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yijun_tracy

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[交流] 有关线粒体进化的一些个人总结

线粒体的进化
1890年R. Altaman首次发现线粒体，命名为bioblast，以为它可能是共生于细胞内独立生活的细菌。1898年Benda首次将这种颗命名为mitochondrion。1900年L. Michaelis用Janus Green B对线粒体进行染色，发现线粒体具有氧化作用。Green（1948）证实线粒体含所有三羧酸循环的酶，Kennedy和Lehninger（1949）发现脂肪酸氧化为CO2的过程是在线粒体内完成的，Hatefi等（1976）纯化了呼吸链四个独立的复合体。Mitchell（1961－1980）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。
1962年，Nass等从鸡胚细胞发现了线粒体DNA(mtDNA)，从此为细胞信息结构的研究掀开了新的一页。,随着人们对线粒体DNA(mitochondrial DNA , 简称mtDNA)研究的深入,逐步揭示了一些令人深思的问题,如线粒体基因组的特性、线粒体遗传密码的独特性、细胞遗传的双重控制因素及其基因组的进化机理等。目前,线粒体DNA的分析不仅作为物种遗传标的常规方法,而且已成为进化生物学、基因组学、生物信息学等领域的研究热点。以下就线粒体及其DNA的基因组和遗传进化方面的研究进展作一些简要介绍。
1、线粒体结构
1.1 形态与分布
线粒体一般呈粒状或杆状，但因生物种类和生理状态而异，可呈环形，哑铃形、线状、分杈状或其它形状。主要化学成分是蛋白质和脂类，其中蛋白质占线粒体干重的65-70%，脂类占25-30%。
一般直径0.5~1μm，长1.5~3.0μm，在胰脏外分泌细胞中可长达10~20μm，称巨线粒体。
动物细胞内线粒体数目由几百到几千个，如人细胞内约含有几百个线粒体；植物因有叶绿体的缘故,细胞内线粒体数目一般比动物细胞少，动物细胞每个线粒体中约含有6个mtDNA分子。肝细胞约1300个线粒体，占细胞体积的20%；单细胞鞭毛藻仅1个，酵母细胞具有一个大型分支的线粒体，巨大变形中达50万个；许多哺乳动物成熟的红细胞中无线粒体。mtDNA数目的不同就使得每个生物细胞中的线粒体遗传信息量产生差异。
通常结合在维管上，分布在细胞功能旺盛的区域。如在肝细胞中呈均匀分布，在肾细胞中靠近微血管，呈平行或栅状排列，肠表皮细胞中呈两极性分布，集中在顶端和基部，在精子中分布在鞭毛中区。线粒体在细胞质中可以向功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨，由马达蛋白提供动力。
1.2 超微结构

