線粒體DNA 遺傳特性的研究新進(jìn)展

杜 金

南京東南司法鑒定中心 江蘇南京 210042

從上世紀(jì)60年代開始，國內(nèi)外諸多學(xué)者開始對(duì)動(dòng)物線粒體進(jìn)行研究，并且其進(jìn)行研究的方法在20——30年之后，在傳統(tǒng)的分類、系統(tǒng)進(jìn)化、人類學(xué)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(shí)驗(yàn)方法取而代之，成為了各個(gè)相關(guān)學(xué)科進(jìn)行專業(yè)研究的重要基本工具之一。近年來，限制性片段長度多態(tài)性、PCR 技術(shù)以及分析技術(shù)得到了高速的發(fā)展，使以mtDNA 作為分子標(biāo)記的研究成果不斷出現(xiàn)。當(dāng)前，我們不僅將mtDNA 作為一種應(yīng)用于研究的有效工具，還對(duì)其基因的遺傳特性進(jìn)行了深入研究，希望能夠?qū)tDNA的組成結(jié)構(gòu)以及遺傳特性具有更加全面和嶄新的認(rèn)識(shí)。

一、線粒體DNA 在細(xì)胞內(nèi)的數(shù)目與大小

（一）數(shù)目

在動(dòng)物體內(nèi)的細(xì)胞之中，線粒體的數(shù)目多達(dá)幾百甚至幾千，例如在人體的細(xì)胞內(nèi)，其中包含的線粒體為幾百個(gè)，在植物的細(xì)胞內(nèi)，線粒體的數(shù)目相對(duì)于動(dòng)物較少。在通常情況下，動(dòng)物細(xì)胞的每一個(gè)線粒體中的mtDNA 含量約為6 個(gè)，正是由于mtDNA 的數(shù)目各不相同，每個(gè)生物細(xì)胞的線粒體遺傳信息才會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)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(duì)于動(dòng)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(duì)于植物mtDNA 來說，其通常在120——2700kb 之間；原生動(dòng)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(shí)上，mtDNA 的大小，是由基因間隔區(qū)以及間隔區(qū)內(nèi)含子數(shù)量共同決定的，但是其中的編碼蛋白質(zhì)含量則通常保持為一定的水平不變。

二、線粒體DNA 的結(jié)構(gòu)與組成

（一）結(jié)構(gòu)

根據(jù)電鏡觀察結(jié)果顯示，幾乎全部多細(xì)胞動(dòng)物的mtDNA的存在方式都是單環(huán)共價(jià)閉合，并且通常專業(yè)人士認(rèn)為，高等植物以及真菌mtDNA，均以線狀分子的形式進(jìn)行存在。但是，有一部分植物的mtDNA 也可能以環(huán)狀分子的形式進(jìn)行存在。

（二）組成

動(dòng)物mtDNA 可以分為輕鏈和重鏈兩個(gè)類型，其中輕鏈（L）為雙螺旋中的內(nèi)股，重鏈（H）為則為雙螺旋中的外股，對(duì)輕鏈和重鏈進(jìn)行劃分的標(biāo)準(zhǔn)，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(zhì)編碼，而在L 鏈上，僅包含7 個(gè)tRNA 以及ND6，對(duì)線粒體自身的rRNA、tRNA 以及蛋白質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的編碼，12S rRNA 以及16S rRNA 為rRNA 的編碼；tRNA多達(dá)22 個(gè)；處于開放狀態(tài)下的閱讀框共有13 個(gè)，其分別屬于呼吸鏈的4 個(gè)復(fù)合體編碼:（1）包含ND1、ND2、ND3、ND4、ND5、ND6、ND4L 在內(nèi)的脫氫酶的7 個(gè)亞基；（2）細(xì)胞色素b（cytb）；（3）包含CO I、CO II、CO III 在內(nèi)的細(xì)胞色素c 氧化酶的3 個(gè)亞基；（4）包含ATPase6、ATPase8 在內(nèi)的ATP 合成酶的兩個(gè)亞基。

在植物的mtDNA 當(dāng)中，除了具有諸多的與動(dòng)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(jié)構(gòu)緊密，編碼效率高

在動(dòng)物的線粒體DNA 當(dāng)中，一般來說無內(nèi)含子，并且其與同核DNA 相對(duì)比，mtDNA 的編碼效率相對(duì)更高。對(duì)于蛋白質(zhì)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(zhuǎn)錄物質(zhì)與產(chǎn)物之間，能夠呈現(xiàn)出極為顯著的共線性關(guān)系。在相鄰的基因之間，可能存在相互進(jìn)行交搭的情況，并且在魚類以及其他動(dòng)物的體內(nèi)，蛋白質(zhì)編碼基因以及tRNA 基因之間的交搭現(xiàn)象十分普遍。

