線粒體DNA 遺傳特性的研究新進展

杜 金

南京東南司法鑒定中心 江蘇南京 210042

從上世紀60年代開始，國內外諸多學者開始對動物線粒體進行研究，并且其進行研究的方法在20——30年之后，在傳統的分類、系統進化、人類學以及群體遺傳等方面得到了大量的滲透，并逐漸的將同工酶以及免疫實驗方法取而代之，成為了各個相關學科進行專業研究的重要基本工具之一。近年來，限制性片段長度多態性、PCR 技術以及分析技術得到了高速的發展，使以mtDNA 作為分子標記的研究成果不斷出現。當前，我們不僅將mtDNA 作為一種應用于研究的有效工具，還對其基因的遺傳特性進行了深入研究，希望能夠對mtDNA的組成結構以及遺傳特性具有更加全面和嶄新的認識。

一、線粒體DNA 在細胞內的數目與大小

（一）數目

在動物體內的細胞之中，線粒體的數目多達幾百甚至幾千，例如在人體的細胞內，其中包含的線粒體為幾百個，在植物的細胞內，線粒體的數目相對于動物較少。在通常情況下，動物細胞的每一個線粒體中的mtDNA 含量約為6 個，正是由于mtDNA 的數目各不相同，每個生物細胞的線粒體遺傳信息才會出現相應的差異。

（二）大小

一般來說，mtDNA 的分子量在1×106——2×108道爾頓之間，僅為核的1%——2%。對于動物mtDNA 來說，其通常在15——18kb 之間，長度為5.5μm 左右，分子量約為10×107道爾頓，而核DNA 分子量為其100 倍——1000 倍；對于植物mtDNA 來說，其通常在120——2700kb 之間；原生動物mtDNA通常在15——47kb 之間；昆蟲mtDNA 通常在14.5——17.9kb之間；真菌mtDNA 通常在18——78kb 之間；藻類mtDNA 通常在15——18kb 之間。事實上，mtDNA 的大小，是由基因間隔區以及間隔區內含子數量共同決定的，但是其中的編碼蛋白質含量則通常保持為一定的水平不變。

二、線粒體DNA 的結構與組成

（一）結構

根據電鏡觀察結果顯示，幾乎全部多細胞動物的mtDNA的存在方式都是單環共價閉合，并且通常專業人士認為，高等植物以及真菌mtDNA，均以線狀分子的形式進行存在。但是，有一部分植物的mtDNA 也可能以環狀分子的形式進行存在。

（二）組成

動物mtDNA 可以分為輕鏈和重鏈兩個類型，其中輕鏈（L）為雙螺旋中的內股，重鏈（H）為則為雙螺旋中的外股，對輕鏈和重鏈進行劃分的標準，就在于mtDNA 的密度。在通常情況下，H 鏈上包含rRNAs 基因模板以及蛋白質編碼，而在L 鏈上，僅包含7 個tRNA 以及ND6，對線粒體自身的rRNA、tRNA 以及蛋白質進行相應的編碼，12S rRNA 以及16S rRNA 為rRNA 的編碼；tRNA多達22 個；處于開放狀態下的閱讀框共有13 個，其分別屬于呼吸鏈的4 個復合體編碼:（1）包含ND1、ND2、ND3、ND4、ND5、ND6、ND4L 在內的脫氫酶的7 個亞基；（2）細胞色素b（cytb）；（3）包含CO I、CO II、CO III 在內的細胞色素c 氧化酶的3 個亞基；（4）包含ATPase6、ATPase8 在內的ATP 合成酶的兩個亞基。

在植物的mtDNA 當中，除了具有諸多的與動物基本相同的基因以外，有部分mtDNA 還存在的不具有基因的情況。

三、線粒體DNA 的遺傳特性

（一）結構緊密，編碼效率高

在動物的線粒體DNA 當中，一般來說無內含子，并且其與同核DNA 相對比，mtDNA 的編碼效率相對更高。對于蛋白質來說，其編碼基因之間基本不存在間隙序列，并且即使有間隙序列存在，也是僅由極少量的核苷酸組成的，且基因轉錄物質與產物之間，能夠呈現出極為顯著的共線性關系。在相鄰的基因之間，可能存在相互進行交搭的情況，并且在魚類以及其他動物的體內，蛋白質編碼基因以及tRNA 基因之間的交搭現象十分普遍。

