线粒体DNA疾病和生殖技术发展的意义
张文敬2015602591
杨永妍2015602337
丁艺洁2015602756
杨陈祎2015602340
引言线粒体DNA疾病
线粒体是真核细胞内重要的产能细胞器。线粒体疾病是一种病理状态，在这种状态下，线粒体的产能能力受损，并且不能完成其正常功能。这类疾病是相对比较常见的，但是却很少有这样的诊断，因为大多数患者仅表现出非常轻微的症状（曼瓦林等，2007）。和线粒体疾病相关的症状严重性的不同范围使得其被报道的流行率变异性很大：例如，有一种线粒体的病理学改变（下文所讨论的线粒体基因3243A→G的突变）的流行率是1到300之间（曼瓦林等，2007），也有一种观点认为是1到14000之间（钦纳里等，2000）。
线粒体内自身存在DNA（后文称mtDNA），是人体内唯一存在于细胞核外的DNA。线粒体DNA比较特殊的是它有自己的基因序列和核糖体亚型。它编码产生呼吸链中所需要的少数亚单位，而呼吸链是由多个多聚体蛋白依次排列于线粒体膜上形成的一个产能链，此外它还编码产生转运体RNA和核糖体RNA。呼吸链中大部分的必需蛋白质是由细胞核所编码产生的，很多蛋白质同样也需要线粒体DNA来维持和复制。因此无论是线粒体DNA还是细胞核内DNA，其突变就有可能导致线粒体功能的病理性缺失，导致线粒体疾病（泰勒和特恩布尔，2005；格里弗斯等，2012）在这篇综述中，我们将重点讨论由线粒体DNA突变所引起的疾病。线粒体DNA是母系遗传的，原因很明显，在形成受精卵时，精子不携带细胞质成分，来自父亲的线粒体在卵子受精后即泛素化（Sutovsky等，1999,2000）并被靶向破坏（康明斯等，1998；史特拉等，2000；艾拉维等2011；Sato and Sato,2011;德卢卡和奥法雷尔，2012），仅在异常的胚胎中或种间交配的情况下尚存在（乔伦思丹等，1991；圣约翰等，2000）。线粒体DNA 甚至有可能在受精之前就已经被消除了（卢奥等，2013)。
线粒体DNA突变引起的疾病在发病、严重程度和遗传性方面有其独特的特点，很大一方面原因就是在典型的有核细胞中，其线粒体DNA有数以千计的复制体，（Lightowlers等，1997；华莱士，1999）。从遗传学上来讲，多数正常细胞内的线粒体DNA实际上是相同的（这在医学上称为“同型异源性”）。在线粒体DNA疾病中可能存在大量不同的、突变的DNA分子，从而产生了“异质性”（在同一个线粒体中同时存在多种类型的线粒体DNA）。
线粒体DNA是母系遗传的，使得其成为只在母系中遗传为特点的疾病。线粒体DNA单倍体能够调节由细胞核编码的基因突变造成的病理影响（施特奥斯等，2013），这种线粒体DNA的变异性也依据其背景及环境产生利弊不同的影响（治等，2012）。很多线粒体疾病具有异质性，即变异的和原株线粒体DNA共存于受损细胞内。大多数实例中观察到突变量的影响（杰普森等，2006）：线粒体DNA突变体的比例，复制量及其分布影响组织的功能（Petruzzella等，1994）。在最常见的疾病当中，当线粒体DNA突变达70%，线粒体DNA疾病开始出现临床症状（杰普森等，2006）。这种取决于突变量
的特性是很重要的，因为从动态学上讲，细胞内线粒体DNA的量及成比例的突变体会随着发展而不断改变，这在当前是很难描述的。
线粒体DNA数量的不断变化意味着：随着突变的线粒体DNA在组织中不断积累，线粒体DNA疾病患者常会出现先兆症状（波尔顿等，1995；韦伯等，1997）。例如，患皮尔逊综合症的孩子在婴幼儿初期可能会出现贫血和乳酸血症。这种特征性的变异是由线粒体DNA5000的碱基对中单个的缺失引起的，其中包含蛋白质和转运体RNA编码区。最初，这些孩子组织内的线粒体DNA突变水平很高，随着疾病的进展，血液中突变水平下降，贫血也逐渐好转。然而，如果他们能活到青春期，随着肌肉中线粒体DNA突变比例的升高，他们可能会患上肌病（麦克沙恩等，1991）。而在大多数母系遗传的异质性线粒体DNA疾病中，线粒体DNA数目的变化不是那么极端的：几乎在所有的案例中，血液中的线粒体DNA突变水平都比像肌肉和大脑这样有丝分裂后的组织中低（拉赫曼等，2001）。这个例子阐明了一个潜在的诊断上的问题：突变量随时间不断改变，则很难利用血液中线粒体DNA的水平对患者提出关于预后和传播风险的建议。
线粒体疾病常常是具有临床异质性的。而很多患者不符合某些特殊的临床症状，众所周知的线粒体DNA疾病的例子有：MIDD（线粒体遗传性糖尿病伴耳聋）（范登奥维兰等，1992），MELAS（线粒体肌病，脑病，乳酸血症，卒中样症状）（戈托等，1990），MILS（母系遗传的Leigh氏综合征）（霍尔特等，1990），MERRF（肌阵挛性癫痫伴肌肉破碎红纤维综合症）（华莱士等，1988b），LHON（Laber 氏遗传性是视经病变）（华莱士等，1988a;霍厄尔和麦卡洛，1990；约翰等，1992），MELAS（Clafaloni 等，1992）和MERRF都有一个较重要的特征：肌肉功能障碍，都能引起认知能力下降，共济失调，癫痫症，心肌病和耳聋（钦纳里等，1997）。糖尿病是MELAS常见的特征（范登奥维兰等，1992）。MILS 主要涉及中枢神经系统：精神运动的延迟，视力和听觉损害（迪高等，1995）。LHON常常是一种无症状的视神经病变，且很多患者的突变线粒体DNA是同质的（霍厄尔和麦卡洛，1990；约翰等，1992）.据研究，某些疾病是由特殊的线粒体DNA突变引起的，如：m.3243A>G线粒体DNA突变常导致MIDD，但是在比较严重的MELAS病例中（戈托等，1990），m.8344A>G线粒体DNA突变会导致MERRF（华莱士等，1988b）,m.11778G>A(华莱士等，1988a),m.3460G>A(霍厄尔和麦克洛，1990)和m.14484T>C(约翰等，1992)的线粒体基因突变会导致LHON。然而导致这些疾病的还有其他一些线粒体DNA突变。钦纳里，哈德逊（2013）和迪莫罗（2013）等对线粒体DNA突变的临床特点和发病微点图进行过综述。
线粒体DNA疾病遗传的另一个显著的特点即母亲和后代之间异质性发生很大变化。例如，一个表型正常的母亲，有50%的突变线粒体DNA，那么她所生的孩子可能是健康的，也可能患有严重的线粒体疾病（拉尔森等，1992）。后代之间产生这种不同的原因即所谓的“瓶颈”效应，就母亲的异质性而言，后代之间的异质性水平有显著的差异，而后代之间异质性的平均水平与母亲的异质性则相差无几（吉努斯等，1996）。这种效应的潜在机制仍在热议中（卡琳等，2011），一些人认为原因在于生殖系中线粒体DNA复制量显著降低（克里等，2008），另外有人认为在于细胞分裂时线粒体DNA的随机分配（曹等，2007，2009），还有人认为是线粒体DNA在不断发展中部分复制引起的（韦等，2008）
（图1）。
这个障碍中的极少数案例，母亲和孩子之间可能会由一种几近同质的线粒体DNA类型快速转变为另一种类型。通过对非编码区线粒体DNA（马丁顿等，1997）不同长度变异体的研究，现在有学者（JP）在母体的卵母细胞和鼠的卵母细胞中发现了这种转变的证据。在具有异质性的致病线粒体DNA突变体的妇女的卵母细胞中，这种转变也是非常明显的（波洛克等，1997；马丁顿等，1998；布朗等，2001）。尽管这种机制的阐明仍待进一步研究（卡琳等，2011），这个“瓶颈”是不断发展的现象形成一定量的胞内线粒体DNA的明确的例子。
尽管有几种有希望能改变患有异质性疾病患者体内突变线粒体DNA数量使其降低到低致病水平的方法，线粒体DNA疾病现在仍无法直接治愈。例如，一些特殊设计的核酸酶（包括所谓的线粒体靶向的转录激活因子样效应物核酸酶（贝克曼等，2013）和锌指核酸酶（甘米奇等，2014））能够在突变位点上将突变的线粒体DNA剪切掉。由于临床上缺乏对线粒体DNA疾病有效的治疗，为了防止这类疾病向下一代的传播，让患有亚临床线粒体DNA疾病的妇女能拥有健康的孩子（或者至少提高它的可能性），相应的策略是极其重要的（图2）。我们将那些已经应用于临床实践中的策略定义为“传统疗法”，将那些还未经临床证实应用于人体的治疗方法成为“现代疗法”。传统的疗法旨在将患者体内的异常卵母细胞完全清除或监视胚胎/胎儿的异质性。现代疗法目的是清除变异的线粒体DNA。这些新的方法在科学著作和媒体中都成为热点。“就像给电脑换电池一样”（指的是将功能异常的线粒体DNA 清除掉）和与之相关的“有三个父母的婴儿”（指的是在一个胚胎中出现第三方的线粒体DNA；见下文），这些吸引人的标语引起很多人的兴趣包括科学界交流到普通大众，并且其中有人最近指出：目前针对线粒体DNA疾病遗传性的治疗方法很快将应用于临床。
生殖途径治疗mtDNA疾病的经典理论
自从25年前首例母系遗传mtDNA疾病报道以来(Wallace et al, 1988b)，共出现三个较为有名的理论方法来解决突变线粒体基因的家族遗传问题(Sauer and Kavic, 2006)。
卵母细胞捐献是一种可以完全去除突变线粒体基因遗传可能性的简单方法。这种方法以捐献的健康卵母细胞代替有突变线粒体基因的卵母细胞。这种方法的弊端是生母的遗传特征会完全丧失，但这也是唯一一种能够保证没有遗传风险的方法。
另一种方法是从待孕母亲的瓶颈期卵母细胞中选择出突变量较低的胎体。这种方法只可以用于异质型mtDNA疾病。筛选低风险胎体在孕初期实施（绒毛膜取样）(Harding et al., 1992)。在第一孕程终期检测分析绒毛膜异质性，若胎儿基因呈现出高度异质性，其患有mtDNA疾病的可能性极高，可此时终止妊娠。当疾病的显相与否和突变程度密切相关时，这种方法可以有效解决mtDNA疾病的遗传问题(White et al., 1999)。而对同源异质性疾病或者疾病显相与突变程度相关性较低（例如LHON）时，这种方法则不适用(Black et al.,1996)。此外，如果滋养层mtDNA的突变程度对其他孕体不具有代表性，其有效性也会明显降低。这种情况出现在复制分裂开始较早时，下文会有所叙述。
第三种治疗方法需要通过胚胎着床前的基因诊断筛选出低风险的早期（卵裂）胚胎。卵子受精并经过
