基本概念和定义

·在有性繁殖的真核生物中，父系和母系对子代核基因组的贡献都是均等的，产生典型孟德尔遗传模式(参见亲本印记和性连锁遗传)。所以核遗传(nuclear inheritance)被称为双亲融合(biparental)。然而细胞中除了细胞核还有其他细胞器有自身的基因组(最主要的例子是线粒体和叶绿体)，同时细胞质中还有可能含有寄生虫，病毒或内共生体等有机体。

·细胞质内遗传信息与细胞核内基因的遗传方式是不同的。细胞质遗传(cytoplastic inheritance，核外遗传或基因组外遗传)通常是单亲遗传(uniparental)，即仅由单亲提供到合子中。在动物中，细胞质遗传与母系遗传(matemal inheritance)是同义的，因为只有母系配子对合子提供细胞质。在植物中，母系遗传占主导地位，但某些物种是父系遗传(patennal inhentance)，还有的双亲都有细胞质传递的能力(不是同时起作用)。在植物和低等的真核生物中，双亲的配子都能为合子提供等量的细胞质，但是双亲之一细胞质的基因经常被选择性的破坏或失活，所以遗传方式还是功能性单亲遗传。后代的基因型只决定于双亲之一，与另一个的基因型无关。

·细胞器基因组在结构和功能上和某些真细菌的基因组的性质相似。因此一般认为它们是由寄居在早期真核细胞中的内共生生物演化而来的。细胞器基因组和核基因组在功能上的高度整合是细胞器功能所必须的，这也暗示着在细胞器进化的过程中，大量细胞器的基因都被转移到核基因组中去。

  内共生理论和混栖DNA  细胞器有可能是由与原始的真核细胞形成内共生体原核生物演化而来的。这个模型的证据包括，细胞器与现有的细菌在基因组结构，基因表达的机制和对抗生素敏感性等方面的相似性，以及它们的基因和多肤序列的相似性。经历了一个进化时期，线粒体和叶绿体的部分基因丢失进入核内，从而对宿主依赖。混栖DNA(promiscuous DNA)的存在也支持了上述观点(细胞器起源的，可插入核或多种细胞器的基因组)。混栖DNA的序列能够反映一些最近DNA转座的事件。虽然转座的机制还不清楚。但是基因从细胞质转移到核内的罕见事件的确发生。

2．1细胞器遗传学

母系遗传  母系遗传是指只通过母系进行基因以及它们所控制的性状的传递。这反映了一个事实：在很多高等的真核生物中，母亲提供受精卵全部的细胞质而父亲只提供父系的核物质。母体遗传不能与母体影响相混淆，后者只反映在早期发育中母体的控制，与核基因遗传相关，表现出正常的孟德尔分离比例。

母系遗传(maternal inheritance),即仅通过卵子细胞质传给下一代,雌雄性后代都接受其母亲的基因型但只有雌性随后将线粒体传给下一代。这种传递方式是由于成熟卵母细胞中贮藏着大约10５～１０８个线粒体而精子中一般只带有50～100个线粒体,因此大多数动物中线粒体的遗传比例雄雌约为1:2000,而且在受精过程中大多数的精子线粒体可能不进入卵细胞中,因而从母系来的线粒体在数量上占有绝对优势。有时偶尔有精子线粒体进入卵子中形成线粒体的父系渗入(paternal leakage),引起个体内线粒体DNA的异质性和双亲遗传现象。

细胞质遗传的其他形式  线粒体DNA和叶绿体洲A是最普通和了解最清楚的细胞质遗传形式。其他的细胞器虽然被确信也含有DNA(如中心粒)，但其编码潜势和功能了解得还是很少。内源性的微生物以寄生和共生的方式与宿主共存时，也产生细胞质遗传的信息。如病毒、细菌等存在于真核细胞胞质内，以母系遗传的方式给予了宿主细胞某些表型。

表2．1用于描述细胞器基因组行为的一些名词

  名词                                 定义

  细胞型  是由细胞质而不是核中的物质给予细胞的特性。不仅用来指代细胞质基因控制的性状，还可以用来指代在细胞质中合成并发挥功能的核基因所控制的性状(如参见P因子，杂种不育)。

  同质的  由纯合细胞质而来—有同一基因型的细胞器的个体。

  异质的  由杂合细胞质而来—具有不同基因型的细胞器的个体。

  胞质杂合子  异质细胞。高等真核生物的细胞有同质的趋势，除非产生自发突变，胞质杂合子可以由细胞融合而产生。胞质杂合子在低等真核生物中是由双亲的细胞质遗传而自然产生的。在这些物种中双亲的一方细胞质将被破坏，这一过程的失败就产生了胞质杂合子。这些异常的细胞叫做双亲融合子(biparental zygotes)。

  细胞质分离  在有丝中，异质性的细胞产生了同质性的细胞。这反映细胞器在子代细胞中的随机分配，一个随机的过程引起的失衡可以在下一轮的中得到进一步的放大。一般几代以后，所有的子代细胞都是同质性的。相同的原理也可见于多拷贝质粒的分离

