线粒体基因表达边转录边翻译吗

第1节　人类线粒体基因组

一、线粒体基因组的结构

人类线粒体DNA是独立于细胞核染色体外的又一基因组，经过克隆和序列分析，它由16569个碱基对组成，是目前研究的生物中最小的。mtDNA分子是环状双链DNA分子，外环为重链（H链），内环为轻链（L链）。人mtDNA的组分是高度不对称的，一条为重链，富含嘌呤；另一条是与重链互补的链，称为轻链，富含嘧啶。重链与轻链是由于密度梯度离心沉降速度不同而得名。线粒体基因组含有37个基因，其中，13个为蛋白质基因（包括1个细胞色素b基因，2个ATP酶基因，3个细胞色素C氧化酶亚单位的基因和7个呼吸链NADH脱氢酶亚单位的基因），2个为rRNA基因，其余22个为tRNA基因。目前已知轻链仅编码8种tRNA和1种编码ND6的小分子mRNA，其余的均为重链编码（图5－1）。

图5－1　人类线粒体基因组

二、线粒体DNA的遗传学特征

与核基因组相比较（表5－1），线粒体基因组具有下面几个显著的特点。

表5－1　人类核基因组与线粒体基因组的比较

续表

1.半自主性

与其他细胞器诸如溶酶体和过氧化物酶体等特化的膜囊结构相比，线粒体具有自己的遗传物质，所以有些人将mtDNA称为第25号染色体，也有些人称它为M染色体，约占细胞总DNA的1%。mtDNA虽能独立复制、转录和翻译，但由于核基因编码大量的维持线粒体结构和功能的大分子复合物，以及大多数氧化磷酸化酶的蛋白质亚单位，故mtDNA的功能又受核DNA的影响。

2.基因排列紧密

除与mtDNA复制与转录有关的一小段DNA区域外，人的线粒体基因之间无插入顺序，基因内也不含内含子，两条链都有编码功能，且部分区域出现基因的重叠。人mtDNA转录时，每条链从各自的一个启动子区开始，以相同的转录速度，合成轻链和重链两条不同的、巨大的RNA分子，通过核酸酶切割成为各个基因的mRNA或tRNA与rRNA。

3.tRNA的种类不同

在细胞液内有30或30种以上与氨基酸对应的tRNA，而在线粒体中tRNA兼用性较强，仅用22个tRNA来识别48个密码子。因此，线粒体基质内仅有22种tRNA用于线粒体蛋白质的合成。

4.遗传密码和通用密码不同

在线粒体遗传密码中，有4种密码子与核基因的“通用”密码子不同（表5－2）。最显著的是UGA编码色氨酸，而非终止信号。

表5－2　人类“通用”密码子和线粒体密码子之间的区别

5.母系遗传

母系遗传（maternal inheritance）即母亲将她的mtDNA传递给她所有的子女，但只有她的女儿能将mtDNA传递给下一代（图5－2）。这是因为精子与卵子结合时，精子提供的只是核DNA，受精卵中的细胞质全部来自卵子，即使精子中有少量mtDNA，与卵子中所含的上万mtDNA相比，几乎对基因型不产生影响。正是由于受精过程与细胞分裂期间线粒体DNA与核DNA不同的行为，以及每个线粒体含有多个DNA拷贝，导致了线粒体遗传病的传递模式与经典孟德尔性状的传递模式不同。因此，发生在生殖细胞系中的突变能引起母系家族性的疾病，而发生在发育过程中或体细胞组织中的突变则会引起散发的疾病，并同时引起与年龄相关的氧化磷酸化活性的降低。

图5－2　一例线粒体遗传病的系谱

6.同质性与异质性

人的细胞一般含有成百上千个mtDNA拷贝，在细胞分裂时，它们又被随机分配到子细胞中。在正常组织中，所有的mtDNA都是一致的，称为同质性（homoplasmy）。如果mtDNA发生突变，这将影响部分线粒体基因组，或者造成在同一细胞或组织中两种mtDNA共存，一种为野生型，另一种为突变型，称为异质性（heteroplasmy）。但在细胞分裂过程中，线粒体和线粒体DNA随机分配到子细胞中，所以，最终可能达到同质性。例如：分裂旺盛的细胞如血细胞往往有排斥突变mtDNA的趋势，朝着具有全部正常mtDNA的方向发展；而分裂不旺盛的细胞如肌肉细胞则会累积突变型mtDNA，朝着具有全部突变型mtDNA的方向发展，从而表型也会发生改变。氧化磷酸化缺陷与突变型mtDNA的比例成正比，氧化磷酸化活性降低范围可为正常活性的0～100%。线粒体基因病的症状在突变mtDNA同质个体较为严重，突变mtDNA的异质个体是否受累往往取决于突变mtDNA所占的比例。

7.阈值效应

线粒体遗传病的发生有一个阈值，即只有当突变的mtDNA达到一定的比例时才发病，其表型与氧化磷酸化缺陷的严重程度和各种器官系统对能量的依赖程度密切相关。不同的组织和器官对能量的依赖程度是不同的，脑、骨骼肌、心肌、肾脏、肝脏，对能量的依赖性依次降低。当线粒体中ATP产生减少，低于维持各种组织、器官正常功能所需能量的最低值时，临床症状就会表现，且ATP产生越少，病症涉及的器官越多，症状越严重。最先受损的是中枢神经系统，其次是肌肉、心脏、胰腺、肾脏和肝脏。女性携带者细胞内突变的mtDNA未达到阈值或在某种程度上受核基因的影响而未发病，但仍可以通过mtDNA突变体向下代传递。