短暂发育后，从胚芽中取1-2个细胞分析mtDNA突变程度。在这个阶段，每个卵裂球之间的突变差异很小。胚胎的突变程度可以用来估计个体mtDNA疾病的后天风险(Poulton et al., 2010)。这种方法是目前临床上应用的主要方法，成功用于有mtDNA遗传疾病的家庭(Steffann et al.,2006; Monnot et al., 2011)。然而，当着床前基因诊断用于囊胚期胚胎时，标本就不能很好地反映后天异质性。运用这种技术的变体——胚囊活组织检查产前筛查基因m3243A→G点突变时也出现了同样的问题(Treff et al., 2012)：滋养层细胞的突变程度（12% Treff et al. (2012)）大体上少于一些儿童标本（血液47%，尿液52% Wallace and Chalkia (2013) and Mitalipov et al. (2014)）。目前还未知这种异质性差异是发生在滋养层和内细胞团阶段之间，还是在妊娠期间改变的。这表明胚胎着床前的基因诊断也有一定风险。普遍来说，细胞间异质性和拷贝数变异出现于开始分化出具体功能的囊胚期细胞，可能因着床前胚胎mtDNA快速复制分裂而加剧(Lee et al., 2012)。这是一种普遍现象还是人工胚胎中两个融合的细胞质独立复制分裂的结果仍需进一步证明。如果是后者，这对于包括核移植在内的细胞质移植和其他技术都有重要意义(Steffann et al., 2014)。总之，胚胎分裂期进行着床前基因诊断意义较大，而在囊胚期则不可靠。
新发展：mtDNA疾病的现代治疗方法
上述改变mtDNA遗传性的技术存在几个弊端：首先，卵母细胞捐献技术导致后代不会遗传母亲的核DNA。其次，囊胚期着床前基因诊断和绒毛膜取样有一定风险，因为组织和单个细胞间的变异可以导致异质性水平检测不准确，引起错误的诊断评估。而卵裂期着床前基因诊断相比之下更为可靠准确(Monnot et al.,2011)。
近期的两个理论——原核移植和染色体纺锤体复合物移植都规避了这些问题。这两种方法都旨在将供体卵母细胞基因移植到一个没有细胞核和mtDNA的健康卵母细胞中。值得注意的是，原核移植是将来自双亲的受精卵母细胞的原核移植到受体去核受体卵母细胞中，而染色体纺锤体复合物移植则是移植供体卵母细胞的染色体纺锤体。核基因被移植到有功能的线粒体环境中，病理性mtDNA的复制被终止，因此胚胎可以正常发育(Poulton and Oakeshott,2012)。这些疗法旨在使所有细胞中的mtDNA突变量达到零，且父母双方的基因都可遗传给后代，解决了传统疗法的弊端。
预实验证明了这些技术的可行性，却也强调了mtDNA交叉转移这种不可避免的现象。理想情况下，原核移植和染色体纺锤体复合物移植可以使受体中的供体mtDNA完全缺失，可是由于目前的技术限制而不可行(St John and Campbell,2010)。目前，没有方法可以避免供体mtDNA交叉转移，但这些技术都试图将基因交叉转移量控制在1%以下。通过不同检测限度比较各种研究方法，检测出供体mtDNA交叉转移量范围在0.01和2%之间：在Craven等人的实验中(Craven et al., 2010)，九个通过原核移植培育的人类胚胎中有五个的平均供体mtDNA交叉转移量是1.68%。另一些研究中，染色体纺锤体复合物移植出的胚胎在0.5-0.6%之间(Tachibanaet al., 2013)。人类核移植的交叉转移量是0.31% (Paull et al., 2013)。而恒河猴纺锤体移植是1% (Tachibana et al., 2009; Lee et al., 2012)。因此，胚胎中低水平的异质性基因不可避免。
这样极低含量的基因通常不能达到病理性阈值(Cravenet al., 2011)。瓶颈阶段的mtDNA可能导致下一代女性胚胎中的异质性基因扩增，不过近期报道显示这种交叉转移不会超过5%，不足以引起疾病。因此，这两种技术都是安全的(Samuels et al., 2013)。
现代治疗的潜在问题
虽然这些在临床上使用的现代治疗在很大程度上被认为是足够安全的,但在关于人群接受治疗后mtDNA的表现上仍然存在一些不确定性。在这些不确定性的问题得以解决之前，理所应当的应该对现代治疗的临床应用加以限制，除非没有更好的选择，否则不应该使用。有严重的表型和存在致病性同质DNA突变的家庭是最佳的治疗人选，因为在经典治疗方案中他们唯一能受益的只有卵母细胞捐赠。然而这样的家庭是相对罕见的。很大程度上是因为要证明同质突变是致病原因很困难却又至关重要。因此第一家庭选择正确的治疗方式将势在必行。
目前最有可能也符合伦理的试点测试已经在动物模型和（异常的）人类胚胎上进行过了，有积极的结果。然而，接受这些治疗的人群产生的后代的mtDNA后续行为仍然存在问题，这些问题已经被研究人员标记下来，并在论文中提及了。这些问题虽然不是mtDNA治疗理念的致命缺陷，但它们的确表明了这些治疗相关的一些不确定性。它们全部都与第三方“受体”的mtDNA单体有连接，这些第三方受体提供了拥有健康mtDNA的卵母细胞。在一个随机的配对中，捐赠者和受供者的单体相差有可能非常大：对人类的mtDNA成对比较显示多达130个单核苷酸多态性（SNP）的差异（（Blanco et al., 2011），从而导致位于mtDNA的蛋白质编码区域的20个氨基酸的变化（Craven etal.,2011））。平均两个欧洲人或两个非洲人就会分别在29.3和78.3点位发生变化(Lippold et al.,2014)。因此一个相当复杂的核DNA和不同的mtDNA的混合物就会出现包含了患者（供体)及其父亲的核DNA，无核受体卵母细胞的mtDNA的大部分以及假定的野生型mtDNA（单体B）和小部分携带患者的mtDNA（单体A，如果供体是异质的，它也许既不是突变型也不是野生型）。从而这三种不同的mtDNA就能最大程度的在胚胎中表现出来，其中健康的野生型单体B组成了绝大多数，大约99%。这个新的单体无论是对患者还是父系核DNA都是异物，这样结合的意义目前为止尚未被探索。
第一个潜在的问题涉及核-线粒体之间的相互作用（图3A）。能量的生成依赖核基因和mtDNA之间广泛的相互作用（Johnson et al., 2001; Reinhardtet al., 2013）。通常子代的mtDNA是从父系的染色遗传而来。这种联合遗传被认为是促进核-线粒体的交流。然而，当细胞核传输时，这个联合转运就被干扰了，并且mtDNA面临一个完全未知的核DNA。这样的情况很有可能导致一些并发症，雄性鼠的mtDNA-核错配时，一些生理参数如呼吸，行为（（Nagao et al.,1998），种间/亚种间异质）以及学习（（Roubertoux et al .,2003),亚种间异质）能力都下降了。男性尤其暴露于风险中，因为mtDNA的母体遗传特性意味着自然选择的一些重要方面仅仅在雌性身上才起作用，也就是说，正如LHON 里探讨的那样，mtDNA突变的积累被促进了，这种积累对雄性有害。然而，近来一些论点提出，男性过度的视神经病变可能还有其他致病原因（例如雌激素水平的降低，因为雌激素似乎可以减轻LHON中的线立体功能损伤。（Giordano et al.,2011)),并且在猕猴和鼠模型上的研究支持:在现代治疗下，
核-线粒体相互作用即使真的产生影响，其影响也也很有限。近来的研究发现在老鼠胚胎干细胞中，mtDNA单体规定了基因表达的模式，因此，核DNA-mtDNA相互作用无疑取决于mtDNA单体。然而，在异种线粒体老鼠上进行的活体实验显示，和线粒体系统似乎有能力代偿高水平的变异。在这些以小家鼠基因背景下负载着土色mtDNA的异种线粒体鼠身上，并没有观察到消极的活体反应。相反的，conplastic种群负载着一系列不同的mtDNA（M.m.驯养种群，但也属于M 小家鼠的一种）以及M.m.驯养种群的核，在这个种群中，观察到了行为差异以及不同的实验性自身免疫性脑脊髓炎（roubertoux et al.,2003;Yu et al.,2009）。这种并发症有一部分是由于一个特定的mtDNA单体上单个突变造成的，这个特殊的mtDNA单体是被用于该项实验中（也被用于少数其他实验中）的New Zealand Black （NZB）（Moreno-Loshuertos et al.,2006,2013）。在体细胞克隆实验中发现：供体细胞和其受体卵母细胞的一个特定mtDNA基因差异甚至可能对进化有益。mtDNA-线粒体mRNA拷贝数率与各自的单倍型的差异也许能为mRNA水平的同型异源性的必要性提供支持的论证（Bowles et al.,2008)。
因此，当nDNA-mtDNA错配造成的轻微毒性在一些实验中被观察到时，似乎细胞有足够的应变能力来对付一定范围内的异型性和基因差异造成的错配。
第二个潜在的问题涉及mtDNA-mtDNA的相互作用（图3B）。如上所述，在胚胎中可以表达多达三种不同的mtDNA(少量的微小变化除外（He et al.,2010;Ye et al.,2014））。不同的人类mtDNA类型表现为氧化磷酸化（OXPHOS）程度上的差异，这可能是由于在进化过程中为了适应不同的气候或能量需求而引起的，而进化论仍然是至今被讨论的争议性话题（详见Wallace and Chalkia，2013）。如果不同的单倍型被混合在一起，即使是在细胞核转运后少量的混合，会发生什么？在老鼠身上，即使携带的任何一种单倍体都是100%健康的，同亚种的mtDNA单倍型混合后也会造成生理变化（例如高血压，体重改变，血液参数（Acton et al.,2007））和行为改变（Sharply et al.,2012）。在异质性程度小于5%时很可能不足以造成严重的临床表现，但仍然需要进一步研究来确定准确的有意义的错配阈值。
第三个现在问题涉及mtDNA隔离，它是指在一个细胞中，一种类型的mtDNA主导另一种类型。这种情况最简单的例子就是;如果突变的mtDNA比未突变的mtDNA有增殖优势，那么即使突变mtDNA最开始只是很小的一部分，最终也会占领整个细胞。正如下将会论述到的，即使在被人们所熟知的疾病中，能够支持mtDNA突变产生这种积极隔离作用的证据也是不充足的。然而，非病理性mtDNA的隔离也许对mtDNA治疗是更为切题的讨论点。如果受影响的女性的mtDNA单体在健康的受体卵母细胞中经历了增值优势（不考虑致病性突变），极小数量的一群供体的移行mtDNA便能够在细胞总体中占主导。（图3C)。