（二）特異性組織

在全部哺乳動(dòng)物以及多數(shù)脊椎動(dòng)物之中，其個(gè)體內(nèi)的mtDNA 均具有高度的統(tǒng)一性，也就是說，其個(gè)體內(nèi)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(chǔ)，對(duì)限制性內(nèi)切酶的方式進(jìn)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(dāng)中，mtDNA 的含量以及其能夠發(fā)生的餓斷裂長度均有所不同，且根據(jù)相關(guān)研究顯示，在個(gè)體肝臟中對(duì)mtDNA 進(jìn)行最為簡捷。但是對(duì)于部分脊椎動(dòng)物來說，其個(gè)體內(nèi)也存在著一定的異質(zhì)性，也就是在其個(gè)體內(nèi)存在多種重復(fù)序列數(shù)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(dòng)物。重復(fù)序列的存在能夠促使發(fā)卡結(jié)構(gòu)的形成，而發(fā)卡結(jié)構(gòu)的存在則能夠引起高頻率的回復(fù)突變，也就極有可能是導(dǎo)致異質(zhì)性形成的原因，當(dāng)然與此同時(shí)，父本mtDNA 發(fā)生滲漏同樣可能導(dǎo)致生物本身出現(xiàn)異質(zhì)性。

（三）嚴(yán)格的母系遺傳

mtDNA 是真核生物胞質(zhì)進(jìn)行遺傳的重要組成部分，并且只能夠通過卵細(xì)胞傳遞給后代，所以業(yè)內(nèi)認(rèn)為其屬于典型的“母系遺傳”。對(duì)于高等生物來說，通常有100 個(gè)左右的mtDNA 存在于精子中進(jìn)行拷貝，而在卵細(xì)胞中，mtDNA 的數(shù)量則能夠達(dá)到108個(gè)甚至更多。上世紀(jì)80年代，通過專業(yè)人士對(duì)放射自顯影技術(shù)的應(yīng)用，可以判斷來自于父系的高等動(dòng)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(jié)果均顯示了mtDNA 的母系遺傳特征。并且就目前為止，在業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，嚴(yán)格的母系遺傳的存在更加有利于對(duì)群體進(jìn)行分析，因?yàn)樵诖饲闆r下，只需要一個(gè)個(gè)體，就能夠?qū)σ徽麄€(gè)母系集團(tuán)進(jìn)行代表。但是在上世紀(jì)90年代初期，通過對(duì)PCR方法進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)小鼠父系mtDNA 也會(huì)在一定程度上存在，那么也就能夠?qū)е戮€粒體基因在一定程度上產(chǎn)生異質(zhì)性。由此，在使用mtDNA 對(duì)系統(tǒng)發(fā)育以及種群遺傳等相關(guān)研究進(jìn)行分子標(biāo)記時(shí)，進(jìn)行取材以及結(jié)果分析工作就需要更加全面的考慮。

（四）進(jìn)化速率快

在長度以及組織結(jié)構(gòu)方面，mtDNA 具有較好的穩(wěn)定性，但是其一級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)化的速度相對(duì)較快，通常情況下為單拷貝核DNA 的5 倍——10 倍。根據(jù)相關(guān)研究顯示，哺乳動(dòng)物mtDNA 發(fā)生突變的方式主要在于堿基代換，其中包括轉(zhuǎn)換與顛換兩個(gè)部分，但是在進(jìn)行堿基代換的過程中，極少會(huì)有基因重排的情況出現(xiàn)。所以專業(yè)人士認(rèn)為，導(dǎo)致mtDNA 進(jìn)行的速率加快的主要原因?yàn)橐韵聨c(diǎn)：（1）脊椎動(dòng)物的mtDNA 復(fù)制酶I 普遍不具有進(jìn)行核對(duì)的能力，并且線粒體進(jìn)行修復(fù)的機(jī)制相對(duì)較弱；（2）mtDNA 進(jìn)行增殖的速度較快，所以堿基進(jìn)行突變的機(jī)會(huì)相對(duì)較多；（3）在發(fā)生誘變的情況下能夠受到的影響較大；（4）進(jìn)行選擇的壓力較??；（5）mtDNA 一級(jí)結(jié)構(gòu)中所存在的分歧現(xiàn)象同樣存在于不同的遺傳群體之間；（6）mtDNA 基因組內(nèi)不同區(qū)域發(fā)生進(jìn)化的速率并不相同；（7）生理以及生態(tài)因素均能夠?qū)M(jìn)化速率產(chǎn)生影響。

四、結(jié)束語

通過上文我們可以了解到，隨著相關(guān)研究的不斷深入，人們對(duì)于mtDNA 的遺傳特性具有了更加深入的認(rèn)識(shí)，但是與此同時(shí)，對(duì)于傳統(tǒng)的研究、分析方法也應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。