線粒體與疾病演示

（優(yōu)選）線粒體與疾病課件當(dāng)前第1頁\共有36頁\編于星期四\6點1857年，瑞士解剖學(xué)家及生理學(xué)家阿爾伯特·馮·科立克在肌肉細胞中發(fā)現(xiàn)了顆粒狀結(jié)構(gòu)。1890年，德國病理學(xué)家及組織學(xué)家理查德·阿爾特曼將這些顆粒命名為“原生粒”（bioblast）。

阿爾伯特·馮·科立克理查德·阿爾特曼線粒體的認識歷程當(dāng)前第2頁\共有36頁\編于星期四\6點

1897年，德國科學(xué)家卡爾·本達因這些結(jié)構(gòu)時而呈線狀時而呈顆粒狀，所以用希臘語中“線”和“顆?！睂?yīng)的兩個詞-“mitos”和“chondros”-組成“mitochondrion”來為這種結(jié)構(gòu)命名。1900年，美國化學(xué)家萊昂諾爾·米歇利斯開發(fā)出用具有還原性的健那綠染液為線粒體染色的方法，并推斷線粒體參與某些氧化反應(yīng)。線粒體的認識歷程當(dāng)前第3頁\共有36頁\編于星期四\6點1904年,FriedrichMeves第一次記錄了植物中的線粒體。英國生物學(xué)家大衛(wèi)·基林在1923年至1933年這十年間對線粒體內(nèi)的氧化還原鏈的物質(zhì)基礎(chǔ)進行探索，辨別出反應(yīng)中的電子載體--細胞色素。線粒體的認識歷程當(dāng)前第4頁\共有36頁\編于星期四\6點1931年，奧托.海因里希.瓦爾伯因“發(fā)現(xiàn)呼吸酶的性質(zhì)及作用方式”被授予諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。1937年，漢斯·阿道夫·克雷布斯發(fā)現(xiàn)了三羧酸循環(huán)，于1953年獲諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎。OttoHeinrichWarburg

HansAdolfKrebs

線粒體的認識歷程當(dāng)前第5頁\共有36頁\編于星期四\6點1946年，阿爾伯特?克勞德推斷負責(zé)呼吸鏈的細胞色素氧化酶和呼吸鏈中的其他酶位于線粒體。1967年，O‘Brien和Kalf等在大鼠肝臟細胞的線粒體中發(fā)現(xiàn)核糖體。1968年，Nass等通過電鏡確認了線粒體DNA(mtDNA)的存在。1976年，完成酵母線粒體的遺傳和物理圖譜。

AlbertClaude

線粒體的認識歷程當(dāng)前第6頁\共有36頁\編于星期四\6點數(shù)量:與細胞新陳代謝有關(guān)分布：線粒體一般均勻分布。但有些細胞分布有一定的規(guī)律，通常分布在功能旺盛，需能較多的部位。心肌細胞精子尾部鞭毛髓部線粒體當(dāng)前第7頁\共有36頁\編于星期四\6點線粒體的形態(tài)

可塑性細胞器，多為粒狀、桿狀或線狀直徑為0.5～1.0m，長1.5～3.0m當(dāng)前第8頁\共有36頁\編于星期四\6點蝙蝠胰腺細胞線粒體的電鏡圖當(dāng)前第9頁\共有36頁\編于星期四\6點

線粒體的超微結(jié)構(gòu)分為5個部分：外膜膜間隙內(nèi)膜嵴基質(zhì)

由兩層單位膜圍成的封閉的囊狀結(jié)構(gòu)當(dāng)前第10頁\共有36頁\編于星期四\6點線粒體基因組每個細胞含2～100個線粒體，每個線粒體中含有2～10個環(huán)狀DNA--mitochondrialDNA(mtDNA),位于內(nèi)膜附近或基質(zhì)中。25號染色體當(dāng)前第11頁\共有36頁\編于星期四\6點線粒體基因組的結(jié)構(gòu)特征

人mtDNA是一個長為16,569bp的雙鏈閉合環(huán)狀分子，外環(huán)為重鏈(H鏈)，富含G，內(nèi)環(huán)為輕鏈(L鏈)，富含C。當(dāng)前第12頁\共有36頁\編于星期四\6點mtDNA結(jié)構(gòu)緊湊，沒有內(nèi)含子，唯一的非編碼區(qū)是D環(huán)區(qū)，長約1,000bp左右。D環(huán)區(qū)包括mtDNA重鏈復(fù)制起始點，輕重鏈轉(zhuǎn)錄的啟動子及4個高度保守序列和終止區(qū)。線粒體基因組的結(jié)構(gòu)特征

