zhì)性（heteroplasmy）。n野生型野生型mtDNA對突變型對突變型mtDNA有保護和補償作用，因此，有保護和補償作用，因此，mtDNA突變時并不立即產(chǎn)生嚴重后果。突變時并不立即產(chǎn)生嚴重后果。 遺傳瓶頸效應(yīng) 異質(zhì)性在親子代之間的傳遞非常復(fù)雜，人類的每個卵母異質(zhì)性在親子代之間的傳遞非常復(fù)雜，人類的每個卵母細胞中大約有細胞中大約有10萬個萬個mtDNA，但只有隨機的一小部分（，但只有隨機的一小部分（2-2

27、00個）可以進入成熟的卵細胞傳給子代，這種卵細胞形個）可以進入成熟的卵細胞傳給子代，這種卵細胞形成期成期mtDNA數(shù)量劇減的過程稱為數(shù)量劇減的過程稱為“遺傳瓶頸效應(yīng)遺傳瓶頸效應(yīng)”。瓶頸效應(yīng)限制了下傳的瓶頸效應(yīng)限制了下傳的mtDNA的數(shù)量和種類，造成子的數(shù)量和種類，造成子代個體間明顯的異質(zhì)性差異，甚至同卵雙生子也可表現(xiàn)為代個體間明顯的異質(zhì)性差異，甚至同卵雙生子也可表現(xiàn)為不同的異質(zhì)性水平。不同的異質(zhì)性水平。n閾值效應(yīng)閾值效應(yīng) mtDNA突變可以影響線粒體突變可以影響線粒體OXPHOS的功能，引的功能，引起起ATP合成障礙，導(dǎo)致疾病發(fā)生。合成障礙，導(dǎo)致疾病發(fā)生。 突變型突變型mtDNA的表達受細胞中

28、線粒體的異質(zhì)性水的表達受細胞中線粒體的異質(zhì)性水平。即表型依賴于細胞內(nèi)突變型和野生型平。即表型依賴于細胞內(nèi)突變型和野生型mtDNA的相對比例的相對比例 n閾值：引起特定組織器官功能障礙的突變閾值：引起特定組織器官功能障礙的突變mtDNA的最少數(shù)量稱閾值。的最少數(shù)量稱閾值。n閾值是一個相對概念，個體差異很大。閾值是一個相對概念，個體差異很大。n例如，缺失例如，缺失5kb的變異的的變異的mtDNA比率達比率達60%，就急，就急劇地喪失產(chǎn)生能量的能力。劇地喪失產(chǎn)生能量的能力。 線粒體腦肌病合并乳酸血癥及卒中樣發(fā)作線粒體腦肌病合并乳酸血癥及卒中樣發(fā)作(MELAS)患者患者tRNA點突變的點突變的mtDN

29、A達到達到90%以上，能量代以上，能量代謝急劇下降。謝急劇下降。 n不同的組織器官對能量的依賴程度不同，閾值不同不同的組織器官對能量的依賴程度不同，閾值不同n中樞神經(jīng)系統(tǒng)對中樞神經(jīng)系統(tǒng)對ATP依賴程度最高，對依賴程度最高，對OXPHOS缺缺陷敏感，易受閾值效應(yīng)的影響而受累。陷敏感，易受閾值效應(yīng)的影響而受累。n同一組織在不同功能狀態(tài)對同一組織在不同功能狀態(tài)對 OXPHOS 損傷的敏感損傷的敏感性也不同。如線粒體腦疾病患者在癲癇突然發(fā)作時，性也不同。如線粒體腦疾病患者在癲癇突然發(fā)作時，對對ATP的需求驟然增高，腦細胞中高水平的突變型的需求驟然增高，腦細胞中高水平的突變型 mtDNA無法滿足這一需要