在这个过程中，供体mtDNA的扩增仅仅是由于等位基因的原因，并没有任何致病性突变造成的特殊的隔离。这样的机制可以导致致病性突变的扩增，即使那种突变并不影响隔离。特别指出，如果正在增值的供体mtDNA单体同致病性突变结合在一起，那么由于单倍体隔离造成的扩增会导致伴随的突变的扩增，则有可能会引起其子代及其后代达到致病水平，这个通过单倍体扩增“搭便车”的过程可
由图3C表示。
出于两个原因，我们聚焦于隔离造成的影响。首先，前面所述的移行mtDNA的现象可能会造成一种情况，这种情况远远没有被明确描述过，当几种不同种类的mtDNA同时在一个细胞里表达时，这种情况下隔离需要被考虑到（St John 与Schatten，2004）。其次，正如我们之后将会叙述的，尽管几乎从未被论述过，但有实验证据表明不同的mtDNA单体之间的隔离可能是一个显著的影响，而对另外两个问题的实验证据就更缺乏了。
致病性突变的隔离
由于在培养基中记录到的mtDNA突变和进行性的隔离可能造成巨大的生理并发症（Hayashi et al.,1991;Dunbar et al.,1995;Emmerson et al.,2010）有人也许会期望病理性突变能够造成嫉妒的隔离效应。尽管这个论点极具争议（Craven et al。，2010），却有在人体疾病相关的突变造成隔离的好例子存在。（Larsson et al.,1990;Poulton et al.,1995;Weber et al.,1997)。据我们所知，mtDNA突变的水平总是低于有丝分裂后的组织，如肌肉和脑（Ciafaloni et al.,1992;Larsson et al.,1992;Rahman et al.,2001）。一个可能的原因是由于在组织中有缺陷的细胞和健康的细胞的快速替换（Rahman et al.,2001）。
在包含野生型mtDNA和能导致致命性肾衰竭的4696-bp缺失的mtDNA混合物的老鼠体内（表示为DmtDNA）观察到随着时间增加DmtDNA倾向于在一些组织内积累（例如心脏、骨骼肌、肾、肝脏、睾丸和卵巢）（Sato et al.,2007）。然而这个模型不能清楚的概括在人类身上的发病，原因有三点：第一，肾衰竭在人类mtDNA疾病中并不常见，即使有，也极少的见于mtDNA缺失的报道里；第二，这样的重新排列是母系遗传而来，包含了mtDNA的副本以及缺失，二者都不常见于人类的mtDNA疾病；第三，在女性体内，mtDNA突变水平随着年龄下降，这样的趋势不能反映在人类身上的调查结果（Chinnery et al.,2004）。无论如何，这个模型的确概括了组织细胞有丝分裂之后mtDNA突变的积累，它似乎是人类mtDNA疾病的普遍情况。
在负载有少量有毒tRNA突变（m.3875delC)的鼠模型里，通过一种在成长的胚胎的细胞或细胞器水平发挥作用的机制，突变负荷被降低了，这与对下文即将详述的对种间牛卵质转移的观察结果相一致（Ferreira et al.,2010）。在老鼠模型中，这个影响取决于最初来自母体的异质性;比起母体，子代有着更高的异质性和更低的平均异质性。作者们认为这样的转换在妊娠期一定是在细胞或细胞器水平发生的。然而，由于无法找到>80%的mtDNA都已突变的卵母细胞，有可能这个影响对卵母细胞的发育起作用。
这些发现与在种系的纯化选择-一个清除高毒性突变的机制-中表现相一致，尤其是在那些蛋白质编码区域。在含有严重ND6突变mtDNA以及野生型mtDNA的异质性老鼠体内，纯化选择已经被直接观察到了。在这些老鼠中，经过四代以内的繁殖，突变被选择性的清除掉，而更温和的细胞色素氧化酶（COI）突变被保存下来。
最近，在负载有导致温度敏感性线粒体功能失常的COI突变的异质性果蝇身上，显示出纯化选择
的一个可能的机制是在细胞器水平对合适的线粒体的选择性增殖（Hill et al.,2014）。
因此这是在动物模型中，病理性mtDNA的隔离的一些证据，尤其涉及对明显有毒性作用的mtDNA 的选择。
基因性不同的mtDNA的隔离
为了阐明控制非致病性mtDNA单体之间隔离的机制，采用了卵质转移和分裂球融合的方法来创造出异质性动物模型，运用天然存在的没有特别致病性突变的单倍体。最有名的例子是包含了NZB mtDNA 以及普通实验室老鼠品种的mtDNA混合物的异质性老鼠品系。实验室老鼠品种mtDNA几乎没有变异（GOIOS et al.,2007），在NZB种系中只有极少数会表现为与普通的CISmtDNA显著的基因差异。
在NZB/CIS模型中，两种天然存在但基因性不同单体混合物（属于同亚种）会导致组织特异性隔离效应;NZB mtDNA的比例随着时间变化，在肝脏和肾脏中逐渐增加而在血液和脾脏中逐渐减少。即使两种mtDNA都被认定是没有致病性突变的，这样的mtDNA混合物仍会导致如上所述（Sharpley et al.,2012）的有害的生理（Acton et al.,2007）及行为后果。有趣的事，与母体相比较，他们的子代表现出显著的NZBmtDNA水平的下降。这种差异在母体卵母细胞中已经可见了，但在妊娠期仍然有可能发生漂移。这为种系中发生的直接隔离提供了论证，是前面提及的瓶颈效应的补充。
这种隔离效应的基本机制在很大程度上是未知的，在血液中，核基因被发现对隔离是有影响的，在两个mtDNA单体中91SNP被提倡并被广泛讨论，被认为对活性氧蔟tRNA生产链的影响负责（Moreno-Loshuertos et al.,2006）。也许解释为何异质性是有害的最具说服力的观点就是关于进化的那一点。变形蛋白质阅读框架以及不同单体型之间的细小差异的共同演化确保了多聚体媒化合物保持高的效率。
然而，当这些不同的单倍型出现异质性，小的变化会削弱化合物的效率。值得注意的是，NZB小鼠品系比别的单体型生出更多的ROS。即使这些ROS产物本身并没有生理性毒性，其差异也会造成毒性反应机制，使子代倾向于降低NZBmtDNA水平，这个机制有可能发生在细胞和（一部分）细胞器水平（wallace 和Chalkia，2013）。
卵质转移隔离在其他模式的机体内的研究是有限的，在牛体内，种间卵质转移揭示了胚泡发育期和妊娠期间间种族隔离的影响。b.p.indicus mtDNA随着时间呗移除。另外，观察到了在两个种间老鼠模型的效应（M.m.musculus/M.m.domesticus,TableI）。
然而，利用天然的mtDNA的NZB模型已经在异质性模型领域占主导地位有近20年。我们对于mtDNA 的大部分知识都是基于这个最突出也研究最透彻的异质性模型得出来的，但他的隔离效应是否是特例，以及其他mtDNA单体型组合是否会造成不同的结果，我们还不得而知。
最近，为了解决这个问题，我们生产了四个卵质传递的老鼠模型，将各种从欧洲的野生老鼠身上捕捉到的天然的mtDNA单体放到共同的实验鼠和核环境中（C57BL/6N）。我们是用的野生型单体展现了在C57BL/6N背景下的遗传学差异频谱，从而使我们能够控制遗传距离（从非常相似的单体，到从相当大数量的人类mtDNA里随机选择的不同的单体，如上所述）。我们还建立了一个数学框架来促进这
些老鼠的直接比较。我们发现（包括组织偏析在有丝分裂后组织类型里是非常普遍的）隔离的大小增加mt单体型之间的遗传距离，以及识别几个对比机制相关mtDNA转运量和这个种族隔离的发生（Burgstaller et al.,2014）。这项研究表明，天然单体型之间的隔离可能是常规的，而不是特例，特别是基因多样化mtDNA的配对。
在核转运后，异质性仍然存在并被研究着，但大多数研究都着重调查转运过程本身的影响而不是
关注mtDNA异质性，无论如何，这些研究涉及了一些物种（牛、羊、猪、鼠），也涉及了种内与种间的异质性（详见St John et al.,2010）,并提供了大量数据证明了在一些物种的活体中两种mtDNA是共同存在的。有一些研究指出，由于隔离偏倚会造成供体mtDNA数量异常。特别的，一个对克隆猪和他们后代系统的研究分析，证明了在梅山和长白山，野猪的两个亚种，两个遥远的基因的mtDNA的强大的种族隔离效应。在这些动物里，梅山品种mtDNA含量相对于血液，脾耳朵来说，在肝脏中显著增加（（Takeda et al.,2006）表1）。另一个老鼠的种间研究（M.m.molossinus/M.m.domedticus)，同样发现在肝脏中mtDNA相对于大脑增加更多。
值得注意的是，在许多通过长时间或长达几代的观察的动物实验中，不同的mtDNA种类之间的隔离常常被观察到，有趣的事，在所有出生后的动物中，肝脏是隔离效应浓度最高的组织。我们只能推测为何会这样，但要知道肝组织有个很高的能量需求，并有高水平的mtDNA流量，与骨骼肌的700天相比，肝脏mtDNA半衰期只有2到7天。肝内快速的mtDNA流量和可能对能量生产的选择性压迫为在组织中观察到的隔离提供了基础。
启示
我们回顾了治疗DNA的遗传疾病所运用的古典与现代的方法。如原核转移和主轴转移这样的现代方法有改善mtDNA疾病的潜力，并且不存在经典方法中的遗传特性缺陷。然而，我们应注意到,一些不确定因素正与运用这些技术所培育的胚胎的治疗后行为密切相关。这些因素包括mtDNA-mtDNA和mtDNA-nDNA的错误匹配，这可能是造成高度异质性的重要因素，但是为了保证＜1 -2%捐赠结转，现代治疗方法能力受到抑制。病理性mtDNA的分离是有潜在危害的。目前的证据表明,分离是核转移的一个关键因素,但是以非常低的等级和或方式去消除病理变异的,因此可能不是mtDNA疗法的关键问题(克雷文et al .,2010)。
虽然需要进一步的工作去完满地解释这些现象,但有证据表明,他们并不对基因治疗的应用直接构成问题。
而对于剩下的现象,非病理性单倍体mtDNA的分离,可能是与现代mtDNA疗法尚未解决的重要问题有关,这是因为病理性突变造成的潜在伴随性放大与基因疗法后出生的后代的一个单体型基因有关,并且存在于随后的几代人中。