线粒体由内外两层膜封闭，包括外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能区隔。在肝细胞线粒体中各功能区隔蛋白质的含量依次为：基质67%，内膜21%，外8%膜，膜间隙4%。
1.2.1外膜 (out membrane)
含40%的脂类和60%的蛋白质，具有孔蛋白（porin）构成的亲水通道，允许分子量为5KD以下的分子通过，1KD以下的分子可自由通过。标志酶为单胺氧化酶。
1.2.2内膜（inner membrane）
含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于3:1。心磷脂含量高（达20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。如：丙酮酸和焦磷酸是利用H+梯度协同运输。
线粒体氧化磷酸化的电子传递链位于内膜，因此从能量转换角度来说，内膜起主要的作用。内膜的标志酶为细胞色素C氧化酶。
内膜向线粒体基质褶入形成嵴（cristae），嵴能显著扩大内膜表面积（达5~10倍），嵴有两种类型：板层状、管状，但多呈板层状。
嵴上覆有基粒（elementary particle），基粒由头部（F1偶联因子）和基部（F0偶联因子）构成，F0嵌入线粒体内膜。
1.2.3膜间隙(intermembrane space)
是内外膜之间的腔隙，延伸至嵴的轴心部，腔隙宽约6-8nm。由于外膜具有大量亲水孔道与细胞质相通，因此膜间隙的pH值与细胞质的相似。标志酶为腺苷酸激酶。
1.2.4基质（matrix）
为内膜和嵴包围的空间。除糖酵解在细胞质中进行外，其他的生物氧化过程都在线粒体中进行。催化三羧酸循环，脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类均位于基质中，其标志酶为苹果酸脱氢酶。
基质具有一套完整的转录和翻译体系。包括线粒体DNA（mtDNA），70S型核糖体，tRNAs 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。
基质中还含有纤维丝和电子密度很大的致密颗粒状物质，内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子。
2、线粒体DNA
线粒体基因组的大小、结构在多细胞动物、高等植物、原生动物、藻类和真菌这几类真核生物中差异很大。多细胞动物的线粒体基因组是所有类型的生物中最小的，而且变化也很小，绝大部分都在15.7-19.5kb这个范围内。高等植物线粒体基因组与多细胞动物的相反，是真核生物中最大、最复杂的，而且还有很大的不均一性。基因组以单环或多环的形式存在，大小范围从208kb到2400kb不等。基因的排列顺序变化很大，并以散布的形式分布在基因组上。由于基因组所含的基因只比动物的多一些，因此，植物线粒体基因组应含有大量的非编码序列，包括基因间隔、重复序列和内含子。原生动物的线粒体基因组呈环状、线状、由大环和小环组成的网状结构等，大小在18.5-55kb之间，基因的排列不像多细胞动物那样致密。目前还没有发现内含子的存在。对藻类的线粒体基因组研究得较少，已知莱因衣藻的小基因组的结构像多细胞动物而不像高等植物。真核的线粒体基因组绝大部分呈环状，大小在17.6-115kb之间，基因的排列顺序在不同种类中也变化较大。基因组的大小主要由基因间隔的长度、内含子的数量、重复序列的数目等决定，随着基因组变小，这几种非编码序列，特别是内含子的数量，也减少。
概括起来，多细胞动物与高等植物的线粒体基因组是这种细胞器基因组在大小、结构等方面的两个极端。即分别代表小基因组类型和大基因组类型；而比较低等的原生动物、藻类和真菌的线粒体基因组则可以说是介于这两个极端之间，重复序列、内含子等非编码部分的存在与否及数量与基因组的大小有很大的关系，具较小基因组的偏向于动物型，具较大基因组的则偏向于植物型。“小基因组”型以基因组较小, 不含或只含少量重复序列和内含子为特点；“大基因组”型则以基因组巨大, 含有大量的重复序列和内含子为特点。

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1楼 2006-05-25 18:19:06

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2.1 线粒体DNA的结构组成
（以动物的线粒体为例）
动物mtDNA分子是共价闭合的双链分子，分子量较小，15．7～19．5 kb，基因组中无间隔序列，各基因间排列紧密，基因内基本不含内含子。mtDNA基因的排列顺序基本一致(鸟类稍有改变，鸟类是ND6和tRNA—Glu基因在控制区上游，而其他动物则是cytb。
mtDNA分为重链(H链)和轻链(L链)，双链密度不同。在mtDNA基因组中，含有2个rRNA基因(12SrRNA和16S rRNA)，22个tRNA基因，13个mRNA，D一环区和轻链复制起始区。在13个基因中，有5个mRNA翻译的产物是线粒体电子传递系统中的亚单位，包括细胞色素b基因(Gy曲)、细胞色素C氧化酶3个亚基的基因(COI、C0Ⅱ、COⅢ)和线粒体ATP酶复合体的第6亚基基因(ATPase 6)，另外8个基因为线粒体ATP酶复合体的第8亚基基因(ATPase)和NaDH氧化还原酶7个亚基的基因(ND1、ND2、ND3、ND4、ND4L、ND5、ND6)。除1个mRNA基因(ND6)和8个tRNA基因由轻链(L)编码外，其余绝大部分基因均由H链编码。D一环主要由重链复制起始区OH、轻链启动子LSP(L—strand promoter)，重链启动子HSP(H—strand promoter)、保守序列片段CSB I、CSB 11、CSBm (conserved sequence blocks)和终止结合序列TAS(ter—mination associated sequence)组成，又称控制区(controlregion)或非编码区(non—coding region)。