當(dāng)前第13頁\共有36頁\編于星期四\6點人類的mtDNA含37個基因，編碼13條多肽鏈、22種tRNA和2種rRNA。13種蛋白質(zhì)均是呼吸鏈酶復(fù)合物的亞單位。H鏈編碼12種多肽鏈和14種tRNA和12srRNA和16srRNA；L鏈僅編碼1種多肽鏈和8種tRNA

。線粒體基因組的結(jié)構(gòu)特征

當(dāng)前第14頁\共有36頁\編于星期四\6點幾種模式生物mtDNA的長度

生物學(xué)名mtDNA長度（bp）芽殖酵母Saccharomycescerevisiae85779裂殖酵母Schizosaccharomycespombe19431擬南芥Arabidopsisthaliana366924水稻Oryzasativa490520秀麗隱桿線蟲Caenorhabditiselegans13794黑腹果蠅Drosophilamelanogaster19517非洲爪蟾Xenopuslaevis17553小鼠Musmusculus16300當(dāng)前第15頁\共有36頁\編于星期四\6點林恩·馬古利斯（LynnMargulis）內(nèi)共生學(xué)說當(dāng)前第16頁\共有36頁\編于星期四\6點線粒體DNA的遺傳學(xué)特點線粒體DNA能獨立地復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯。核DNA編碼了大量維持線粒體結(jié)構(gòu)和功能的大分子復(fù)合物以及大多數(shù)氧化磷酸化酶的蛋白質(zhì)亞單位，所以線粒體DNA的功能又受核DNA的影響。1.mtDNA具有半自主性。當(dāng)前第17頁\共有36頁\編于星期四\6點2.線粒體基因組所用的遺傳密碼和通用密碼不同。1979年，Barrell報道了人線粒體DNA所用的遺傳密碼。

通用遺傳密碼和線粒體遺傳密碼的差異密碼子線粒體DNA編碼核DNA編碼UGA色氨酸終止AUA甲硫氨酸異亮氨酸AGG終止精氨酸當(dāng)前第18頁\共有36頁\編于星期四\6點3.mtDNA為母系遺傳。人類受精卵中的線粒體絕大部分來自卵母細胞。母親把線粒體DNA傳遞給所有的子女，但是只有她的女兒們將其線粒體DNA傳給下一代。這種傳遞方式被稱為母系遺傳。

當(dāng)前第19頁\共有36頁\編于星期四\6點4.mtDNA的突變率極高。

線粒體DNA的突變率極高，約比核DNA高10-20倍。

線粒體DNA排列緊湊，沒有內(nèi)含子，任何mtDNA的突變都可能影響其基因組的重要功能；線粒體DNA缺少組蛋白的保護；線粒體DNA容易被呼吸鏈生成自由基氧化損傷；線粒體中沒有DNA損傷的修復(fù)系統(tǒng)；當(dāng)前第20頁\共有36頁\編于星期四\6點5.mtDNA具有閾值效應(yīng)的特性同質(zhì)性（homoplasmy）：在一個細胞或組織中，所有的線粒體都具有相同的基因組，或者全都是野生型序列，或者都是攜帶有同樣一個基因突變的序列。異質(zhì)性（heteroplasmy）：一個細胞或組織中同時具有突變型和野生型線粒體DNA。線粒體的異質(zhì)性是普遍存在的。突變型和野生型線粒體DNA的比例在不同個體、在個體的不同組織器官中是不同的。當(dāng)前第21頁\共有36頁\編于星期四\6點當(dāng)前第22頁\共有36頁\編于星期四\6點線粒體病存在著表型表達的閾值:當(dāng)突變型線粒體DNA達到一定的比例時，才會導(dǎo)致異常性狀的出現(xiàn)。有體外實驗證實，細胞中最多可含有70－90％的突變型線粒體DNA仍不出現(xiàn)呼吸鏈功能的異常。閾值取決于不同細胞或組織對能量的依賴性。大量的臨床研究證實，當(dāng)突變型線粒體DNA超過閾值導(dǎo)致個體發(fā)病時，相應(yīng)組織中突變型線粒體DNA的比例越高，臨床癥狀就越嚴(yán)重。高需能（eg.肌肉、大腦）又含有同質(zhì)性線粒體DNA突變的細胞將會遭受更為嚴(yán)重的損害。當(dāng)前第23頁\共有36頁\編于星期四\6點6.線粒體DNA在有絲分裂和減數(shù)分裂期間都要經(jīng)過復(fù)制分離在卵母細胞經(jīng)過減數(shù)分裂而逐漸成熟時，絕大部分的線粒體會隨機喪失，線粒體數(shù)目急劇減少，只有有限的線粒體會保留下來。