  异核体，同核体，融合体 这些术语是与核而非细胞质基因有关的，但经常与细胞质遗传相混淆，因而在此说明。异核体是一个细胞含有一个以上的核且这些核有不同的基因型。同核体是多核的，但所有的核都是同一种基因型。融合体包含二倍体的核。一个合子可以被称为做融合体。

2．2细胞器基因组的一般特征

    利用多种技术来鉴定核DNA和线粒体DNA在结构和功能上的区别大大促进了对细胞器基因组分子水平的描绘。这些技术包括利用不同的抗生素选择性去抑制核基因或线粒体基因的表达，分离细胞器中转录和蛋白合成的分析，细胞器DNA和RNA的体外表达，连锁作图，性内切酶图谱，杂交分析和测序。细胞器基因组和核基因组在它们的结构组织，稳定性和基因表达和调节机制等方面表现出根本的差异。细胞器基因组的一些特性列于表2.3。

表2．3细胞器基因组的一些特性

  1.基因组经常是环状，并且是多拷贝的。

  2.绝大多数细胞器基因都是有基因表达功能的(如tRNA．rRNA．RNA聚合酶)。还有的基因编码细胞器功能(如与光合作用和氧化磷酸化有关的蛋白)，不过大多数蛋白是由核编码后运输进来的。

  3.基因组经常以重组产生的序列变异体混合物的形式存在。

  4.转录和翻译的是由类似原核生物的序列和反式作用因子完成的。

  5.细胞器基因组的表达对于抗生素敏感，但对真核核基因的抑制因子并不敏感，这个现象对于核基因和细胞器基因分离研究很有用。

  6.转录很复杂，包括多个转录起始位点和多顺反子信息。

  7.细胞器基因基本上是以转录后加工的机制，包括mRNA稳定性的调节，RNA加工，蛋白质合成和蛋白质降解。

  8.基因表达具有特征性的复杂的RNA加工反应，包括切割，顺式—、反式—剪接，RNA的编辑和降解。

  9.细胞器经常使用统一的遗传密码的变体，反映更小tRNA种类的组成和更大的摆动相互作用。

  10.细胞器可以携带基因组外的质粒，通过介导基因重排质粒可提供宿主更多的表型。

2.3 叶绿体基因组

由于光合作用的重要性和叶绿体DNA比较简单，所以对叶绿体基因组的分子生物学研究开始得比较早。叶绿体来源于分生组织细胞的原质体。当光合电子转递组份和ATP合成酶组装进来以后，叶绿体便成为有功能的光合单位。原质体和叶绿体也能分化成为专门的质体类型，如根和块茎中的造粉体，花和果实中的有色体。质体的分化同组织专一性、细胞专一性以及发育上专门基因的调节有关。植物中每个细胞含40个叶绿体，每个叶绿体内含有10—1000个cpDNA拷贝。

    叶绿体基因组是一环状的双螺旋DNA分子，也叫叶绿体DNA(cpDNA)。它们的大小一般变动在120kbp至217kbp之间。cpDNA编码了叶绿体基因表达所需的各种蛋白和结构RNA，包括各种密码子所需的tRNAs，rRNA，一些核糖体蛋白和RNA聚合酶。此外叶绿体编码在光合作用中具有直接的作用的蛋白，包括光合系统I和II中的组成部分。叶绿体中所用的绝大部分多肽是由核基因组编码产生，再转运至叶绿体中。核/细胞质整合的程度非常高，在某些时候很多叶绿体编码的和核编码的蛋白相互缔合发生作用。例如，在一些植物中，核酮糖—l，5—二磷酸羧化酶—加氧酶(Rubisco)二聚体的大亚基是由叶绿体编码而小亚基由核编码。cpDNA均具有携带rRNA基因(rDNA)的重复序列，重复区的长度在10kbp(拟南芥菜)和25kbp(烟草)之间。大多数植物的叶绿体基因组是两个含有rDNA的倒置重复(IR)被一个大的单拷贝区(LSC，大约长80kbp)和一个小的单拷贝区(SSC，大约长20kbp)分开而组成的。一些豆类(如蚕豆和豌豆)则只有一个rDNA单位。

   烟草叶绿体DNA研究比较详细，它是一环状的由155844bp组成的，含有两个25339bp倒置重复，被一个大的86684bp和一个小的18482bp单拷贝区分开。整个基因组含有四种rRNA(16S，23S，5S，4．5S)、30种tRNA、44种蛋白质以及9种其他蛋白质的基因。所有这些基因都是在叶绿体内转录的。最近发现的同大肠杆菌核蛋白体50S亚基结合的L36r蛋白也是叶绿体的r蛋白，其基因存在于infA基因和rpSll基因之间,rpL36以前也叫secX。

    cpDNA是相当保守的，DNA—DNA分子杂交显示，在种内甚至在种间，酶切图和序列都是一样或类似的。在无关的植物间至少有30％序列是共同的。这些保守序列分散存在，可能与密码区和非密码区有关。烟草 菠菜、矮牵牛和黄瓜的cpDNA基本上都是线性相关的。

