线粒体DNA 遗传特性的研究新进展

2019-12-29杜金

医师在线 2019年2期

杜金

南京东南司法鉴定中心江苏南京 210042

从上世纪60年代开始，国内外诸多学者开始对动物线粒体进行研究，并且其进行研究的方法在20——30年之后，在传统的分类、系统进化、人类学以及群体遗传等方面得到了大量的渗透，并逐渐的将同工酶以及免疫实验方法取而代之，成为了各个相关学科进行专业研究的重要基本工具之一。近年来，限制性片段长度多态性、PCR 技术以及分析技术得到了高速的发展，使以mtDNA 作为分子标记的研究成果不断出现。当前，我们不仅将mtDNA 作为一种应用于研究的有效工具，还对其基因的遗传特性进行了深入研究，希望能够对mtDNA的组成结构以及遗传特性具有更加全面和崭新的认识。

一、线粒体DNA 在细胞内的数目与大小

（一）数目

在动物体内的细胞之中，线粒体的数目多达几百甚至几千，例如在人体的细胞内，其中包含的线粒体为几百个，在植物的细胞内，线粒体的数目相对于动物较少。在通常情况下，动物细胞的每一个线粒体中的mtDNA 含量约为6 个，正是由于mtDNA 的数目各不相同，每个生物细胞的线粒体遗传信息才会出现相应的差异。

（二）大小

一般来说，mtDNA 的分子量在1×106——2×108道尔顿之间，仅为核的1%——2%。对于动物mtDNA 来说，其通常在15——18kb 之间，长度为5.5μm 左右，分子量约为10×107道尔顿，而核DNA 分子量为其100 倍——1000 倍；对于植物mtDNA 来说，其通常在120——2700kb 之间；原生动物mtDNA通常在15——47kb 之间；昆虫mtDNA 通常在14.5——17.9kb之间；真菌mtDNA 通常在18——78kb 之间；藻类mtDNA 通常在15——18kb 之间。事实上，mtDNA 的大小，是由基因间隔区以及间隔区内含子数量共同决定的，但是其中的编码蛋白质含量则通常保持为一定的水平不变。

二、线粒体DNA 的结构与组成

（一）结构

根据电镜观察结果显示，几乎全部多细胞动物的mtDNA的存在方式都是单环共价闭合，并且通常专业人士认为，高等植物以及真菌mtDNA，均以线状分子的形式进行存在。但是，有一部分植物的mtDNA 也可能以环状分子的形式进行存在。

（二）组成

动物mtDNA 可以分为轻链和重链两个类型，其中轻链（L）为双螺旋中的内股，重链（H）为则为双螺旋中的外股，对轻链和重链进行划分的标准，就在于mtDNA 的密度。在通常情况下，H 链上包含rRNAs 基因模板以及蛋白质编码，而在L 链上，仅包含7 个tRNA 以及ND6，对线粒体自身的rRNA、tRNA 以及蛋白质进行相应的编码，12S rRNA 以及16S rRNA 为rRNA 的编码；tRNA多达22 个；处于开放状态下的阅读框共有13 个，其分别属于呼吸链的4 个复合体编码:（1）包含ND1、ND2、ND3、ND4、ND5、ND6、ND4L 在内的脱氢酶的7 个亚基；（2）细胞色素b（cytb）；（3）包含CO I、CO II、CO III 在内的细胞色素c 氧化酶的3 个亚基；（4）包含ATPase6、ATPase8 在内的ATP 合成酶的两个亚基。

在植物的mtDNA 当中，除了具有诸多的与动物基本相同的基因以外，有部分mtDNA 还存在的不具有基因的情况。

三、线粒体DNA 的遗传特性

（一）结构紧密，编码效率高

在动物的线粒体DNA 当中，一般来说无内含子，并且其与同核DNA 相对比，mtDNA 的编码效率相对更高。对于蛋白质来说，其编码基因之间基本不存在间隙序列，并且即使有间隙序列存在，也是仅由极少量的核苷酸组成的，且基因转录物质与产物之间，能够呈现出极为显著的共线性关系。在相邻的基因之间，可能存在相互进行交搭的情况，并且在鱼类以及其他动物的体内，蛋白质编码基因以及tRNA 基因之间的交搭现象十分普遍。

（二）特异性组织

在全部哺乳动物以及多数脊椎动物之中，其个体内的mtDNA 均具有高度的统一性，也就是说，其个体内的脏器以及皮肤组织的mtDNA 具有高度的一致性，完全不存在组织特异性，以此为基础，对限制性内切酶的方式进行分析具有更加良好的便利性。但需要注意的是，在不同的组织当中，mtDNA 的含量以及其能够发生的饿断裂长度均有所不同，且根据相关研究显示，在个体肝脏中对mtDNA 进行最为简捷。但是对于部分脊椎动物来说，其个体内也存在着一定的异质性，也就是在其个体内存在多种重复序列数目不同的线粒体基因组，较为常见的包括鲟、西鲱以及弓鳍鱼等动物。重复序列的存在能够促使发卡结构的形成，而发卡结构的存在则能够引起高频率的回复突变，也就极有可能是导致异质性形成的原因，当然与此同时，父本mtDNA 发生渗漏同样可能导致生物本身出现异质性。

（三）严格的母系遗传

mtDNA 是真核生物胞质进行遗传的重要组成部分，并且只能够通过卵细胞传递给后代，所以业内认为其属于典型的“母系遗传”。对于高等生物来说，通常有100 个左右的mtDNA 存在于精子中进行拷贝，而在卵细胞中，mtDNA 的数量则能够达到108个甚至更多。上世纪80年代，通过专业人士对放射自显影技术的应用，可以判断来自于父系的高等动物mtDNA 的所占比例在0.004%以下。在绵羊与山羊、马与驴、鸡与鹌鹑的杂交之中，以及mtDNA 谱带不相同的人类婚配之中，研究结果均显示了mtDNA 的母系遗传特征。并且就目前为止，在业内普遍认为，严格的母系遗传的存在更加有利于对群体进行分析，因为在此情况下，只需要一个个体，就能够对一整个母系集团进行代表。但是在上世纪90年代初期，通过对PCR方法进行检测，发现小鼠父系mtDNA 也会在一定程度上存在，那么也就能够导致线粒体基因在一定程度上产生异质性。由此，在使用mtDNA 对系统发育以及种群遗传等相关研究进行分子标记时，进行取材以及结果分析工作就需要更加全面的考虑。

（四）进化速率快

在长度以及组织结构方面，mtDNA 具有较好的稳定性，但是其一级结构进行进化的速度相对较快，通常情况下为单拷贝核DNA 的5 倍——10 倍。根据相关研究显示，哺乳动物mtDNA 发生突变的方式主要在于碱基代换，其中包括转换与颠换两个部分，但是在进行碱基代换的过程中，极少会有基因重排的情况出现。所以专业人士认为，导致mtDNA 进行的速率加快的主要原因为以下几点：（1）脊椎动物的mtDNA 复制酶I 普遍不具有进行核对的能力，并且线粒体进行修复的机制相对较弱；（2）mtDNA 进行增殖的速度较快，所以碱基进行突变的机会相对较多；（3）在发生诱变的情况下能够受到的影响较大；（4）进行选择的压力较小；（5）mtDNA 一级结构中所存在的分歧现象同样存在于不同的遗传群体之间；（6）mtDNA 基因组内不同区域发生进化的速率并不相同；（7）生理以及生态因素均能够对进化速率产生影响。