临床上关键考虑是否存在分离,和随后潜在的病理变异放大,这些可能常发生在mtDNA疾病个体组织的有丝分裂期后(Reeve et al .,2008)。在器官中，细胞不断更新(例如,皮肤和肠道),有受损OXPHOS 系统的细胞可能被有功能的细胞取代(Rahman et al .,2001)。特别是有mtDNA疾病风险的器官，比如有丝分裂后的心脏组织、骨骼肌和大脑，以及肝脏和肾脏显示高(肝)(Michalopoulos DeFrances,1997)和相当有限(肾脏)(小,2006)再生潜力。我们最近的研究使用野生小鼠的mtDNA已经证实心脏和骨骼肌的单体型基因会发生分离现象 (Burgstaller et al .,2014)。肝脏和肾脏都是存在mtDNA分离趋势的组织，这个结论来源于上述Shoubridge团队著名的异质小鼠模型 (Jenuth et al .,1997)。
考虑动物模型的启示时，一个重要的问题是：在动物上所观察到的现象是否也会发生在人类机体
中？在人类发展过程中，不断探究着mtDNA动力学，实际上已经被已知因素所限,而且鼠NZB模型仍然是迄今为止探究mtDNA单体基因分离领域中最成功的研究模型。然而,两种mtDNA单体基因之间的共存的报告和mtDNA分离效果的报告,跨越了几个物种,这表明这些影响也可能发生在所有的哺乳动物身上。
不管怎样，这一假设仍需要进一步的研究来证实,而且重要的是,还要去阐明这些影响所基于的机制。
那么基于当前可用的证据,我们有理由确信不同的天然出现的mtDNA单体基因可能对细胞内mtDNA 的治疗后行为产生潜在的影响，这个现象存在于通过现代基因疗法产生的后代的人群中。让我们回顾一下,这些治疗包括找到一个卵母细胞作为“受体”，它的作用是为受精后的核DNA提供健康的线粒体背景。然而,实验的局限意味着一些原始的母代“供体”mtDNA将不可避免地存在于用这种方法制造的胚胎中。如果捐赠者mtDNA与病理突变相关,即使这种突变并不影响mtDNA扩散,也会搭了增殖mtDNA 的“便车”，这可能造成其放大了后代的潜在病理水平。我们注意到：就其本身而言,这个最坏可能下的单体型基因的分离不会对后代造成超出mtDNA的疾病遗传预期的额外伤害；相反,它有可能使基因治疗的有益影响无效化，这是通过重建捐献者卵母细胞中的原始mtDNA混合物造成的,这可能存在于通过某个特异性组织中。通过分离造成某种mtDNA类型的放大也可能存在，上述mtDNA-mtDNA不匹配对这一现象造成影响，而这很有可能对其产生抑制，出现低异质性。
值得注意的是,所有的潜在mtDNA分离问题(实际上,三个我们注意到的潜在问题都是)与mtDNA现代疗法有关，这可以通过使用一个简单的“单体型基因配对”方法进行改善:即确保供体和受体mtDNA 单体尽可能地相似。这种方法将使nDNA-mtDNA错误配对最小化(由于供体细胞核和捐赠者mtDNA密切相关,其与受体mtDNA非常类似);mtDNA-mtDNA不匹配(由于遗传相似性);以及mtDNA分离(由于两个非常相似的单体基因很少出现分离)。理想的受体应与供体单体型基因相同 (除去病理变异),例如,来自于某个健康的母系亲属。另一方面(或者说另外),对于不同mtDNA单体型对的分离现象进行进一步的研究，可以用来对一个特定的供体选择合适的受体,为了降低分离影响。
微细胞转移领域的专家指出,“通过母代和线粒体供体之间进行线粒体单体型基因配对来避免任何问题是可能的,即使有证据说应该不需要(Chinnery et al .,2014)。我们认为，重视mtDNA分离问题,将解决所有潜在的问题，所以值得采取适当的预防措施。此外,在精确的单体型匹配的情况下,子代mtDNA会与母代的mtDNA出现完整基因识别,可能会在一定程度上缓解“三亲婴儿”的伦理问题;也就是说,后代的遗传物质来自于母亲,父亲和第三方。
而不确定性存在于细胞内混合mtDNA人群相关的行为，另外mtDNA混合物在开发期间的动物模型表明,分离仍需要进一步研究，以及对于治疗环境的进一步思考，需要坚决指出的是,这些最近的mtDNA 置换方法承诺消除mtDNA疾病的传播,以此大幅改善携带mtDNA疾病家庭的生活质量。似乎这些疗法的潜在优势,一般来说,大大超过他们的已知风险。因此必须平衡的经典基因疗法的确定性与未知风险的不确定性这两方面。因而，首次治疗试验的患者应来自存在严重的表型的高复发风险的少数同质性的
家庭，反正至少还能为其提供经典基因治疗。实行临床试验是现代mtDNA疗法中评估未知风险和为家庭带来来希望的唯一的方法。
线粒体及其相关疾病的遗传学研究进展（作者:___________单位: ___________邮编: ___________） 作者：齐科研相蕾陈静宋玉国霍正浩杨泽 【关键词】线粒体DNA 基因突变疾病 线粒体广泛分布于各种真核细胞中，其主要功能是通过呼吸链(电子传递链和氧化磷酸化系统)为细胞活动提供能量，并参与一些重要的代谢通路，维持细胞的钙、铁离子平衡，以及参与其他生命活动的信号传导。 此外，线粒体还与活性氧(reactiveoxygen species，ROS)的产生及细胞凋亡有关［1-3］。组成线粒体的蛋白质有1000多种，除呼吸链复合体蛋白受mtDNA与核基因双重编码，其他蛋白均由核基因编码。mtDNA突变或核基因突变都能引起线粒体功能紊乱［1，4］。早在1963年，Nass等人就发现有遗传物质DNA的存在。1981年，Anderson等发表了人类mtDNA全序列。1988年，Holt和Wallace分别在线粒体脑病和Leber’s遗传性视神经病(LHON)患者的细胞中发现了mtDNA突变，从此开辟了研究mtDNA突变与人类疾病的新领域。随着对mtDNA研究的深入，人们对mtDNA的突变和人类疾病的相关性
日益重视。芬兰的数据显示人群单个点突变(3243A＞G)的比率为1∶6000，然而，英国资料表明mtDNA疾病的患病率或易患比率为1∶3500［5］。动物模型和人类研究证据均证明，mtDNA突变是引起人类多因素疾病，部分遗传性疾病以及衰老的重要原因之一。本文将从以下几个方面对mtDNA突变和相关疾病进行阐述。 1 线粒体DNA的遗传学特征 线粒体DNA是存在于线粒体内而独立于细胞核染色体的较小基因组。与核基因相比，线粒体DNA具有一些显著特征。 1.1 母系遗传 Giles等［6］通过对几个欧洲家系线粒体DNA进行了单核苷酸多态性分析时，发现mtDNA 分子严格按照母系遗传方式进行传递。母系遗传是指只由母亲将其mtDNA分子传递给下一代，然后再通过女儿传给后代。有研究表明［7］，在受精过程中，精子线粒体会被卵子中泛素水解酶特异性识别而降解，这很好地解释为什么父源性mtDNA不能传播给后代。 1.2 异质性和突变负荷 核基因突变所产生的突变体分为纯合子(homozygote，等位基因都发生突变，含量为100％)和杂合子(heterozygote，等位基因中的一个发生突变，突变含量为50%)与核基因不同，线粒体基因突
第六章线粒体遗传病 （一）选择题(A型选择题) 1．下面关于线粒体的正确描述是______。 A.含有遗传信息和转译系统 B.线粒体基因突变与人类疾病基本无关 C.是一种完全独立自主的细胞器 D.只有极少量DNA，作用很少 E.线粒体中所需蛋白质均来自细胞质 2. 关于线粒体遗传的叙述，不正确的是______。 A．线粒体遗传同样是由DNA控制的遗传 B．线粒体遗传的子代性状受母亲影响 C．线粒体遗传是细胞质遗传 D．线粒体遗传同样遵循基因的分离规律 E．线粒体遗传的表现度与突变型mtDNA的数量有关。 3．以下符合mtDNA结构特点的是______。 A.全长61569bp B.与组蛋白结合 C.呈闭环双链状 D.重链（H链）富含胞嘌呤 E.轻链（L链）富含鸟嘧啶 4.人类mtDNA的结构特点是______。 A. 全长16.6kb，不与组蛋白结合，为裸露闭环单链 B. 全长61.6kb，不与组蛋白结合，分为重链和轻链 C. 全长16.6kb，与组蛋白结合，为闭环双链 D. 全长61.6kb，不与组蛋白结合，为裸露闭环单链 E. 全长16.6kb，不与组蛋白结合，为裸露闭环双链 5．下面关于mtDNA的描述中，不正确的是______。 A．mtDNA的表达与核DNA无关 B．mtDNA是双链环状DNA C．mtDNA转录方式类似于原核细胞 D．mtDNA有重链和轻链之分 E．mtDNA的两条链都有编码功能
6．线粒体遗传属于______。 A.多基因遗传 B.显性遗传 C.隐性遗传 D.非孟德尔遗传 E.体细胞遗传 7. 线粒体中的tRNA兼用性较强，tRNA数量为______。 A.48个 B.32个 C.64个 D.61个 E.22个8．mtDNA编码线粒体中______。 A. 全部呼吸链-氧化磷酸化系统的蛋白质 B. 约10%的蛋白质 C. 大部分蛋白质 D. 线粒体基质中的全部蛋白质 E. 线粒体膜上的全部蛋白质 9. 目前已发现与mtDNA有关的人类疾病种类约为______。 A. 100余种 B. 10多种 C. 60多种 D. 几十种 E. 种类很多10．UGA在细胞核中为终止密码，而在线粒体编码的氨基酸是______。 A．色氨酸 B．赖氨酸 C．天冬酰胺 D．苏氨酸 E．异亮氨酸11．每个线粒体内含有mtDNA分子的拷贝数为______。 A．10～100个 B．10～20个 C．2～10个 D．15～30个 E．105 12．mtDNA中编码mRNA基因的数目为______。 A．37个 B．22个 C．17个 D．13个 E．2个 13．关于mtDNA的编码区，描述正确的是______。 A.包括终止密码子序列 B.不同种系间的核苷酸无同源性 C.包括13个基因 D.各基因之间部分区域重叠 E.包括启动子和内含子 14．关于mtDNA的D环区，描述正确的是______。 A.是线粒体基因组中进化速度最慢的DNA序列 B.具有高度同源性 C.包含线粒体基因组中全部的调控序列 D.突变率较编码区低 E.是子代H链在复制过程中与亲代H链发生置换的部位 15．mtDNA中含有的基因为______。 A. 22个rRNA基因，2个tRNA基因，13个mRNA基因
