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線粒體基因組

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線粒體內的DNA,可參與蛋白質的合成,轉錄,與複製。特點是突變率高,母系遺傳。具有較高的研究價值

1簡介

線粒體是真核細胞的一種細胞器,有它自己的基因組,編碼細胞器的一些蛋白質。除了少數低等真核生物的線粒體基因組是線狀DNA分子外(如纖毛原生動物Tetrahymena pyniform和Paramecium aurelia以及綠藻Clam ydoomonas rein—hardtia 等),一般都是一個環狀DNA分子。由於一個細胞里有許多個線粒體,而且一個線粒體里也有幾份基因組拷貝,所以一個細胞里也就有許多個線粒體基因組。不同物種的線粒體基因組的大小相差懸殊。

2大小

已知的是哺乳動物的線粒體基因組最小,果蠅和蛙的稍大,酵母的更大,而植物的線粒體基因組最大。人、小鼠和牛的線粒體基因組全序列已經測定,都是16.5 kb左右。每個細胞里有成千上萬份線粒體基因組DNA拷貝。果蠅和蛙的細胞里有多少個線粒體以及每個線粒體有多少份DNA拷貝,還沒有準確的數字。估計線粒體DNA的總量只相當於核DNA的1%弱。釀酒酵母(S.cerevisiae)的線粒體基因組約長84 kb,每個細胞里有22個線粒體,每個線粒體有4個基因組。生長中的酵母細胞線粒體DNA占細胞總DNA量的比例可高達18%。

3基因組

哺乳動物
哺乳動物的線粒體基因DNA沒有內含子,幾乎每一對核苷酸都參與一個基因的組成,有許多基因的序列是重疊的,例如,Anderson等於1981年測定了人線粒體基因組全序列,共16 569 bp,除了同啟動DNA有關的D環區(D-loop)外,只有87個bp不參與基因的組成。現已確定有13個為蛋白質編碼的區域,即細胞色素b、細胞色素氧化酶的3個亞基、ATP酶的2個亞基以及NADH脫氫酶的7個亞基的編碼序列。另外還有分別編碼16SrRNA和12SrRNA以及22個tRNA的DNA序列。除個別基因外,這些基因都是按同一個方向進行轉錄,而且tRNA基因位於rRNA基因和編碼蛋白質的基因之間。除了少數例外,線粒體基因組編碼蛋白質的密碼子都是生命世界通用的密碼子。

4原理

線粒體基因組能夠單獨進行複製、轉錄及合成蛋白質,但這並不意味著線粒體基因組的遺傳完全不受核基因的控制。線粒體自身結構和生命活動都需要核基因的參與並受其控制,說明真核細胞內儘管存在兩個遺傳系統,一個在細胞核內,一個在細胞質內,各自合成一些蛋白質和基因產物,造成了細胞核和細胞質對遺傳的相互作用;但是,核基因在生物體的遺傳控制中仍起主宰作用。線粒體DNA(mtDNA)可用於分子系統發生研究(molecular phylogenetic stud—ies)。
與細胞核DNA相比,mtDNA作為生物體種系發生的「分子鐘」(molecular clock)有其自身的優點:①突變率高,是核DNA的10倍左右,因此即使是在近期內趨異的物種之間也會很快地積累大量的核苷酸置換,可以進行比較分析;②因為精子的細胞質極少,子代的mtDNA基本上都是來自卵細胞,所以mtDNA是母性遺傳(maternal inheritance),且不發生DNA重組,因此,具有相同mtDNA序列的個體必定是來自一位共同的雌性祖先。但是,近年來PCR技術證實,精子也會對受精卵提供一些mtDNA,這是造成線粒體DNA異序性(heteroplasmy)的原因之一。一個個體生成時,該個體細胞質內mtDNA的序列都是相同的,這是mtDNA的同序性(homoplasmy);當細胞質里mtDNA的序列有差別時,就是mtDNA的異序性。異序性對於種系發生的分析研究會造成一些困難。
在分子進化研究中,mtDNA同樣也是十分有用的材料。由於線粒體基因在細胞減數分裂期間不發生重排,而且點突變率高,所以有利於檢查出在較短時期內基因發生的變化,有利於比較不同物種的相同基因之間的差別,確定這些物種在進化上的親緣關係。有人曾從一具4 000年前的人體木乃伊分離出殘存的DNA片段,平均大小僅為90 bp。這對於核基因組來說,這麼短的DNA片段很難說明什麼問題,可是這是線粒體基因組DNA,就可能是某個基因的一個片段,可以進行比較分析。因此,當前的分子進化生物學的研究,多半是取材於古生物或化石的牙髓或骨髓腔中殘留的線粒體DNA作為實驗材料。
線粒體基因組中的基因與線粒體的氧化磷酸化作用密切相關,因此關係到細胞內的能量供應。近年來發現人的一些神經肌肉變性疾病如Leber氏遺傳性視神經病(主要表現為雙側視神經萎縮引起急性或亞急性視力喪失,還可伴有神經、心血管及骨骼肌等系統異常)、帕金森病、早老痴呆症、線粒體腦肌病、母系遺傳的糖尿病和耳聾等,都同線粒體基因有關。也有人指出,衰老可能同mtDNA損傷的積累有關。