    根据对多种植物的分析，质体基因组大约共含有120--140个基因，可分成为两大类：

(1)同光合有关的基因

    Rubisco大亚基  rbcL

    PSI            psaA，B，C，I，J．

    PSIl           psbA，B，C，D，E，F，G，H，I，J，K，L，M，N．

    ATP合成酶      atpA，B，E，F，H，I．

    细胞色素复合物  petA，B，D，E．G．

    NADH脱氢酶  ndhA，B，C，D，E，F，G，H，J，x．

(2)叶绿体基因表达所需要的基因

    转录  RNA聚合酶  rpoA，B．C

    翻译  rRNA       rDNA(16S，23S，5S，4．5S)

                     tRNA  trn(30个)

                     r蛋白小亚基  rpS(12个)

                    r蛋白大亚基  rpL(8个)

                     起始因子  infA

                     延长因子  tufA

    复制             单股结合蛋白  ssb

    未鉴定         ＞100个密码(19个)

                    ＜100个密码(18个)  ；

    在陆生植物，已经对地钱(Marchantia po1ymorpha)、烟草和水稻的叶绿体基因组作了

全序列分析。根据对1000多个光合陆生植物叶绿体基因组构建和进化的研究发现，这个基因组在大小、结构、基因含量和整个基因构建方面都是很保守的。为了研究此基因组在整个植物界的进化关系，最近不少作者展开了对藻类叶绿体基因组的研究，证明其趋异性很大，其大小变动至少5倍，从绿藻刺海松(Codiumfra8ile)的kb到某些轮凝科和绿藻科的400kb。

rRNA基因(rDNA)  为四种叶绿体核蛋白体RNA(16S、23S、4．5S和5SrRNA)编码的基因成串地存在于倒置重复区，其排列顺序是16SrDNA—区间—23SrDNA—区间—5SrDNA，与大肠杆菌和兰藻类似。在高等植物，叶绿体尚有一种小的4.5SrRNA，它的基因接近于23SrDNA的3’端。最近也发现，两种低分子量的3S和7SrRNA存在于衣藻50S核蛋白体亚基上，由23SrDNA5’端前面的序列为它们编码。在眼虫的16S—23SrDNA区间含有tRNA(Ile)和tRNA(Ala)基因。许多植物的16S—23SrDNA区间皆大于2000个碱对，这主要都是由于存在有tRNA基因含有内含子的缘故。叶绿体16SrDNA的大小估计为1491个bp，而大肠杆茵的为1541个bp，其中有1144个是相同的(74％同源)。烟草和眼虫的序列有96％和80％与玉米的序列是相同的。Cerutti和Jagendorf(1991)从豌豆获得叶绿体DNA的2．3kb片段并克隆进pBluescript裁体中进行了全序列分析。他们证明,这个克隆含有tRNA(Val)基因(72个核苷酸)和16SrRNA的基因(1490个核苷酸)。对玉米和烟草叶绿体23S和4．5SrDNA克隆的cpDNA也进行过序列分析，烟草23SrDNA的3’端后面是101bp的区间，然后则是103bp的4．5SrDNA。某些植物四种rRNA共转录的，而另一些植物5SrRNA可能来自于分开的转录单位。rRNA的丰度同转录的速度相关。在衣藻叶绿体的23S rDNA中最先发现有内含子。

  tRNA基因  在cpDNA分子上有30余种tRNA基因，其中有7种存在于倒置重复中，其他则分散在整个基因组中。一般认为，叶绿体的蛋白质合成不需要由细胞质输入tRNA。

对眼虫cpDNA的EcoRl片断G1．6kb部分的序列分析证明，在367bp内存在有4个tRNA基因。排列的情况是：tRNA（Val）—16bp区间—tRNA（Asn）—3bp区间—tRNA（Arg）—45bp区间—tRNA（Ile）。烟草叶绿体tRNA（Asn）基因存在于倒置重复区，离5SrDNA远端大约900bp处和小的单拷贝区接合处。在叶绿体tRNA基因中有内含子最先是在玉米的trnl和trnA中证明的。以后在烟草的少数叶绿体基因(6个trn，4个r—蛋白基因，atpF，petB，petD，ndhA，B)中发现有内含子，而拟南芥菜分别有6个tRNA基因和12个蛋白质基因有内含子。有些内含子非常长（几百个碱对），虽然其所编码的tRNA才不过70—80个核苷酸。应当指出的是，玉米内含子I和II序列分别含有123和45个密码子开放读框(ORF)。烟草内含子I和II分别含有71和36个密码子的ORF。

r—蛋白的基因  质体核蛋白体的生物发生比较复杂，由核基因组和质体基因组共同编码。叶绿体70S核蛋白体有58至62种核蛋白体蛋白质(r—蛋白)。其中有三分之一是叶绿体编码的。在这些基因中，rpS7、rpL2和rpL23存在于倒置重复区，rpSl2、rpSl6、rpL2和rpL6含有536至l020bp长的内含子。眼虫的rpSl2由125个密码子组成，而且没有内含子。烟草的rpS12基因是分开的，它的外显子存在于倒置重复(IRA和IRB)中；rpL23、rpL2、rpS19、rpL22、rpS3、rpL16、rpLl4、rpS8、rpL36和rpSll是按这样的顺序成串排列的，这与大肠杆茵的情形非常类似。

