线粒体基因表达边转录边翻译吗

线粒体虽然有自己的遗传系统和蛋白质翻译系统，且部分遗传密码也与核密码有不同的编码含义，但它与细胞核的遗传系统构成一个整体。

一、线粒体的遗传系统

线粒体的基因组只有1条DNA，称为mtDNA。mtDNA是裸露的，不与组蛋白结合，存在于线粒体的基质内或依附于线粒体内膜。在一个线粒体内往往有一至数个mtDNA分子，平均为5～10个mtDNA分子。它们主要编码线粒体的tRNA、rRNA及一些线粒体蛋白质，但由于线粒体中大多数酶或蛋白质仍由核编码，所以它们在细胞质中合成后经特定的方式转送到线粒体中。

二、线粒体基因组

线粒体基因组的全序列测定早已完成，线粒体基因组的序列（又称剑桥序列）共含有16 569个碱基对（bp），为1条双链环状的DNA分子。双链中1条为重链（H），1条为轻链（L），这是根据它们的转录本在氯化铯（CsCl）中密度的不同而区分的。重链和轻链上的编码物各不相同（图8－1），人类线粒体基因组共编码37个基因。重链上编码12SrRNA（小rRNA）、16SrRNA（大rRNA），NADH－CoQ氧化还原酶1（NADH－CoQ oxidoreductase 1， ND1）、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5，细胞色素C氧化酶1（cytochrome CoxidaseⅠ，COXⅠ）、COXⅡ、COXⅢ，细胞色素b的亚基，ATP合酶的第6亚单位和第8亚单位（A6、A8）及14个tRNA等（图中用小写字母表示其对应的氨基酸）；轻链编码ND6及8个tRNA。

图8－1 人类线粒体基因组编码图

在这37个基因中，仅13个是编码蛋白质的基因，13个序列都以ATG（甲硫氨酸）为起始密码，并有终止密码结构，长度均超过可编码50个氨基酸多肽所必需的长度。由这13个基因所编码的蛋白质均已确定，其中3个为构成COX复合体（复合体Ⅳ）催化活性中心的亚单位（COXⅠ、COXⅡ和COXⅢ）。这3个亚基与COX是相似的，其序列在进化过程中是高度保守的。2个为ATP合酶复合体（复合体Ⅴ）F0部分的2个亚基（A6和A8）。7个为NADH－CoQ还原酶复合体（复合体Ⅰ）的亚基（ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6）。还有1个编码的结构蛋白质为CoQH2－COX复合体（复合体Ⅲ）中细胞色素b的亚基。其他24个基因编码2种rRNA分子（用于构成线粒体的核糖体）和22种tRNA分子（用于线粒体mRNA的翻译）。

线粒体基因组与核基因组相比，经济或紧凑了许多。核基因组中编码功能的序列还不足10％，而在线粒体基因组中只有很少非编码的序列。转录之后，在mRNA转录物的特定区域加上多聚腺嘌呤核苷酸。

三、线粒体基因组的转录

线粒体基因组的转录是从2个主要的启动子处开始转录的，分别为重链启动子（heavy－strand promoter，HSP）和轻链启动子（light－strand promoter，LSP）。线粒体转录因子A （mitochondrial transcription factor A，mtTFA）参与了线粒体基因的转录调节。mt TFA可与HSP和LSP上游的DNA特定序列相结合，并在mtRNA聚合酶的作用下启动转录过程。mtTFA是一个相对分子质量为25 000的蛋白质，具有类似于高泳动组蛋白结构域的2个结构域。线粒体基因的转录类似原核生物的转录，即产生1个多顺反子（polycistronic transcription），其中包括多个mRNA和散布于其中的tRNA，剪切位置往往发生在tRNA处，从而使不同的mRNA和tRNA被分离和释放。重链上的转录起始位点有2个，形成2个初级转录物。初级转录物Ⅰ开始于tRNAphe，终止于16SrRNA基因的末端，最终被剪切为tRNAphe、tRNAval、12SrRNA和16SrRNA。初级转录物Ⅱ的起始位点比初级转录Ⅰ的起始位点要稍微靠下一点，大约在12SrRNA基因的5′端，它的转录通过初级转录物Ⅰ的终止位置持续转录至几乎整个重链。转录物Ⅱ经剪切后释放出tRNA和共13个多聚腺嘌呤的mRNA，但没有任何rRNA。通常情况下，剪切在新生的转录链上就开始了。剪切的mRNA与tRNA位置是非常精确的，因为每个mRNA的5′端与tRNA的3′端是紧密相连的。转录物Ⅰ的转录比转录物Ⅱ的转录要频繁得多，前者约是后者的10倍，这样rRNA和2个tRNA将比其他mRNA和tRNA要合成多得多。轻链转录物经剪切形成8个tRNA和1个mRNA，其余几乎不含有用信息的部分被很快降解。