6疾病關係

人線粒體DNA(mtDNA),共包含37個基因,這37個基因中有22個編碼轉移核糖核酸(tRNA)、2個編碼核糖體核糖核酸(12S和16S rRNA),13個編碼多肽。
對於可疑線粒體病的患者來說,理想的遺傳學診斷方法是發現導致線粒體結構和功能缺陷的相關基因突變。這些基因突變可能在mtDNA上,也可能發生在核基因上,線粒體的遺傳方式可能為常染色體隱形遺傳、X-連鎖遺傳、母系遺傳,有些還是新突變。由於線粒體病涉及基因眾多,目前臨床只能選擇少數常見的線粒體基因位點進行突變和缺失篩查,陽性率很低,大多數患者難以獲得準確的病因診斷。
線粒體基因組的分析測定需要對37個基因進行分析,由於線粒體基因屬於母系遺傳,母親的產前線粒體基因組分析對於生育健康寶寶具有重大意義。
(1)13個編碼多肽的基因
編碼產物
基因分析
基因變異對應的常見線粒體病種類
NADH dehydrogenase(complex I)
MT-ND1
Leber遺傳性視神經病
MT-ND2
心肌線粒體病,Leber遺傳性視神經病
MT-ND3
進肌陣攣、癲癇、視神經萎縮
MT-ND4
Leber遺傳性視神經病,線粒體肌病,Leber遺傳性視神經病,張力障礙
MT-ND4L
Leber遺傳性視神經病
MT-ND5
Leigh綜合征, 線粒體腦肌病伴乳酸中毒及中風樣發作綜合症
MT-ND6
Leber遺傳性視神經病,線粒體腦肌病伴乳酸中毒及中風樣發作綜合症,糖尿病,肌張力障礙
coenzyme Q-cytochrome c reductase/Cytochrome b(complex III)
MT-Cytb
慢性遊走性紅斑,Leber遺傳性視神經病,線粒體肌病,心肌線粒體病,線粒體腦肌病伴乳酸中毒及中風樣發作綜合症,帕金森病
cytochrome c oxidase(complex IV)
MT-COX1
肌紅蛋白尿運動神經元疾病,鐵粒幼細胞貧血
MT-COX2
線粒體肌病,線粒體多系統疾病,線粒體腦肌病
MT-COX3
Leigh綜合征,慢性遊走性紅斑,骨骼肌溶解症
ATP synthase
MT-ATP6
共濟失調併發色素性視網膜炎,母系遺傳Leigh綜合征,家族性雙側紋狀體壞死
MT-ATP8
共濟失調併發色素性視網膜炎,母系遺傳Leigh綜合征,家族性雙側紋狀體壞死
(2)22個編碼tRNA的基因
Alanine
MT-TA
進行性眼外肌麻痹
Arginine
MT-TR

Asparagine
MT-TN
線粒體肌病,進行性眼外肌麻痹
Aspartic acid
MT-TD
心肌線粒體病, 肌陣攣
Cysteine
MT-TC
慢性遊走性紅斑
Glutamic acid
MT-TE
心肌線粒體病,慢性遊走性紅斑
Glutamine
MT-TQ
線粒體肌病,線粒體腦肌病伴乳酸中毒及中風樣發作綜合症
Glycine
MT-TG
心肌線粒體,嬰兒猝死綜合征,慢性遊走性紅斑
Histidine
MT-TH

Isoleucine
MT-TI
線粒體肌病,心肌線粒體病,進行性眼外肌麻痹
Leucine
MT-TL1
慢性進行性眼外肌麻痹,Leer遺傳性視神經病, 線粒體腦肌病伴乳酸中毒及中風樣發作綜合症,線粒體肌病,心肌線粒體病,糖尿病 和線粒體耳聾
MT-TL2
心肌線粒體病,慢性遊走性紅斑,慢性進行性眼外肌麻痹,線粒體肌病,鐵粒幼紅細胞性貧血
Lysine
MT-TK
心肌線粒體病, 慢性進行性眼外肌麻痹,肌陣攣性癲癇發作伴破碎紅纖維,線粒體腦肌病伴乳酸中毒及中風樣發作綜合症,線粒體耳聾
Methionine
MT-TM
線粒體肌病,淋巴瘤
Phenylalanine
MT-TF
線粒體腦肌病、乳酸中毒以及卒中樣發作,骨骼肌溶解症
Proline
MT-TP
線粒體肌病,進行性眼外肌麻痹
Serine
MT-TS1
掌跖角化症,線粒體耳聾,肌陣攣性癲癇發作伴破碎紅纖維-線粒體腦肌病伴乳酸中毒及中風樣發作綜合症
MT-TS2
糖尿病 和線粒體耳聾
Threonine
MT-TT
心肌線粒體病,慢性遊走性紅斑
Tryptophan
MT-TW
Leigh綜合征,共濟失調舞蹈病,線粒體肌病
Tyrosine
MT-TY
慢性進行性眼外肌麻痹
Valine
MT-TV
Leigh綜合征, 線粒體腦肌病伴乳酸中毒及中風樣發作綜合症,線粒體多系統疾病
12S ribosomal RNA
MT-RNR1
帕金森病,氨基糖甙類抗生素致聾
16S ribosomal RNA
MT-RNR2
心肌線粒體病
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