當(dāng)前第24頁\共有36頁\編于星期四\6點mtDNA突變與人類疾病自1987年發(fā)現(xiàn)第一個mtDNA突變以來，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)100多個與疾病相關(guān)的點突變、200多種缺失和重排。分子病理學(xué)的研究證實mtDNA突變在許多疾病中存在，包括具有母系遺傳特征的疾病，中老年時發(fā)病的一些退化性疾病，甚至衰老本身。mtDNA突變類型主要包括點突變、片段缺失插入和mtDNA拷貝數(shù)目減少。當(dāng)前第25頁\共有36頁\編于星期四\6點線粒體對外界環(huán)境因素的變化很敏感，很多環(huán)境因素的影響可直接造成線粒體功能的異常，因此常被作為細胞病變或損傷最敏感的指標(biāo)之一，是分子細胞病理學(xué)檢查的重要依據(jù)。人類線粒體遺傳病

線粒體?。╩itochondrialdisease）:以線粒體結(jié)構(gòu)或功能異常為主要病因的一大類疾病。當(dāng)前第26頁\共有36頁\編于星期四\6點線粒體?。╩itochondrialdiseases，MD）特點：1.MD多數(shù)由于線粒體DNA改變而引起。2.MD具有母系遺傳的特點。3.MD多為神經(jīng)、肌肉系統(tǒng)疾病。當(dāng)前第27頁\共有36頁\編于星期四\6點線粒體病涉及組織當(dāng)前第28頁\共有36頁\編于星期四\6點Leber遺傳性視神經(jīng)病Leber遺傳性視神經(jīng)病是以德國眼科醫(yī)生TheodorLeber的名字命名的，又稱Leber視神經(jīng)萎縮，為一種急性或亞急性發(fā)作的母系遺傳病，男女病人比例5:1，至今尚未發(fā)現(xiàn)一個男性患者將此病傳給后代。TheodorLeber當(dāng)前第29頁\共有36頁\編于星期四\6點視神經(jīng)與視網(wǎng)膜神經(jīng)元退化，發(fā)病較早，表現(xiàn)急性亞急性視力減退，中心視野喪失明顯，導(dǎo)致失明。當(dāng)前第30頁\共有36頁\編于星期四\6點11778G→A導(dǎo)致編碼NADH脫氫酶亞單位4(ND4)中第340位的Arg精→His組，改變ND4空間構(gòu)型，NADH脫氫酶活性降低，線粒體產(chǎn)能效率下降，視神經(jīng)細胞提供能量不能長期維持視神經(jīng)完整結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致神經(jīng)細胞退行性變、死亡。11778G→A3460G→A(ND1)14484T→C(ND6)當(dāng)前第31頁\共有36頁\編于星期四\6點11778G→A90.9%,3460G→A1.8%,14484T→C7.3%是目前公認的致病性最強的三種原發(fā)性突變11778G→A發(fā)病時視力多低于0.1，視力預(yù)后也最差；14484T→C發(fā)病時視力及視力恢復(fù)情況明顯好于11778G→A患者

當(dāng)前第32頁\共有36頁\編于星期四\6點Leber遺傳性視神經(jīng)病家系當(dāng)前第33頁\共有36頁\編于星期四\6點線粒體DNA突變導(dǎo)致的人類疾病當(dāng)前第34頁\共有36頁\編于星期四\6點母系遺傳、缺乏重組和進化速率高是mtDNA比較特異的遺傳特性。因此，其可作為研究人類系統(tǒng)進化、人群遷移歷史的一個很有用的遺傳標(biāo)記。母系遺傳、缺乏重組使得從mtDNA構(gòu)建的系統(tǒng)樹可以很好地反映人類的母系遷移歷史。高進化速率(約是核基因組的l0—20倍)使得mtDNA可以區(qū)分開一些親緣關(guān)系很近的人群。群體遺傳學(xué)當(dāng)前第35頁\共有36頁\編于星期四\6點Nature

325,31-36(01January1987);doi:10.1038/325031a0MitochondrialDNAandhumanevolutionREBECCAL.

CANN*,MARK

STONEKING

&

ALLANC.

WILSONDepartmentofBiochemistry,UniversityofCalifornia,Berkeley,California94720,USA

*

Presentaddress:DepartmentofGenetics,UniversityofHawaii,Honolulu,Hawaii96822.

MitochondrialDNAsfrom147people,drawnfromfivegeographicpopulationshavebeenanalysedbyrestrictionmapping.AllthesemitochondrialDNAsstemfromon