动物线粒体基因组及其变异的研究进展.docx

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动物线粒体基因组及其变异的研究进展

动物线粒体基因组及其变异的研究进展

摘要：

本文对动物线粒体分子生物学的最新研究进展进行了较详细的阐述.从线粒体基因组（mtDNA）及其变异的研究背景出发,重点介绍了动物线粒体基因组的组成和结构特点,以及目前动物mtDNA与核基因组的关系，并通过其变异对线粒体遗传进化进行了讨论。

1.线粒体基因组及其变异的的研究背景

线粒体是存在于绝大多数真核细胞内的一种基本的、重要的细胞器.它是细胞进行氧化磷酸化的场所。

近年来，线粒体的研究日趋重要，其在分子机制上的遗传、变异及其调控与动物的一些生理、病理、及其进化密切相关。

线粒体本身的遗传物质线粒体基因组的发现为细胞信息结构的研究揭开了崭新的一页，人们把其遗传信息系统归于真核细胞的第二遗传信息系统,或核外基因及其表达系统。

近年来，引起了人们对其极大地研究兴趣，其主要原因有:

1）线粒体是细胞的动力站,线粒体基因具有重要生物功能.线粒体基因组编码核糖体和生物氧化链上某些重要酶的部分亚基.植物的胞质雄性不育[1]、真核细胞的抗药性[2]、细胞的生命周期（Internet:

LowRL,etal.1999）也都与mtDNA有关.线粒体的某些功能也可能至今未被解释；2）线粒体DNA是真核细胞较小而又较易纯化的复制单位.线粒体基因组不仅是研究DNA结构与DNA复制、转录的良好模型,也是研究真核细胞核酸与蛋白质合成的一般问题的非常合适的模型系统.线粒体基因组比较简单,并且具有很高的专一性、独特性.线粒体DNA的传递、重组、分离、复制、转录都可应用分子生物学的许多手段和方法进行分析；3）线粒体基因组与核基因组在遗传信息表达上的相互关系是一个很重要的问题.线粒体基因组具有独立复制的能力.线粒体有自身独特的DNA、rRNA、tRNA、核糖体,但是实现线粒体基因组复制与表达所需的许多酶（如DNA聚合酶、RNA聚合酶）却是由核基因组编码的[3.4].事实上,编码线粒体基因组的核基因数量大大超过了存在于mtDNA本身的基因数量,而mtDNA的遗传信息容量并不大,它的编码可能性只是核DNA编码容量的几万到几十万分之一,建立这种独立的线粒体遗传系统的机制本身使线粒体遗传显得极有意义.4）线粒体基因在真核生物中的高保守性使之成为进化研究的标记.对mtDNA的研究还会为线粒体起源提供有价值的线索，而线粒体起源问题与细胞起源及生物进化有密切关系；5）线粒体基因组的变异与生物的一些生理、病理方面有紧密相连的关系，并且可以解释一部分进化上的问题。

2.线粒体基因组及其变异的研究现状

2.1线粒体基因组的结构特点

大量不同动物线粒体基因组全序列测定表明,动物线粒体基因由大致为15～20kb的双链环状DNA分子组成。

双链3′端是一段具有二级结构的高保守性控制区,控制线粒体DNA的复制和转录.这一区域多是串联重复序列,并在核DNA上有同源区。

它与转座、错配表达和线粒体基因异质（heteroplasmy）相关[5]。

哺乳动物的线粒体基因DNA没有内含子，几乎每一对核苷酸都参与一个基因的组成，有许多基因的序列是重叠的，例如，Anderson等于1981年测定了人线粒体基因组全序列，共16569bp，除了同启动DNA有关的D环区（D-loop）外，只有87个bp不参与基因的组成。

现已确定有13个为蛋白质编码的区域，即细胞色素b、细胞色素氧化酶的3个亚基、ATP酶的2个亚基以及NADH脱氢酶的7个亚基的编码序列。

另外还有分别编码16SrRNA和12SrRNA以及22个tRNA的DNA序列。

除个别基因外，这些基因都是按同一个方向进行转录，而且tRNA基因位于rRNA基因和编码蛋白质的基因之间。

12SrRNA基因和16SrRNA基因具有非常保守的二级结构，二者都可以分别形成大小不同的茎环[39]。

一般情况下，12SrRNA基因的保守性比16SrRNA基因更高，所以二者已被广泛运用于系统发育分析以及分子系统学研究[5,6,7,8,9]。

22个tRNA基因中有8个位于L链，其余14个位于H链。

线粒体中的tRNA基因一般可以满足其蛋白质翻译中密码子的需要，当某些线粒体tRNA基因缺陷或者缺失时，通常可由核基因编码tRNA补充，以完成翻译活动[10,11]。