30、，導(dǎo)致細胞死亡，表現(xiàn)為無法滿足這一需要，導(dǎo)致細胞死亡，表現(xiàn)為梗塞或梗死。梗塞或梗死。n突變突變mtDNA隨年齡增加在細胞中逐漸積累，因而隨年齡增加在細胞中逐漸積累，因而線粒體疾病常表現(xiàn)為與年齡相關(guān)的漸進性加重。線粒體疾病常表現(xiàn)為與年齡相關(guān)的漸進性加重。n在一個伴有破碎紅纖維的肌陣攣癲癇（在一個伴有破碎紅纖維的肌陣攣癲癇（MERRF）家系中，有家系中，有85%突變突變mtDNA的個體在的個體在20歲時癥狀歲時癥狀很輕微，但在很輕微，但在60歲時臨床癥狀卻相當(dāng)嚴重。歲時臨床癥狀卻相當(dāng)嚴重。不均等的有絲分裂分離不均等的有絲分裂分離 細胞分裂時，突變型和野生型細胞分裂時，突變型和野生型mtDNA發(fā)生分

31、發(fā)生分離，隨機地分配到子細胞中，使子細胞擁有不同離，隨機地分配到子細胞中，使子細胞擁有不同比例的突變型比例的突變型mtDNA分子。這種隨機分配導(dǎo)致分子。這種隨機分配導(dǎo)致mtDNA異質(zhì)性變化的過程稱為異質(zhì)性變化的過程稱為復(fù)制分離復(fù)制分離。在連續(xù)的分裂過程中，異質(zhì)性細胞中突變型在連續(xù)的分裂過程中，異質(zhì)性細胞中突變型mtDNA和野生型和野生型mtDNA的比例會發(fā)生漂變，向的比例會發(fā)生漂變，向同質(zhì)性的方向發(fā)展。同質(zhì)性的方向發(fā)展。 n例例1nLeber遺傳性視神經(jīng)病遺傳性視神經(jīng)?。↙eber hereditary optic neuropathy，LHON）于）于1871年由年由Leber醫(yī)生首次報道。

32、醫(yī)生首次報道。n主要癥狀為視神經(jīng)退行性變，主要癥狀為視神經(jīng)退行性變，故又稱故又稱Leber視神經(jīng)萎視神經(jīng)萎縮。臨床表現(xiàn)為雙側(cè)視神經(jīng)嚴重萎縮引起的急性或亞急性雙縮。臨床表現(xiàn)為雙側(cè)視神經(jīng)嚴重萎縮引起的急性或亞急性雙側(cè)中央視力喪失，可伴有神經(jīng)、心血管、骨骼肌等系統(tǒng)異常。側(cè)中央視力喪失，可伴有神經(jīng)、心血管、骨骼肌等系統(tǒng)異常。n患者多在患者多在1820歲發(fā)病，歲發(fā)病，男性較多見，個體細胞中突男性較多見，個體細胞中突變變mtDNA超過超過96時發(fā)病，少于時發(fā)病，少于80時男性病人癥狀不明時男性病人癥狀不明顯。顯。一個一個LHON的典型系譜的典型系譜n誘發(fā)誘發(fā)LHON的的mtDNA突變均為點突變突變均為點突

33、變nG11778A（1988，Wallace,ND4精精 組組)、G14459A（ND6）、）、G3460A（ND1）、）、T14484C（ND6）、）、G15257A（cytb）等）等4個位點對個位點對LHON也有重要作用。也有重要作用。nLeber氏遺傳性視神經(jīng)萎縮遺傳性狀研究氏遺傳性視神經(jīng)萎縮遺傳性狀研究瞿瞿 佳佳 管敏鑫（管敏鑫（國家科技進步獎二等獎，浙江省科學(xué)技術(shù)一等獎國家科技進步獎二等獎，浙江省科學(xué)技術(shù)一等獎，浙江省醫(yī)藥衛(wèi)生科技創(chuàng)新獎一等獎）浙江省醫(yī)藥衛(wèi)生科技創(chuàng)新獎一等獎）n例例2n氨基糖甙類抗生素誘發(fā)的耳聾氨基糖甙類抗生素誘發(fā)的耳聾n鏈霉素、慶大霉素、卡那霉素、拓普霉素、新霉素鏈