需要注意的是，阈值是一个相对概念，易受突变类型、组织老化程度的影响，个体差异很大。

8.突变率高

mtDNA既无组蛋白保护，又缺乏有效的DNA损伤修复系统，且直接暴露于氧化磷酸化过程中产生的高反应氧中，其突变率比核DNA高10～20倍。故随着年龄的增大，体细胞内mtDNA新生突变会逐渐积累，氧化磷酸化功能不断下降，从而使原有的缺陷进一步加重，直至超过阈值，出现临床症状。

9.mtDNA可以稳定地整合到核基因组中

大多数线粒体的假定原始基因（presumed ancestral gene），尤其是与人类的生命力和繁殖力等重要功能相关的基因，可能在数亿年前已经被转移到细胞核中，这样能够更好地接受宿主的调控。

在人的胎盘组织、白细胞等基因组中均发现整合的mtDNA。在特定的条件下，核DNA序列和mtDNA序列可以在细胞内游走，从而可造成mtDNA对核基因组的插入。这种对核基因组的插入可能激活原癌基因或抑制抑癌基因的活性，导致细胞的分化增殖失控，最终形成肿瘤。若插入激活的是与衰老相关的基因，则其积累会导致细胞、组织和器官甚至机体的衰老。如mtDNA的细胞色素c氧化酶亚单位Ⅲ基因在核基因组内的整合，整合位点在c－myc原癌基因中，并能使细胞产生融合转录产物。

通过对整个人类基因组进行扫描，Ricchetti和他的同事发现了211个起源于线粒体的核序列（nuclear sequences of mitochondrial origin，NUMTs），他们从中挑选出42个用于进一步研究。这些基因似乎是融入时间最短的基因。在观察过程中，研究人员发现很难在非编码区的DNA中找到这些NUMTs，它们更倾向于插入活性较高的基因中，因此，这种插入能够引发疾病。最近就发现一例血友病患者中一个NUMTs插入了凝血因子基因中而导致疾病。

三、线粒体基因的复制

线粒体DNA有特异的复制起点，复制开始时只有一条链用做复制模板，即先以重链作为模板合成新链，即新的轻链，这条新合成的轻链取代原来的轻链和重链互补，而原来的轻链保持单链状态，这一区域因其特殊的形状而被命名为D－环或取代环（displacement loop）。线粒体DNA复制也需要引物。重链复制起点也是重链转录的启动子区，复制引物RNA的合成就起始于这个启动子。如果这个RNA引物继续转录，就产生线粒体的转录产物；如果它在D－环终止合成，就成为DNA复制的引物，或被降解。目前还不清楚这一过程的调节机制。

线粒体DNA两条链的复制是不同步的（图5－3）。首先以重链为模板合成新的轻链，随着原来的轻链被取代的区域的延伸，D－环越来越大。当D－环膨胀到线粒体DNA约2／3的时候，就暴露出轻链的复制点，并开始以原来的轻链为模板合成新的重链，其合成方向与新轻链的合成方向相反。因为新重链的合成较晚，所以它合成约1／3时新轻链的合成就完成了，并以环状双螺旋方式释放；而新重链继续合成直到完成，产生第二个线粒体DNA分子。复制的全过程大约需要2h。某些mtDNA分子在细胞周期中复制几次，而另一些可能不复制。

四、线粒体基因的转录与翻译

在线粒体基质内，含有其独特的基因组和蛋白质合成系统。mtDNA编码了线粒体主要功能必需的一组蛋白质。在脊椎动物，mtDNA编码了13种多肽链以及多种线粒体mRNA翻译所必需的rRNA和tRNA。有证据显示，线粒体是从早期的真细菌细胞进化而来的，与古老的真核生物细胞产生了一种共生关系。

图5－3　D－环复制

线粒体RNA聚合酶是由145kD的有RNA聚合酶活性的亚单位和43kD专一因子组成的，其识别的启动子顺序含有转录起始部位。人类线粒体基因组含有两个相关的15bp启动子顺序，分别用于重链和轻链的转录。两条链全部转录，对其初级转录产物进行加工，产生线粒体mRNA、rRNA和tRNA。一种22kD的线粒体转录因子（mtTF1）直接与上游的两个线粒体启动子结合，强有力地刺激转录。mtTF1可从任何方向结合到线粒体RNA聚合酶上，激活转录。mtDNA的两条链经过大致相同的转录速率产生两个巨大的RNA转录本（RNA前体）。转录是完全对称的，在转录过程中所需的RNA聚合酶是由核DNA编码并在细胞液中合成后输入线粒体的。在线粒体内转录的RNA包括组成线粒体核糖体的两种rRNA、参与蛋白质合成的22种tRNA和翻译成多肽的13种mRNA。

mRNA翻译是在线粒体的核糖体上进行的，其翻译产物已确定，但线粒体内mRNA的翻译过程不甚清楚。线粒体DNA编码的蛋白质全部为疏水片段。所有这些蛋白质都留在线粒体中，组成呼吸链和ATP合成酶的一些亚单位（表5－3）。

表5－3　人mtDNA编码、转录与翻译产物

续表