第一节 线粒体DNA的结构和功能特征 一、mtDNA的结构特征 mtDNA是惟一存在于人类细胞质中的DNA分子，独立于细胞核染色体外的基因组，具有自我复制、转录和编码功能。人mtDNA由16 569bp组成，双链闭合环状，其中外环DNA单链由于含G较多，C较少，使整个外环DNA分子量较大，称为重链（heavy chain）或H链；而内环DNA单链则C含量高，G含量低，故分子量小，称为轻链（light chain）或L链。mtDNA的两条链都有编码功能，除与复制及转录有关的一小段D环区（displacement loop）无编码基因外，基因间无内含子序列；部分基因有重叠现象，即前一个基因的最后一段碱基与下一个基因的第一段碱基相重叠(图6-1)。因此，mtDNA的任何突变都会累及到基因组中的一个重要功能区域。mtDNA含有37个基因，其中两个rRNA基因 （16SrRNA,12SrRNA），22个tRNA基因，13个蛋白质基因（包括1个细胞色素b基因，2个ATP酶亚单位的基因。 图6-1 人线粒体基因图谱 Figure 6-1 Map of the human mitochondrial genome Box 6.1 The limited autonomy of the mitochondrial genome Encoded by Encoded by Mitochondrial nuclear
genome genome Components of oxidative phosphorylation system Ⅰ NADH dehydrogenase Ⅱ Succinate CoQ reductase Ⅲ Cytochrome b-c1 complex Ⅳ Cytochrome c oxidase complex Ⅴ ATP synthase complex Components of protein synthesis apparatus tRNA components rRNA components Ribosomal proteins Other mitochondrial proteins 13 subunits 7 subunits 0 subunits 1 subunits 3 subunits 2 subunits 24 22 tRNAs 2 rRNAs None None >80 subunits >41 subunits 4subunits 10 subunits 10 subunits 14 subunits ~80 None None ~80 All, e.g. mitochondrial enzymes and proteins 和7个呼吸链脱氢酶亚单位的基因）。位于D环区的HSP（heavy strand promoter）和LSP(light strand promoter)是线粒体基因组转录的两个主要启动子（图6-1）。 mtDNA是裸露的，不与组蛋白结合，存在于线粒体基质内或黏附于线粒体内膜。在一个线粒体内往往有一至数个mtDNA（图6－2）。mtDNA的自我复制也是以半保留复制方式进行。复制先从重链开始，形成一个约680个碱基的7sDNA，称D环。在对鼠细胞研究中发现，大多数的mtDNA均为D环的结构，只有一小部分mtDNA从D环开始合成完整的新生链。轻链的复制要晚于重链，等重链合成过OL之后才开始合成。研究发现mtDNA 的复制可以越过静止期或间期，甚至可以分布在细胞整个周期。mtDNA 的自我转录很似原核生物，即产生一个多顺反子，其中包括多个mRNA和散布于其中的tRNA，剪切位置往往发生在tRNA处，从而使不同的mRNA和tRNA被分离和释放。
基因与人类健康 系别：生物科学系专业：生物技术姓名：王晓思学号：20111341031028 【摘要】：介绍了基因与疾病的关系（主要是肿瘤与其基因的关系）、基因治疗与基因免疫的原理及其应用等。阐述基因在疾病产生中的作用，反衬出正常基因的表达其对健康的重要性。 【关键字】：基因疾病 基因是生命体遗传信息的载体，能够表达产生蛋白质，且蛋白质是构成生命体的物质基础。生物之所以能幸存、维持机体各部分结构功能的正常，首先在于它的DNA能被忠实的复制(复制后的DNA携带遗传信息进入新的细胞或机体)，并且尽可能的保护机体免受各种因素的损伤，维护DNA编码蛋白质的准确性。但这些过程一旦出现问题就会导致一系列的或轻或重的疾病的发生，从而影响人类的健康。因此基因对医学各生命科学的发展极具现实意义[1]。 1、基因与疾病的关系 在人类的疾病中，由遗传因素或主要由遗传因素决定的疾病，称谓遗传病。其中的一部分是由基因组某个基因座（Locus）上存在致病基因而引起的，此类遗传病称为单基因遗传病；如：地中海贫血、血友病、白化病等。另一些疾病则是由多个基因座位存在有缺陷基因，这些缺陷基因相互协同作用所致。在许多情况下，这些缺陷基因还需要一定的环境因素参与，才能致个体发病，这一类疾病称谓多基因遗传病，如：高血压、糖尿病、冠心病、肿瘤等等。 基因疾病的发生往往由于基因缺失、突变、错位或外来基因（或DNA片段）插入所引起，导致疾病症状发生的直接原因往往是基因控制的产物发生改变所致[2]。基因产物（蛋白质、酶）的一级结构，二级结物、三级结构或四级结构的改变都可引起疾病[3]。 1.1 基因与肿瘤 癌（Cancer）是一群不受生长调控而增殖的细胞，也称恶性肿瘤。目前已经发现了上百个原癌基因和许多抑癌基因，证明细胞癌变的分子基础是基因突变，DNA的变化和不正常活动导致了细胞癌变。癌基因可分为两大类：一类是病毒癌基因（主要有DNA病毒和RNA病毒），其使靶细胞发生恶性转化。另一类是细胞转化基因（原癌基因），其广泛存在与生物界，具有高保守性，属于管家基因，正常表达时对细胞的生长和分化有调控作用。 ①RNA病毒至少含有gag(组成病毒中心和结构的蛋白质的基因)、pol（逆转录酶的基因）、env（病毒外壳的基因）三种基因，其反转录出的线性双链DNA与宿主的DNA整合，其线性双链表达的产物会激活宿主特定的基因表达，破坏宿主细胞本身固有的平衡，导致细胞发生癌变。 ②原癌基因的突变使其转录活性改变造成细胞癌变。 ③基因互作与癌基因表达主要有染色体构象影响原癌基因表达与抑癌基因产物对原癌基因的调控。 2、基因治疗 基因治疗是通过分子生物学遗传工程手段，将正常基因包括它表达所需要的顺序导入有缺陷基因的患者细胞内，使导入基因发挥作用，从而纠正基因缺陷所致的各种疾病临床症状。纠正致病基因，才能根本上消除病患。目前肝癌基因治疗的方法有： ①反义基因治疗[4]根据肝癌发病原因，导入反义寡核苷酸封闭肝癌基因的表达或用正常
兰州交通大学化学与生物工程学院 综合能力训练I 文献综述 题目：线粒体疾病的最新研究进展 作者：朱刚刚
学号：201207730 指导教师：谢放 完成日期：2014-7-16 线粒体疾病的最新研究进展 摘要：本文为了对线粒体疾病研究的最新进展进行论述，分别从线粒体功能障碍、线粒体疾病、以及相关线粒体疾病的治疗与干预策略三个方面进行了综述。重点从线粒体的功能障碍进行了介绍。 关键词：线粒体、线粒体tDNA、线粒体疾病。 引言：线粒体疾病主要是指由于线粒体DNA突变所导致的一类疾病。 有许多人类疾病的发生与线粒体功能缺陷相关，如线粒体肌病和脑肌病、线粒体眼病，老年性痴呆、帕金森病、O型糖尿病、心肌病及衰老等，有人统称为线粒体疾病。线粒体疾病的发生被认为与氧化磷酸化过程相关基因的突变有关。 一、线粒体功能障碍 1线粒体结构、基因组特征及主要功能 1.1 线粒体结构及基因组特征电镜下的线粒体是由两层单位膜套叠而 成的封闭囊状结构，从外向内依次分为外膜、膜间隙、内膜、基质。不同于经典的“隔舱板”理论，最新提出的三维重构模型认为：(1)外膜与内质网或细胞骨架连接形成网络；⑵内外膜间随机分布横跨两端，宽20nm的接触点；(3)内膜通过界面与嵴膜接口部分相连，并不直接向内延伸形成嵴膜；(4)嵴膜非“隔舱板”式而是管状或扁平状，相互间可连接或融合，呈现不同的形式。执行线粒体功能的生物大分子分布在不同的空间：外膜上有Bcl-2家族蛋白、膜孔蛋白以及离子 通道蛋白；内膜中有电子传递链(呼吸链)复合物l~IV和复合物V(ATP合成酶); 膜间隙和嵴膜腔分布着细胞色素C、凋亡诱导因子(apoptosis in-dueing factor，AIF)和Procaspase 2、3、9及其他酶蛋白；电压依赖性阴离子通道(VDAC)、ADP/ATP 转换蛋白(ANT)和线粒体膜转运孔
基因与疾病 姓名：SJ 摘要：人类的很多疾病都是由于人体的基因发生的错误而引起的，对“错误”的基因进行诊断，并加以校正或置换，可以从根本上达到治疗疾病的目的。本文主要介绍了基因与疾病的关系，疾病基因的诊断及其治疗的对策。 关键词：基因疾病基因诊断治疗 1 基因概述 1.1 基因的认识 弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森对DNA分子为双股螺旋结构的阐明，将人类生命科学的研究带入了一个新时代——基因时代，为基因医学和基因组的研究奠定了基础，推动了生物医学进一步发展，对健康衰老和疾病的认识也引入到分子水平。基因是遗传信息的物质载体。蕴含支配生命活动的指令和构成生物体的信息。所有生物体的生命活动，都直接或间接的受到基因的控制。人类的许多疾病都与基因有关。基因的分离，表达和克隆是目前功能性基因研究的热点。对人类基因的认识、定位和测序分析被认为“大科学”，近年来国际上提出的“生物学中的星球大战”就是要利用体细胞遗传学方法和电子计算机技术，认清人类染色体的30亿(bp)DNA的信息顺序，从而把握“生命的蓝图”，基因对医学各生命科学的发展极具现实意义[1]。 1.2 基因与蛋白质的合成 基因决定着蛋白质的合成，而蛋白质决定代谢作用，代谢作用则决定各种生物性状。DNA链是由许多单核苷酸(A腺嘌呤、C胞嘧啶、T胸腺嘧啶、G鸟嘌呤)按一定顺序连接排列而成的一条长链。在翻译蛋白质时，每三个核苷酸决定蛋白质的一个氨基酸。因此从已知的DNA的核苷酸的排列顺序或蛋白质多肽链氨基酸的顺序，都可以推断出对方的组成。 1.3 基因的研究方法 HGP(人类基因组计划)的近期目标主要是测定人类基因组全序列。而人类基因组DNA由四种核苷酸按一定的顺序排列而成，DNA所含核苷酸的总数为30亿对，如此庞杂的序列顺序如何能一个一个地测定排列出来，确是一项浩大的工程。然而科学家想出了一整套办法，建立了许多测定的方法和手段。先按不同尺度把人类基因组分成若干大的区域，每个大的区域再分成小区域，小区域再切成若干片段，然后把每个小片段的序列测定后排接成小区域，由小区域序列排接成大区域，再把大区域序列排接成全序列。简单地说就是将长长的DNA分成许多许多片段，再一个片段一个片段的测定，结果出来后再将这些片段的DNA序列依次连接起来，这样就得出了整个DNA的全序列[2]。 2 基因与疾病的关系 在人类的疾病中，由遗传因素或主要由遗传因素决定的疾病，称谓遗传病。根据临床统计，25%的生理缺陷、30%的儿童疾病和60%的成年人疾病都是由遗传病引起的。而人类遗传病据报道有5000种，大部分是单基因缺陷造成的。机体是一个复杂的动态性的平衡系统，每一个基因对机体的正常功能的影响都是复杂