34、霉素、慶大霉素、卡那霉素、拓普霉素、新霉素致耳聾致耳聾n1993年（年（Prezant)發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)A1555G（12SrRNA)突變突變n又發(fā)現(xiàn)又發(fā)現(xiàn)A7445G、A1438G、A3243G、A8363G、G15915A突變突變管敏鑫教授管敏鑫教授n第一次發(fā)現(xiàn)了核基因?qū)€粒體第一次發(fā)現(xiàn)了核基因?qū)€粒體DNA致聾相關(guān)突致聾相關(guān)突變變A1555G臨床表型的決定性作用臨床表型的決定性作用 n發(fā)現(xiàn)核修飾基因?qū)€粒體發(fā)現(xiàn)核修飾基因?qū)€粒體DNA突變分子耳聾外突變分子耳聾外顯率的影響，并發(fā)現(xiàn)三個新的修飾基因顯率的影響，并發(fā)現(xiàn)三個新的修飾基因n第一次發(fā)現(xiàn)氨基糖甙類相關(guān)致聾位點第一次發(fā)現(xiàn)氨基糖甙類相關(guān)致聾位點C

35、1494TA1555G突變1555A1555A1555G1555G1993年年P(guān)rezant等人首先在一個等人首先在一個阿拉伯以色列非綜合征母系阿拉伯以色列非綜合征母系遺傳的家系中發(fā)現(xiàn)遺傳的家系中發(fā)現(xiàn)mtDNA 12S rRNA基因基因A1555G突變。突變。Guan等人從阿拉伯以色列家等人從阿拉伯以色列家系中有系中有mtDNA A1555G突變的耳突變的耳聾病人取得淋巴細胞系進行功聾病人取得淋巴細胞系進行功能研究。能研究。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)全世界不同種族現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)全世界不同種族的人群中攜帶的人群中攜帶A1555G突變的家突變的家系有系有1000多例多例浙江省各地市聾校A1555G突變篩查情況地區(qū)

36、非綜合征性耳聾人數(shù)A1555G突變陽性人數(shù)突變頻率a杭州20794.35湖州16631.81紹興12586.40舟山7322.74金華6100.00臺州12043.33衢州15885.06麗水21062.86溫州422286.64合計1542674.35環(huán)環(huán) 境境 因因 素素（氨基糖甙類抗生素等）（氨基糖甙類抗生素等）mtDNAmtDNA突變突變遺遺 傳傳 因因 素素線粒體基因線粒體基因核基因核基因線粒體功能缺失線粒體功能缺失內(nèi)耳、前庭細胞內(nèi)耳、前庭細胞ATPATP合成合成 自由基生成自由基生成 氧化還原平衡破壞氧化還原平衡破壞凋亡凋亡 功能缺失功能缺失聽力下降聽力下降 利用基因診斷的方法可以

37、常規(guī)地利用基因診斷的方法可以常規(guī)地對患者進行對患者進行A1555G突變位點的突變位點的篩查，如果該突變陽性，則要給篩查，如果該突變陽性，則要給他們發(fā)用藥指南，提醒該患者及他們發(fā)用藥指南，提醒該患者及其所有的母系親屬避免使用氨基其所有的母系親屬避免使用氨基糖甙類抗生素，從而減少該家系糖甙類抗生素，從而減少該家系耳聾的患病人數(shù)，降低耳聾的發(fā)耳聾的患病人數(shù)，降低耳聾的發(fā)病率。此項研究可以避免全國至病率。此項研究可以避免全國至少少100萬人口因用氨基糖甙類抗萬人口因用氨基糖甙類抗生素而導(dǎo)致耳聾，具有深遠的社生素而導(dǎo)致耳聾，具有深遠的社會意義。會意義。五、葉綠體遺傳及其分子基礎(chǔ)五、葉綠體遺傳及其分子基礎(chǔ)

38、n葉綠體是植物細胞中特有的細胞器，起光能轉(zhuǎn)換作用葉綠體是植物細胞中特有的細胞器，起光能轉(zhuǎn)換作用n1、衣藻的葉綠體遺傳、衣藻的葉綠體遺傳n依藻（單細胞），一個單倍體核、一個葉綠體、約依藻（單細胞），一個單倍體核、一個葉綠體、約20個線個線粒體粒體n無性生殖為主無性生殖為主n有時有性生殖：有時有性生殖：mt+ mt- (不同的交配型不同的交配型)n 合子合子n （減數(shù)分裂）（減數(shù)分裂）n 4個單倍體（核基因個單倍體（核基因2：2分離）分離） mt+ sm-r mt-sm-s(鏈霉素抗性）鏈霉素抗性） 合子合子 4個單倍體（子代）全部抗性個單倍體（子代）全部抗性 mt+ sm-s mt-sm-r(鏈