    RNA聚合酶基因(rpoA，B，C)  质体和线粒体含有它们自己的DNA和基因表达系统，但是离不开核基因产物进入这些细胞器。核与质体的相互关系不仅在主要质体蛋白如Rubisco和光合复合物的组装和功能上起作用，而且也似乎控制细胞器基因表达系统本身。玉米的溶性需DNA的叶绿体RNA聚合酶的纯化促进氯方面的工作。接着从叶绿体分离出一个大的多亚基RNA聚合酶。这个酶含有三个叶绿体编码的亚基，其基因分别为rpoA、B、C，与大肠杆菌RNA聚合酶亚基同源。其他亚基是由核编码的。烟草叶绿体RNA聚合酶基因与大肠杆茵的rpoC序列非常类似。

    芥菜叶绿体和黄化质体在体外实验时转录系统功能特性不同，反映在磷酸化的差异上。Pfannschmidt和Link(1994)报道了另一类转录控制机制，此机制同两个命名为峰A和峰B酶的质体需DNA的RNA聚合酶有关系。两者都是大的多亚基复合物，但天然分子量(峰A＞700kDa，蜂B＝420kDa)和多肽成分不同。A酶至少由13个多肽组成，而B酶只含有四个假定的亚基。峰B活性受利福毒素抑制，而峰A是抗利福霉素的。芥菜在连续光下或暗处生长4天，或先在暗处生长然后转移至光下16小时，再从于叶提取叶绿体、黄化质体和中间型质体，最后比较三者的RnA聚合酶活性。在所有情况下总活性差不多是相同的，b酶最显著的活性来自于黄化质体，A酶最显著活性来自于叶绿体，两者在中间型质剂中的酶活性杆相等。两种酶的活体和失活以及特异的基因表达似乎在质体转录机制调节中起作用。

    rpoB,rpoCl和rpoC2是相互靠近地存在于叶绿体基因组中。这些基因是共转录的，产生的转录物需加工。四个叶绿体RNA聚合酶基因中的两个，rpoA和rpoB同大肠菌RNA聚合酶的编码的β亚基氨基酸序列有26％和50﹪相同，rpoCl和rpoC2同大肠肠菌编码的rpoC的5’和3’各半端相同；除了叶绿体编码的RNA聚合酶以外；也发现存在有由核编码的RNA聚合酶。

叶绿体基因表达的顺式作用元件在结构上与细菌的启动子类似，并可以在大肠杆菌中起作用。转录通常很复杂，产生不同大小的多顺反子mRNA，在特定的加工位点加以剪切。基因的通常发生在RNA的稳定性和蛋白质合成的水平上，很多宿主编码的在叶绿体基因转录后调节过程中起作用的蛋白已经被分离出来。很多叶绿体的基因含有II型自剪接的内含子，这暗示还存在另外一些复杂的RNA加工的过程，如反：式剪接和RNA编辑(参阅)。蛋白质合成中的核糖体结合位点与大肠杆菌中的相类似，叶绿体使用的密码子是末修饰的普适的遗传密码。

2.4 线粒体基因组

  线粒体基因组在大小、基因组成和基因组结构是极其多样化的，其大小和结构组成在不同分类群中表现出极大的不同。虽然类似于叶绿体基因组，但线粒体基因组主要编码具有基因表达功能的基因(如rRNA，tRNA和RNA剪接酶)和一些有关线粒体功能的多肽。很多线粒体蛋白是在细胞质内合成后转运人线粒体。

2.4.1 真菌线粒体基因组

酵母的线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)长度约80kbp，是真菌mtDNA中最长的。它包括了一些非编码富含AT的DNA，它被富含GC的区域所分割，并含有复制起始位点。很多酵母mtDNA有很大的内含子，它们可能包含编码控制内含子剪接和转位蛋白的开放阅读框(参见归巢内合子)。在mtDNA中含有所有三种类型的自我剪接内含子(参阅)。tRNA基因经常以功能簇的形式出现，而rRNA的基因是分散的。另外一些真菌的mtDNA比较小，大约20kbp，含有较少的重复序列。

2.4.2 植物线粒体基因组

高等植物的线粒体在ATP产生、光呼吸和氨基酸碳骨架形成中均有重要的作用。在植物细胞内线粒体与其它细胞器之间存在着广泛的相互作用。曾证明不同组织的线粒体蛋白组份有变化。对小麦黄化叶、绿叶、根和愈伤组织进行的双向凝胶电泳分析表明蛋白组份质和量均有变化。在马铃薯不同组织的线粒体内也观察到了多肽组份的变化。在照光的叶内线粒体也是细胞溶胶的ATP重要的来源。用各种底物进行的线粒体呼吸的测量证明线粒体外反应所需的NADH有25％来自于线粒体过程。光合活跃的叶子能不断输出柠檬酸给细胞溶胶，柠檬酸通过细胞溶胶乌头酸酶和需NADP异柠檬酸去氢酶转变为2—氧戊二酸，为谷氨酸和谷氨酰胺合成提供前体。线粒体代谢在花发育和维持雄性育性上也有重要的功能。花形成的早期阶段在枝端线粒体数增加。线粒体基因组突变能破坏花粉和花的发育。线粒体蛋白质一部分是由线粒体本身编码的，另一部分是由核编码的，在细胞质内合成，然后进入线粒体。