与核合成mRNA不同，线粒体mRNA不含内含子，也很少有非翻译区。每个mRNA的5′端的起始密码为AUG（或AUA），UAA的终止密码位于mRNA的3′端。某些情况下，1个碱基U就是mtDNA体系中的终止密码子，而后面的2个A是多聚腺嘌呤尾巴的一部分，这2个A往往是在mRNA前体合成好之后才加上去的。加工后的mRNA的3′端往往有约55个核苷酸多聚A的尾部，但是没有帽结构。

所有mtDNA编码的蛋白质也是在线粒体内并在线粒体的核糖体上进行翻译的。线粒体编码的RNA和蛋白质并不运出线粒体外，相反，构成线粒体核糖体的蛋白质是由细胞质运入线粒体内的。用于蛋白质合成的所有tRNA都是由mtDNA编码的。值得一提的是，线粒体基因中两个重叠基因：一个是复合物Ⅰ的ND4L和ND4；另一个是复合物Ⅴ的ATP酶8和ATP酶6。

线粒体mRNA翻译的起始氨基酸为甲酰甲硫氨酸，这点与原核生物类似。另外，线粒体的遗传密码也与核基因不完全相同（表8－1）。例如，UGA在核编码系统中为终止密码，但在人类细胞的线粒体编码系统中，它编码色氨酸。

表8－1 线粒体与核密码子编码氨基酸比较

四、mtDNA的复制

环形人类mtDNA的复制类似于原核细胞，但也有自己的特点，典型的细菌（如E.coli）环形基因组有一个复制起始点（origin），并从某一位点进行双向复制，因此子链DNA的合成既需要DNA聚合酶（以母链为模板在RNA引物上合成子链DNA）；也需要RNA聚合酶（催化合成短的RNA引物），并以相反的方向同时进行。人类mtDNA也是单一的复制起始， mtDNA的复制起始点被分成两半：一个是在重链上，称为重链复制起始点（origin of heavy－strand replication，OH），位于环的顶部，tRNAPhe基因（557）和tRNAPro基因（16023）之间的控制区（control region），它控制轻链子链DNA的自我复制；另一个是在轻链上，称为轻链复制起始点（origin of light－strand replication，OL），位于环的“8”点钟位置，它控制轻链子链DNA的自我复制。这种2个复制点的分开导致mtDNA的复制机制比较特别，需要一系列进入线粒体的核编码蛋白的协助（图8－2）。

图8－2 与mtDNA复制有关的核编码蛋白

与细菌DNA一样，mtDNA的复制也需要RNA引物作为DNA合成的起始，线粒体的RNA聚合酶从位于OH和tRNAPhe基因之间的3个上游保守序列区段（conserved sequence blocks，CSBⅠ、Ⅱ、Ⅲ）之一附近开始合成一段相对分子质量较大的RNA引物，后者与相应的轻链互补结合，并暂时替代（displacement）控制区的重链，所形成的环状结构称D环（displacement loop）。轻链的复制要晚于重链，等重链合成一定的长度后，轻链才开始合成。一般情况下，重链的合成方向是顺时针的，轻链的合成方向是逆时针的。两个合成方向相反的链不断地复制直到各自半环的终了。单股的母环形成一个连锁的对环（a catenated pair of rings），后者在mtDNA拓扑异构酶的作用下去连锁，释放出新合成的子链，整个复制过程约持续2小时，比一般的复制时间要长（线粒体：16 569bp／2小时；大肠杆菌400万bp／40分钟）。此外，mtDNA的复制特点还包括其复制不受细胞周期的影响，可以越过细胞周期的静止期或间期，甚至可分布在整个细胞周期。