线粒体遗传学与遗传
线粒体遗传学是研究线粒体（mtDNA）内所含的小型环状基因组及其独特的传递和表达规则的学科。与核基因组不同，mtDNA在每个细胞中存在多个拷贝，几乎完全通过母系遗传，并且不遵循孟德尔分离定律，从而产生了超出经典孟德尔规则的遗传模式和疾病机制。
Definition
线粒体遗传学关注线粒体基因组的结构、传递、变异和维持，这是一种母系遗传、多拷贝、染色体外DNA，其在细胞内和细胞间的数量决定了线粒体表型和疾病风险。
Scope
本领域旨在向读者介绍人类线粒体基因组及其生物学：mtDNA的结构和组织方式，它如何从母亲传给后代，为什么细胞可以携带正常和突变分子的混合物（异质性），mtDNA积累的致病变异类型，以及基因组如何复制和周转。它将线粒体遗传与孟德尔遗传并列，作为一种对比性的非孟德尔传递系统。每个主题的详细内容在子主题中。
Sub-topics
Core questions
- 线粒体基因组是如何组织的，它与核基因组有何不同？
- 为什么mtDNA是母系遗传，而不是遵循孟德尔定律？
- 细胞如何携带野生型和突变mtDNA的混合物，比例由什么决定？
- 哪些类型的突变会影响mtDNA，它们如何导致疾病？
- mtDNA如何独立于核细胞周期进行复制和降解？
Key concepts
- 线粒体DNA（mtDNA）作为多拷贝基因组
- 母系（单亲）遗传
- 异质性和同质性
- 生化缺陷的阈值效应
- 线粒体遗传瓶颈
- 独立于细胞周期的松弛（有丝分裂）复制
- 线粒体单倍群
Mechanisms
人类线粒体基因组是一个紧凑的环状DNA，约16.6千碱基对，编码13个呼吸链亚基、22个tRNA和2个rRNA，由Anderson及其同事于1981年完全测序。每个细胞含有数百到数千个mtDNA拷贝，这些拷贝通过卵细胞质传递，因此后代从母亲那里继承mtDNA。由于拷贝在分配给子细胞时没有有丝分裂或减数分裂的有序机制，一个细胞可能只携带一个序列（同质性）或变异的混合物（异质性）；致病变异的比例通常必须超过某个阈值才能出现生化和临床表型。复制和降解在整个细胞周期中进行，而不限于S期，卵子发生过程中的发育瓶颈可以使变异比例在代际之间急剧变化。
Clinical relevance
线粒体遗传学解释了一组临床上重要的疾病，这些疾病主要影响能量需求高的组织，如肌肉、大脑、心脏和视神经，并解释了为什么这些疾病可以从受影响的母亲传给所有子女，但严重程度却差异很大。理解母系遗传、异质性和阈值效应有助于临床医生和家庭解释复发和变异性。本条目是关于遗传机制的教育背景，并非个体诊断、咨询或治疗决策的依据。
Epidemiology
致病性mtDNA变异是公认的遗传性代谢疾病病因；综述中总结的人群研究估计，线粒体疾病（包括核编码线粒体疾病）的总发病率约为每5000人中1人，使其成为较常见的遗传性代谢疾病之一，尽管确切数字因确诊方式而异。
History
线粒体遗传学兴起于1981年人类线粒体基因组的完全测序，揭示了其紧凑的组织和略有变异的遗传密码。人类mtDNA母系遗传的证明（Giles及其同事，1980年）确立了其非孟德尔传递方式。在1980年代后期，致病性mtDNA缺失和点突变的发现将基因组直接与人类疾病联系起来，随后的几十年阐明了异质性、阈值效应和遗传瓶颈，这些构成了目前理解线粒体遗传的框架。
Key figures
- Douglas C. Wallace
- Frederick Sanger
- Salvatore DiMauro
- Eric A. Schon
- Douglass M. Turnbull
Related topics
Seminal works
- anderson-1981
- giles-1980
- wallace-1999
Frequently asked questions
- 线粒体遗传与孟德尔遗传有何不同？
- 孟德尔遗传遵循核基因，这些基因平等地来自父母双方并可预测地分离。线粒体DNA几乎完全来自母亲，每个细胞中存在多个拷贝，并且不以孟德尔方式分离，因此其传递和相关性状的严重程度较难预测。
- 每个人都从母亲那里继承线粒体吗？
- 在人类中，mtDNA通过卵子传递，因此在正常情况下，后代从母亲那里继承线粒体基因组；父系贡献通常被消除，任何例外情况都非常罕见。