（二）特異性組織

在全部哺乳動物以及多數脊椎動物之中，其個體內的mtDNA 均具有高度的統一性，也就是說，其個體內的臟器以及皮膚組織的mtDNA 具有高度的一致性，完全不存在組織特異性，以此為基礎，對限制性內切酶的方式進行分析具有更加良好的便利性。但需要注意的是，在不同的組織當中，mtDNA 的含量以及其能夠發生的餓斷裂長度均有所不同，且根據相關研究顯示，在個體肝臟中對mtDNA 進行最為簡捷。但是對于部分脊椎動物來說，其個體內也存在著一定的異質性，也就是在其個體內存在多種重復序列數目不同的線粒體基因組，較為常見的包括鱘、西鯡以及弓鰭魚等動物。重復序列的存在能夠促使發卡結構的形成，而發卡結構的存在則能夠引起高頻率的回復突變，也就極有可能是導致異質性形成的原因，當然與此同時，父本mtDNA 發生滲漏同樣可能導致生物本身出現異質性。

（三）嚴格的母系遺傳

mtDNA 是真核生物胞質進行遺傳的重要組成部分，并且只能夠通過卵細胞傳遞給后代，所以業內認為其屬于典型的“母系遺傳”。對于高等生物來說，通常有100 個左右的mtDNA 存在于精子中進行拷貝，而在卵細胞中，mtDNA 的數量則能夠達到108個甚至更多。上世紀80年代，通過專業人士對放射自顯影技術的應用，可以判斷來自于父系的高等動物mtDNA 的所占比例在0.004%以下。在綿羊與山羊、馬與驢、雞與鵪鶉的雜交之中，以及mtDNA 譜帶不相同的人類婚配之中，研究結果均顯示了mtDNA 的母系遺傳特征。并且就目前為止，在業內普遍認為，嚴格的母系遺傳的存在更加有利于對群體進行分析，因為在此情況下，只需要一個個體，就能夠對一整個母系集團進行代表。但是在上世紀90年代初期，通過對PCR方法進行檢測，發現小鼠父系mtDNA 也會在一定程度上存在，那么也就能夠導致線粒體基因在一定程度上產生異質性。由此，在使用mtDNA 對系統發育以及種群遺傳等相關研究進行分子標記時，進行取材以及結果分析工作就需要更加全面的考慮。

（四）進化速率快

在長度以及組織結構方面，mtDNA 具有較好的穩定性，但是其一級結構進行進化的速度相對較快，通常情況下為單拷貝核DNA 的5 倍——10 倍。根據相關研究顯示，哺乳動物mtDNA 發生突變的方式主要在于堿基代換，其中包括轉換與顛換兩個部分，但是在進行堿基代換的過程中，極少會有基因重排的情況出現。所以專業人士認為，導致mtDNA 進行的速率加快的主要原因為以下幾點：（1）脊椎動物的mtDNA 復制酶I 普遍不具有進行核對的能力，并且線粒體進行修復的機制相對較弱；（2）mtDNA 進行增殖的速度較快，所以堿基進行突變的機會相對較多；（3）在發生誘變的情況下能夠受到的影響較大；（4）進行選擇的壓力較小；（5）mtDNA 一級結構中所存在的分歧現象同樣存在于不同的遺傳群體之間；（6）mtDNA 基因組內不同區域發生進化的速率并不相同；（7）生理以及生態因素均能夠對進化速率產生影響。

四、結束語

通過上文我們可以了解到，隨著相關研究的不斷深入，人們對于mtDNA 的遺傳特性具有了更加深入的認識，但是與此同時，對于傳統的研究、分析方法也應該進行相應的調整。