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mtDNA

线粒体基因组也叫线粒体DNA。MtDNA结构与细菌DNA相似,成双链环状。线粒体基因组的结构特点也与原核生物相同。MtDNA可以独立编码线粒体中的一些蛋白质是核外遗传物质。基因组是细胞携带生命信息DNA及其蛋白质复合物的总称。

根据内共生学说,线粒体基因组来自于被真核细胞的祖先内吞的原核细胞的环状DNA。在长期的进化过程中,线粒体丢失了很多作为细胞器不必要的基因,并且许多必需的基因被转移到细胞核。

除成熟红细胞外,人身体所有细胞里面都有线粒体,但只有女性的线粒体基因能随其卵子遗传给后代。mtDNA是Mitochondrial DNA(线粒体DNA)的缩写,是承载线粒体遗传密码的物质。男人线粒体只伴随此男人生活一生,然后终结,不能遗传给后代。mtDNA表现为母系遗传。mtDNA结构类型是反映母系脉络的重要指标。通过检测现代人mtDNA,能弄清各民族、各地人的母系血缘关系。通过检测古尸线粒体,可弄清历史上各个民族间的母系血缘关系、历史故事、迁徙路线、历史名人的民族、身份。

母亲给儿女贡献了50%的遗传基因,对儿女遗传特性有着和父亲一样的影响力。古代一夫多妻,有时抢掠战败民族女性为妻为妾。胜族由于不适应败族地区气候地理条件(如华夏族不适应寒冷、干燥、冻土的胡人族的漠北地域),一般打完胜仗带着抢来的妾返回祖籍并共同生活生育儿女。异族妻妾生育的孩子虽有一半异族基因,但文化上被视作其父民族的人。儿子长大后继续到异族领地抢掠妻妾,生育的孙子辈已有75%异族血统,但仍被视作属于其爷爷民族的人。虽然孙子的Y染色体仍然和爷爷的一样类型,但其母系线粒体mtDNA,以及身体常染色体已和其爷爷的大不相同。如此不断循环,导致民族的文化、语言虽然还是祖先的,但若干代后民族人口的血统、基因已发生很大改变。

因此,一个民族、地区人群的母系线粒体mtDNA结构类型和构成比例,比父系Y染色体更能反映其遗传和血统特性。

1963年M. 和 S. Nass发现线粒体DNA(mtDNA)后,人们又在线粒体中发现了RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、tRNA、核糖体、氨基酸活化酶等进行DNA复制、转录和蛋白质翻译的全套装备,说明线粒体具有独立的遗传体系。

虽然线粒体也能合成蛋白质,但是合成能力有限。线粒体1000多种蛋白质中,自身合成的仅十余种。线粒体的核糖体蛋白、氨酰tRNA 合成酶、许多结构蛋白, 都是核基因编码, 在细胞质中合成后,定向转运到线粒体的,因此称线粒体为半自主细胞器。

利用标记氨基酸培养细胞,用氯霉素和放线菌酮分别抑制线粒体和细胞质蛋白质合成的方法,发现人的线粒体DNA编码的多肽为细胞色素c氧化酶的3个亚基,F0的2个亚基,NADH脱氢酶的7个亚基和细胞色素b等13条多肽。此外线粒体DNA还能合成12S和16SrRNA及22种tRNA。

每个线粒体含2~10个拷贝的DNA分子。不同生物的mtDNA大小不一,如酵母mtDNA约含78,000bp DNA,而大多数动物细胞mtDNA平均约含16,000bp DNA。1981年剑桥大学的Anderson小组测定了完整的人mtDNA序列(故人的mtDNA序列又称“剑桥序列”),其长度为16,569bp,含37个结构基因。

mtDNA分子为双链闭合环状DNA分子,外环为重链(H),内环为轻链(L )。基因排列非常紧凑,除与mtDNA复制及转录有关的一小段区域外,无内含子序列。大多数基因由H链转录, 包括2个rRNA , 14个tRNA 和12个编码多肽的mRNA , L链编码另外8个tRNA和一条多肽链。mtDNA上的基因相互连接或仅间隔几个核苷酸序列, 一些多肽基因相互重叠, 几乎所有阅读框都缺少非翻译区域。很多基因没有完整的终止密码, 而仅以T或TA 结尾,mRNA的终止信号是在转录后加工时加上去的。

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。

此外哺乳动物mtDNA的遗传密码与通用遗传密码有以下区别:①UGA不是终止信号,而是色氨酸的密码;②多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子编码,起始甲硫氨酸由AUG,AUA,AUU和AUC四个密码子编码;③AGA,AGG不是精氨酸的密码子,而是终止密码子,线粒体密码系统中有4个终止密码子(UAA,UAG,AGA,AGG)。

mtDNA表现为母系遗传。由于其裸露于线粒体基质中,既没有组蛋白的结合保护,又缺少DNA损伤的修复系统,所以极易发生突变,且突变结果容易保存下来,因此mtDNA的突变率为核DNA的10倍以上。 有些遗传病,如Leber遗传性视神经病,肌阵挛性癫痫等均与线粒体基因突变有关。


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