第十三章线粒体疾病 广义的线粒体病（mitochondrial disease）指以线粒体功能异常为主要病因的一大类疾病。除线粒体基因组缺陷直接导致的疾病外，编码线粒体蛋白的核DNA突变也可引起线粒体病，但这类疾病表现为孟德尔遗传方式。目前发现还有一类线粒体疾病，可能涉及到mtDNA 与nDNA的共同改变，认为是基因组间交流的通讯缺陷。通常所指的线粒体疾病为狭义的概念，即线粒体DNA突变所致的线粒体功能异常。 第一节疾病过程中的线粒体变化 线粒体对外界环境因素的变化很敏感，一些环境因素的影响可直接造成线粒体功能的异常。例如在有害物质渗入（中毒）、病毒入侵（感染）等情况下，线粒体亦可发生肿胀甚至破裂，肿胀后的体积有的比正常体积大3～4倍。如人体原发性肝癌细胞癌变过程中，线粒体嵴的数目逐渐下降而最终成为液泡状线粒体；缺血性损伤时的线粒体也会出现结构变异如凝集、肿胀等；坏血病患者的病变组织中有时也可见2到3个线粒体融合成一个大的线粒体的现象，称为线粒体球；一些细胞病变时，可看到线粒体中累积大量的脂肪或蛋白质，有时可见线粒体基质颗粒大量增加，这些物质的充塞往往影响线粒体功能甚至导致细胞死亡；如线粒体在微波照射下会发生亚微结构的变化，从而导致功能上的改变；氰化物、CO等物质可阻断呼吸链上的电子传递，造成生物氧化中断、细胞死亡；随着年龄的增长，线粒体的氧化磷酸化能力下降等等。在这些情况下，线粒体常作为细胞病变或损伤时最敏感的指标之一，成为分子细胞病理学检查的重要依据。
第二节线粒体疾病的分类 根据不同的角度，线粒体疾病可以有不同的分类。从临床角度，线粒体疾病主要涉及心、脑等组织器官或系统；从病因和病理机制角度，线粒体疾病有生化分类和遗传分类之别。 一、生化分类 根据线粒体所涉及的代谢功能，线粒体疾病可分为以下5种类型：底物转运缺陷、底物利用缺陷、Krebs循环缺陷、电子传导缺陷和氧化磷酸化偶联缺陷（表13-1）。 表13-1 线粒体疾病的生化分类 二、遗传分类 根据缺陷的遗传原因，线粒体疾病分为核DNA（nDNA）缺陷、mtDNA缺陷以及nDNA和mtDNA联合缺陷3种类型（表13-2）。 表13-2 线粒体疾病的遗传分类
线粒体DNA疾病和生殖技术发展的意义 张文敬2015602591 杨永妍2015602337 丁艺洁2015602756 杨陈祎2015602340 引言线粒体DNA疾病 线粒体是真核细胞内重要的产能细胞器。线粒体疾病是一种病理状态，在这种状态下，线粒体的产能能力受损，并且不能完成其正常功能。这类疾病是相对比较常见的，但是却很少有这样的诊断，因为大多数患者仅表现出非常轻微的症状（曼瓦林等，2007）。和线粒体疾病相关的症状严重性的不同范围使得其被报道的流行率变异性很大：例如，有一种线粒体的病理学改变（下文所讨论的线粒体基因3243A→G的突变）的流行率是1到300之间（曼瓦林等，2007），也有一种观点认为是1到14000之间（钦纳里等，2000）。 线粒体内自身存在DNA（后文称mtDNA），是人体内唯一存在于细胞核外的DNA。线粒体DNA比较特殊的是它有自己的基因序列和核糖体亚型。它编码产生呼吸链中所需要的少数亚单位，而呼吸链是由多个多聚体蛋白依次排列于线粒体膜上形成的一个产能链，此外它还编码产生转运体RNA和核糖体RNA。呼吸链中大部分的必需蛋白质是由细胞核所编码产生的，很多蛋白质同样也需要线粒体DNA来维持和复制。因此无论是线粒体DNA还是细胞核内DNA，其突变就有可能导致线粒体功能的病理性缺失，导致线粒体疾病（泰勒和特恩布尔，2005；格里弗斯等，2012）在这篇综述中，我们将重点讨论由线粒体DNA突变所引起的疾病。线粒体DNA是母系遗传的，原因很明显，在形成受精卵时，精子不携带细胞质成分，来自父亲的线粒体在卵子受精后即泛素化（Sutovsky等，1999,2000）并被靶向破坏（康明斯等，1998；史特拉等，2000；艾拉维等2011；Sato and Sato,2011;德卢卡和奥法雷尔，2012），仅在异常的胚胎中或种间交配的情况下尚存在（乔伦思丹等，1991；圣约翰等，2000）。线粒体DNA 甚至有可能在受精之前就已经被消除了（卢奥等，2013)。 线粒体DNA突变引起的疾病在发病、严重程度和遗传性方面有其独特的特点，很大一方面原因就是在典型的有核细胞中，其线粒体DNA有数以千计的复制体，（Lightowlers等，1997；华莱士，1999）。从遗传学上来讲，多数正常细胞内的线粒体DNA实际上是相同的（这在医学上称为“同型异源性”）。在线粒体DNA疾病中可能存在大量不同的、突变的DNA分子，从而产生了“异质性”（在同一个线粒体中同时存在多种类型的线粒体DNA）。 线粒体DNA是母系遗传的，使得其成为只在母系中遗传为特点的疾病。线粒体DNA单倍体能够调节由细胞核编码的基因突变造成的病理影响（施特奥斯等，2013），这种线粒体DNA的变异性也依据其背景及环境产生利弊不同的影响（治等，2012）。很多线粒体疾病具有异质性，即变异的和原株线粒体DNA共存于受损细胞内。大多数实例中观察到突变量的影响（杰普森等，2006）：线粒体DNA突变体的比例，复制量及其分布影响组织的功能（Petruzzella等，1994）。在最常见的疾病当中，当线粒体DNA突变达70%，线粒体DNA疾病开始出现临床症状（杰普森等，2006）。这种取决于突变量
非酒精性脂肪性肝炎的线粒体功能障碍 Mitochondrial dysfunction in nonalcoholic steatohepatitis 非酒精性脂肪性肝炎（NASH）的发病机理目前还不明确，其机制也有待阐明。线粒体功能障碍在不同程度上参与NASH的发病，因为它损伤脂肪肝的内环境稳定，并且诱导自由基的过多产生，进而触发脂质过氧化反应和细胞死亡。在本文中，我们讨论了线粒体在脂肪代谢、能量平衡、活性氧产生中的作用，集中研究线粒体损伤和解偶联蛋白在NASH形成的病理生理学过程中的作用。并且讨论了一些定向线粒体的分子的潜在作用。 关键词：ATP平衡；脂肪酸氧化作用；人嗜中性细胞弹性蛋白酶（HNE）；线粒体；NASH；活性氧；解偶联 肝脏线粒体：结构和功能肝细胞在糖类、脂质和蛋白质代谢过程中起关键作用。来源于脂类和糖类代谢的酶解物通过线粒体的作用产生ATP（1）。每一个肝细胞包含大约800个线粒体（占整个细胞容积的18%），这些线粒体在脂肪酸的氧化和氧化磷酸化过程中其关键作用（2）。线粒体有两层膜—内膜和外膜—这两层膜围成一个密集的细胞基质（3）。线粒体膜由一个磷脂双层和蛋白质组成。线粒体外膜包含许多名为孔道蛋白的膜内在蛋白质。这种蛋白质含有一种通道可以渗透小于5000Da的分子，而大分子主要通过线粒体膜转运蛋白来转运（4）。另一方面，线粒体内膜是不可渗透的，因为他们不包含孔道蛋白，但是含有可以调整代谢产物进出细胞基质通道的特殊运输蛋白。此外，蛋白质负责呼吸链的氧化反应并且ATP合酶也位于线粒体膜的内部（5）。
当前线粒体内膜的模型表明它是连续的并且形成被称作嵴的内转，它的数量和形态反映线粒体对细胞的能量需要的反应(3)。线粒体基质是一种含水层包含一种高密度蛋白，包括丙酮酸和脂肪酸氧化作用以及柠檬酸循环所需的酶类。已经经过鉴定的大约700多种线粒体蛋白质中，有200多种只存在肝脏线粒体中（7）。大多数线粒体蛋白质由核DNA编码，但是还有一些由线粒体DNA（mtDNA）编码。mtDNA是一种位于线粒体基质的圆形的、双链的分子。由于它靠近内膜，缺乏保护性组蛋白以及不完善的DNA修复机制使它对氧化损伤极端敏感（8）。 脂肪酸氧化作用 肝脏游离脂肪酸（FFAs）可能有不同的来源： 脂肪组织 乳糜微粒水解 重新合成 假如能量需要很低，肝脏的游离脂肪酸就被酯化为甘油三酯储存在细胞液中或者分泌到血浆中作为极低密度脂蛋白。另一方面，在能量不足的情况下，游离脂肪酸被用于以下方面： 通过线粒体和过氧化物酶参与 β氧化； 通过内质网参与 ω氧化。 线粒体催化大量短、中和长链游离脂肪酸的β氧化，这一途径构成了脂肪酸氧化供能的主要过程。过氧化物酶优先参与缩短长链脂肪酸的β氧化（9）。但是过氧化物酶途径在数量上是很少的（10）。
1、前言（Introduction） 英国《自然》杂志网络版2006年5月18日报道，科学家已对含有2.23亿个碱基对，占人类基因组中碱基对总量的8%左右的人类第一号染色体完成测序，宣告持续16年的人类基因组计划全部完成。作为人类自然科学史上重要的里程碑，“人类基因组”的研究已从“结构基因组”阶段进入“功能基因组”阶段。在人类基因组计划后相继推出的水稻基因组计划、马铃薯基因组计划、草鱼基因组计划等，和快速增长的微生物基因测序，“海量”的基因信息的积累，催生了“功能基因组”时代的来临。针对充分利用“海量”基因组信息的生物信息学不仅应运而生，而且为以注释、阐明基因功和利用基因生物学功能的“后基因组时代”的研究发挥了重大作用。 生物信息学是把基因组DNA序列信息分析作为源头,在获得了蛋白质编码区的信息后,进行蛋白质空间结构的预测和模拟,然后依据特定蛋白质的功能进行必要的药物设计。就是说,生物信息学的主要任务是组织和分析生物学数据,而生物学数据的分析离不开计算机算法的运用。因此,可以说生物信息学是一门集生命科学、计算机科学、数学、物理学为一身的多学科交叉的前沿学科。 动物mtDNA属母系遗传，是共价闭合的双链DNA分子，核酸序列和组成比较保守，基因的排列顺序比较稳定而且紧密，无重组和单拷贝。由于其结构和进化上的特点，mtDNA已成为研究动物起源进化以及群体遗传分化的理想对象。昆虫mtDNA大小约为15．4~16．3kb，其基因组大小的变化受A+T-rich区长度变化的影响十分显著。A+T-rich 区(A+T丰富区)的长度最短为399 bp，最长达4601 bp，两者相差4202bp，前者见于Tricholepidion gertschi，后者见于黑尾果蝇Drosophila melanogaster。