植物mtDnA在大小上表现出令人难以置信的多样性，从100kbp到2．5Mbp，较大的基因组含有较高比例的DNA重复序列。在一些植物种属中，mtDNA大小相同，但是很多植物中存在着复杂结构，包括不同大小的线状，环状分子和重组所产生的一些结构。完整的基因组称为母环(master circle)；而小的衍生物叫做亚基因组环(subgenomic circles)。母环的重复序列为重组的位点——一一般可以看见每一个基因组重组产物的全貌。

植物线粒体基因组(mtDNA)大小变动在200kb(油菜)和2500kb〔西瓜)之间。比哺乳动物(大约16kb)和酵母(大约78kb)都要大。其环状DNA分子是由主环和含有直接或倒置重复的小环组成的。此外，在线粒体DNA中也存在有叶绿体DNA。整个基因组是由不同大小的DNA分子组成的。似乎是所有这些分子均是借助于在专门位置上的重组来自于一个大的环状分子主染色体。

   已得到研究的植物线粒体的基因约有20余种，包括有：

    rRNA基因(rrn26、rrnl8和rrn5)；

    tRNA基因；

    rpSl2和13(核蛋白体小亚基蛋白S12和S13的基因)；

    coxI、I、III(细胞色素氧化酶复合物的亚基I、II和III的基因)；

    cob(细胞色素bcl复合物的脱细胞色素b蛋白的基因)；

    atpA，6，8，9(ATP酶复合物亚基。、6、8和9的基因)；

    ndhl，2，3，4，5(NADH去氢酶亚基的基因)。

    线粒体基因组除了这个高分子量的主基因组外；某些植物的线粒体还含有较小的线形或环形DNA分子。在某些植物中还检测到小的环状的质粒。这些小的DNA分子有或无同细胞质雄性不育(CMS)存在相关性。

    rRNA基因(rDNA或rrn)  植物线粒体核蛋白体与动物和真菌的不同，它们含有18S、26S和5SrRNA。比人类的(12S和16S)和酵母的(15S和2lS)都要大。玉米线粒体的18SrRNA比玉米细胞质的17SrRNA也要大。植物线粒体rRNA在一级结构和二级结构上更类似于细菌和叶绿体的rRNA。玉米26SrRNA和共转录的18S和5SrRNA基因，每个均有单个的主要起始位点。rRNA原初转录物要加工后才能产生成熟的rRNA。  ·

   羽扇豆线粒体18SrRNA基因由2023个核苷酸组成。与小麦长1955个核苷酸(nt)的18SrRNA基因有81．9％相同，与大豆(1900nt)有97．0％，与玉米(1976nt)有86，0％，与月见草(1900nt)有87．．0％相同。最大的相似区集中在18SrRNA基因的3’部分。在所有的植物中，18S基因均有两个保守区：3’部分的360个核苷酸区和5’部分的1000个核苷酸区。

    tRNA基因(trn)  在玉米和小麦线粒体的研究中，对大多数tRNA基因都进行了定位和序列分析，在很多方面与原核生物或叶绿体tRNA基因类似。高等植物线粒tRNA有三种基因来源。某些tRNA是由线粒体基因编码的，这些基因同相应的真菌和叶绿体基因有65％一80％相似。另一些tRNA是由类叶绿体基因(同叶绿体基因90％--100％相似)编码的，这些基因可能是插入线粒体基因组中的部分叶绿体DNA。第三类线粒体tRNA分子则是由核基因组编码的，转录形成后进入线粒体。

    到目前为止，在植物线粒体DNA上共找到了30个tRNA编码序列。在小麦18SrRNA基因编码序列的末端是起始甲硫氨酸tRNA基因的5’核苷酸。大豆的mtDNA中，起始tRNA基因存在于细胞色素氧化酶亚基l编码序列的近处。酵母mtDNA共有25个tRNA基因。

蛋白质基因 所有植物线粒体基因组都编码细胞色素氧化酶的亚基I、II和III，脱细胞色素b蛋白以及ATP酶α、β、8和9亚基蛋白。

细胞器质粒  很多植物的线粒体除了基因组外还携带质粒，它们的结构非常多样化(基因组是线性或双链环状DNA，或单链/双链RNA)，它们很多与细胞质雄性不育(cytoplasmic  male sterility，cms)有关，细胞质因子阻断雄性花粉的产生，这促进植物的异型杂交，因而总的来说对于植物是有利的。cms表型可以为核基因的表达所抑制。例如cmsT的线粒体产生一个新质粒编码的蛋白，以一个我们目前还不了解的机制产生不育的表型。 这种表型可以通过增加两个核基因座(Rfl和Rf2)的表达加以抑制，它们能够阻断此蛋白的合成。