2.2 线粒体DNA的遗传特性
2.2.1 结构紧密，编码效率高
动物线粒体DNA一般无内含子，同核DNA相比，其mtDNA的编码效率较高。蛋白质编码基因间几乎没有间隙序列，即使存在也仅由1到几个核苷酸组成，一般少于10bp，基因转录物和产物呈现完全的共线性关系。并且在相邻基因之间有时相互交搭。
2.2.2 特异性组织
在研究过的所有哺乳动物及绝大多数其他脊椎动物中，个体内mtDNA具有高度的均一性，即同一个体的肾、心、肝、胎盘和皮肤等不同组织所得的mtDNA是一致的，也就是说没有组织特异性。这就有利于用限制性内切酶进行分析。但不同组织mtDNA的含量和断裂的程度有所不同，实验证明，从肝脏提取最容易。但在有些脊椎动物中，个体内也存在着多种重复序列数目不同线粒体基因组，称为异质性。重复序列能够形成发卡结构，发卡结构引起的高频率回复突变可能是异质性形成的原因，也不排除父本mtDNA的渗漏造成异质性。
2.2.3 严格的母系遗传
作为真核生物胞质遗传的重要组成部分，mtDNA是由卵细胞传递给后代，被认为属于典型的母性遗传。在高等动物中，以精子含有100个左右的mtDNA拷贝；而卵细胞内却含有1 个以上mtDNA分子。1983年Lamman等人用放射自显影技术证明，高等动物mtDNA来自父系所占的比例不超过0．004％。目前普遍认为严格的母系遗传，便于进行群体分析，一个个体就能代表一个母系集团，故通过几只随机的动物个体就可了解一个群体的遗传结构(Breseh H F，1984)。在应用mtDNA作为分子标记进行系统发育、种群遗传方面的研究时，取材及结果分析时要全面考虑。
2.2.4 进化速率快
虽然mtDNA基因组的长度及组织结构十分稳定，但其一级结构上的进化却很快，是单拷贝核DNA的5～10倍。研究表明，哺乳动物mtDNA的突变方式主要是碱基代换(Substitution)，包括转换(transition)和颠换(transvertion)。很少有基因重排。
2.2.5 控制区D—Loop环的遗传特性
线粒体DNA的结构上有一个独特的D—Loop环(displacement loop region)：位于tRNA—Pro和tRNA—Pile的基因之间，由少数碱基构成一个突出结构。该区可分为H一链复制起始区OH，保守序列节段(CSBI，II，Ⅲ)和L一链启动子(LSP)，H一链启动子(HSP)及终止结合序列(TAS)等。大量研究表明，在脊椎动物中，线粒体DNA控制区的结构是相似的，一些序列非常保守，在鱼类、鸟类、哺乳动物中都存在，被认为是功能单位，受自然选择影响较大，但是又存在巨大的变异，插入、缺失、串联重复等变异导致序列长度很不一样。在线粒体DNA上，D—Loop环是整个线粒体基因组序列和长度变异最大的区域，其进化速度最快，一般用于种内种群间的系统进化分析。
2.2.6 线粒体基因组的复制
线粒体DNA的复制是以半保留复制方式进行的。用3H 嘧啶核苷标记证明，mtDNA复制时间主要在细胞周期的S期及G期，DNA先复制，然后线粒体分裂。线粒体最常见的复制方式是D一环复制：首先从L链上的启动子(LSP，L—Strand promoter)转录出一段RNA，这段RNA链受保守序列(CSB)片段的限制而与L—DNA链紧密缔合，从而置换出与H链配对的这段DNA链形成环，这时RNA链被线粒体RNA加工酶(RinseMaP)切断，形成H一链复制的引物，由线粒体DNA聚合酶完成H链的复制，这段新合成的DNA链代替相应的H链而与L链配对，从而形成三链D一环结构，当H链复制2/3时,由于双链解开而露出H链启动子(HSP)并在此处合成一段RNA引物而引发L链的合成。参与复制的酶主要有： RNA加工酶、DNA聚合酶γ (DNA polγ)及单链结合蛋白(SSBPr)。
