動物繁殖中的線粒體DNA 遺傳“瓶頸效應”

關盛宇，劉國世，張 魯

（中國農業大學動物科學技術學院，北京 100193）

線粒體是哺乳動物細胞中的一種重要細胞器，是合成ATP 為細胞生命活動提供能量的主要場所，被稱作“能量工廠”。同時線粒體還參與各類新陳代謝活動，參與調節細胞內鈣離子濃度與神經元信號傳遞[1]，也在細胞凋亡、先天性免疫[2]、組裝鐵硫簇[3]等眾多細胞活動中發揮作用。線粒體是半自主性細胞器，擁有自身的遺傳物質線粒體DNA（mtDNA）[4]。mtDNA 是環狀雙鏈DNA，是哺乳動物唯一存在于細胞核外的遺傳物質，可以獨立進行復制、轉錄和翻譯。人類mtDNA 長度約16.5 kb，包含37 個基因，能夠編碼13 種呼吸鏈的多肽亞基，其余組裝線粒體的蛋白質由核基因組編碼合成[5]。核基因組編碼的蛋白質與mtDNA 編碼的多肽相互作用形成5 個多亞基復合物，在線粒體膜內組成線粒體呼吸鏈。哺乳動物細胞內存在多拷貝的mtDNA，一些特定的細胞中還存在mtDNA拷貝數動態變化的現象[6]。mtDNA 突變時常發生，細胞內突變型mtDNA 與野生型mtDNA 混合共存的現象稱為mtDNA 的異質性（Heteroplasmy）[7]。

1 線粒體DNA 遺傳“瓶頸效應”及其理論基礎

1.1 線粒體DNA 的松弛復制 mtDNA 與核基因組不同，在單一細胞內以多拷貝形式存在，不同細胞類型、細胞功能以及細胞年齡的mtDNA 拷貝數也不盡相同，一般哺乳動物細胞中mtDNA 拷貝數在1～10 000[8]。mtDNA的復制不依賴于細胞周期，在線粒體融合（Fusion）和分裂（Fission）的過程中以松弛型復制模式持續進行[6]。mtDNA 松弛型復制模式存在一定程度的偏好性，突變型mtDNA 分子發生復制的概率和頻率較野生型更高[9]。這種現象導致細胞內mtDNA 基因頻率在分裂前就發生了變化，即mtDNA 基因頻率的變化不依賴于細胞周期，而且這種變化隨著細胞的分裂還會被放大。……