昆虫线粒体基因组由2个rRNA基因(1rRNA和srRNA)、22个tRNA基因、13个蛋白编码基因[Cytb基因(细胞色素b基因，cytochrome oxidase b)，ATPase6和ATPase8(ATP酶亚基基因6和8，ATP synthase subunits 6 and 8)，COⅠ、COⅡ和COⅢ(细胞色素氧化酶亚基基因Ⅰ-Ⅲ，cytochrome oxidasesubunit Ⅰ-Ⅲ)，NDl-6和ND4L(NADH降解酶基因1~6和4L，NADH dehydrogenase subunit 1-6 and 4L)]，共37个基因和1个包含复制启动子的非编码区(A+T-rich区)组成。Aloni 和Attardi将mtDNA两条链中密度较小者命名为轻链(L链)，另一条命名为重链(H链)。考虑到昆虫mtDNA没有明显的L链与H链之分，Simon等根据昆虫mtDNA中多数基因都是从一条链上转录的特点，将这一条链定义为J链，另一条链定义为N链[1-3]。 自Wolstenholme和Clary第一个报道了果蝇Drosophila yakuba mtDNA全序列以来，GenBank已收录了80余种昆虫mtDNA全序列，其中双翅目昆虫有15个种。在双翅目实蝇科昆虫中，地中海实蝇Ceratis capitata和油橄榄果实蝇Bactrocera oleae的线粒体基因组全序列已有报道[4]。 梨小食心虫，学名Grapholitha molesta (Busck)，简称“梨小”，别名有梨小蛀果蛾、东方果蠹蛾、梨姬食心虫、桃折梢虫、小食心虫、桃折心虫。属于鳞翅目(Lepidoptera)，
?５５６?昆虫知识ＣｈｉｎｅｓｅＢｕｌｌｅｔｉｎｏｆＥｎｔｏｍｏｌｏｇｙ ７２。Ｃ延伸ｌｒａｉｎ，最后１个循环后，７２。Ｃ再延伸５ ＩＩｌｉｎ。扩增产物用１．２％的琼脂糖凝胶电泳检测 大小和亮度，检测结果见图ｌ。对扩增效果良 好的样品委托上海生工生物工程有限公司进行 纯化和双向测序，测序仪为ＡＢＩＰＲＩＳＭ３７７型。 １２３４５６７Ｍｂｐ 一２０００ —ｌ０００ －７５０ —５００ －２５０ 一ｌｏｏ 图１部分种类ＰＥＲ结果检测结果 Ｉ，Ｐ，ｍｏｎｇｏｌｉｃａ２．Ｍ．８ｒａｎｄｌｓ３．Ａ．ｐｏｔａｎｉｎｉ４．Ａ， ｇｒａｖｉｄｕｌａ５．Ｍ．ｋｒａａ场６．Ｐ．础ｔａｔａ７．Ｔ．ｐｓｅｕｄｏｐｉｍｅｌｉａ Ｍ．ＤＮＡｍｉｌｋｅｒ １．３ＤＮＡ序列分析 用ＣｏｎｔｉｇＥｘｐｒｅｓｓ软件进行正反链的拼接。 将正反链匹配校正后的序列剪除引物部分即所 测得的序列。用ＣｈｓｔａｌＸｌ，８软件对８条序列进 行多重比对，用ＭＥＧＡ２．１软件统计核苷酸组 成，分析各物种间的序列差异。以土甲族的 Ｅｕｍｙｌａｄａｐｏｔａｎｉｎｉ（Ｇｅｎｂａｎｋ检索号：ＥＵ２５０２９５、 ＥＵ２５０３０６）作为外群，基于Ｋｉｍｕｒａ．２参数，采用 邻接法（Ｎｅｉｇｈｂｏｒ－Ｊｏｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ＮＪ法）、最简约 法（ＭａｘｉｍｕｍＰａｒｓｉｍｏｎｙ，ＭＰ法）构建系统树。 ２结果 本研究测定了漠甲亚科８种昆虫Ｃｙｔｂ基 因长度为５７９ｂｐ和Ｃ０１１基因长度为５８５ｂｐ的 部分序列，将所测序列经ＢＬＡＳＴ搜索ＧｅｎＢａｎｋ 表明与现有昆虫的Ｃｙｔｂ和ＣＯＩＩ基因序列有很 高的同源性，序列中无碱基的插入和缺失。用 ＭＥＧＡ２．１软件分别统计２个基因的序列组成， 使用无脊椎动物线粒体密码表，对８种昆虫的 密码子使用频率进行统计，推断出各物种Ｃｙｔｂ 和ＣＯＩＩ基因编码区的密码子使用频率及氨基 酸组成。２００８４５（４） ２．１Ｃｙｔｂ基因序列组成及变异 分析表明，８种昆虫Ｃｙｔｂ基因序列（长５７９ｂｐ）中共有２３９个核甘酸变异位点，１６２个简约信息位点，变异率为４１．３％。碱基Ｔ，Ｃ，Ａ，Ｇ的平均含量分别为３４．４％．２２。５％。３２．４％和１０．７％，Ａ＋Ｔ平均含量（６６．８％）明显高于Ｇ＋Ｃ含量（３３．２％）。第三位点表现出非常强的ＡＴ含量偏向性，Ａ＋Ｔ含量较之前２个位点高，达到７４．１％，而该位点碱基Ｇ的含量最低，平均仅为３．２％。８种昆虫的５７９ｂｐ序列共编码１９３个氨基酸，其中３４个发生取代，变异率为１７．６％。在氨基酸组成中，除鳖甲族的宽腹东鳖甲Ａ．ｇｒａｖｉｄｕｌａ、波氏东鳖甲Ａ．ｐｏｔａｎｉｎｉ和克氏小鳖甲Ｍ．ｋｒａａｔｚｉ３种昆虫外，其余５种均不含半胱氨酸（Ｃｙｓ），由１９种氨基酸组成，其中亮氨酸（Ｌｅｕ）含量远高于其它氨基酸。从碱基替换的结果看，序列间转换（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ，＇ＩＳ）略多于颠换（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｉｏｎ，ＴＶ），＂ＩＳ／Ｔｖ的平均值为１．３。转换的发生主要以Ｃ—Ｔ为主，颠换的发生主要以Ａ—Ｔ为主，其它类型的替换很少发生。碱基替换主要发生在密码子第三位点，占总替换数的７４．６％，第二位点最保守，很少发生替换，替换率仅为５．２％。 ２．２ＣＯⅡ基因序列组成及变异 本实验测得８种漠甲ＣＯⅡ基因序列长度为５８５ｂｐ的片段，其中变异位点２１０个，变异率为３５。９％。简约信息位点１４９个。碱基Ｔ，Ｃ，Ａ，Ｇ的平均含量分别为３３．１％，加．０％，３４．６％和１２．４％，Ａ＋Ｔ平均含量为６７．７％，第三位点高达８０．１％，该位点碱基Ｇ的含量在种间差异很大，在１．０％一８．２％之间，平均为４．１％。共编码１９５个氨基酸，其中３３个发生取代，变异率为１６．９％。密码子以Ａ、Ｔ结尾频率高，第三位是Ｇ的密码子使用较少。在氨基酸组成中，所有种类均不含半胱氨酸（Ｃｙｓ），由１９种氨基酸组成，其中亮氨酸（ｋｕ）、异亮氨酸（１ｌｅ）含量最高，反映出ＣＯ１Ｉ基因在氨基酸组成上具有一定偏向性。从碱基替换的结果看，序列问转换略多于颠换，转换主要发生在Ｃ＋＋Ｔ之间，颠换主要发生在Ａ＋＋Ｔ之间，咧’１＇ｖ的平均值为
学校：临清二中学科：生物 第五章第3节《人类遗传病》 一、教材分析 《人类遗传病》是人教版高中生物必修二《遗传与进化》第5章第3节教学内容，主要学习“人类常见遗传病的类型”，“遗传病的监测和预防”和“人类基因组计划与人体健康” 二、教学目标 1．知识目标： （1）．人类遗传病及其病例 （2）．什么是遗传病及遗传病对人类的危害 （3）．遗传病的监测和预防 （4）．人类基因组计划与人体健康 2．能力目标： 探讨人类遗传病的监测和预防 3．情感、态度和价值观目标： 关注人类基因组计划及其意义 三、教学重点难点 重点：人类遗传病的主要类型。 难点：（1）多基因遗传病的概念。 （2）近亲结婚的含义及禁止近亲结婚的原因。 四、学情分析 学生初中已经学习了几种遗传病，教材前几章已经出现伴性遗传病和常染色体遗传病，所以学生对本节内容有一定基础。另外“人类遗传病的类型”是了解水平的内容，学生通过自学就可以达到学习目的。 五、教学方法， 1学案导学：见后面的学案。 2．新授课教学基本环节：预习检查、总结疑惑→情境导入、展示目标→合作探究、精讲点拨→反思总结、当堂检测→发导学案、布置预习 六、课前准备 教师的教学准备：多媒体课件制作，课前预习学案，课内探究学案，课后延伸拓展学案。 七、课时安排：1课时 八、教学过程 (一)预习检查、总结疑惑 检查落实了学生的预习情况并了解了学生的疑惑，使教学具有了针对性。 （二）情景导入、展示目标。 近年来，随着医疗技术的发展和医药卫生条件的改善，人类传染性疾病已得到控制，而人的生殖细胞或受精卵里的遗传物质在数量，结构或功能上发生改变，使由此发育成的个体患先天性遗传病，其发病率和死亡率却有逐年增高的趋势。今天，我们来学习这方面的知识。（三）合作探究、精讲点拨。 探究一、人类常见遗传病的类型 学生分组讨论 1．什么是遗传病？举例？ ２．怎样做到遗传病的监测和预防？
人类线粒体基因组与疾病 1、线粒体基因及基因组介绍 人类线粒体DNA（mtDNA），共包含37个基因，这37个基因中有22个编码转移核糖核酸（tRNA）、2个编码核糖体核糖核酸（12S和16S rRNA)，13个编码多肽。 2、线粒体基因及基因组分析的现状和临床意义 对于可疑线粒体病的患者来说，理想的遗传学诊断方法是发现导致线粒体结构和功能缺陷的相关基因突变。这些基因突变可能在mtDNA上，也可能发生在核基因上，线粒体的遗传方式可能为常染色体隐形遗传、X-连锁遗传、母系遗传，有些还是新突变。由于线粒体病涉及基因众多，目前临床只能选择少数常见的线粒体基因位点进行突变和缺失筛查，阳性率很低，大多数患者难以获得准确的病因诊断。 3、线粒体基因及基因组分析测定 （1）13个编码多肽的基因 编码产物基因分 析 基因变异对应的常见线粒体病种 类 NADH dehydrogenase (complex I)MT-ND1Leber遗传性视神经病 MT-ND2心肌线粒体病，Leber遗传性视神经病 MT-ND3进肌阵挛，癫痫，视神经萎缩MT-ND4 Leber遗传性视神经病，线粒体肌 病，Leber遗传性视神经病，张力 障碍 MT-
ND4L Leber遗传性视神经病 MT-ND5Leigh综合征，线粒体脑肌病伴乳酸中毒及中风样发作综合症 MT-ND6Leber遗传性视神经病，线粒体脑肌病伴乳酸中毒及中风样发作综合症，糖尿病，肌张力障碍 coenzyme Q-cytochrome c reductase/Cytochrome b(complex III)MT-Cytb 慢性游走性红斑，Leber遗传性视 神经病，线粒体肌病，心肌线粒 体病，线粒体脑肌病伴乳酸中毒 及中风样发作综合症，帕金森病 cytochrome c oxidase(complex IV)MT- COX1 肌红蛋白尿运动神经元疾病，铁 粒幼细胞贫血 MT- COX2 线粒体肌病，线粒体多系统疾 病，线粒体脑肌病 MT- COX3 Leigh综合征，慢性游走性红斑， 骨骼肌溶解症 ATP synthase MT- ATP6 共济失调并发色素性视网膜炎， 母系遗传Leigh综合征，家族性双 侧纹状体坏死 MT- ATP8 共济失调并发色素性视网膜炎， 母系遗传Leigh综合征，家族性双 侧纹状体坏死 （2）22个编码tRNA的基因 Alanine MT-TA进行性眼外肌麻痹Arginine MT-TR