2.2.7 线粒体基因的遗传密码及RNA编辑
研究表明，无论动物、植物、酵母，其线粒体的遗传密码与核基因的标准密码在某些密码上有所不同。如密码子UGA在核基因中表示终止子，而在哺乳动物、果蝇及酵母中翻译成色氨酸；密码子AUA、AUU在核基因中翻译成异亮氨酸，而在哺乳动物、果蝇及酵母中翻译成甲硫氨酸；密码子AGA、AGG在核基因中翻译成精氨酸，而在哺乳动物中表示终止子，在果蝇中翻译成丝氨酸等。陈惟昌等应用高维空拓扑分析的方法。对线粒遗传密码和基因组遗传密码的6维编码空间进行对称性分析，得出：(1)线粒体遗传密码的起始密码子是2而不是1个。(2)线粒体遗传密码的终止密码子是4个而不是3个。(3)线粒体遗传密码空间只有2、4、6三种偶数简并度而没1、3两种奇数简并度，表明其对称度较高。(4)线粒体遗传密码连通度较低。(5)共有3个简并平面出现变异等。
在线粒体中存在着RNA编辑(RNA editing)现象，即修饰或轻微改变mRNA的核苷酸序列，使它们与对应的模板DNA的顺序有所不同的过程。
2.2.8 与核基因组之间的共同序列
在早期通过DNA/DNA杂交实验进行线粒体遗传物质的研究中，未揭示出细胞核与线粒体有共同的核苷酸序列存在，从而使随后一段时期，科学工作者应用mtDNA与核基因组无共同序列这一理论，用PCR方法扩增mtDNA基因片断进行多方面研究，并设计出很多通用引物用于不同物种线粒体基因扩增。
但后来出现了许多关于线粒体基因相似序列在细胞核中被发现的报道，现已证实，细胞核基因组内的这些相似序列是以假基因形式存在的，可以用通用引物扩增出来，从而干扰了线粒体基因目的片段的扩增。这些mtDNA相似序列广泛存在于动物细胞中，并存在一些共同特征：(1)包括rRNA基因、蛋白质编码基因、调控区在内，均可在核基因组中找到其类似片段；(2)核拷贝序列不仅可以很长，而且拷贝数也可能很高； (3)与其对应的mtDNA有很高的同源性；(4)在同一核基因组内，不同的插入序列进化程度不同；(5)与其对应的线粒体基因相比，具有不同的进化模式；(6)易为通用引物扩增。
mtDNA与核基因组之间存在着共同序列，这反映了胞质遗传系统与细胞核遗传系统间广泛存在着遗传物质的交流。一方面是线粒体遗传物质向细胞核输入，另一方面是细胞核遗传物质向线粒体转移。
2.2.9 分子钟(Molecular clock)理论
Brown等最早将mtDNA作为分子钟来推测物种分歧时间。他们推测：在灵长类，序列的进化速率为1—2％／百万年。随后许多学者在其他哺乳类及鸟类种也得到这一进化速率。随着mtDNA序列数据的增加，现已估测出一些更为精确的进化速率：在偶蹄目的rRNA基因中，颠换的积累与时间呈线性关系，其进化速率为0．2％／百万年；在哺乳类，ctyb基因中的第三密码子颠换积累也与时间呈线性关系，而其进化速率为rRNA基因的2．5倍。在2500万年范围内，若只利用第三密码子的无义颠换，在转换：颠换为10：1的前提下，无义突变速率约为10％／百万年。第一、第二密码子的颠换和转换也都与时间呈线性关系，它们发生氨基酸取代的替代率为0．4％／百万年。

