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赵桂宪

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医学科普

线粒体的遗传特点:母系、半自主性、异质性、阈值效应等

发表者:赵桂宪 人已读

线粒体(mitochondrial)为细胞中较大的细胞器,直径约0.5-1.0um,数目由数百至数千不等,一般为1000-2000个,不同细胞差异很大,哺乳动物成熟红细胞中没有线粒体,卵母细胞中可达10万个。复旦大学附属华山医院神经内科赵桂宪

图1

线粒体在电镜下的结构呈双层膜套叠而成的封闭性膜囊结构,内外膜不相连,与细胞质隔离。

线粒体是机体能量代谢的工厂,能量代谢过程由呼吸链不同部位的酶催化参与完成。在能量代谢过程中,主要由内膜上的细胞色素C氧化酶、外膜上的单胺氧化酶、基质上的苹果酸脱氢酶和膜间腔上的腺苷酸激酶共同起作用完成。线粒体呼吸链上约由80个蛋白组成的五个复合物中,13个(约10%)为mtDNA编码(红色),其余由核基因编码(蓝色)。见图2。

图2

线粒体是除细胞核以外唯一含有DNA的细胞器。因此,线粒体有自己的DNA和蛋白质合成体系,即独立的遗传系统,但又受核基因组遗传系统的控制,其生长和增殖受核基因组和自身基因组两套遗传系统的控制,故为半自主性细胞器

线粒体基因组(mitochondrialDNA,mtDNA)是独立于染色体之外、存在于线粒体内的闭环双链分子,16569bp,轻重两条链,均有编码功能mtDNA含有37个基因:22个tRNA基因,2个rRNA (12 s和16 S)基因,13个多肽编码基因。见图3。

图3

mtDNA有以下特点:

1. mtDNA母系遗传

2. mtDNA在一个细胞中具有数百次拷贝,因此mtDNA突变比例可以在0-100%之间变化。

3. 异质性一两个不同的mtDNA序列可以存在于一个个体的细胞、组织和不同个体。在连续的细胞分裂过程中,异质性细胞中突变型mtDNA和野生型mtDNA的比例会发生漂变,向同质性的方向发展。分裂旺盛的细胞(如血细胞)往往有排斥突变mtDNA的趋势,经无数次分裂后,细胞逐渐成为只有野生型mtDNA的同质性细胞。突变。mtDNA具有复制优势,在分裂不旺盛的细胞(如肌细胞)中逐渐积累,形成只有突变型mtDNA的同质性细胞。漂变的结果,表型也随之发生改变。

4. 阈值效应对于异质性的mtDNA突变,细胞可以承受正常的mtDNA减少直到一个阈值时细胞才凋亡或细胞功能受损。mtDNA突变所产生的效应取决于该细胞中野生型和突变型线粒体DNA的比例,只有突变型DNA达到一定数量或比例(阈值)时才足以引起细胞的功能障碍,这种现象称为阈值效应

举个例子吧,在某些线粒体遗传病的家系中,有些个体起初并没有临床症状,但随着突变型DNA逐渐累积,线粒体的能量代谢功能持续性下降,最终出现临床症状。mtDNA突变可以影响线粒体功能,引起ATP合成障碍,导致疾病发生,但实际上基因型和表现型的关系并非如此简单。突变型mtDNA的表达受细胞中线粒体的异质性水平以及组织器官维持正常功能所需的最低能量影像,可产生不同的外显率和表现度。

5. 瓶颈效应卵细胞中有100000左右拷贝的mtDNA,在受精卵形成时,只有数个拷贝卵细胞的的mtDNA进入到受精卵,这个现象成为瓶颈效应。因此异质性的母亲的孩子会有平均水平不同的的异质性突变。可以解释在一些线粒体遗传病具有很高的家族间临床异质性。

由于线粒体有自己独立的遗传系统,因此,线粒体蛋白质合成也有自己的蛋白质翻译系统,用于蛋白质合成的所有tRNA都是由mtDNA编码的,mtDNA为裸露的,不与组蛋白结合,mtDNA位于基质内或依附于内膜,mtDNA具有自我复制的能力,以自身为模板半保留复制,可分布整个细胞周期。所编码的RNA和蛋白质并不运出线粒体外,所编码的蛋白质是在线粒体内的核糖体上进行的。

由于线粒体基因异常致编码蛋白异常,线粒体能量代谢障碍,全身许多器官,尤其是能量代谢需求旺盛的器官和组织更易受累,如神经系统的卒中、痴呆、癫痫反复发作、视觉系统损害、共济失调、智能障碍等均可与此相关,还可出现身材发育矮小、心脏传导阻滞、糖尿病、肾功能不全、神经性耳聋等。

参考书目:《分子生物学》,《遗传学》,图片来源于网络

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发表于:2019-01-06 22:22

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