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2.4.3 动物线粒体基因组   

动物mtDNA比较小(小于20kbp)，结构上也很经济，不包含内含子，基因之间的空隙很小，只有单个控制复制和基因表达的非编码区。动物线粒体DNA的空间节约体现在多方面，包括全基因组转录，基因重叠和无终止密码子(它们是在RNA多腺苷酸化的转录后加工的过程中加上去的)。

动物线粒体的主要特征  线粒体(mitochondria)是真核细胞的胞质细胞器,存在于真核生物的所有细胞中。其形状多种多样,随细胞的种类和生理状况而异,一般情况下为杆状或颗粒状,直径为0.5～1.0μm。每个细胞所含有的线粒体的数目因细胞种类而异,范围在1～50万个之间。一般地,未分化细胞、淋巴细胞、表皮细胞内的线粒体数目较少,而肝细胞、胃壁细胞、肾脏细胞中的线粒体数目较多,如一个正常肝细胞含有1000～2000个线粒体,约占总细胞体积的１／５。     

动物线粒体基因组的结构特征 多细胞动物mtDNA的主要特征可总结如下: 

(1)具有环形双链结构,外形长度约5μm。 

(2)mtDNA大小在14～42kbp之间,其中绝大多数动物中位于16～18kbp之间。mtDNA长度的变异可以在不同种、同种不同个体间以及同一个体内观察到,但这种长度差异并非源于基因数目,主要由于非编码区的长度变异,有时也由于编码区的重复。现有的数据表明线粒体DNA的大小与分类单元之间无直接关系,虽然发现大量的种内个体间mtDNA长度变异,但绝大多数情况下mtDNA在种级甚至更高阶元的水平上具有相对稳定性。 

(3)mtDNA具有相对恒定的信息容量。大多数动物的mtDNA由37个基因和一段长度可变的非编码序列组成,37个基因分别是:

2个rRNA基因:16SrRNA和12SrRNA基因。 

22个tRNA基因:TA、TR、TN、TD、TC、TQ、TE、TG、TH、TI、TL1、TL2、TK、TM、TF、TP、TS1、TS2、TT、TW、TY、TV。 

13个蛋白质基因:分别为细胞色素C氧化酶亚基Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(Co、 Co2和Co3),细胞色素b脱辅基酶(Cytb),ATP合成酶亚基6和8(ATPase 6和ATPase 8),NADH脱氢酶亚基1～6(ND1～6)和4L(ND4L)。 

(4)mtDNA的基因排列具有相对稳定性。mtDNA的基因排列在同一门动物中十分相似。在脊椎动物中,所有37个基因都以相同的相对位置排列着(仅在有袋类和鸟类中有微小变化)。棘皮动物门中基因排列顺序也相似,海胆纲和海星纲之间只有一个基因的倒位差异。节肢动物门昆虫纲不同目之间常有1至数个tRNA基因转位引起的差异。软体动物及线虫纲内基因排列变化较大,而且这两类动物还缺少由mtDNA编码的ATPase8。与上述同一动物门线粒体基因排列的广泛一致性相比,不同门之间则有实质上的差异。 

(5)mtDNA核苷酸组成具有不均一性。mtDNA分子是由平均组成很不均一的片段构成的,碱基组成G＋Ｃ％从21%～50%之间变化,其中脊椎动物Ｇ＋Ｃ％为37～50％,无脊椎动物21～43％,显示了这两大动物类群在mtDNA组成成分上的巨大差异。mtDNA中碱基组成远离随机平均组成的现象称碱基组成的偏向性(base compositional bias)或核苷酸偏向性(nucleotide  bias)。已知mtDNA完整序列的种类的统计分析显示,昆虫含有最高的A＋T％比例,果蝇(D．yakuba)A＋T％占78.6%,密蜂为84.9%。 

(6)动物mtDNA无内含子和转座因子,也没有基因间隔序列,或即使有也很短,仅1至数个核苷酸,大多数基因之间紧密相连,甚至有的基因之间还有一段重叠序列。但动物mtDNA有一段长度可变的非编码区,它是mtDNA复制及转录的起点及控制区,在昆虫和线虫中控制区A-T含量极高,在棘皮动物和脊椎动物中控制区称D-环(D-loop)。 

动物线粒体基因组多态性和异质性 mtDNA的多态性是指mtDNA在同种群体内或群体间表现出的变异现象。这种多态性可区分成位点多态性和长度多态性两类,它们都可通过性内切酶来分析。目前对长度多态性研究较多,截至1993年已在从线虫到人类共51种动物中发现mtDNA的长度变异。Rand(1993)总结了这些研究,发现长度多态性大部分来源于40bp～10.4kb的串联重复序列,此外还有长度不等的插入或缺失。许多较小的重复(一般小于1kb)以多拷贝形式重复发生,其拷贝数目在同一个体内及不同个体间常有变化,某些种类中这种重复经常发生,但具有有限的地理分布和类群分布显示了其历史的不稳定性,很难从系统发育角度分析其进化动态。Rand(1993)还发现恒温动物比变温动物的mt DNA长度变异程度小。 

    mtDNA的异质性(heteroplasmy)是指mt DNA在个体水平上表现出的变异,即同一个体内mtDNA分子的多态性。异质性可分成长度异质性和位点异质性两类。异质性的形成主要是由突变引起,少数情况下mtDNA的父系渗入也能引起异质性。对于严格遵守母系遗传的种类,mt DNA异质性的产生需包括一个雌性配子细胞发育过程的突变事件,导致位点或长度变异,然后通过分离和选择形成异质性的mtDNA。从现有数据看,长度异质性研究较深入,已在2种软体动物、9种昆虫、6种鱼、5种两栖动物、4种爬行动物、1种鸟和7种哺乳动物中发现mtDNA长度异质性(Rand,1993)。在上述动物中mt DNA异质性个体的百分比从1.3～100％之间变化。 