3、线粒体基因组与核基因组的关系
在线粒体中，线粒体基因组的DNA信息是有限的，大多数线粒体基因组仅能编码两种rRNA及20种tRNA(原生动物除外)及13种多肽。因此，线粒体虽然有自己的DNA及核糖体等遗传装置，但由于它所含的遗传信息不足以支持它的生命活动，仍然要受核基因的控制。线粒体中的绝大多数蛋白质都是由核基因编码并在细胞质中的核糖体内合成后，通过线粒体膜运至内部进行更新与组装。
对酵母的研究发现，核基因与线粒体基因两套遗传系统具有密切配合的协调性。如酵母在有放线菌酮存在的情况下，细胞质蛋白合成受到特异性抑制，即细胞核中控制蛋白质合成的基因受到抑制，当培养1小时左右，线粒体的生物合成活性也显著下降，这说明控制线粒体生物合成的基因由于核基因受到抑制，也受到了影响。在对链孢霉的实验中，还发现另一现象，即在氯霉素(专一抑制细菌的蛋白质合成，不抑制细胞蛋白质合成)存在的条件下，链孢霉线粒体RNA合成和蛋白质合成都受到抑制，但是却刺激了细胞中与线粒体基因表达和复制有关的RNA聚合酶、DNA聚合酶的活性。根据这个现象，人们假设在正常情况下线粒体基因可能编码一种阻遏物，具有阻遏细胞核DNA转录和合成与线粒体有关的蛋白质和酶的作用，在氯霉素作用下抑制了线粒体蛋白质的合成，同时使得这种阻遏物不能形成，从而导致了由核基因编码的RNA聚合酶活性的升高。
在对哺乳动物内细胞色素氧化酶的研究中，研究人员发现无论是抑制或是促进哺乳动物体内的酶活性，都需要13种基因的协同作用，而这13种基因有3种分布在线粒体基因组上，另外10种则分布在核基因组中。综上所述，线粒体基因表达是建立在核基因表达基础之上的，并且在生物体内所进行的生命活动需要线粒体基因组与核基因组共同配合、协调作用才能正常进行。这充分说明了线粒体基因组与核基因组相互关系的重要性。