13个蛋白质编码基因包含1个细胞色素b脱辅基酶编码基因（Cytbgene）、2个ATP酶亚基编码基因（ATPase6gene和ATPase8gene）、7个NADH脱氢酶亚基（ND1-ND4、ND4L、ND5、ND6）的编码基因和3个细胞色素氧化酶亚基（Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ）的编码基因（COXⅠgene,COXⅡgene,COXⅢgene）。

蛋白质编码基因的起始密码子在不同动物中的使用情况有一定的相似性，但有些非常特殊的情况，比如TTA[12]、ACG[13]、GTG[14]、TTG[15]、TCG[16]等。

而一般情况下终止密码子有4种：

除TAG和TAA外，一些基因还采用不完整终止密码子T和TA（转录为mRNA后由3’端聚腺苷酸化作用转变为完整的终止密码子[17,18]。

一般情况下，动物线粒体基因组中存在两段非编码区，较短的一段是L链复制起始（rep-origin），其功能可能与基因组复制有关[19]。

较长的一段是控制区（controlregion或称DisplacementLoopRegion），其位于tRNA-Phe基因和tRNA-Pro基因之间。

D-loop区与mtDNA的复制、转录有关[20]，D-loop区一般可以分为：

延长终止相关序列（ETAS）、中央保守区（CD）和保守序列区（CSB）[21]。

动物的线粒体基因组是由一条密度较小的L链和密度较大的H链组成的一个闭合环状双链DNA[22]。

大部分脊椎动物个体内的线粒体基因组DNA呈现高度的均一性[23]，其DNA以D环复制方式和链替换模型方式复制[24,25]动物线粒体基因组除控制区有非编码区存在外,其余都为基因编码区；其解码是由一个很小的tRNA系统完成，而不象在核基因组摆动假说（wobblehypoth-esis）中所要求的32个；它的编码方式不同于核DNA的方式，启动子和终止子采用极为压缩的方式进行连接,有时甚至重叠好几个碱基;而同义区的线粒体基因的碱基编码变换，有些研究认为这是RNA自我剪接的结果，从而对对中心法则中RNA忠实转录DNA遗传信息提出了异议[26]。

无脊椎动物线粒体基因组的表达方式与高等动物不同。

如昆虫线粒体基因组,从目前全测序的果蝇（D.yakuba和D.melanoga-ster）、蚊子（Anophelesgambiae和Anophelesquadrimaculatus）、蝗虫（Locustamigratoria）和蜜蜂（Apismellifera）的线粒体DNA来看,其基因组成高度富含AT碱基对,编码方式也有不同于核和脊椎动物线粒体基因的地方。

2.2动物线粒体基因组与核基因组的关系

线粒体基因组通过自身DNA的反复合成在细胞中形成几个到几千个拷贝,其复制从启动至终止与细胞氧化磷酸化代谢过程紧密相关,因而对细胞的生长至关重要.线粒体DNA复制随着细胞代谢产物递增而受到抑制,致使线粒体活性下降,细胞走向衰亡。

因此,线粒体DNA突变型对于细胞衰老、神经退行性变、肿瘤形成等的研究具有不容忽视的意义。

在高等动物的线粒体复制启始的研究中发现,mtDNA复制从控制区H链OriH开始DNA聚合酶启动必须依赖于一个特异的寡核苷酸引物,但目前对于这一引物合成的有关酶类仍还是不甚了解。

有人分离并提纯mtDNA复制的启动酶,调查它是否在OriH序列处具有DNA复制所必需的转环酶功能或清除氧化代谢产物的活性（Internet:

LowRL,etal.1999）。

最近有人研究核基因对线粒体基因组发现，核基因可以通过micro-RNA对线粒体基因组的表达进行调控，如2010年SamarjitDas研究发现miR-181c在核内合成，胞质进行加工，然后进入线粒体调控mt-COX1的表达[27]。

但目前对核基因组与线粒体基因组的研究较少，还不够成熟，有待进一步深入研究。

2.3动物线粒体基因组的遗传

动物线粒体基因符合线粒体基因组遗传的三个特性[28]:

a.呈母性遗传（maternalinheritance）;b.序列差别在物种内甚至同一群体中的个体间存在;c.同一个体组织中线粒体基因等同性。

虽然有关线粒体基因组母性遗传特性被普遍承认,但无论在一些动物还是植物线粒体基因组中都发现了重组和少量父系基因的传递存在[14]例如在贝类贻贝（Musselmytilus）中雌性和雄性具有不同的线粒体基因组,其中,雌性只含F型mtDNA,雄性则含F和M型mtDNA.也就是,贻贝精细胞中只含M型,或含远远多于F型的M型mtDNA.并在细胞中观察到交换和重组的发生。