动物线粒体基因组的进化 从目前所能利用的脊椎动物和昆虫的mtDNA数据分析表明, mtDNA进化的主要特征是以碱基替换为主,插入和缺失较少,序列进化速率比核DNA快,无重组现象,但不同门的动物之间发生过基因重排,少数门内各单元某些tRNA基因有倒位和转位的变化。 

   mtDNA碱基替换的型式和速率可通过比较近缘种间的序列来研究。碱基替换主要发生在基因间隔区和控制区,且不同部位替换速率不同。在种内或种间控制区进化速率最快,rRNA基因最慢,蛋白质和tRNA居中。碱基替换的形式以转换为主,且转换与颠换的比例随分歧时间而变: 

造成这种现象的原因是由于mtDNA高变区密码子第三位发生了多重替换(multiple substitution),多重替换的数目与分歧时间成正比。此外,在线粒体中扩展的密码子识别模别允许单个tRNA可识别多至4个密码子,因此mtDNA中密码子第三位碱基的同义替换比核 DNA中要高。mtDNA的进化速率也随分歧时间而变。以灵长类为例,在分歧之初每一支系以0.5～1％MY的速率改变着,当序列差异达30%时,进化速率降低一个数量级。Brown(1983)在分析许多哺乳动物mtDNA图谱数据后指出,分歧时间在15MY以内的近缘种间mtDNA进化速率比单拷贝核DNA快10倍;当分歧时间大于25MY,mtDNA进化速率等于或小于单拷贝核DNA的进化速率 

mtDNA上述进化特征是与mtDNA以下结构及生理特点相关的: 

(1)紧密排列的线粒体基因降低了基因重排的发生频率。任何成功的基因转位都必须准确地从基因两端的分界处断裂,由于无间隔序列,因而mtDNA中基因重排很少发生。 

(2)错误复制和不完善的修复加剧了突变速率。在哺乳动物中mtDNA是由γ－聚合酶复制的,这种酶缺乏对新合成DNA链的编辑整理能力,且易于形成较高的核苷酸错配率。此外目前还没有发现mtDNA的修复机制。 

(3)mtDNA的周转时间很短,在一定程度上增加了单位时间内突变及错误复制的数目。 

(4)线粒体内具有较高浓度的内外源诱变剂,可能提高DNA突变速率。 

(5)细胞中冗余的线粒体和较小的DNA长度增加了对突变的固定速率。 

动物各类线粒体基因的进化特点 按照功能特点mtDNA可分成rRNA基因、tRNA基因、蛋白质基因及控制区四种类型,这四种序列在进化过程中具不同的特点。 

(1)rRNA基因:动物mtDNA中仅有二个rRNA基因,分别为小亚基12S和大亚基16S rRNA基因,每个线粒体内只有一份拷贝,无基因间隔。从总体上看rRNA基因进化最慢,以替换为主,有时可发生短片段的插入或缺失。rRNA基因内不同区域间进化速率也不相同,高度保守的核苷酸位点是rRNA二级结构上与核糖体蛋白质和tRNA结合部位、核心螺旋部位及mRNA加工部位等区域。

(2)tRNA基因:线粒体的tRNA基因的结构和功能约束力与相应的核tRNA基因相比较弱,因而其进化速率较快。在线粒体基因中,tRNA的进化速率比rRNA快,但比蛋白质基因慢。tRNA也是以替换为主,有时发生1～2bp的插入和缺失。tRNA基因的一个主要特点是它比其它线粒体基因更易发生转位。在昆虫纲内,蛋白质和rRNA基因相对位置不变,而一些tRNA基因的位置在直翅目、膜翅目、双翅目及磷翅目间有所不同。在棘皮动物中tRNA基因成簇排列在一起,而在其它动物中则分散排列。此外tRNA基因在进化过程中可以改变其功能,如棘皮动物中,两个亮氨酸tRNA基因中的一个在进化过程中与ND5蛋白质基因结合成为其一部分。 

(3)编码蛋白质的基因:蛋白质基因与上述RNA基因的最大差别是三联体密码子,尤其是密码子第一、二位的强约束作用,第三位碱基由于密码子的简并性约束力较弱,这种约束力强烈影响着DNA的替换型式,此外mRNA的二级结构也可能影响替换型式。而在蛋白质水平上进化速率主要受蛋白质的二、三、四级结构因素的影响。所有这些DNA和蛋白质水平的影响因素以非常复杂的相互作用方式决定着编码蛋白质基因的替换型式。 