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2楼2006-05-25 18:19:28

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4、线粒体的起源和进化
线粒体在形态、染色反应、化学组成、物理性质、活动状态、遗传体系等方面，都很像细菌，所以人们推测线粒体起源于内共生。按照这种观点，需氧细菌被原始真核细胞吞噬以后，有可能在长期互利共生中演化形成了现在的线粒体。在进化过程中好氧细菌逐步丧失了独立性，并将大量遗传信息转移到了宿主细胞中，形成了线粒体的半自主性。
线粒体遗传体系确实具有许多和细菌相似的特征，如：①DNA为环形分子，无内含子；②核糖体为70S型；③RNA聚合酶被溴化乙锭抑制不被放线菌素D所抑制；④tRNA、氨酰基-tRNA合成酶不同于细胞质中的；⑤蛋白质合成的起始氨酰基tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA，对细菌蛋白质合成抑制剂氯霉素敏感对细胞质蛋白合成抑制剂放线菌酮不敏感。
内共生学说是目前人们解释真核细胞中细胞器起源的最普遍的假说，已有多方面的证据显示线粒体与现代真细菌中的紫色非硫光合细菌的α枝相似，表明线粒体是源于这类真细菌的原始祖先。
已进入内共生状态的线粒体祖先的基因组在进化过程中，一方面把相当部分的基因转移到核中（同时也接受一些来自核、其他细胞器官的DNA片段），另一方面就沿着小基因组方向与大基因组方向两种途径发展。向小基因组进化的以后生动物为代表，也包括具较小基因组的原核生物、藻类和真菌，以不再含有或只有很少重复序列和内含子等非编码成分为特点。而向大基因组进化的以高等植物为代表，也包括一些具有较大基因组的低等真核生物，以含有较多甚至大量重复序列和内含子为特点。
事实上，线粒体基因组的结构在不同生物中的差异和特点可以在很大程度上用这两种进化途径来说明。动物的线粒体基因组很小，不存在重复序列和内含子；而植物的线粒体基因组很大，重复序列和内含子均存在，并占基因组相当重要的比例，基因组的结构也变化较大。原生动物、藻类和真菌中，较小基因组的结构模式偏向于动物型，重复序列或内含子的存在可以看作是一种“遗迹”，是对认为线粒体祖先的基因组中含有重复序列、内含子的支持；较大基因组的结构模式则偏向于植物型，并且处于一种变化动态（如真菌中的内含子结构）。这是线粒体基因组的进化从总体上所遵循的两种途径。当然各类生物还有不少各自的特点，如基因组的重组，而且在一些进化末枝中，也存在一些基因组近代的变化，如基因组片段的扩增、缺失等，这可能与某些同一属，甚至同种中的基因组大小、结构变化较大有关。
此外，线粒体基因可向核基因组转座插入。纤毛虫等属于真核生物，但它们体内并没有线粒体存在。最近对原生动物Diplomonad Giardia Lamblia和Parabasalid Trichomonas vaginalis的细胞核编码的Valyl转移RNA合成酶(该酶被认为是具有线粒体起源的酶类)进行的进化分析表明，现在一些无线粒体的动物曾经历拥有线粒体的时期。这一事实造成人们对广为接受的内共生进化学说新的理解。线粒体DNA被视为按自身进化速率发展的小型基因组，广泛地接受为系统发生和群体进化研究的标记(marker)。最初认为，线粒体基因组具有快速率的碱基替换，而有关的进化是基于下述的一个假设：针对适应性来说线粒体基因序列的变化是中性的，对其碱基改变的分析能给出群体和相关种的进化史。其中要求有两个前提：物种内基因组多态性与物种间基因组多态性相对应；替换或置换比率在物种内和物种间是一样的。因此，不同生物线粒体基因组组成排列方式(包括基因相对位置，控制区结构)对于亲缘关系较远的系统发生学和群体遗传学研究极有意义。
近年来，有许多报道对线粒体基因组的中性进化(neutrale evolution)提出了疑义。因为在包括人类、鼠类和果蝇等进行的验证实验中普遍观察到的现象是物种内氯基酸多态性高于氯基酸置换的频率。例如，鼠和人ND3基因，人的CO lI、ND2基因，果蝇的Cytb和部分ND5基因。事实上，只有果蝇的ND3基因才适合于中性进化学说。当然，从分子水平上解释进化的压力还可能有其他原因，如：物种内氨基酸变异大于种间氨基酸变异，更多是由于基因的少量缺失造成的；进化压力本身的波动以及mtDNA可能正处于一种松弛的选择压力下也可能引起此现象。总之，人们渐渐认识到线粒体基因组不仅受到大量的与核基因组一致的进化压力，还受到一些自身基因变化的影响。

5、问题与展望
随着对线粒体基因遗传特性研究的不断深入，人们对线粒体DNA遗传特性的传统认识有了改变，基于那些传统理论的mtDNA研究及分析方法也应相应调整。目前对线粒体基因组的研究在脊椎动物和真菌两类生物中进行的最多，而对原生动物、藻类等低等真核生物，以及对植物的线粒体基因组的研究是不够的。对这些生物的线粒体基因组，特别是对各类生物中特大或特小的基因组进行详细的分析，必将能提供更多有价值的关于基因组起源和进化的信息，因此都是很有意义的。

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3楼2006-05-25 18:20:02

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