兰州交通大学化学与生物工程学院综合能力训练Ⅰ——文献综述 题目：线粒体疾病的最新研究进展 作者：朱刚刚 学号：201207730 指导教师：谢放 完成日期：2014-7-16
线粒体疾病的最新研究进展 摘要：本文为了对线粒体疾病研究的最新进展进行论述，分别从线粒体功能障碍、线粒体疾病、以及相关线粒体疾病的治疗与干预策略三个方面进行了综述。重点从线粒体的功能障碍进行了介绍。 关键词：线粒体、线粒体tDNA、线粒体疾病。 引言：线粒体疾病主要是指由于线粒体DNA突变所导致的一类疾病。 有许多人类疾病的发生与线粒体功能缺陷相关,如线粒体肌病和脑肌病、线粒体眼病,老年性痴呆、帕金森病、O型糖尿病、心肌病及衰老等,有人统称为线粒体疾病。线粒体疾病的发生被认为与氧化磷酸化过程相关基因的突变有关。一、线粒体功能障碍 1线粒体结构、基因组特征及主要功能 1.1线粒体结构及基因组特征电镜下的线粒体是由两层单位膜套叠而成的封闭囊状结构，从外向内依次分为外膜、膜间隙、内膜、基质。不同于经典的“隔舱板”理论，最新提出的三维重构模型认为: (1)外膜与内质网或细胞骨架连接形成网络；(2)内外膜间随机分布横跨两端，宽20nm 的接触点；(3)内膜通过界面与嵴膜接口部分相连，并不直接向内延伸形成嵴膜；(4)嵴膜非“隔舱板”式而是管状或扁平状，相互间可连接或融合，呈现不同的形式。执行线粒体功能的生物大分子分布在不同的空间：外膜上有Bcl-2家族蛋白、膜孔蛋白以及离子通道蛋白；内膜中有电子传递链(呼吸链)复合物I~IV和复合物V(ATP合成酶); 膜间隙和嵴膜腔分布着细胞色素C、凋亡诱导因子(apoptosis in-ducing factor，AIF)和Procaspase 2、3、9及其他酶蛋白；电压依赖性阴离子通道(VDAC)、ADP/ATP转换蛋白(ANT)和线粒体膜转运孔(mitochondrialper-meabletransition pore，MPTP)存在于接触点；三羧酸循环(TCA cycle)酶系、存储钙离子的致密颗粒及线粒体基因组则包含于基质中。【1】与核基因组(nDNA)不同，mtDNA 结构简单，仅含16 569 个碱基，编码2 种rRNA、22 种tRNA和13种参与呼吸链形成的多肽。通常裸露且不含内含子，既缺乏组蛋白保护和完善的自我修复系统，又靠近内膜呼吸链，极易受环境影响，突变频率比nDNA 高10~20 倍。 1.2线粒体功能作为糖、脂肪、氨基酸最终氧化释能的场所，线粒体的主要功能是进行氧化磷酸化、合成ATP，为生命活动提供直接能量。除此以外，它还扮演着多种角色，其中之一是充当“钙库”，参与细胞内钙离子的信号传导。
竭诚为您提供优质文档/双击可除 线粒体dna鉴定 篇一：线粒体DnA的结构特征及在鹿科动物物种鉴定中的应用 线粒体DnA的结构特征及在鹿科动物物种鉴定中的应用摘要最新研究表明，作为生物能量的生成场所线粒体是一种具有自我遗传控制功能，本文重点针对鹿科动物的线粒体DnA结构特征进行了研究和分析，通过具体的实验验证了鹿科动物物种鉴定中线粒体DnA的实际功能和应用。同时，还对线粒体DnA的提取方法进行了探索，最后就线粒体DnA 的序列以及动物物种进行了鉴定，就鹿科动物线粒体DnA的研究成果提出了意见。 关键词染色体；线粒体DnA；鹿科动物；物种鉴定 0引言 线粒体是1898年被命名的，其实线粒体的发现却要追踪到1850年。线粒体外膜比较平滑，具有两层的膜包被，向内的折叠内膜形成嵴，两层膜中间有一个腔，基质居于线粒体的中央。基质内部有可以喝三羧酸进行循环时所需要的
所有酶类，内膜上有ATp酶复合体和呼吸链酶系。线粒体其实就是细胞内形成ATp和氧化磷酸化的关键场所，因此，被形象地成为细胞的动力加工厂。 1线粒体DnA结构特征 真核生物所呼吸所用的细胞器就是线粒体，不同物种的细胞之间，其线粒体的数目有着很大的差距，通常情况下都在100个~3000个之间，植物细胞中一般都会含有50个~100个左右的线粒体，而动物的细胞中其线粒体的数目差异性要远远高于植物体内的线粒体数目，多的要达到1000个，少的却只有50个左右。实验表明，植物细胞中的所有线粒体都会参与植物本身的一系列新陈代谢的全过程。植物体内的所有的线粒体通过自身的功能可以把细胞所吸收和合成的糖类、脂肪等所有的储藏能量经过进一步地氧化而生成了co2和h2o，最后通过特定的方式将其释放出去，同时它还能将所存储的一些太阳能经过一系列的转换生成了细胞用以维持自身的生理功能的具体能量-ATp分子。正是由于植物细胞中的线粒体少于动物体内的线粒体，从而制约了能量的来源，因此植物就不可能出现和动物一样的自由活动和快速增长。由于线粒体DnA（mtDnA）相对比较小，所以它仅能决定本身最基本的一些特征，缺少多余的编码结构，因此就难以产生有效的修复功能。实验表明，只要线粒体DnA受到了不同程度的损伤，哪怕只是一个极其微小的变化，都会直接
线粒体病及其相关的心律失常 胡喜田1 李伟峰1 张海澄 2 [摘要] 线粒体病是指因遗传基因的缺陷导致线粒体的结构和功能异常,导致细胞呼吸链及能量代谢障碍的一组 多系统疾病。线粒体病对心脏的损害主要包括器质性和电生理损害,临床上最常见的为Keam s 2Sayre 综合征,主要表现为心脏传导系统的损害,发生的心律失常包括房室传导阻滞,束支传导阻滞,室性心律失常和房性心律失常。 [关键词] 心血管病学;线粒体病;综述;Kea m s 2Sayre 综合征;心律失常DO I :10.3969/j .issn .1007-2659.02.007 中图分类号 R541.7 文献标识码 A 文章编号 1007-2659(2010)02-0111-03作者单位:1 石家庄市第一医院心内三科(河北石家庄050011) 2 北京大学人民医院心脏中心(北京100044) 作者简介:胡喜田(1973-),男(汉族),河北邯郸人,主治医师,医学硕士,专业特长为心脏起搏与心电生理。 1962年Luft 首次提出线粒体病后,人们对线粒体病给予了大量的关注,并且伴随着实验室技术的进步,特别是上世纪八十年代Anders on 测定出人类线粒体DNA (m t D NA )的全长序列,并提出线粒体母系遗传的概念,人类对线粒体病的认识取得了巨大的进步。到目前已经发现线粒体病的线粒体基因存在100个点突变和200个缺失。在对线粒体功能方面的研究中,人们发现线粒体不但产生ATP,而且产生体内95%以上的活性氧;不但调节细胞内的氧化还原平衡,而且调控细胞凋亡。在对线粒体内各种酶蛋白的结构和功能的研究进一步开阔了人们的视野,对线粒体病的研究已从单一的线粒体肌病、脑肌病或脑病,扩展到心脏、消化、肾脏、内分泌、眼等多系统多器官疾病,而在这些系统中的发病情况,尤其是在心脏的发病状况,往往和患者的预后有密切的联系。正式基于对线粒体及其疾病的深入认识,线粒体医学的概念已经被提出。 1 线粒体病概述 线粒体病是指因遗传基因的缺陷导致线粒体的结构和功能异常,导致细胞呼吸链及能量代谢障碍的一组多系统疾病。目前临床对线粒体病的分类,主要是依据病变部位而分,包括线粒体肌病、线粒体脑肌病和线粒体脑病三类。它们各自又有更详细的分类。 线粒体复杂的结构和功能,是线粒体病临床表现各异的基础。它的不同结构部位含有不同的酶系统。线粒体的正常结构及其酶系统在人体的能量代谢方面发挥了关键的作用,而线粒体病正是这一系统失用所致的结果。 线粒体由约1500个多肽组成,大部分是由核DNA (n D 2 NA )编码,虽然m t D NA 仅保留了13个氧化磷酸化多肽的基 因,但其在线粒体氧化磷酸化复合体中占据了重要的位置。人类m t D NA 是存在于细胞核外长16569bp 的唯一的双链闭环DNA,分轻链和重链,含37个基因(包含22个t RNA 基 因,2个r RNA 基因和13个编码线粒体呼吸链酶蛋白的基因),主要编码呼吸链及与能量代谢有关蛋白[1]。线粒体呼吸链中被m t D NA 编码的酶包括细胞色素C,氧化酶Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ。m t D NA 缺失或点突变使编码线粒体氧化代谢过程必需的酶或载体发生障碍,糖原和脂肪酸等不能进入线粒体充分利用和产生足够的ATP,导致能量代谢障碍和产生复杂的临床症状,从而出现临床上不同类型的线粒体病。 mt D NA 突变主要包括:与蛋白合成有关的t RNA 基因点突 变,编码线粒体呼吸复合体亚基的结构基因突变,mt D NA 片段缺失和mt D NA 的耗竭。此外,由于大多数呼吸链复合体亚基是由n DNA 编码,并且mt D NA 复制和表达需要的许多酶也是由 n DNA 编码,因此n DNA 基因突变也可能导致。 线粒体病有以下显著遗传学特点[2]:①母系遗传:受精卵线粒体几乎均来自卵子,故与孟德尔遗传方式不同,母亲将 mt D NA 传递给子代,只有女儿可将mt D NA 传递给下一代,这被 称为母系遗传。②高突变率:mt D NA 裸露于高水平的氧化磷酸化环境中,无组蛋白保护,突变率较n DNA 高10余倍,且缺乏有效的修复机制,相比常染色体遗传病,线粒体病每一代发病个体相对较多。③阈值效应:因每个细胞mt D NA 有多重拷贝,只有突变型达到某一阈值时患者才会出现症状。在心脏、肌肉、神经等能量需求高的器官,阈值低于低能量需求器官。④遗传易质性:不同mt D NA 突变可导致相同疾病,而同一突变可引起不同表型。⑤mt D NA 突变的表型效应由突变类型、易质状态(突变型所占比例)以及组织对线粒体ATP 能量产生的依赖程度所决定。能量需求越大的组织器官如心脏、肌肉和神经系统等临床受累越早,越严重。 线粒体病的病理变化为病变组织异常线粒体的聚集、线粒体糖原和脂滴堆积和线粒体嵴排列紊乱,即线粒体结构和数目的异常。组织活检Gomori 染色可见异常线粒体聚集的蓬毛样红纤维(RRF );比Gomori 染色更具诊断意义,并且是线粒体疾病所独有的表现,即电子显微镜下所见:线粒体嵴增多、排列紊乱呈同心圆状排列、肌丝间可见较多脂滴、成团或串珠状等。线粒体病的生化表现主要是血清乳酸丙酮酸的升高。由于ATP 合成障碍,无氧酵解增强,故大多数患者血清中乳酸丙酮酸水平升高,尤其是运动后乳酸丙酮酸 ? 111? 中国心脏起搏与心电生理杂志2010年第24卷第2期