39、霉素敏感）母性鏈霉素敏感）母性 合子合子 4個單倍體（子代）全部敏感個單倍體（子代）全部敏感n實驗證明實驗證明mt+ 親本的葉綠體親本的葉綠體DNA傳遞下來了傳遞下來了衣藻的一些遺傳表現(xiàn)為母性遺傳，如鏈霉素抗性衣藻的一些遺傳表現(xiàn)為母性遺傳，如鏈霉素抗性n2、葉綠體遺傳的分子基礎(chǔ)、葉綠體遺傳的分子基礎(chǔ)n（1）葉綠體）葉綠體DNAn裸露的環(huán)狀雙鏈分子，裸露的環(huán)狀雙鏈分子，n120kb190kb之間之間n葉綠體中葉綠體中ctDNA的拷貝數(shù)是多拷貝的，不同的生物拷貝的拷貝數(shù)是多拷貝的，不同的生物拷貝數(shù)不同，數(shù)不同，n大多數(shù)植物大多數(shù)植物ctDNA含有兩個反向重復(fù)序列，之間有兩段含有兩個反向重復(fù)序列，之

40、間有兩段非重復(fù)序，在復(fù)性過程中兩個重復(fù)序列恰好互補形成雙非重復(fù)序，在復(fù)性過程中兩個重復(fù)序列恰好互補形成雙鏈，非重復(fù)區(qū)形成單鏈環(huán)鏈，非重復(fù)區(qū)形成單鏈環(huán)nctDNA的復(fù)制是以半保留復(fù)制的，可能與線粒體相似的復(fù)制是以半保留復(fù)制的，可能與線粒體相似 n葉綠體基因組含有自已的轉(zhuǎn)錄翻譯系統(tǒng)葉綠體基因組含有自已的轉(zhuǎn)錄翻譯系統(tǒng)n（2）葉綠體）葉綠體DNA的基因組成的基因組成n從地錢、煙草和水稻葉綠體全序列分析（表從地錢、煙草和水稻葉綠體全序列分析（表20-6）表明表明ctDNA基因組成有以下特點：基因組成有以下特點：n基因組由兩個反向重復(fù)序列（基因組由兩個反向重復(fù)序列（IR） 和一個短單拷貝序列（和一個短單拷

41、貝序列（SSC）及一個）及一個 長單拷貝序列（長單拷貝序列（LSC）組成；）組成；nIRA和和IRB長各長各10-24Kb，編碼相同，方向相反；，編碼相同，方向相反；nctDNA啟動子和原核生物的相似；啟動子和原核生物的相似；n盡管盡管ctDNA大小各不相同，但基因組成是相似的，大小各不相同，但基因組成是相似的，而且所有基因的數(shù)目幾乎是相同的，它們大部分產(chǎn)物而且所有基因的數(shù)目幾乎是相同的，它們大部分產(chǎn)物是類囊體的成分或和氧化還原反應(yīng)有關(guān)（表是類囊體的成分或和氧化還原反應(yīng)有關(guān)（表10-5）；）；ntRNA基因基因,約約3032個，有內(nèi)合子存在；個，有內(nèi)合子存在；n所有葉綠體基因轉(zhuǎn)錄的所有葉綠體基因轉(zhuǎn)錄的mRNA都由葉綠體核糖體翻都由葉綠體核糖體翻譯。譯。n（3）葉綠體遺傳系統(tǒng)與核遺傳系統(tǒng)的關(guān)系）葉綠體遺傳系統(tǒng)與核遺傳系統(tǒng)的關(guān)系n葉綠體蛋白分為三類：葉綠體蛋白分為三類：n一是葉綠體一是葉綠體DNA編碼的編碼的n二是核二是核DNA編碼的編碼的n三是核三是核DNA和葉綠體和葉綠體DNA共同編碼的（亞基）共同編碼的（亞基）n葉綠體也是半自主性細胞器葉綠體也是半自主性細胞器n葉綠體中所有的核糖體與線粒體核糖體、胞質(zhì)核葉綠體中所有的核糖體與線粒體核糖體、胞質(zhì)核糖體完全不同。它們的沉降系數(shù)為糖體完全不同。它們的沉降系數(shù)為70S，由大小，由大小不等的兩個