个体间线粒体基因组异质性在果蝇中较为常见,它是由于控制区的部分重复造成的。

还有调查表明,不同人个体的mtDNAH链复制起点和D-loop区碱基差异高达1.7%。

线粒体基因异质性所产生DNA长度多态性主要有三种类型:

同聚物核苷酸数目的差异;串联重复序列拷贝数的不同；分子结构中部分区域的重复和缺失[29]。

线粒体基因组的遗传密码与一般地通用遗传密码并不完全一致，Barrell等人在1979年发现并证明线粒体基因组拥有某些独特的遗传密码[30]。

在这之后，一些与一般地通用遗传密码不同的线粒体遗传密码被陆续发现，比如AUA由通用遗传密码中的异亮氨酸密码子在线粒体中变为甲硫氨酸的密码子、UGA由通用遗传密码中的终止密码子在线粒体中变为色氨酸的密码子、AGA和AGG由通用遗传密码中的精氨酸的密码子在线粒体中变为终止密码子、AUG在人类细胞线粒体中也编码甲硫氨酸[35]。

此外，Khan等人发现在通用遗传密码中是终止密码子的UGA在山羊支原体线粒体中变为色氨酸的密码子，而且使用频率比UGG更高[36]。

现在生物学家认为可以通过线粒体独特的遗传密码和通用遗传密码的对比研究[31]，推导出遗传密码的演化过程模式。

2.4线粒体基因组的变异

线粒体基因组的大小差异受自然选择影响，因为小型线粒体基因组所需要的复制时间要少于大的基因组，这样小的线粒体基因组在自然选择中可能更占优势，其原因主要有：

1）控制区串联重复元件的变异，控制区基因所受进化压力较小，其遗传变异相比编码序列更大，是线粒体基因组中碱基替换和长度变异最大的区域[1],Rand[33]分析了内温动物和外温动物线粒体基因组大小的变化，认为所有己知的动物线粒体基因组大小的变化都是由控制区内串联重复元件数目的变化引起的.这一结论在鱼类#哺乳类#鸟类#爬行类和昆虫等线粒体基因组的研究中得到了证实[]；2）基因重复，Kumazawaetal[32]认为造成线粒体基因组大

小变化的原因是DNA编码区基因的重复，这种重复可能具有分类学上的专一性。

3）基因重叠与基因间隔区大小的差异，动物线粒体基因之间的排列十分紧凑，一些相邻的编码基因甚至发生部分碱基的重叠。

4）基因缺失和增加，例如，动物线粒体基因组中一般含有37个编码基因，但少数物种，如线虫动物其线粒体基因组中往往缺少atp8基因[33]。

线粒体基因组变异的研究目前虽然在进行，但很少有突破性的进展，尚不能与表型变异紧密联系起来，对生理、病理的研究还有待深入进行。

2.5线粒体基因组的起源与进化

线粒体基因组的起源问题，内共生理论（Endosymbionttheory）影响最为深远并得到广泛认可[34]。

内共生理论由L.Margulis[35]提出，此理论认为真细菌的祖先进入原真核生物细胞体后，与宿主细胞逐渐形成内共生关系。

真细菌的部分基因组转移到宿主细胞的核基因组中使之成为现核基因组，而真细菌的大部分与无氧代谢、生物体内物质合成有关的基因组丢失，其原功能变为非必须功能或由其宿主细胞功能所取代，逐渐演变成为现细胞器基因组，目前研究表明，线粒体与原生生物中立克次氏体（Rickettsia）亲缘关系最接近[36]。

3.线粒体基因组研究前景

自从Nass等人于1962年证明线粒体拥有自己的基因组之后[37]，线粒体基因组研究发展迅速。

如今对线粒体基因组的研究正从各个方面展开，比如生物学家利用线粒体基因组的某些基因研究某些动物的物种起源[38,39]、系统发育[40]、种群系统地理学、物种进化等。

需要指出的是，由于线粒体的主要功能是通过氧化磷酸化产生ATP，从而为细胞提供能量以维持生命活动[41]，所以现在很多科学家在研究动物适应恶劣生境和生存条件时，也从线粒体基因组角度进行研究。

比如我国科学家于2007年发现藏马线粒体基因组中的NADH6基因在藏马适应高原环境过程中起到了至关重要的作用[42]。

此外，2012年我国科学家钱桂生、王长征等发现线粒体基因组某些位点的遗传变异可降低线粒体复合物I活性和细胞呼吸，从而促进世居高原藏族人群适应高原缺氧环境的能力[43]。

目前对线粒体基因组的研究已取得了很大的进展，但对线粒体基因组与核基因组之间的关系及其变异与抗逆性、病理之间的研究仍然有待深入进行。

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