(4)非编码区:动物mtDNA有少量的非编码区,主要是控制区,另有一些非编码的短片段零星分布于一些类群中。控制区是高度可变区,替换和片段的插入或缺失经常发生,在分子系统学上只能应用在种内进化研究上。在无脊椎动物中控制区A＋T含量极高,在密蜂中达85～96%,即实际上只有二种碱基之间的相互替换,因此趋同替换将很高且难以检测出来。控制区的另一特点是经常发生长度变异,长度变异主要由重复序列或模块的有无及重复数目多少决定的。

2.4.4 原生动物线粒体基因组

动核DNA  原生生物含有单个的，高度特化的线粒体称为动核(kinetoplast)，与其他的线粒体相似，它有自己的基因组(动核DNA，kinetoplast DNA，kDNA)。kDNA基因组的结构有很鲜明的特点，大环基因组在一个很复杂的网络中与很多小的衍生物(小环)互连。大环和小环的复制都是使用滚环复制原理。kDNA的原始转录本提供非常丰富的RNA编辑的例子。一个极端的例子，就是50％以上的核苦酸被去除，引导RNA(guide RNA)有利于这一过程的发生，它是小环合成的唯一产物。原生生物的动核(藻类线粒体也有)的特性还包括没有细胞器编码的tRNA(见上)和小片段rRNA的合成，rRNA散布于整个基因组。功能性RNA被认为是由分子内部碱基配对产生的。

2．4．5线粒体基因表达

  动物和真菌的mtDNA的转录是多顺反子的，真菌mtDNA中有多个启动子，但动物mtDNA中每一条链都只有一个启动子，在起始表达为全基因组(pangenomic，整个基因组)转录本。植物中绝大多数的线粒体mRNA是单顺反子(rRNA基因是例外)，但它们是从多个起始位点开始转录的。所有线粒体都使用与原核生物相似的启动子序列，编码与原核生物酶相关的RNA聚合酶，包括使用与σ因子类似的辅助因子。酵母和动物mtDNA的转录需要与HMG蛋白质家族有关的转录因子。

    线粒体中RNA的加工有好几种形式。植物中rRNA的转录本剪切后成熟，内含子被剪切(但是观察不到叶绿体中出现的反式剪切)，一些基因可以进行RNA编辑。动物中，加工过程包括包括将多顺反子切割成单个的基因片段，tRNA的二级结构基序具有内切酶活性，它的分散分布对于以上的过程可能起促进作用。动物线粒体的mRNA和rRNA都可以多腺苷酸化。真菌的线粒体中RNA的加工与3’端12个碱基有关，它们控制转录本的成熟。

    植物、真菌和动物线粒体的翻译使用修饰的遗传密码，这些修饰是具类群特异性的，反映了较小的tRNA基因组成库，在某些情况下反映了特殊的tRNA结构。tRNA种类的缺失可为摆动配对的修饰所补偿，所以可耐受更大的简并性(见第11章遗传密码)。植物的线粒体往往编码整套的tRNA，虽然有些物种特定tRNA是被核编码翻译后转运入线粒体的。一些藻类和原生生物的线粒体有很少的tRNA基因，有的甚至没有，这种情况下，大部分tRNA是从核内转运的。翻译的起始包括原核生物类似的核糖体结合位点，起始氨基酸是N—甲酰甲硫氨酸。翻译是线粒体中蛋白质基因的重要层次。

线粒体DNA的复制  一些植物和真菌线粒体复制的起点已被阐明，但复制的机制还不了解：在有些植物中，控制复制的系统必须能够判别母环和亚基因组环。在动物中，由RNA聚合酶合成的大的RNA引物启动了前导链(重链或H—链)的复制，引物被核糖核蛋白内切酶MRP切割(参见核酶)，然后DNA的合成就由DNA聚合酶γ起始。引物的延伸和随从链(resident strand)的替代产生了D—环，延伸经常在这一步被打断，这有可能与D—环中的基序有关(终止相关序列，terminal associated sequences)。这些位点的通读或被终止链的重新开始产生成功的复制。互补链(轻链或L—链)的起始是在重链的对面，与一个特殊的线粒体引物酶有关。这种特殊的连续复制表明mtDNA在大多数时间内以单链形式存在，这可能是它突变率相对较高的原因之一。

线粒体的生物发生过程可分成两个阶段:首先是在细胞核控制下进行线粒体膜的生长和复制,然后增殖;其次是线粒体本身的分化过程,建成能够行使功能的结构。线粒体生长和分化阶段分别接受核DNA和自身DNA两个遗传系统的控制,因此它不是一个完全自我复制的实体。实验证明生长阶段和分化阶段是相互的。线粒体在细胞内是有一定寿命的,若以半衰期(即半数线粒体衰老、解体和最后排除所需的时间)计算,大鼠肝细胞线粒体的半衰期为9．6～１０．３天,肾脏细胞为12.4天。 

    现在一般认为线粒体起源于自由生活的紫色细菌,它侵入真核细胞内经过共生阶段演化成具有现在功能的线粒体。 下载本文